Ванадијум: својства, атомска маса, формула, примена

3. 4. 2019.

Ванадијум је хемијски елемент означен симболом "В". Атомска маса ванадијума је 50.9415 а. м., атомски број - 23. То је чврсти сребрно-сиви, кован и топив метал, који се ретко налази у природи. Она је део више од 60 минерала и чак може бити садржана у фосилним горивима.

својства ванадија

Непрепознато откриће

Метал ванадиј је први пут открио мексички минералог шпанског порекла, Андрес Мануел Дел Рио, 1801. године. Истраживач је уклонио нови елемент из узорка руде смеђе оловке која се копа у Мексику. Како се испоставило, металне соли имају велику разноликост боја, тако да га је Дел Рио првобитно назвао “панцхромиум” (од грчког “παγχρωμιο” - “вишебојни”).

Касније је минералог преименован у елемент еритронија (из грчког “ερυθρος” - “црвени”), јер је већина соли добила црвену нијансу када се загрева. Чини се да се невероватна срећа осмехнула малом познатом научнику у Европи. Откриће новог хемијског елемента ванадијума је обећано, ако не и слава, онда бар признање од стране колега. Међутим, због недостатка значајног ауторитета у научном свету, постигнуће Мексиканца је игнорисано.

Француски хемичар Хиполит Вицтор Цолле-Декотилс је 1805. године сугерисао да је нови елемент који је истраживао Дел Рио био само узорак хромата олова са нечистоћама. На крају, мексички истраживач, да не би потпуно изгубио лице пред научним братством, прихватио је одобрење Цолле-Децотиле и одбио га отворити. Међутим, његово достигнуће није потонуло у заборав. Данас је Андрес Мануел Дел Рио препознат као проналазач ретког метала.

Поново отвори

Године 1831. Швеђанин Нилс Габриел Сефстром поново је открио хемијски елемент ванадиј у оксиду који је добио када је радио са жељезном рудом. Као своју ознаку, научник је изабрао слово "В", које још није додељено ниједном елементу. Сефстром је нови метал назвао због своје лепе и богате боје у част нордијске богиње лепоте Ванадис.

Вијест је изазвала појачано интересовање за научну заједницу. Одмах се сетио рада мексичког минеролога. У истом 1831, Фриедрицх Вохлер је поново провјерио и потврдио претходно откриће Дел Риоа. А геолог Георге Виллиам Феатхерстон је чак предложио позивање метала "Рионијум" у част откривачу, али иницијатива није подржана.

ванадиум метал

Елусиве

Изолација метала ванадијума у ​​његовом чистом облику се показала тешком. Пре тога, научници су радили само са његовим солима. Због тога су непознате праве особине ванадијума. Године 1831. Берзелиус је известио да је примио метализовану супстанцу, али је Хенри Енфиелд Росцое доказао да је Берзелиус заправо произвео ванадијум нитрид (ВН). Коначно, Росцое је произвео метал 1867. редукцијом ванадијум хлорида (ВЦл 2 ) под дејством водоника. Од 1927. године, чист ванадиј се добија редукцијом ванадијум пентоксида уз учешће калцијума.

Прва серијска индустријска употреба елемента датира из 1905. године. Металу је додана челична легура за производњу шасија тркаћих аутомобила, а касније - у моделу Форд Т. Карактеристике ванадијума могу смањити тежину конструкције, а истовремено повећати затезну чврстоћу. Иначе, немачки хемичар Мартин Кхензе открио је 1911. године ванадијум у крвним ћелијама (или коеломијским ћелијама) морских становника - ексидата.

кемијска својства ванадија

Пхисицал пропертиес

Ванадијум је дуктилни сиво-плави метал средње тврдоће са челичним сјајем и густином од 6.11 г / цм3. Неки извори описују материјал као мекан, имајући у виду његову високу пластичност. Кристална структура елемента је компликованија од већине метала и челика.

Ванадијум има добру отпорност на корозију, алкалије, сумпор и хлороводонична киселина. Он оксидира на ваздуху на температури од око 660 ° Ц (933К, 1220 ° Ф), иако се пасивизација оксида дешава чак и на собној температури. Овај материјал се топи када температура досегне 1920 ° Ц, и ври на 3400 ° Ц.

