Vanadij: lastnosti, atomska masa, formula, aplikacija

3. 4. 2019

Vanadij je kemijski element, označen s simbolom "V". Atomska masa vanadija je 50,9415 a. e. m., atomsko število - 23. Je trdna srebro-siva, temprana in taljiva kovina, ki jo redko najdemo v naravi. Je del več kot 60 mineralov in je lahko celo v fosilnih gorivih.

lastnosti vanadija

Neprepoznano odkritje

Kovino vanadija je prvi odkril mehiški mineralog španskega izvora, Andres Manuel Del Rio, leta 1801. Raziskovalec je odstranil nov element iz vzorca rjave svinčeve rude, ki se koplje v Mehiki. Izkazalo se je, da imajo kovinske soli veliko različnih barv, zato ga je Del Rio prvotno imenoval „panchromium“ (od grškega „παγχρώμιο“ - „večbarvni“).

Kasneje je mineraloginja preimenovala v element erythronium (iz grškega ερυθρός - "rdeča"), ker je večina soli dobila rdeč odtenek, ko so se segreli. Zdi se, da se je neverjetna sreča nasmehnila na malo znanega znanstvenika v Evropi. Odkritje novega kemičnega elementa vanadija je bilo obljubljeno, če ne slava, potem pa vsaj priznanje s strani sodelavcev. Vendar pa zaradi pomanjkanja tehtne avtoritete v znanstvenem svetu ni bilo upoštevanja dosežka mehiške.

Leta 1805 je francoski kemik Hippolytus Victor Colle-Dekotils predlagal, da je nov element, ki ga je raziskal Del Rio, samo vzorec svinčevega kromata z nečistočami. Na koncu je mehiški raziskovalec, da se ne bi popolnoma izgubil obraz pred znanstvenim bratstvom, sprejel odobritev Colle-Decotyle in ga zavrnil. Vendar njegov dosežek ni potonil v pozabo. Danes je Andrés Manuel Del Río priznan kot odkritelj redke kovine.

Ponovno odprite

Leta 1831 je Šved Nils Gabriel Sefström ponovno odkril kemični element vanadij v oksidu, ki ga je dobil pri delu z železovo rudo. Znanstvenik je izbral črko "V", ki še ni bila dodeljena nobenemu elementu. Sefström je novo kovino imenoval zaradi svoje lepe in bogate barve v čast nordijske boginje lepot Vanadis.

Novica je povzročila povečano zanimanje za znanstveno skupnost. Takoj se spomnil dela mehiškega minerologa. V istem letu 1831 je Friedrich Wöhler ponovno preveril in potrdil prejšnje odkritje Del Rioja. In geolog George William Featherstonhup je celo predlagal, da se v čast odkritelju pozove kovina "Rionium", vendar pobuda ni bila podprta.

kovinski vanadij

Izključen

Izolacija kovin vanadija v njegovi čisti obliki se je izkazala za težko. Pred tem so znanstveniki delali samo s svojimi solmi. Zato so prave lastnosti vanadija neznane. Leta 1831 je Berzelius poročal o prejemu metalizirane snovi, vendar je Henry Enfield Roscoe dokazal, da je Berzelius dejansko proizvedel vanadijev nitrid (VN). Končno je Roscoe kovino proizvedel leta 1867 z zmanjšanjem količine vanadijevega klorida (VCl 2 ) pod vplivom vodika. Od leta 1927 čisti vanadij pridobimo z zmanjšanjem količine vanadijevega pentoksida s sodelovanjem kalcija.

Prva serijska industrijska uporaba elementa sega v leto 1905. Metal je bil dodan jekleni zlitini za izdelavo šasije dirkalnih avtomobilov, in kasneje - v Ford Model T. Vanadij značilnosti lahko zmanjša težo strukture, hkrati pa povečuje natezno trdnost. Mimogrede, nemški kemik Martin Khenze je leta 1911 odkril vanadij v krvnih celicah (ali koelomskih celicah) morskih prebivalcev - ekside.

kemijske lastnosti vanadija

Fizične lastnosti

Vanadij je nodularna sivo-modra kovina srednje trdote z jeklenim leskom in gostoto 6,11 g / cm3. Nekateri viri opisujejo material kot mehak, ob upoštevanju njegove visoke plastičnosti. Kristalna struktura elementa je bolj zapletena kot večina kovin in jekel.

