Vanadium valens. Vanadium

Vanadium er et kemisk grundstof symboliseret med symbolet "V". Atommassen af ​​vanadium er 50,9415 a. e.m., atomnummer - 23. Det er et hårdt sølvgrå, formbart og smelteligt metal, der sjældent findes i naturen. Det findes i over 60 mineraler og kan endda findes i fossile brændstoffer.

Ukendt opdagelse

Metallet vanadium blev først opdaget af den spanskfødte mexicanske mineralog Andres Manuel Del Rio i 1801. En forsker har udvundet et nyt element fra en prøve af "brun" blymalm udvundet i Mexico. Som det viser sig, har metallets salte en bred vifte af farver, så Del Rio kaldte det oprindeligt "panchrom" (fra det græske "παγχρώμιο" - "flerfarvet").

Mineralogen omdøbte senere grundstoffet erythronium (fra græsk "ερυθρός" - "rød"), fordi de fleste salte blev røde ved opvarmning. Det ser ud til, at et utroligt held smilede til en lidet kendt videnskabsmand i Europa. Opdagelsen af ​​det nye kemiske grundstof vanadium lovede, om ikke berømmelse, så i det mindste anerkendelse fra kolleger. Men på grund af manglen på betydelig autoritet i den videnskabelige verden blev mexicanerens præstation ignoreret.

I 1805 foreslog den franske kemiker Hippolyte Victor Collet-Decotils, at det nye grundstof, som Del Rio studerede, kun var en prøve af blykromat med urenheder. I sidste ende accepterede den mexicanske forsker, for ikke helt at tabe ansigt foran det videnskabelige broderskab, Collet-Decotilles udtalelse og opgav sin opdagelse. Men hans præstation forsvandt ikke i glemmebogen. I dag er Andres Manuel Del Rio anerkendt som opdageren af ​​det sjældne metal.

Genåbning

I 1831 genopdagede svenskeren Nils Gabriel Sefström det kemiske grundstof vanadium i det oxid, han opnåede under arbejdet med jernmalm. Videnskabsmanden valgte bogstavet "V" som dets betegnelse, som endnu ikke er blevet tildelt noget element. Säfström opkaldte det nye metal på grund af dets smukke og rige farve efter den oldnordiske skønhedsgudinde Vanadis.

Nyheden vakte øget interesse i det videnskabelige samfund. Vi huskede straks den mexicanske mineralogs arbejde. I samme 1831 kontrollerede og bekræftede Friedrich Wöhler Del Rios tidligere opdagelse. Og geolog George William Featherstonhoop foreslog endda at kalde metallet "rionium" til ære for opdageren, men initiativet blev ikke støttet.

Undvigende

Det har vist sig vanskeligt at isolere vanadiummetal i sin rene form. Før dette arbejdede videnskabsmænd kun med dets salte. Derfor er vanadinets sande egenskaber ukendte. I 1831 rapporterede Berzelius at få et metalliseret stof, men Henry Enfield Roscoe beviste, at Berzelius faktisk havde produceret vanadiumnitrid (VN). Roscoe producerede til sidst metallet i 1867 ved at reducere vanadiumchlorid (VCl 2) med brint. Siden 1927 har man opnået rent vanadium ved at reducere vanadiumpentoxid med calcium.

Den første serielle industrielle brug af elementet går tilbage til 1905. Metallet blev tilføjet til en stållegering for at fremstille chassiset racerbiler, og senere i Ford Model T. Vanadiums egenskaber reducerer den strukturelle vægt, mens den øger trækstyrken. Forresten opdagede den tyske kemiker Martin Henze vanadium i blodcellerne (eller coelomiske celler) hos havbeboere - accidia - i 1911.

Fysiske egenskaber

Vanadium er et formbart gråblåt metal af medium hårdhed med en stålglans og en densitet på 6,11 g/cm³. Nogle kilder beskriver materialet som blødt, hvilket betyder dets høje duktilitet. Elementets krystalstruktur er mere kompleks end de fleste metaller og stål.

