Описание и свойства ванадия
Ванадий первоначально был обнаружен мексиканцем А.М. Дель Рио в рудах бурого цвета, содержащих свинец, которые при нагревании давали красноватый цвет.
Но официальное признание элемент получил позднее, когда его обнаружил химик из Швеции Н.Г.Сефстрем при исследовании железной руды из местного месторождения и дал ему название Ванадий созвучное с именем Ванадис, которое носила древнегреческая богиня красоты.
По внешнему виду металл напоминает сталь своим серебристо-серым цветом. Но на этом сходство заканчивается. Строение ванадия : кубическая объемноцентрированная решетка с параметрами a=3,024A и z=2. Плотность составляет 6,11 г/ см 3 .
Плавится он при температуре 1920 о С, а кипеть начинает при 3400 о С. А вот нагревание на открытом воздухе до температуры выше 300 о С снижает пластические свойства металла и делает его хрупким, повышая при этом твердость. Понять такое поведение помогает строение атома металла.
Ванадий элемент, имеющий атомный номер 23 и атомную массу 50,942, он относится к V группе четвертого периода системы Д. . А это означает, что атом ванадия состоит из 23-х протонов, 23-х электронов и 28-ми нейтронов.
Несмотря на то что это элемент V группы, валентность ванадия не всегда равна 5. Она бывает 2, 3. 4 и 5 с положительным знаком. Разные значения валентности объясняются разными вариантами заполнения электронных оболочек, при которых они приходят в стабильное состояние.
Известно, что положительное значение валентности определяется числом отданных атомом химического элемента электронов, а отрицательное – числом электронов, присоединенных к внешнему энергетическому уровню для формирования его стабильности. Электронная формула ванадия — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 3 .
Он может легко отдать два электрона с 4-го подуровня, при этом его степень окисления обусловлена 2-х валентным положительным проявлением. Но атом этого элемента способен отдавать еще 3 электрона с предшествующей внешнему подуровню орбиты и проявить максимальную степень окисления, равную +5.
Оксиды этого элемента с валентностью от 2-х до 5 различны по своему химическому проявлению. Оксиды VO и V 2 O 3 имеют основной характер, VO 2 – амфотерный и V 2 O 5 – кислотный.
Чистый металл отличается своей пластичностью и поэтому хорошо обрабатывается , штамповкой, прессованием и прокаткой. Обработка сваркой и резкой должны проходить в инертной среде, т. к. при нагревании теряется пластичность.
При обработке металл практически не подвержен наклепу и может выдержать большие нагрузки при обжатии в холодном виде без промежуточного отжига. Он устойчив к коррозии и не изменяется под влиянием воды, в том числе и морской, а также слабых растворах некоторых кислот, солей и щелочей.
Месторождения и добыча ванадия
Ванадий химический элемент , достаточно распространенный в земных породах, но в чистом виде не встречается, присутствуя в минералах в рассеянном состоянии. Скопления его в породах присутствуют очень редко. Это редкий металл. Руда с содержанием 1% чистого вещества относится к категории богатой.
В промышленности не пренебрегают даже рудами с содержанием 0,1% дефицитного элемента. В малых концентрациях он встречается более чем в сорока минералах. Значимыми для промышленности можно назвать роскоэлит, называемый ванадиевой слюдкой, в котором содержится до 29% пятиокиси V 2 O 5 , карнотит (урановая слюдка), содержащий 20% V 2 O 5 , и ванадинит с содержанием 19% V 2 O 5.
Крупные месторождения руд, содержащие металл, находятся в Америке, ЮАР, России, Финляндии и Австралии. Большое месторождение есть в горах Перу, где он представлен патронитом V 2 S 5 , содержащим серу. При его обжиге образуется концентрат, содержащий до 30% V 2 O 5.
Найден минерал в Киргизии и Казахстане. Знаменитое Кызылординское месторождение является одним из крупнейших. В России его добывают в основном в Краснодарском крае (Керченское месторождение) и на Урале (Гусевогорское месторождение титаномагнетитов).
Технология извлечения металла зависит от требований к его чистоте и области использования. Основные методы, применяемые в технологии его получения – это йодидный, кальцетермический, алюминотермический, углетермический в вакууме, хлоридный.
В основе технологии йодидного метода лежит термическая диссоциация йодида . Распространенным является получение металла восстановлением V 2 O 5 термическим методом с применением кальция или алюминия.