Vanadij ima dobro odpornost proti koroziji, alkalijam, žveplom in klorovodikovo kislino. Na zraku oksidira pri temperaturi približno 660 ° C (933 K, 1220 ° F), čeprav se pasivizacija oksida dogaja tudi pri sobni temperaturi. Ta material se topi, ko temperatura doseže 1920 ° C in vre pri 3400 ° C.

Kemijske lastnosti

Vanadij pod vplivom kisika tvori štiri vrste oksidov:

Barva

Gostota

Kuhaj

Taljenje

VO (II)

Črna

5,76 g / cm3

3100 ° C

1830 ° C

V 2 O 3 (III)

Črna

4,87 g / cm3

3000 ° C

1967 ° C

VO 2 (IV)

Mornarsko modra

4.65 g / cm3

2700 ° C

1542 ° C

V 2 O 5 (V)

Oranžna

3,357 g / cm3

2030 ° C

670 ° C

Tip (II) vanadijeve spojine so reducirna sredstva in spojine tipa (V) so oksidacijska sredstva. Spojine (IV) pogosto obstajajo kot derivati ​​vanadilnega kationa.

Oksid

Najbolj komercialno pomembna spojina je vanadijev pentoksid. Je rjavo-rumena trdna snov, čeprav je, kadar je sveže pakirana iz vodne raztopine, barva temno oranžna.

vanadijevega oksida

Oksid se uporablja kot katalizator za proizvodnjo žveplove kisline. Ta spojina oksidira žveplov dioksid (SO 2 ) v trioksid (SO3). V tej redoks reakciji se žveplo oksidira od +4 do +6, vanadij pa se zniža od +5 do +4. Formula za vanadij je naslednja:

V 2 O 5 + SO 2 → 2VO 2 + SO 3

Katalizator se regenerira z oksidacijo kisika:

2VO 2 + O 2 → V 2 O 5

Podobni oksidacijski postopki se uporabljajo pri proizvodnji anhidrida maleinske kisline, ftalnega anhidrida in številnih drugih organskih spojin v razsutem stanju.

Ta oksid se uporablja tudi pri pripravi ferrovanadija. Segrejemo z železom in ferosilicijom z dodatkom apna. Pri uporabi aluminija se kot stranski produkt proizvaja zlitina železo-vanadij skupaj z aluminijevim oksidom. Zaradi visokega koeficienta toplotne odpornosti je vanadijev oksid (V) uporabljen kot detektorski material v bolometrih in mikrobolometrskih nizih v termičnih slikovnih napravah.

Značilnosti

Redke kovine imajo naslednje značilnosti:

  • Kristalna struktura: v kubičnem telesu.
  • Prevodnost: 4560 m / s (pri 20 ° C).
  • Valenca valadija: V (redko IV, III, II).
  • Toplotna ekspanzija: 8,4 μm / (m · K) (pri 25 ° C).
  • Toplotna prevodnost: 30,7 W / (m · K).
  • Električna upornost: 197 nΩ · m (pri 20 ° C).
  • Magnetizem: paramagnetni.
  • Magnetna občutljivost: + 255 · 10 -6 cm 3 / mol (298 K).
  • Modul elastičnosti: 128 GPa.
  • Modul stresa: 47 GPa.
  • Skupni modul elastičnosti: 160 GPa.
  • Poissonovo razmerje: 0,37.
  • Trdota po Mohsu: 6.7.
  • Trdota po Vickersu: 628-640 MPa.
  • Trdota po Brinellu: 600-742 MPa.
  • Kategorija artikla: prehodna kovina.
  • Elektronska konfiguracija: 3d 3 4s 2 .
  • Toplota taljenja: 21,5 kJ / mol.
  • Toplota izhlapevanja: 444 kJ / mol.
  • Molarna toplotna kapaciteta: 24,89 J / (mol · K).