Vanadium har god modstandsdygtighed over for korrosion, alkalier, svovlsyre og saltsyre. Det oxiderer i luft ved omkring 660°C (933K, 1220°F), selvom passivering af oxidet sker selv ved stuetemperatur. Dette materiale smelter, når temperaturen når 1920°C, og koger ved 3400°C.

Kemiske egenskaber

Vanadium danner, når det udsættes for ilt, fire typer oxider:

Type (II) vanadiumforbindelser er reduktionsmidler, og type (V) forbindelser er oxidationsmidler. Forbindelser (IV) eksisterer ofte som derivater af vanadylkationen.

Oxid

Den mest kommercielt vigtige forbindelse er vanadiumpentoxid. Det er et brunligt-gult fast stof, selvom dens farve er mørk orange, når den er nyudfældet fra vandig opløsning.

Oxidet bruges som katalysator til fremstilling af svovlsyre. Denne forbindelse oxiderer svovldioxid (SO 2) til trioxid (SO 3). I denne redoxreaktion oxideres svovl fra +4 til +6, og vanadium reduceres fra +5 til +4. Formlen for vanadium er som følger:

V 2 O 5 + SO 2 → 2VO 2 + SO 3

Katalysatoren regenereres ved oxidation af oxygen:

2VO 2 + O 2 → V 2 O 5

Lignende oxidationsprocesser anvendes til fremstilling af maleinsyreanhydrid, phthalsyreanhydrid og flere andre organiske bulkforbindelser.

Dette oxid bruges også til fremstilling af ferrovanadium. Den opvarmes med jern og ferrosilicium med tilsætning af kalk. Når der anvendes aluminium, fremstilles en jern-vanadium-legering sammen med aluminiumoxid som et biprodukt. På grund af dets høje termiske modstandskoefficient bruges vanadium(V)oxid som detektormateriale i bolometre og mikrobolometer-arrays i termiske billedinstrumenter.

Egenskaber

Sjældent metal har følgende egenskaber:

• Krystalstruktur: kropscentreret kubisk.
• Lydledningsevne: 4560 m/s (ved 20°C).
• Valens af vanadium: V (mindre ofte IV, III, II).
• Termisk udvidelse: 8,4 µm/(m K) (ved 25°C).
• Termisk ledningsevne: 30,7 W/(m K).
• Elektrisk modstand: 197 nΩ m (ved 20°C).
• Magnetisme: paramagnetisk.
• Magnetisk modtagelighed: +255·10 -6 cm 3 /mol (298K).
• Elastikmodul: 128 GPa.
• Forskydningsmodul: 47 GPa.
• Bulk elasticitetsmodul: 160 GPa.
• Poissons forhold: 0,37.
• Hårdhed på Mohs-skalaen: 6,7.
• Vickers hårdhed: 628-640 MPa.
• Brinell hårdhed: 600-742 MPa.
• Elementkategori: overgangsmetal.
• Elektronisk konfiguration: 3d 3 4s 2.
• Fusionsvarme: 21,5 kJ/mol.
• Fordampningsvarme: 444 kJ/mol.
• Molær varmekapacitet: 24,89 J/(mol K).

Vanadium i det periodiske system er i 5. gruppe (vanadium undergruppe), 4. periode, d-blok.

Breder sig

Vanadium på universets skala er cirka 0,0001% af det samlede volumen af ​​stof. Det er lige så almindeligt som kobber og zink. Metallet blev opdaget i Solens og andre stjerners spektrale skær.

Grundstoffet er det 20. mest udbredte i jordskorpen. Metallet vanadium er ret sjældent i krystallinsk form, men forbindelser af dette materiale findes i 65 forskellige mineraler. De økonomisk betydningsfulde af dem er patronit (VS 4), vanadinit (Pb 5 (VO 4) 3 Cl) og carnotit (K 2 (UO 2) 2 (VO 4) 2 3 H 2 O).

Vanadylioner er rigelige i havvand og har en gennemsnitlig koncentration på 30 nMa. Nogle mineralvandskilder indeholder også disse ioner i høje koncentrationer. For eksempel indeholder kilder nær Mount Fuji op til 54 µg/l.

