Большая энциклопедия нефти и газа. Ванадий (химический элемент): история названия, строение атома, валентность
← Ванадий → Хром
↓
Nb
(молярная масса)
(первый электрон)
объёмноцентрированная
История
Химические свойства
Химически ванадий довольно инертен. Он стоек к действию морской воды, разбавленных растворов соляной, азотной и серной кислот, щелочей.
С кислородом ванадий образует несколько оксидов : VO, V 2 O 3 , VO 2 ,V 2 O 5 . Оранжевый V 2 O 5 - кислотный оксид, темно-синий VO 2 - амфотерный, остальные оксиды ванадия - основные.
Известны следующие оксиды ванадия:
| Название | Формула | Плотность | Температура плавления | Температура кипения | Цвет |
|---|---|---|---|---|---|
| Оксид ванадия(II) | VO | 5,76 г/см³ | ~1830 °C | 3100 °C | Черный |
| Оксид ванадия(III) | V 2 O 3 | 4,87 г/см³ | 1967 °C | 3000 °C | Черный |
| Оксид ванадия(IV) | VO 2 | 4,65 г/см³ | 1542 °C | 2700 °C | Темно-голубой |
| Оксид ванадия(V) | V 2 O 5 | 3,357 г/см³ | 670 °C | 2030 °C | Красно-желтый |
Галогениды ванадия гидролизуются. С галогенами ванадий образует довольно летучие галогениды составов VX 2 (X = , , , ), VX 3 , VX 4 (X = , , ), VF 5 и несколько оксогалогенидов (VOCl, VOCl 2 , VOF 3 и др.).
Соединения ванадия в степенях окисления +2 и +3 - сильные восстановители, в степени окисления +5 проявляют свойства окислителей. Известны тугоплавкий карбид ванадия VC (t пл =2800 °C), нитрид ванадия VN, сульфид ванадия V 2 S 5 , силицид ванадия V 3 Si и другие соединения ванадия.
При взаимодействии V 2 O 5 с осно́вными оксидами образуются ванадаты - соли ванадиевой кислоты вероятного состава HVO 3 .
Применение
80 % [ ] всего производимого ванадия находит применение в сплавах, в основном для нержавеющих и инструментальных сталей.
Атомно-водородная энергетикаХлорид ванадия применяется при термохимическом разложении воды в атомно-водородной энергетике (ванадий-хлоридный цикл «Дженерал Моторс», США). В металлургии ванадий обозначается буквой Ф.
В производстве серной кислоты Металлургия
Применяется (особенно эффективно совместно с молибденом и никелем) в качестве легирующей добавки при производстве стали, при производстве биметаллов.
Автомобильная промышленностьВанадий используется в деталях, требующих очень высокой прочности, таких как поршни автомобильных двигателей. Американский промышленник Генри Форд отмечал важную роль ванадия в автомобильной промышленности. «Если бы не было ванадия - не было бы автомобиля». - Говорил Форд .
ЭлектроникаМатериал на основе диоксидов ванадия и титана используют при создании компьютеров и другой электроники .
НефтедобычаВанадиевая сталь используется при создании погружных буровых платформ для бурения нефтяных скважин .
Сувенирная продукция
Производство
Биологическая роль и воздействие
Ванадий и все его соединения токсичны . Наиболее токсичны соединения пятивалентного ванадия. Чрезвычайно ядовит его оксид(V) (ядовит при попадании внутрь организма и при вдыхании, поражает дыхательную систему). Смертельная доза ЛД50 оксида ванадия(V) для крыс орально составляет 10 мг/кг.
Ванадий и его соединения очень токсичны для водных организмов (окружающей среды).
Установлено, что ванадий может тормозить синтез жирных кислот , подавлять образование холестерина . Ванадий ингибирует ряд ферментных систем [ ] , тормозит фосфорилирование и синтез АТФ , снижает уровень коферментов А и , стимулирует активность моноаминоксидазы и окислительное фосфорилирование. Известно также, что при шизофрении содержание ванадия в крови значительно повышается [ ] .
Избыточное поступление ванадия в организм обычно связано с экологическими и производственными факторами. При остром воздействии токсических доз ванадия у рабочих отмечаются местные воспалительные реакции кожи и слизистых оболочек глаз, верхних дыхательных путей, скопление слизи в бронхах и альвеолах. Возникают и системные аллергические реакции типа астмы и экземы ; а также лейкопения и анемия , которые сопровождаются нарушениями основных биохимических параметров организма.
При введении ванадия животным (в дозах 25-50 мкг/кг), отмечается замедление роста, диарея и увеличение смертности.
Всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) 0,11 мг ванадия. Токсическая доза для человека 0,25 мг, летальная доза - 2-4 мг.
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.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Ванадий - двадцать третий элемент Периодической таблицы. Обозначение - V от латинского «vanadium». Расположен в четвертом периоде, VB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 23.