При этом происходит реакция по формуле: V 2 O 5 +5Ca = 2V+5CaC+1460 кДж с выделением тепла, которого достаточно для расплавления образовавшегося V, что позволяет ему стекать и собираться в твердом виде. Чистота металла, полученного таким способом, достигает 99,5%.
Современный способ извлечения V — это восстановление оксидов в условиях вакуума углеродом при температуре от 1250 о С до 1700 о С. Метод хлоридной добычи заключается в восстановлении VCl 3 жидким магнием.
Применение ванадия
Одно из основных применений металл нашел в качестве легирующей добавки — феррованадия для улучшения качества сталей. Добавление ванадиевой повышает прочностные параметры сталей, а также ее вязкость, износостойкость и другие характеристики.
При этом добавка выполняет функцию как раскислителя, так и карбидообразующего компонента. Карбиды равномерно располагаются в сплаве, предотвращая структурный рост зерен стали при нагревании. Легированный ванадием чугун также способствует улучшению его качеств.
Применяется ванадий для улучшения сплавов на основе титана. Есть титана, в составе которых содержится до 13% этой легирующей добавки. Присутствует ванадий также в сплавах ниобия, тантала и хрома, используемых в авиационной промышленности, а также алюминиевых, титановых и других материалах авиации и ракетостроения.
Уникальность элемента позволяет использовать его в атомной отрасли при производстве канальных труб ТВЭЛов для атомных станций, т. к. он, как и цирконий, обладает свойством малого поперечного захвата тепловых нейтронов, что важно при протекании ядерных реакций. В атомно-водородной технологии используют хлорид ванадия для термохимического взаимодействия с водой.
Используют ванадий в химической и сельскохозяйственной отрасли, медицине, стекольном производстве, текстильной области, лакокрасочном производстве и изготовлении аккумуляторов. Широко распространены ручные и оснастка из сплава хром ванадий, отличающиеся своей прочностью.
Одно из последних направлений — это электроника. Особенно интересным и перспективным является материал на основе диоксидов титана и ванадия . Соединенные определенным образом, они создают систему, обладающую способностью значительно увеличивать память и скорость компьютеров и других электронных устройств.
Цена ванадия
В качестве готового сырья ванадий выпускают в виде , прутков, кругов, а также оксидов. В ассортименте многих предприятий, занимающихся производством этого тугоплавкого металла, представлены сплавы различных марок. Цена во многом зависит от назначения, чистоты металла, способа производства, а также вида продукции.
Например, Екатеринбургское предприятие НПК «Специальная металлургия» реализует слитки по цене 7 тыс. за кг, — по цене от 440 до 500 тыс. за тонну, слитки марки ВНМ-1 по цене 500 тыс.за тонну. Цена может меняться также в зависимости от рыночных условий и спроса на продукцию.
Cтраница 1
Валентность ванадия, ниобия и тантала в соединениях бывает II, III, IV и V. Валентность V в обычных условиях наиболее стабильна.
Валентность ванадия в соединениях, входящих в состав пород вторичного происхождения, вроде глин, известняков, песчаников, углей и железных руд, пока еще точно не установлена. Гиллебранд одно время считал, что ванадий в этих породах находится в пятивалентном состоянии, однако исследование некоторых содержащих ванадий песчаников2 Западного Колорадо, в которых ванадий оказался трехвалентным, показало несостоятельность этого взгляда.
Валентность ванадия в окиснованадиевых работающих катализаторах зависит обычно не от состава, взятого для приготовления окисла (V.2 O5, V2O4, V2O3), а от состава реакционной смеси и условий протекания процесса. При катализе водородо-кислородной смеси окислы ванадия окисляются до V2O6, независимо от их первоначального состава.
Валентность ванадия в соединениях, входящих в состав пород вторичного происхождения, вроде глин, известняков, песчаников, углей и железных руд, пока еще точно не установлена. Гиллебранд одно время считал, что ванадий в этих породах находится в пятивалентном состоянии, однако исследование некоторых содержащих ванадий песчаников 2 Западного Колорадо, в которых ванадий оказался трехвалентный, показало несостоятельность этого взгляда.
Обусловленное понижением валентности ванадия последовательное изменение окраски наглядно выявляется при действии Zn на солянокислый раствор NHUVOs. Пятивалентный ниобий восстанавливается цинком в кислой среде до МЬ 3, тогда как Та 5 совсем не восстанавливается.