Produktion

Det meste af dette sjældne metal er opnået fra vanadiummagnetit, der findes i ultramafiske magmatiske gabbrobjergarter. Råstoffer udvindes hovedsageligt i Sydafrika, det nordvestlige Kina og det østlige Rusland. I 2013 producerede disse lande mere end 97 % af al vanadium (79.000 tons efter vægt).

Metallet er også til stede i bauxit og aflejringer af råolie, kul, olieskifer og tjæresand. Koncentrationer op til 1200 ppm er blevet rapporteret i råolie. På grund af vanadiums oxiderende egenskaber (nogle af dets oxider) kan rester af grundstoffet efter forbrænding af sådanne olieprodukter forårsage korrosion i motorer og kedler.

Det anslås, at 110.000 tons af stoffet frigives til atmosfæren hvert år ved afbrænding af fossile brændstoffer. I dag udvikles teknologier til at udvinde værdifulde stoffer fra kulbrinter.

Produktion

Vanadium bruges primært som et tilsætningsstof til stållegeringer kaldet ferrolegeringer. Ferrovanadium fremstilles direkte ved at reducere en blanding af valens (V) vanadiumoxid, jernoxider og rent jern i en elektrisk ovn.

Metallet fremstilles ved hjælp af en flertrinsproces, der begynder med at riste malet vanadiummagnetitmalm med tilsætning af natriumchlorid (NaCl) eller natriumcarbonat (Na2CO3) ved ca. 850°C for at fremstille natriummetavanadat (NaVO3). Et vandigt ekstrakt af dette stof syrnes for at opnå et polyvanadatsalt, som reduceres med calciummetal. Som et alternativ til småskalaproduktion reduceres vanadiumpentoxid med brint eller magnesium.

Der bruges også mange andre metoder, som alle producerer vanadium som et biprodukt af andre processer. Dens oprensning er mulig ved hjælp af iodidmetoden, udviklet af Anton Eduard van Arkel og Jan Hendrik de Boer i 1925. Det involverer dannelsen af ​​vanadium(III)iodid og dets efterfølgende nedbrydning til fremstilling af rent metal:

2 V + 3I 2 ⇌ 2 VI 3

Japanerne kom med en ret eksotisk metode til at opnå dette element. De avler ascidianer (en type chordata) i undervandsplantager, som absorberer vanadium fra havvand. De bliver derefter samlet og brændt. Værdifuldt metal udvindes fra den resulterende aske. Forresten er dens koncentration i dette tilfælde meget højere end i de rigeste aflejringer.

Legeringer

Hvad er vanadiumlegeringer? Cirka 85% af det producerede sjældne metal bruges til fremstilling af ferrovanadium eller som tilsætningsstof til stål. I begyndelsen af ​​det 20. århundrede blev det opdaget, at selv en lille mængde vanadium øger stålets styrke betydeligt. Dette element danner stabile nitrider og karbider, hvilket fører til forbedrede egenskaber af stål og legeringer.

Siden dengang er vanadium blevet brugt i aksler, rammer, krumtapaksler, gear og andre vigtige komponenter i hjulkøretøjer. Der er to grupper af legeringer:

• Højt kulstofindhold med et indhold på 0,15% til 0,25% vanadium.
• Højhastighedsværktøjsstål (HSS) indeholdende fra 1 % til 5 % af dette element.

Hårdheder over HRC 60 kan opnås for stål af HSS-kvalitet. De bruges i kirurgiske instrumenter. I pulvermetallurgi kan legeringer indeholde op til 18% vanadium. Det høje carbidindhold i disse legeringer øger slidstyrken markant. Værktøj og knive er lavet af dem.

På grund af dets egenskaber stabiliserer vanadium betaformen af ​​titanium, øger dens styrke og temperaturstabilitet. Blandet med aluminium i titanlegeringer bruges det i jetmotorer, højhastighedsfly og tandimplantater. Den mest almindelige legering til sømløse rør er titanium 3/2,5, der indeholder 2,5% vanadium. Disse materialer er meget udbredt i rumfarts-, forsvars- og cykelindustrien. En anden almindelig legering, der primært produceres i plader, er titanium 6AL-4V, som er 6% aluminium og 4% vanadium.