Хемијска својства

Ванадијум под утицајем кисеоника формира четири типа оксида:

Боја

Густина

Боил

Мелтинг

ВО (ИИ)

Блацк

5,76 г / цм3

3100 ° Ц

1830 ° Ц

В 2 О 3 (ИИИ)

Блацк

4.87 г / цм3

3000 ° Ц

1967 ° Ц

ВО 2 (ИВ)

Морнарско плаво

4.65 г / цм3

2700 ° Ц

1542 ° Ц

В 2 О 5 (В)

Оранге

3.357 г / цм3

2030 ° Ц

670 ° Ц

Једињења типа (ИИ) ванадијума су редукциона средства, а једињења типа (В) су оксидациона средства. Једињења (ИВ) често постоје као деривати ванадил катиона.

Оксид

Комерцијално најважније једињење је ванадијум пентоксид. То је смеђе-жута чврста супстанца, иако је када је свеже упакована из воденог раствора, њена боја тамно наранџаста.

ванадијум оксид

Оксид се користи као катализатор за добијање сумпорне киселине. Ово једињење оксидује сумпор-диоксид (СО2) у триоксид (СО3). У овој редокс реакцији сумпор се оксидује од +4 до +6, а ванадијум се смањује од +5 до +4. Формула за ванадијум је следећа:

В 2 О 5 + СО 2 → 2ВО 2 + СО 3

Катализатор се регенерише оксидацијом кисеоника:

2ВО 2 + О 2 → В 2 О 5

Слични оксидациони процеси се користе у производњи анхидрида малеинске киселине, фталног анхидрида и неколико других масовних органских једињења.

Овај оксид се такође користи у припреми феррованадијума. Загрева се жељезом и феросилицијумом уз додатак вапна. Када се користи алуминијум, легура гвожђе-ванадиј се производи заједно са алуминијум оксидом као нуспроизводом. Због високог коефицијента термичке отпорности, ванадијум оксид (В) се користи као детекторски материјал у болометрима и микроболометарским низовима у уређајима за термално снимање.

Карактеристике

Ретки метал има следеће карактеристике:

  • Кристална структура: кубични у центру.
  • Проводљивост звука: 4560 м / с (на 20 ° Ц).
  • Валенца валадијума: В (ретко ИВ, ИИИ, ИИ).
  • Топлинско ширење: 8,4 μм / (м · К) (на 25 ° Ц).
  • Топлотна проводљивост: 30.7 В / (м · К).
  • Електрични отпор: 197 нΩ · м (на 20 ° Ц).
  • Магнетизам: парамагнетски.
  • Магнетна осетљивост: + 255 · 10 -6 цм3 / мол (298К).
  • Модул еластичности: 128 ГПа.
  • Модул смицања: 47 ГПа.
  • Булк модул еластичности: 160 ГПа.
  • Поиссонов однос: 0.37.
  • Тврдоћа Мохса: 6.7.
  • Тврдоћа по Вицкерсу: 628-640 МПа.
  • Бринелова тврдоћа: 600-742 МПа.
  • Категорија артикла: прелазни метал.
  • Електронна конфигурација: 3д 32 .
  • Топлина топљења: 21,5 кЈ / мол.
  • Топлина испаравања: 444 кЈ / мол.
  • Моларни топлотни капацитет: 24,89 Ј / (мол · К).

Ванадијум у периодној табели је у 5. групи (ванадијумска подгрупа), четврти период, д-блок.

Спреад

Ванадијум у скали универзума је око 0.0001% од укупне запремине материје. Шири се често као бакар и цинк. Метал се налази у спектралном сјају Сунца и других звезда.

Елемент је 20. најчешће у кори. Кристал ванадиј у кристалном облику је прилично риједак, али се спојеви овог материјала налазе у 65 различитих минерала. Економски значајни од њих су патронит (ВС 4 ), ванадинит (Пб 5 (ВО 4 ) 3 Цл) и карнотит (К 2 (УО 2 ) 2 (ВО 4 ) 2 · 3 Х 2 О).

Ванадил иони су обилно распоређени у морској води и имају просечну концентрацију од 30 нМа. Неки извори минералне воде такође садрже ове јоне у високим концентрацијама. На пример, извори у близини планине Фуји садрже до 54 µг / л.