Следует, однако, подчеркнуть, что валентность ванадия (и титана), определяемая в продуктах взаимодействия между компонентами катализатора методом окислительно-гидролитического титрования, во многих случаях в значительной степени занижена.
Такая близость ьеличин нормальных потенциалов высших степеней валентности ванадия и хрома обусловливает большое сходство окислительно-восстановительных реакций этих элементов.
Наиболее широко изученные хорошие катализаторы состоят из соединений ванадия (валентность ванадия - три или выше) и алкилпроизодных алюминия. В состав одного из компонентов должен входить галоген. Раздельное введение компонентов каталитической системы в реакционную смесь в присутствии мономера предпочтительно. Средняя продолжительность жизни активного катализатора невелика и составляет при 30 С приблизительно 5 - 10 мин.
Таким образом, при возникновении 1 моль А1 (С2Н5) 2С1 валентность ванадия понижается на одну единицу, а при образовании 1 моль А1 (С2Н5) 2ОС2Н5 - на две единицы. При значении исходного молярного соотношения А1 (С2Н5) 3: VOC13 более 2 содержание хлора в растворе возрастает. Это объясняется трудностью восстановления ванадия до одновалентной формы и установлением равновесия.
Таким образом, при возникновении 1 моль А1 (С2Н5) 2С1 валентность ванадия понижается на одну единицу, а при образовании 1 моль А1 (С2Н5) 2ОС2Н5 - на две единицы. При значении исходного молярного соотношения А1 (С2Н5) 3: VOCl3 более 2 содержание хлора в растворе возрастает. Это объясняется трудностью восстановления ванадия до одновалентной формы и установлением равновесия.
Оксиды ванадия более низкой валентности характеризуются более высокими температурами плавления, поэтому поддержание низкой валентности ванадия может способствовать снижению деструкции цеолита.
Таким образом, по этому механизму окисление металла протекает под воздействием кислорода из-за изменения валентности ванадия.
Из приведенных схем видно, что при образовании 1 моля А1 (С2Н5) 2С1 валентность ванадия понижается на одну единицу, а при образовании 1 моля (С2Н5) 2АЮСгН5 - на две единицы. В дальнейшем было установлено , что взаимодействие А1 (С2Н8) 3 с VOC13 на первой стадии протекает исключительно по связи ванадий - кислород, а в случае RA1 (OR) G1 - по связи ванадий - хлор.
Обнаруженные в работе Бобо пять химических соединений по своим свойствам распадаются на две группы в зависимости от валентности ванадия. Первые легко растворяются в разбавленных кислотах, вторые - только в концентрированных. Наиболее трудно растворим UVO5, он растворяется только в концентрированной горячей серной кислоте. Соединения первой группы термически нестабильны, они плавятся или разлагаются при температурах, близких к температуре плавления VaO5 - UVOs5 плавится с разложением при 750 С, при этом образуется пористый препарат, содержащий UsOs с немного измененными параметрами. Соединения второй группы термически более устойчивы. С, выше которой он разлагается на окисел урана и двуокись ванадия. С разлагается на UVOS и V2O5 в соответствии с валентностью ванадия в исходном соединении.
Цредполагали, что первичные активные центры могут спонтанно переходить во вторичные / менее активные / по мономолекулярному механизму, принимать участие в реакция роста полимерной цепи или дезакти-визироваться с понижением валентности ванадия. Эта последняя реакция, по-видимому, бимолекулярна и может протекать с участием затоми нигалкила.
Ванадий – вещество серебристо-серого цвета (см. фото), относится к группе металлов. Обладает химической инертностью и устойчив к действию серной, азотной и соляной кислот.
Элемент имеет довольно долгую историю открытия, начиная с 1801 года. Его обнаруживали несколько ученых в различных источниках. Однако именно ученый швед по фамилии Берцелиус дал ему нынешнее название в честь древнескандинавской богини красоты Ванадис.
В природе его обнаруживают в земной коре и воде, но в очень малых количествах и в виде соединений.
Основными потребителями ванадия являются черная металлургия, титановая промышленность, авиационная и ракетная область технологии. В чистом виде элемент активно используется в атомной энергетике и при производстве химических приборов, а в виде соединений в сельском хозяйстве, медицине, в кино- и фотопромышленности, лакокрасочной, текстильной, резиновой и стекольной промышленности.