Adskillige vanadiumlegeringer udviser superledende egenskaber. Den første fase superleder A15 var en vanadiumforbindelse V 3 Si, som blev opnået i 1952. Vanadium galliumtape bruges i superledende magneter. Strukturen af ​​den superledende fase A15 V 3 Ga ligner strukturen af ​​mere almindelige superledere: triniobiumstannid (Nb 3 Sn) og niobium titanium (Nb 3 Ti).

For nylig har forskere opdaget, at der i middelalderen blev tilsat små mængder vanadium (fra 40 til 270 ppm) til nogle prøver af Damaskus og damaskstål. Dette forbedrede knivenes egenskaber. Det er dog uklart, hvor og hvordan det sjældne metal blev udvundet. Måske var det en del af nogle malme.

Ansøgning

Ud over metallurgi bruges vanadium til andre formål. Det termiske neutronfangst tværsnit og korte halveringstid af isotoper produceret ved neutronfangst gør metallet til et egnet materiale til brug inde i en fusionsreaktor.

Det mest almindelige vanadiumoxid, V 2 O 5 pentoxid, bruges som katalysator ved fremstilling af svovlsyre og som oxidationsmiddel ved fremstilling af maleinsyreanhydrid. Vanadiumskum bruges til fremstilling af keramiske produkter.

Metallet er en vigtig bestanddel af blandede metaloxidkatalysatorer, der anvendes til oxidation af propan og propylen til acrolein, acrylsyre eller ammoxidation af propylen til acrylonitril. Et andet vanadiumoxid, VO 2 dioxid, bruges til fremstilling af glasbelægninger, der blokerer for infrarød stråling ved bestemte temperaturer.

Et vanadium redox batteri er en voltaisk celle, der består af vandige vanadiumioner i forskellige oxidationstilstande. Batterier af denne type blev først foreslået i 1930'erne, og kommerciel brug begyndte i 1980'erne. Vanadat kan bruges til at beskytte stål mod korrosion.

Vanadium har vigtig for menneskers sundhed. Det hjælper med at regulere kulstof- og lipidmetabolismen og er involveret i energiproduktion. Det anbefales at indtage 6-63 mcg om dagen (WHO-data) af stoffet fra fødevarer. Det er ganske tilstrækkeligt i korn, bælgfrugter, grøntsager, urter og frugter.

DEFINITION

Vanadium placeret i den fjerde periode i gruppe V i den sekundære (B) undergruppe af det periodiske system.

Henviser til elementer i d-familien. Metal. Betegnelse - V. Serienummer - 23. Relativ atommasse - 50.941 amu.

Elektronisk struktur af vanadiumatomet

Vanadiumatomet består af en positivt ladet kerne (+23), inden i hvilken der er 23 protoner og 28 neutroner, og 23 elektroner bevæger sig rundt i fire baner.

Fig.1. Skematisk struktur af vanadiumatomet.

Fordelingen af ​​elektroner mellem orbitaler er som følger:

1s 2 2s 2 2s 6 3s 2 3s 6 3d 3 4s 2 .

Vanadiumatomets ydre energiniveau indeholder 5 elektroner, som er valenselektroner. Calciums oxidationstilstand er +5. Energidiagrammet for grundtilstanden har følgende form:

Ud fra diagrammet kan man argumentere for, at vanadium også har en oxidationstilstand på +3.

Eksempler på problemløsning

EKSEMPEL 1

Vanadium(vanadium), v, kemisk grundstof af gruppe V i Mendeleevs periodiske system; atomnummer 23, atommasse 50,942; metal grå-stål farve. Naturlig V. består af to isotoper: 51 v (99,75%) og 50 v (0,25%); sidstnævnte er svagt radioaktivt (halveringstid T 1/2 = 10 14 år). V. blev opdaget i 1801 af den mexicanske mineralog A. M. del Rio i mexicansk brun blymalm og blev opkaldt efter den smukke røde farve af de opvarmede salte erythronium (fra det græske erythr o s - rødt). I 1830 opdagede den svenske kemiker N. G. Sefström et nyt grundstof i jernmalm fra Taberg (Sverige) og kaldte det V. til ære for den oldnordiske skønhedsgudinde Vanadis. I 1869 opnåede den engelske kemiker G. Roscoe pulveriseret metal V. ved at reducere vcl 2 med hydrogen. V. har været udvundet i industriel skala siden begyndelsen af ​​det 20. århundrede.