Соединения ванадия широко распространены в природе, но они очень распылены и не образуют сколько-нибудь значительных скоплений; общее содержание ванадия в земной коре оценивается в 0,0015% (масс.).
Чистый ванадий - серебристый металл (рис. 1) ковкий металл, плотностью 5,96 г/см 3 , плавящийся при температуре 1900 o С. Как и у титана, механические свойства ванадия резко ухудшаются при наличии в нем примесей кислорода, азота, водорода.
Рис. 1. Ванадий. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса ванадия
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии кальций существует в виде одноатомных молекул V, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 50,9962.
Изотопы ванадия
Известно, что в природе ванадий может находиться в виде единственного стабильного изотопа 51 V. Массовое число равно 51, ядро атома содержит двадцать три протона и двадцать восемь нейтронов.
Существуют искусственные изотопы ванадия с массовыми числами от 40-ка до 65-ти, среди которых наиболее стабильным является 50 V с периодом полураспада равным 1,5×10 17 лет, а также пять ядерных изотопов.
Ионы ванадия
На внешнем энергетическом уровне атома ванадия имеется пять электронов, которые являются валентными:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 .
В результате химического взаимодействия ванадий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
V o -2e → V 2+ ;
V o -3e → V 3+ ;
V o -4e → V 4+ ;
V o -5e → V 5+ .
Молекула и атом ванадия
В свободном состоянии ванадий существует в виде одноатомных молекул V. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу ванадия:
Сплавы ванадия
Ванадий в основном используют в качестве добавки к сталям. Сталь, содержащая всего 0,1 - 0,3% ванадия отличается большой прочностью, упругостью и нечувствительностью к толчкам и ударам, что особенно важно, например, для автомобильных осей, которые все время подвергаются сотрясению. Как правило, ванадий вводят в сталь в комбинации с другими легирующими элементами: хромом, никелем, вольфрамом, молибденом.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
Ванадий (Vanadium), V, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 23, атомная масса 50,942; металл серо-стального цвета. Природный Ванадий состоит из двух изотопов: 51 V (99,75%) и 50 V (0,25%); последний слабо радиоактивен (период полураспада T ½ = 10 14 лет). Ванадий был открыт в 1801 году мексиканским минералогом А. М. дель Рио в мексиканской бурой свинцовой руде и назван по красивому красному цвету нагретых солей эритронием (от греч. erythros - красный). В 1830 году шведский химик Н. Г. Сефстрем обнаружил новый элемент в железной руде из Таберга (Швеция) и назвал его Ванадий в честь древнескандинавской богини красоты Ванадис. Английский химик Г. Роско в 1869 году получил порошкообразный металлический Ванадий восстановлением VCl 2 водородом. В промышленного масштабе Ванадий добывается с начала 20 века.
Содержание Ванадия в земной коре составляет 1,5·10 -2 % по массе, это довольно распространенный, но рассеянный в породах и минералах элемент. Из большого числа минералов Ванадия промышленное значение имеют патронит, роскоэлит, деклуазит, карнотит, ванадинит и некоторые другие. Важным источником Ванадия служат титаномагнетитовые и осадочные (фосфористые) железные руды, а также окисленные медно-свинцово-цинковые руды. Ванадий извлекают как побочный продукт при переработке уранового сырья, фосфоритов, бокситов и различных органических отложений (асфальтиты, горючие сланцы).
Физические свойства Ванадия. Ванадий имеет объемноцентрированную кубическую решетку с периодом а=3,0282Å. В чистом состоянии Ванадий ковок, легко поддается обработке давлением. Плотность 6,11 г/см 3 ; t пл 1900°С, t кип 3400°С; удельная теплоемкость (при 20-100°С) 0,120 кал/г·град; термический коэффициент линейного расширения (при 20-1000°С) 10,6·10 -6 град -1 ; удельное электрическое сопротивление при 20°С 24,8·10 -8 ом·м (24,8·10 -6 ом·см); ниже 4,5 К Ванадий переходит в состояние сверхпроводимости. Механические свойства Ванадия высокой чистоты после отжига: модуль упругости 135,25 н/м 2 (13520 кгс/мм 2), предел прочности 120 мн/м 2 (12 кгс/мм 2), относительное удлинение 17%, твердость по Бринеллю 700 мн/м 2 (70 кгс/мм 2). Примеси газов резко снижают пластичность Ванадия, повышают его твердость и хрупкость.
Химические свойства Ванадия. При обычной температуре Ванадия не подвержен действию воздуха, морской воды и растворов щелочей; устойчив к неокисляющим кислотам, за исключением плавиковой. По коррозионной стойкости в соляной и серной кислотах Ванадий значительно превосходит титан и нержавеющую сталь. При нагревании на воздухе выше 300°С Ванадий поглощает кислород и становится хрупким. При 600-700°С Ванадий интенсивно окисляется с образованием оксида V 2 O 5 , а также и низших окислов. При нагревании Ванадия выше 700°С в токе азота образуется нитрид VN (t кип 2050°С), устойчивый в воде и кислотах. С углеродом Ванадий взаимодействует при высокой температуре, давая тугоплавкий карбид VC (t пл 2800°С), обладающий высокой твердостью.