Действие ванадия и его биологическая роль в организме человека
Действие макроэлемента распространено на все органы человеческого тела: костная ткань, сердце, мышцы, почки, легкие, щитовидная железа. И это, несмотря на то, что общее содержание элемента в организме составляет приблизительно 1 мкг, т.е. миллионная часть грамма. Ученые долго спорили о том, необходим ли ванадий нашему организму и только во второй половине 20 века его роль в биохимических реакциях была признана положительной, а соответственно необходимой для здоровья.
Биологическая роль элемента очень важна, а его участие в функциях организма довольно разнообразно:
Как говорится, маленький, да удаленький элемент.
Суточная норма
Суточная норма макроэлемента в среднем составляет 2 мкг (по другим источникам 10-25 мкг). Это количество вполне обеспечивается с пищей. Из этого количества организм усваивает около 1%, все остальное выводится почками.
Недостаток ванадия
Недостаток макроэлемента довольно редкое явление и вызвать его могут сахарный диабет и атеросклероз. Это своего рода замкнутый круг, т.к. дефицит элемента способен вызывать развитие этих заболеваний.
Обычным явлением при дефиците ванадия является сниженный уровень холестерина, и повышенный – триглецеридов и фосфолипидов при рассмотрении биохимического состава крови. Самым сложным осложнением при нехватке элемента может быть проявление шизофрении, но такие случаи были единичными.
На данный момент существуют данные о возможных последствиях лишь у животных. Недостаток сказывался на состоянии костей, щитовидной железы и ходе беременности.
Избыток ванадия
Переизбыток макроэлемента чаще всего можно встретить у сотрудников производства стекла, топлива и асфальта. Их профессиональным заболеванием является астма, экзема, воспаления кожи органов дыхания и зрения.
Токсичной считают прием дозы элемента в пределах 0,25 мг, а 2-4 мг делают ее летальной. В первом случае может происходить острая интоксикация с аллергическими проявлениями, снижается уровень лейкоцитов и гемоглобина в крови. Увеличивается риск раковых заболеваний, болезней органов дыхания.
При нахождении в группе риска стоит больше употреблять белковой пищи, а также повышать уровень хрома в организме.
Сложная экологическая обстановка способствует накоплению ванадия в организме. Замечаются последствия в виде высокого кровяного давления, нарушения работы нервной системы.
В каких источниках содержится?
Продукты, в которых содержится ванадий – это основной источник получения элемента организмом. Больше всего содержание его в морепродуктах и грибах, как ни странно лидером среди грибов является бледная поганка. Также много его в петрушке, шпинате, черном перце, печени, мясе, растительном масле, сое, злаках (особенно в неочищенном рисе).
Мед считается наиболее оптимальным источником среди всех ранее перечисленных. А вот в овощах и фруктах его практически нет. Также не стоит особо рассчитывать на животные жиры, сливочное масло, шоколад, макароны и творог.
Усвоению способствуют аскорбиновая кислота, железо и алюминий.
Показания к назначению
Показания к назначению макроэлемента носят в основном гомеопатический характер. Его назначают в качестве противовоспалительного, спазмолитического и ангиопротекторного препарата.
Применяют ванадий при атеросклерозе, при повышенном уровне холестерина и нарушении обмена веществ из-за «зашлакованных» сосудов.
Ванадий представляет собой химический элемент, обозначаемый символом «V». Атомная масса ванадия 50,9415 а. е. м., атомный номер - 23. Это твердый серебристо-серый, ковкий и плавкий металл, редко встречающийся в природе. Входит в состав более чем 60 минералов и даже может содержаться в ископаемом топливе.
Непризнанное открытие
Металл ванадий впервые был обнаружен мексиканским минерологом испанского происхождения Андресом Мануэлем Дель Рио в 1801 году. Исследователь извлек новый элемент из образца добытой в Мексике «коричневой» свинцовой руды. Как оказалось, соли металла обладают большим разнообразием цветов, поэтому Дель Рио первоначально назвал его «panchromium» (от греческого "παγχρώμιο" - «разноцветный»).