V-indholdet i jordskorpen er 1,5-10 -2 vægtprocent det er et ret almindeligt grundstof, men spredt i klipper og mineraler. Af det store antal V. mineraler er patronit, roscoelite, decloysite, carnotit, vanadinit og nogle andre vigtige kilder til V. titanomagnetit og sedimentære (fosforholdige) jernmalme samt oxideret kobber-bly-. zinkmalme. V. udvindes som et biprodukt ved forarbejdning af uranråmaterialer, phosphoritter, bauxitter og forskellige organiske aflejringer (asfaltitter, olieskifer).

Fysiske og kemiske egenskaber. V. har et kropscentreret kubisk gitter med en periode a = 3,0282 å. I sin rene tilstand er V. smedet og kan let bearbejdes ved tryk. Massefylde 6,11 G/ cm 3 , t pl 1900 ± 25°С, t balle 3400°C; specifik varmekapacitet (ved 20-100°C) 0,120 afføring/ ggrad; termisk lineær udvidelseskoefficient (ved 20-1000°C) 10,6·10 -6 hagl-1, elektrisk resistivitet ved 20 °C 24,8·10 -8 ohm· m(24,8·10 -6 ohm· cm), under 4,5 K V. går den i en tilstand af superledning. Mekaniske egenskaber med høj renhed V. efter udglødning: elasticitetsmodul 135,25 n/ m 2 (13520 kgf/ mm 2), trækstyrke 120 nm/ m 2 (12 kgf/ mm 2), forlængelse 17%, Brinell hårdhed 700 pl/ m 2 (70 kgf/ mm 2). Gasurenheder reducerer kraftigt fiberens plasticitet og øger dens hårdhed og skrøbelighed.

Ved almindelige temperaturer udsættes V. ikke for luft, havvand og alkaliske opløsninger; modstandsdygtig over for ikke-oxiderende syrer, med undtagelse af flussyre. Med hensyn til korrosionsbestandighed i salt- og svovlsyre er V. betydeligt overlegen i forhold til titanium og rustfrit stål. Når den opvarmes i luft over 300°C, absorberer den ilt og bliver skør. Ved 600-700°C oxideres V. intensivt med dannelse af pentoxid v 2 o 5, samt lavere oxider. Når V opvarmes over 700°C i en nitrogenstrøm, nitrid vn ( t smp. 2050°C), stabil i vand og syrer. V. interagerer med kulstof ved høje temperaturer, hvilket giver ildfast carbid vc ( t pl 2800°C), som har høj hårdhed.

V. giver forbindelser svarende til valenserne 2, 3, 4 og 5; Følgelig kendes følgende oxider: vo og v 2 o 3 (som har en grundlæggende karakter), vo 2 (amfoter) og v 2 o 5 (sur). Forbindelser af 2- og 3-valent V. er ustabile og er stærke reduktionsmidler. Forbindelser med højere valenser er af praktisk betydning. V.'s tendens til at danne forbindelser af forskellig valens bruges i analytisk kemi og bestemmer også de katalytiske egenskaber af v 2 o 5. V. pentoxid opløses i alkalier til dannelse vanadater.

Kvittering og ansøgning. Til udvinding af mineraler anvendes følgende: direkte udvaskning af malm eller malmkoncentrat med opløsninger af syrer og baser; brænding af råvaren (ofte med nacl-additiver) efterfulgt af udvaskning af det brændte produkt med vand eller fortyndede syrer. Hydreret V-pentoxid isoleres fra opløsninger ved hydrolyse (ved pH = 1-3 Når vanadiumholdige jernmalme smeltes i en højovn, omdannes V til støbejern, hvoraf slagger indeholder 10-16 % v). 2 o 5 opnås til stål. Vanadiumslagger ristes med bordsalt. Det brændte materiale udvaskes med vand og derefter med fortyndet svovlsyre. V 2 o 5 er isoleret fra opløsninger. Sidstnævnte bruges til smeltning ferrovanadium(jernlegeringer med 35-70 % V.) og opnåelse af metal V. og dets forbindelser. Formbart metal V. opnås ved calcium-termisk reduktion af ren v 2 o 5 eller v 2 o 3; reduktion af v 2 o 5 med aluminium; vakuum carbon-termisk reduktion v 2 o 3; magnesium-termisk reduktion vcl 3; termisk dissociation af iodid V. smeltes i vakuumbueovne med en forbrugselektrode og i elektronstråleovne.