Ванадий дает соединения, отвечающие валентностям 2, 3, 4 и 5; соответственно этому известны оксиды: VO и V 2 O 3 (имеющие основной характер), VO 2 (амфотерный) и V 2 O 5 (кислотный). Соединения 2- и 3-валентного Ванадия неустойчивы и являются сильными восстановителями. Практическое значение имеют соединения высших валентностей. Склонность Ванадий к образованию соединений различной валентности используется в аналитической химии, а также обусловливает каталитические свойства V 2 О 5 . Оксид Ванадия (V) растворяется в щелочах с образованием ванадатов.
Получение Ванадия. Для извлечения Ванадий применяют: непосредственное выщелачивание руды или рудного концентрата растворами кислот и щелочей; обжиг исходного сырья (часто с добавками NaCl) с последующим выщелачиванием продукта обжига водой или разбавленными кислотами. Из растворов методом гидролиза (при рН = 1-3) выделяют гидратированный оксид Ванадия (V). При плавке ванадийсодержащих железных руд в домне Ванадий переходит в чугун, при переработке которого в сталь получают шлаки, содержащие 10-16% V 2 O 5 . Ванадиевые шлаки подвергают обжигу с поваренной солью. Обожженный материал выщелачивают водой, а затем разбавленной серной кислотой. Из растворов выделяют V 2 O 5 . Последний служит для выплавки феррованадия (сплавы железа с 35-70% Ванадий) и получения металлического Ванадия и его соединений. Ковкий металлический Ванадий получают, кальциетермическим восстановлением чистого V 2 O 5 или V 2 O 3 ; восстановлением V 2 O 5 алюминием; вакуумным углетермическим восстановлением V 2 O 3 ; магниетермическим восстановлением VCl 3 ; термической диссоциацией иодида Ванадия. Плавят Ванадий в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом и в электроннолучевых печах.
Применение Ванадия. Черная металлургия - основные потребитель Ванадия (до 95% всего производимого металла). Ванадий входит в состав быстрорежущей стали, ее заменителей, малолегированных инструментальных и некоторых конструкционных сталей. При введении 0,15-0,25% Ванадия резко повышаются прочность, вязкость, сопротивление усталости и износоустойчивость стали. Ванадий, введенный в сталь, является одновременно раскисляющим и карбидообразующим элементом. Карбиды Ванадия, распределяясь в виде дисперсных включений, препятствуют росту зерна при нагреве стали. Ванадий в сталь вводят в форме лигатурного сплава - феррованадия. Применяют Ванадий и для легирования чугуна. Потребителем Ванадия является промышленность титановых сплавов; некоторые титановые сплавы содержат до 13% Ванадия. В авиационной, ракетной и других областях техники нашли применение сплавы на основе ниобия, хрома и тантала, содержащие присадки Ванадия. Разрабатываются различные по составу жаропрочные и коррозионностойкие сплавы на основе Ванадия с добавлением Ti, Nb, W, Zr и Al, для применения в авиационной, ракетной и атомной технике. Интересны сверхпроводящие сплавы и соединения Ванадия с Ga, Si и Ti.
Чистый металлический Ванадий используют в атомной энергетике (оболочки для тепловыделяющих элементов, трубы) и в производстве электронных приборов. Соединения Ванадия применяют в химической промышленности как катализаторы, в сельском хозяйстве и медицине, в текстильной, лакокрасочной, резиновой, керамической, стекольной, фото- и кинопромышленности.
Соединения Ванадия ядовиты. Отравление возможно при вдыхании пыли, содержащей соединения Ванадиz/ Они вызывают раздражение дыхательных путей, легочные кровотечения, головокружения, нарушения деятельности сердца, почек и т. п.
Ванадий в организме. Ванадий - постоянная составная часть растительных и животных организмов. Источником Ванадия служат изверженные породы и сланцы (содержат около 0,013% Ванадий), а также песчаники и известняки (около 0,002% Ванадия). В почвах Ванадия около 0,01% (в основном в гумусе); в пресных и морских водах 1·10 -7 -2·10 -7 %. В наземных и водных растениях содержание Ванадия значительно выше (0,16-0,2%), чем в наземных и морских животных (1,5·10 -5 - 2·10 -4 %). Концентраторами Ванадия являются: мшанка Plumatella, моллюск Pleurobranchus plumula, голотурия Stichopus mobii, некоторые асцидии, из плесеней - черный аспергилл, из грибов - поганка (Amanita muscaria).
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.