Позже минеролог переименовал элемент в erythronium (от греческого "ερυθρός" - «красный»), потому что большая часть солей приобретала красной оттенок при нагревании. Казалось бы, невероятная удача улыбнулась малоизвестному в Европе ученому. Открытие нового химического элемента ванадия сулило если не славу, то, как минимум, признание коллег. Однако из-за отсутствия весомого авторитета в научном мире достижение мексиканца проигнорировали.
В 1805 году французский химик Ипполит Виктор Колле-Декотильс предположил, что новый элемент, исследованный Дель Рио, был всего лишь образцом хромата свинца с примесями. В конечном итоге мексиканский исследователь, чтобы окончательно не потерять лицо перед ученой братией, принял утверждение Колле-Декотиля и отказался от своего открытия. Впрочем, его достижение не кануло в небытие. Сегодня Андрес Мануэль Дель Рио признан как первооткрыватель редкого металла.
Повторное открытие
В 1831 году швед Нильс Габриэль Сефстрём вновь обнаружил химический элемент ванадий в оксиде, полученном им при работе с железной рудой. В качестве его обозначения ученый выбрал литеру «V», которая еще не была присвоена ни одному элементу. Сефстрём назвал новый металл из-за его красивой и богатой окраски в честь древнескандинавской богини красоты Ванадис.
Новость вызвала повышенный интерес в научном сообществе. Сразу вспомнили о работах мексиканского минеролога. В том же 1831 году Фридрих Вёлер перепроверил и подтвердил предыдущее открытие Дель Рио. А геолог Джордж Уильям Фезерстонхауп даже предложил назвать металл «рионием» в честь первооткрывателя, но инициатива поддержана не была.
Неуловимый
Выделение металла ванадия в чистом виде оказалось затруднительным. До этого ученые работали лишь с его солями. Именно поэтому истинные свойства ванадия били неизвестны. В 1831 году Берцелиус сообщил о получении металлизированного вещества, но Генри Энфилд Роско доказал, что Берцелиус фактически произвел нитрид ванадия (VN). В конечном итоге Роско произвел металл в 1867 году путем восстановления хлорида ванадия (VCl 2) под действием водорода. С 1927 года чистый ванадий получают путём восстановления пентаоксида ванадия с участием кальция.
Первое серийное промышленное использование элемента относится к 1905 году. Металл добавляли в стальной сплав для изготовления шасси гоночных автомобилей, а позже - в Ford Model T. Характеристики ванадия позволяют снизить вес конструкции, одновременно увеличивая прочность на растяжение. Кстати, немецкий химик Мартин Хенце обнаружил ванадий в клетках крови (или целомических клетках) морских обитателей - акцидий - в 1911 году.
Физические свойства
Ванадий представляет собой ковкий серо-синий металл средней твёрдости со стальным блеском и плотностью 6,11 г/см³. Некоторые источники описывают материал как мягкий, имея ввиду его высокую пластичность. Кристаллическая структура элемента сложнее большинства металлов и сталей.
Ванадий обладает хорошей устойчивостью к коррозии, щелочам, серной и соляной кислотам. Он окисляется на воздухе при температуре около 660°С (933К, 1220°F), хотя пассивация оксида происходит даже при комнатной температуре. Плавится данный материал при достижении температуры 1920°С, а при 3400°С - закипает.
Химические свойства
Ванадий под воздействием кислорода образует четыре типа оксидов:
Соединения ванадия типа (II) являются восстановителями, а соединения типа (V) - окислителями. Соединения (IV) часто существуют как производные катиона ванадила.
Оксид
Наиболее коммерчески важным соединением является пятиокись ванадия. Это коричнево-жёлтое твёрдое вещество, хотя при свежевыпакованном осаждении из водного раствора его цвет является тёмно-оранжевым.
Оксид используется в качестве катализатора для получения серной кислоты. Это соединение окисляет диоксид серы (SO 2) в триоксид (SO 3). В этой окислительно-восстановительной реакции сера окисляется от +4 до +6, а ванадий снижается с +5 до +4. Формула ванадия выглядит следующим образом:
V 2 O 5 + SO 2 → 2VO 2 + SO 3
Катализатор регенерируется окислением кислорода:
2VO 2 + O 2 → V 2 O 5
Аналогичные процессы окисления используются в производстве малеинового ангидрида, фталевого ангидрида и нескольких других объемных органических соединений.