Jernmetallurgi er hovedforbrugeren af ​​metal (op til 95 % af alt produceret metal). V. er en komponent af højhastighedsstål, dets erstatninger, lavlegeret værktøjsstål og nogle konstruktionsstål. Med introduktionen af ​​0,15-0,25% V. øges stålets styrke, sejhed, udmattelsesbestandighed og slidstyrke kraftigt. V., indført i stål, er både et deoxiderende og karbiddannende element. V. karbider, fordelt i form af spredte indeslutninger, forhindrer kornvækst, når stålet opvarmes. V. indføres i stål i form af en masterlegering - ferrovanadium. V. bruges også til legering af støbejern. En ny forbruger af titanium er den hurtigt udviklende industri af titanlegeringer; nogle titanlegeringer indeholder op til 13 % V. Inden for luftfart, raket og andre teknologiområder er der anvendt legeringer baseret på niobium, krom og tantalholdige V-additiver Varmebestandige og korrosionsbestandige legeringer baseret på V med tilsætning af ti, nb er udviklet , w, zr og al, hvis anvendelse forventes inden for luftfart, raket og nuklear teknologi. Af interesse er superledende legeringer og V-forbindelser med ga, si og ti.

Rent metal V. bruges i Atomenergi(skaller til brændselselementer, rør) og i produktionen af ​​elektroniske enheder.

V. forbindelser anvendes i den kemiske industri som katalysatorer, i landbrug og medicin, i tekstil-, maling- og lak-, gummi-, keramik-, glas-, foto- og filmindustrien.

V. forbindelser er giftige. Forgiftning er mulig ved at indånde støv indeholdende forbindelser B. De forårsager irritation af luftvejene, lungeblødninger, svimmelhed, forstyrrelser i hjertets, nyrernes funktion mv.

V. i kroppen. V. er en permanent bestanddel af plante- og dyreorganismer. Kilden til vand er magmatiske bjergarter og skifer (indeholdende ca. 0,013 % vand), samt sandsten og kalksten (ca. 0,002 % vand). I jord er V. omkring 0,01 % (hovedsagelig i humus); i fersk- og havvand 1·10 7 -2·10 7%. Hos land- og vandplanter er indholdet af V. væsentligt højere (0,16-0,2%) end hos land- og havdyr (1,5·10 -5 -2·10 -4%). V. koncentratorer er: bryozoanen plumatella, bløddyret pleurobranchus plumula, havagurken stichopus mobii, nogle ascidianer, fra skimmelsvampe - sort aspergillus, fra svampe - paddehat (amanita muscaria). V.s biologiske rolle er blevet undersøgt hos ascidianer, i hvis blodceller V. er i en 3- og 4-valent tilstand, det vil sige, at der er en dynamisk ligevægt.

V.s fysiologiske rolle i ascidians er ikke forbundet med den respiratoriske overførsel af oxygen og kuldioxid, men med redoxprocesser - overførsel af elektroner ved hjælp af det såkaldte vanadiumsystem, som sandsynligvis har fysiologisk betydning i andre organismer.

Lit.: Meerson G. A., Zelikman A. N., Metallurgy of sjældne metaller, M., 1955; Polyakov A. Yu., Fundamentals of vanadium metallurgy, M., 1959; Rostoker U., Vanadium Metallurgy, trans. fra engelsk, M., 1959; Kieffer p., Brown H., Vanadium, niobium, tantal, trans. fra German, M., 1968; Håndbog i sjældne metaller, [overs. fra engelsk], M., 1965, s. 98-121; Ildfaste materialer i maskinteknik. Directory, M., 1967, s. 47-55, 130-32; Kovalsky V.V., Rezaeva L.T., Vanadiums biologiske rolle i ascidianer, "Advances of modern biology", 1965, v. 60, v. 1(4); Bowen N. j. M., sporstoffer i biokemi, l. - n. år, 1966.