Vanadij v periodni tabeli je v 5. skupini (vanadijeva podskupina), četrto obdobje, d-blok.

Spread

Vanadij v merilu vesolja je približno 0,0001% celotnega volumna snovi. Razširja se tako pogosto, kot baker in cink. Kovino najdemo v spektralnem sijaju Sonca in drugih zvezd.

Element je 20. najpogostejši v skorji. Kristal vanadij v kristalni obliki je precej redka, vendar so spojine tega materiala najdene v 65 različnih mineralih. Ekonomsko pomembne med njimi so patronit (VS 4 ), vanadinit (Pb 5 (VO 4 ) 3 Cl) in karnotit (K 2 (UO 2 ) 2 (VO 4 ) 2 3 H 2 O).

Vanadilni ioni so v veliki meri porazdeljeni v morsko vodo in imajo povprečno koncentracijo 30 nMa. Nekateri viri mineralne vode vsebujejo tudi te ione v visokih koncentracijah. Na primer, viri v bližini gorovja Fuji vsebujejo do 54 µg / l.

kemični element vanadija

Rudarstvo

Večino te redke kovine dobimo iz vanadijevega magnetita, ki ga najdemo v ultrabazičnih magmatskih gabrovih kamninah. Surovine pridobivajo predvsem v Južni Afriki, severozahodni Kitajski in v vzhodni Rusiji. V letu 2013 so te države proizvedle več kot 97% vsega vanadija (79.000 ton v masi).

Kovina je prisotna tudi v boksitu in nahajališčih surove nafte, premoga, oljnega skrilavca in katranskega peska. V surovem olju so poročali o koncentracijah do 1200 ppm. Zaradi oksidativnih lastnosti vanadija (nekaterih njegovih oksidov) po sežiganju takih naftnih derivatov lahko ostanki elementa povzročijo korozijo v motorjih in kotlih.

Ocenjuje se, da se 110 000 ton snovi vsako leto sprosti v ozračje s sežiganjem fosilnih goriv. Danes se razvijajo tehnologije za pridobivanje dragocenih snovi iz ogljikovodikov.

Proizvodnja

Vanadij se v glavnem uporablja kot dodatek za jeklene zlitine, imenovane ferolegure. Ferrovanadij dobimo neposredno z redukcijo zmesi vanadijevega oksida z valenco (V), železovimi oksidi in čistim železom v električni peči.

Kovina se proizvaja z večstopenjskim postopkom, ki se začne z zgorevanjem zdrobljene rude vanadijevega magnetita z dodatkom natrijevega klorida (NaCl) ali natrijevega karbonata (Na 2 CO 3 ) pri temperaturi okoli 850 ° C, da nastane natrijev metavanadat (NaVO 3 ). Vodni ekstrakt te snovi je nakisana, da nastane polivanadatna sol, ki jo reducira kovina iz kalcija. Kot alternativa majhni proizvodnji se vanadijev pentoksid reducira z vodikom ali magnezijem.

Uporabljajo se tudi številne druge metode, pri katerih se vanadij proizvaja kot stranski produkt drugih procesov. Njegovo čiščenje je možno z jodidno metodo, ki so jo razvili Anton Edouard van Arkel in Jan Hendrik de Bohr leta 1925. To pomeni nastanek vanadijevega (III) jodida in njegovo kasnejšo razgradnjo v čisto kovino:

2 V + 3I 2 VI 2 VI 3

Precej eksotičen način pridobivanja tega elementa so izumili Japonci. Pasejo se na ascidnih podvodnih nasadih (akordni tip), ki absorbirajo vanadij iz morske vode. Nato se zbirajo in sežigajo. Iz oblikovanega pepela se pridobiva dragocena kovina. Mimogrede, njegova koncentracija v tem primeru je veliko višja kot v najbogatejših depozitov.

vanadijeve zlitine

Zlitine

Kaj so legure vanadija? Približno 85% proizvedene redke kovine se uporablja za proizvodnjo ferrovanadija ali kot dodatek jeklu. Na začetku 20. stoletja je bilo ugotovljeno, da celo majhna količina vanadija znatno poveča trdnost jekla. Ta element tvori stabilne nitride in karbide, kar vodi k izboljšani učinkovitosti jekla in zlitin.