Этот оксид также применяют при получении феррованадия. Его нагревают с железом и ферросилицием с добавлением извести. При использовании алюминия получают железо-ванадиевый сплав вместе с оксидом алюминия в качестве побочного продукта. Из-за высокого коэффициента теплового сопротивления оксид ванадия (V) находит применение в качестве материала-детектора в болометрах и микроболометрических массивах в тепловизионных приборах.
Характеристики
Редкий металл имеет следующие характеристики:
- Кристаллическая структура: кубическая объёмно-центрированная.
- Звукопроводность: 4560 м/с (при 20°C).
- Валентность ванадия: V (реже IV, III, II).
- Тепловое расширение: 8,4 мкм/(м·К) (при 25°С).
- Теплопроводность: 30,7 Вт/(м·К).
- Электрическое сопротивление: 197 nΩ·м (при 20°C).
- Магнетизм: парамагнитный.
- Магнитная восприимчивость: +255·10 -6 см 3 /моль (298K).
- Модуль упругости: 128 ГПа.
- Модуль сдвига: 47 ГПа.
- Объёмный модуль упругости: 160 ГПа.
- Коэффициент Пуассона: 0,37.
- Твёрдость по шкале Мооса: 6,7.
- Твердость по Виккерсу: 628-640 МПа.
- Твердость по Бринеллю: 600-742 Мпа.
- Категория элемента: переходный металл.
- Электронная конфигурация: 3d 3 4s 2 .
- Теплота плавления: 21,5 кДж/моль.
- Теплота испарения: 444 кДж/моль.
- Молярная теплоёмкость: 24,89 Дж/(моль·К).
Ванадий в таблице Менделеева находится в 5-й группе (подгруппа ванадия), 4-м периоде, d-блоке.
Распространение
Ванадий в масштабах Вселенной составляет примерно 0,0001% от общего объёма вещества. Он распространён так же часто, как медь и цинк. Метал обнаружен в спектральном свечении Солнца и других звёзд.
Элемент является 20-м по распространённости в земной коре. Металл ванадий в кристаллической форме достаточно редок, но соединения этого материала встречаются в 65 различных минералах. Экономически значимыми из них являются патронит (VS 4), ванадинит (Pb 5 (VO 4) 3 Cl) и карнотит (K 2 (UO 2) 2 (VO 4) 2 · 3 H 2 O).
Ионы ванадила в изобилии распространены в морской воде и имеют среднюю концентрацию 30 нМа. Некоторые источники минеральной воды также содержат данные ионы в высоких концентрациях. Например, источники возле горы Фудзи содержат до 54 мкг/л.
Добыча
Большую часть этого редкого металла получают из ванадиевого магнетита, обнаруженного в ультраосновных магматических габбровых породах. Сырьё добывается главным образом в Южной Африке, северо-западном Китае и на востоке России. В 2013 году эти страны произвели более 97 % всего ванадия (79 000 тонн в весовом выражении).
Металл также присутствует в бокситах и месторождениях сырой нефти, угля, горючих сланцев и битуминозных песков. В сырой нефти сообщалось о концентрациях до 1200 промилле. Из-за окислительных свойств ванадия (некоторых его оксидов) после сжигания таких нефтепродуктов остатки элемента могут вызвать коррозию в двигателях и котлах.
По оценкам, 110 000 тонн вещества ежегодно попадает в атмосферу путем сжигания ископаемого топлива. Сегодня разрабатываются технологии по извлечению ценного вещества из углеводородов.
Производство
В основном ванадий используется в качестве добавок к стальным сплавам, называемым ферросплавами. Феррованадий получают непосредственно путем восстановления смеси из оксида ванадия с валентностью (V), оксидов железа и чистого железа в электрической печи.
Металл получают с использованием многоступенчатого процесса, который начинается с обжига измельченной ванадий-магнетитовой руды с добавлением хлорида натрия (NaCl) или карбоната натрия (Na 2 CO 3) при температуре около 850°С с получением метаванадата натрия (NaVO 3). Водный экстракт этого вещества подкисляют, получая поливанадатную соль, которая восстанавливается кальциевым металлом. В качестве альтернативы мелкосерийному производству пятиокись ванадия восстанавливается водородом или магнием.