I. Romankov. V. V. Kovalsky.

Beskrivelse og egenskaber af vanadium

Vanadium blev oprindeligt opdaget af mexicanske A.M. Del Rio i brune malme indeholdende bly, som ved opvarmning gav en rødlig farve.

Men grundstoffet fik officiel anerkendelse senere, da det blev opdaget af en kemiker fra Sverige, N.G. Sefstrom, mens han studerede jernmalm fra en lokal forekomst og gav det navnet Vanadium, i overensstemmelse med navnet Vanadis, som blev båret af den gamle græske skønhedsgudinde. .

I udseende ligner metallet stål med sin sølvgrå farve. Men det er her lighederne slutter. Vanadium struktur: kubisk kropscentreret gitter med parametre a=3,024A og z=2. Densiteten er 6,11 g/cm3.

Det smelter ved en temperatur på 1920 o C, og begynder at koge ved 3400 o C. Men opvarmning i fri luft til en temperatur over 300 o C reducerer metallets plastiske egenskaber og gør det skørt, samtidig med at det øger dets hårdhed. Metalatomets struktur hjælper os med at forstå denne adfærd.

vanadium element, med et atomnummer på 23 og en atommasse på 50,942, tilhører det gruppe V i den fjerde periode af D-systemet. Og det betyder det vanadium atom består af 23 protoner, 23 elektroner og 28 neutroner.

På trods af at dette er et gruppe V-element, vanadium valens er ikke altid lig med 5. Det kan være 2, 3, 4 og 5 med positivt fortegn. Forskellige valensværdier forklares med forskellige muligheder for at fylde elektroniske skaller, hvor de kommer til en stabil tilstand.

Det er kendt, at den positive værdi af valens bestemmes af antallet af elektroner doneret af et atom af et kemisk grundstof, og den negative værdi bestemmes af antallet af elektroner knyttet til det eksterne energiniveau for at danne dets stabilitet. Elektronisk formel af vanadium- 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 3 .

Den kan nemt donere to elektroner fra 4. subniveau, mens dens oxidationstilstand skyldes den 2-valens positive manifestation. Men et atom af dette grundstof er i stand til at donere yderligere 3 elektroner fra kredsløbet forud for det ydre underniveau og udvise en maksimal oxidationstilstand på +5.

Oxider af dette element med en valens på 2 til 5 er forskellige i deres kemiske manifestationer. Oxiderne VO og V 2 O 3 er basiske af natur, VO 2 er amfotere og V 2 O 5 er surt.

Rent metal udmærker sig ved dets duktilitet og kan derfor nemt bearbejdes ved stempling, presning og rulning. Svejsning og skæring skal udføres i et inert miljø, da duktiliteten går tabt ved opvarmning.

Under forarbejdning er metallet praktisk talt ikke udsat for arbejdshærdning og kan modstå store belastninger, når det koldkomprimeres uden mellemudglødning. Det er modstandsdygtigt over for korrosion og ændrer sig ikke under påvirkning af vand, herunder havvand, samt svage opløsninger af nogle syrer, salte og alkalier.

Vanadiumforekomster og minedrift

Vanadium kemisk element, ret almindelig i terrestriske bjergarter, men forekommer ikke i ren form, idet den er til stede i mineraler i en spredt tilstand. Dens ophobninger i klipper er meget sjældne. Dette er et sjældent metal. Malm indeholdende 1% rent stof er klassificeret som rig.

Industrien forsømmer ikke selv malme, der indeholder 0,1% af det mangelfulde element. Det findes i lave koncentrationer i mere end fyrre mineraler. Vigtige for industrien omfatter roscoelite, kaldet vanadium glimmer, som indeholder op til 29% V 2 O 5 pentoxid, carnotit (uran glimmer), der indeholder 20% V 2 O 5, og vanadinit indeholdende 19% V 2 O 5.