Od takrat se vanadij uporablja za osi, okvirje, ročične gredi, zobnike in druge pomembne komponente kolesnih vozil. Obstajata dve skupini zlitin: t

  • Visoka vsebnost ogljika od 0,15% do 0,25% vanadija.
  • Hitro rezanje orodna jekla (HSS) od 1% do 5% tega elementa.

Za jeklo HSS je mogoče doseči trdoto višjo od HRC 60. Uporabljajo se v kirurški instrumenti. V prašni metalurgiji lahko zlitine vsebujejo do 18% vanadija. Visoka vsebnost karbida teh zlitin znatno poveča odpornost proti obrabi. Izdelujejo orodja in nože.

Vanadij zaradi svojih lastnosti stabilizira beta obliko titana, poveča njegovo trdnost in temperaturno stabilnost. Mešan z aluminijem v titanovih zlitinah, se uporablja v reaktivnih motorjih, hitrih zrakoplovih in zobnih vsadkih. Najpogostejša zlitina za brezšivne cevi je titan 3 / 2,5, ki vsebuje 2,5% vanadija. Ti materiali so široko razširjeni v letalski, obrambni in kolesarski industriji. Druga navadna zlitina, izdelana predvsem v ploščah, je titan 6AL-4V, kjer je 6% aluminija in 4% vanadija.

Nekaj ​​vanadijevih zlitin kaže superprevodne lastnosti. Prvi fazni superprevodnik A15 je bila V 3 Si vanadijeva spojina, ki je bila pridobljena leta 1952. V superprevodnih magnetih se uporablja vanadij-galijev trak. Struktura superprevodne faze A15 V 3 Ga je podobna strukturi bolj pogostih superprevodnikov: stannide triniobij (Nb 3 Sn) in niobij-titan (Nb 3 Ti).

V zadnjem času so znanstveniki ugotovili, da je v srednjem veku nekaj vzorcev vanadija (od 40 do 270 delov na milijon) dodanih nekaterim vzorcem damasta in damastovega jekla. To je izboljšalo lastnosti rezil. Vendar pa ni jasno, kje in kako je bila izkopana redka kovina. Morda je bil del nekaterih rud.

uporaba vanadija

Uporaba

Poleg metalurgije se vanadij uporablja tudi za druge naloge. Presek zajetja termičnih nevtronov in kratka razpolovna doba izotopov, ki nastanejo z zajemanjem nevtronov, naredita to kovino primeren material za uporabo v fuzijskem reaktorju.

Najpogostejši vanadijev oksid, pentoksid V 2 O 5, se uporablja kot katalizator pri proizvodnji žveplove kisline in kot oksidacijsko sredstvo pri proizvodnji anhidrida maleinske kisline. Vanadijev oksid se uporablja pri proizvodnji keramičnih izdelkov.

Kovina je pomemben sestavni del mešanih katalizatorjev kovinskih oksidov, ki se uporabljajo pri oksidaciji propana in propilena v akrolein, akrilno kislino ali amoksidacijo propilena v akrilonitril. Še en vanadijev oksid - dioksid VO 2 - se uporablja pri izdelavi steklenih premazov, ki blokirajo infrardeče sevanje pri določeni temperaturi.

Vanadijeva redoks baterija je galvanska celica, ki je sestavljena iz vodnih ionov vanadija v različnih oksidacijskih stanjih. Baterije te vrste so bile prvič predlagane v tridesetih letih prejšnjega stoletja, komercialna uporaba pa se je začela v osemdesetih letih. Vanadat se lahko uporablja za zaščito jekla pred korozijo.

Vanadij je pomemben za zdravje ljudi. Pomaga uravnavati presnovo ogljika in lipidov, sodeluje pri proizvodnji energije. Na dan je priporočljivo zaužiti 6-63 mcg snovi, ki prihajajo iz hrane. To je povsem dovolj v žitaricah, stročnicah, zelenjavi, zeliščih, sadju.