Также используются многие другие методы, во всех из которых ванадий производится как побочный продукт других процессов. Его очистка возможна иодидным методом, разработанным Антоном Эдуардом ван Аркелем и Яном Хендриком де Бором в 1925 году. Он подразумевает образование иодида ванадия (III) и его последующее разложение с получением чистого металла:
2 V + 3I 2 ⇌ 2 VI 3
Достаточно экзотический способ получения этого элемента придумали японцы. Они разводят на подводных плантациях асцидии (тип хордовые), которые поглощают ванадий из морской воды. Затем их собирают и сжигают. Из образовавшегося пепла извлекают ценный метал. Кстати, его концентрация в этом случае гораздо выше, чем на самых богатых месторождениях.
Сплавы
Что собой представляют сплавы ванадия? Приблизительно 85 % производимого редкого металла используют для получения феррованадия или в качестве добавки к стали. В начале XX века было обнаружено, что даже небольшое количество ванадия значительно увеличивает прочность стали. Данный элемент образует стабильные нитриды и карбиды, что приводит к улучшению характеристик сталей и сплавов.
С этого времени отмечено применение ванадия в осях, рамах, коленчатых валах, шестернях и других важных компонентах колесного транспорта. Существуют две группы сплавов:
- Высокоуглеродистые с содержанием от 0,15 % до 0,25 % ванадия.
- Быстрорежущие инструментальные стали (HSS) с содержанием от 1% до 5% данного элемента.
Для сталей марки HSS может быть достигнута твердость выше HRC 60. Они используются в хирургических инструментах. В порошковой металлургии сплавы могут содержать до 18 % ванадия. Высокое содержание карбидов в этих сплавах значительно повышает износостойкость. Из них изготавливают инструменты и ножи.
Благодаря своим свойствам, ванадий стабилизирует бета-форму титана, повышает его прочность и температурную стабильность. Смешанный с алюминием в титановых сплавах, он используется в реактивных двигателях, высокоскоростных летательных аппаратах и зубных имплантатах. Наиболее распространенным сплавом для бесшовных труб является титан 3/2,5, содержащий 2,5 % ванадия. Данные материалы широко распространены в аэрокосмической, оборонной и велосипедной промышленности. Другим распространенным сплавом, выпускаемым главным образом в листах, является титан 6AL-4V, где 6 % алюминия и 4% ванадия.
Несколько ванадиевых сплавов демонстрируют сверхпроводящие свойства. Первый фазовый сверхпроводник А15 представлял собой соединение ванадия V 3 Si, которое было получено в 1952 году. Ванадиево-галлиевая лента используется в сверхпроводящих магнитах. Структура сверхпроводящей фазы A15 V 3 Ga аналогична структуре более распространенных сверхпроводников: станнида триниобия (Nb 3 Sn) и ниобий-титана (Nb 3 Ti).
Недавно учёные выяснили, что в Средние века в некоторые образцы дамасской и булатной стали добавляли небольшое количество ванадия (от 40 до 270 частей на миллион). Это улучшало свойства клинков. Однако неясно, где и как добывали редкий металл. Возможно, он входил в состав некоторых руд.
Применение
Помимо металлургии, ванадий используется и для других задач. Сечение теплового нейтронного захвата и короткий период полураспада изотопов, образующихся при захвате нейтронов, делают данный металл подходящим материалом для использования внутри термоядерного реактора.
Наиболее распространенный оксид ванадия - пентаоксид V 2 O 5 - используется в качестве катализатора при производстве серной кислоты и в качестве окислителя в производстве малеинового ангидрида. Пеноксид ванадия используется при изготовлении керамических изделий.
Металл является важным компонентом смешанных металлоксидных катализаторов, используемых при окислении пропана и пропилена в акролеин, акриловую кислоту или аммоксидирование пропилена до акрилонитрила. Другой оксид ванадия - двуокись VO 2 - используется при производстве стеклянных покрытий, которые блокируют инфракрасное излучение при определенной температуре.
Ванадиевая редокс-батарея представляет собой гальванический элемент, состоящий из водных ионов ванадия в различных состояниях окисления. Батареи такого типа были впервые предложены в 1930 годах, а коммерческое использование началось с 1980-х. Ванадат можно использовать для защиты стали от коррозии.
Ванадий имеет важное значение для здоровья человека. Он помогает регулировать углеродный и липидный обмен, участвует в выработке энергии. В сутки рекомендовано потреблять 6-63 мкг (данные ВОЗ) вещества, поступающего с пищевыми продуктами. Его вполне достаточно в крупах, бобовых, овощах, зелени, фруктах.