Store malmforekomster, der indeholder metallet, er placeret i Amerika, Sydafrika, Rusland, Finland og Australien. Der er en stor aflejring i Perus bjerge, hvor den er repræsenteret af patronit V 2 S 5 indeholdende svovl. Når det brændes, dannes et koncentrat indeholdende op til 30 % V 2 O 5.

Mineralet blev fundet i Kirgisistan og Kasakhstan. Den berømte Kyzylorda-mark er en af ​​de største. I Rusland udvindes det hovedsageligt i Krasnodar-regionen (Kerch-aflejring) og i Ural (Gusevogorsk titanomagnetit-aflejring).

Teknologien til udvinding af metal afhænger af kravene til dets renhed og anvendelsesområde. De vigtigste metoder, der anvendes i teknologien til dets produktion, er jodid, calcetermisk, aluminotermisk, kulstof-termisk i vakuum og chlorid.

Teknologien i iodidmetoden er baseret på termisk dissociation af iodid. Det er almindeligt at opnå metal ved at reducere V 2 O 5 ved en termisk metode ved anvendelse af calcium eller aluminium.

I dette tilfælde sker en reaktion i henhold til formlen: V 2 O 5 +5Ca = 2V+5CaC+1460 kJ med frigivelse af varme, hvilket er tilstrækkeligt til at smelte det resulterende V, som gør det muligt at dræne og samle sig i fast form . Renheden af ​​metallet opnået på denne måde når 99,5%.

En moderne metode til ekstraktion af V er reduktion af oxider under vakuumforhold med kulstof ved temperaturer fra 1250 o C til 1700 o C. Chloridekstraktionsmetoden involverer reduktion af VCl 3 med flydende magnesium.

Anvendelser af vanadium

En af de vigtigste anvendelser af metallet var som et legeringsadditiv - ferrovanadium for at forbedre kvaliteten af ​​stål. Tilsætningen af ​​vanadium øger stålets styrkeparametre såvel som dets sejhed, slidstyrke og andre egenskaber.

I dette tilfælde fungerer additivet både som et deoxidationsmiddel og en carbiddannende komponent. Carbider er jævnt fordelt i legeringen, hvilket forhindrer strukturel vækst af stålkorn ved opvarmning. Støbejern legeret med vanadium hjælper også med at forbedre dets kvaliteter.

Der anvendes vanadium til forbedring af titanium-baserede legeringer. Der er titanium, som indeholder op til 13% af dette legeringsadditiv. Vanadium er også til stede i legeringer af niobium, tantal og krom, der anvendes i luftfartsindustrien, samt aluminium, titanium og andre materialer til luftfart og raket.

Det unikke ved elementet gør det muligt at bruge det i nuklear industri i produktionen af ​​kanalrør til brændselsstave til atomkraftværker, da det ligesom zirconium har egenskaben af ​​lav tværgående fangst af termiske neutroner, hvilket er vigtigt under nukleare reaktioner. I atomær brintteknologi bruges vanadiumchlorid til termokemisk interaktion med vand.

Vanadium bruges i den kemiske industri og landbrugsindustrien, medicin, glasproduktion, tekstiler, maling- og lakproduktion og fremstilling af batterier. Udbredt hånd- og legeringsværktøj kromvanadium, kendetegnet ved deres holdbarhed.

Et af de nyeste områder er elektronik. Særligt interessant og lovende er et materiale baseret på dioxider. titanium og vanadium. Kombineret på en bestemt måde skaber de et system, der har evnen til at øge hukommelsen og hastigheden på computere og andre elektroniske enheder markant.

Vanadium pris

Som færdigt råmateriale vanadium frigives i form af stænger, cirkler og oxider. Sortimentet af mange virksomheder, der er involveret i produktionen af ​​dette ildfaste metal, omfatter legeringer af forskellige kvaliteter. Prisen afhænger i høj grad af formålet, metallets renhed, produktionsmetode samt produkttype.

For eksempel sælger Yekaterinburg-virksomheden NPK "Special Metallurgy" barrer til en pris på 7 tusinde per kg, til en pris fra 440 til 500 tusinde per ton, VNM-1-klasse ingots til en pris på 500 tusinde per ton. Prisen kan også ændre sig afhængigt af markedsforhold og efterspørgsel efter produkter.