ванадијумски хемијски елемент

Рударство

Већи део овог ретког метала се добија од ванадијумовог магнетита који се налази у ултрабазичним магматским габровој стени. Сировине се ископавају углавном у Јужној Африци, сјеверозападној Кини и источној Русији. Ове земље су у 2013. произвеле више од 97% укупног ванадијума (79.000 тона у маси).

Метални материјал је присутан иу бокситу и депозитима сирове нафте, угља, уљних шкриљаца и катранског песка. У сировом уљу пријављене су концентрације до 1200 ппм. Због оксидативних својстава ванадија (неких његових оксида) након сагоријевања таквих нафтних деривата, остаци елемента могу узроковати корозију у моторима и котловима.

Процењује се да се 110.000 тона супстанце годишње испушта у атмосферу сагоревањем фосилних горива. Данас се развијају технологије за вађење вредних супстанци из угљоводоника.

Производња

Ванадијум се углавном користи као додатак челичним легурама које се називају феролегуре. Феррованијум се добија директно редукцијом мешавине ванадијум оксида са валенцом (В), оксидима гвожђа и чистим гвожђем у електричној пећи.

Метал је произведен коришћењем вишестепеног процеса, који почиње сагоревањем дробљене ванадијумске рудаче са додатком натријум хлорида (НаЦл) или натријум карбоната (На2ЦО3) на температури од око 850 ° Ц да би се добио натриј метаванадат (НаВО 3 ). Водени екстракт ове супстанце је закишељен да би се добила поливанадатна со, која је редукована металом калцијума. Као алтернатива малој производњи, ванадијум пентоксид је редукован водоником или магнезијумом.

Користе се и многе друге методе, у којима се ванадиј производи као нуспроизвод других процеса. Њено чишћење могуће је методом јодида који су развили Антон Едоуард ван Аркел и Јан Хендрик де Бохр 1925. Подразумева формирање ванадиј (ИИИ) јодида и његово накнадно разлагање у чисти метал:

2 В + 3И 2 ВИ 2 ВИ 3

Јапанци су измислили прилично егзотичан начин добијања овог елемента. Узгајају се на асцидним подводним плантажама (тип акорда), које апсорбују ванадијум из морске воде. Затим се сакупљају и спаљују. Вриједан метал се издваја из формираног пепела. Инаце, концентрација у овом слуцају је много веца него у најбогатијим депозитима.

ванадијумске легуре

Аллоис

Шта су легуре ванадијума? Приближно 85% произведеног ријетког метала се користи за производњу феррованадија или као додатак челику. Почетком 20. века установљено је да чак и мала количина ванадијума значајно повећава чврстоћу челика. Овај елемент формира стабилне нитриде и карбиде, што доводи до побољшања перформанси челика и легура.

Од тада се ванадиј користи у осовинама, оквирима, кољенастим вратилима, зупчаницима и другим важним компонентама возила на котачима. Постоје две групе легура:

  • Висок садржај угљеника од 0,15% до 0,25% ванадијума.
  • Фаст цуттинг челични алати (ХСС) садржај од 1% до 5% овог елемента.

За ХСС челике може се постићи тврдоћа већа од ХРЦ 60. Они се користе у хируршки инструменти. У металургији праха, легуре могу да садрже до 18% ванадијума. Висок садржај карбида у овим легурама значајно повећава отпорност на хабање. Они праве алате и ножеве.

Због својих својстава, ванадијум стабилизује бета облик титана, повећава његову чврстоћу и температурну стабилност. Мешан са алуминијумом у титанијумским легурама, користи се у млазним моторима, брзим авионима и зубним имплантатима. Најчешћа легура за бешавне цеви је титанијум 3 / 2.5, који садржи 2,5% ванадијума. Ови материјали су широко распрострањени у индустрији ваздухопловства, одбране и бицикала. Још једна уобичајена легура произведена углавном у листовима је титанијум 6АЛ-4В, где 6% алуминијума и 4% ванадијума.

Неколико легура ванадијума показује суперпроводна својства. Први фазни суправодич А15 је В3 Си ванадијум једињење, добијено 1952. године. Вонадиј-галијум трака се користи у суперпроводним магнетима. Структура суперпроводне фазе А15 В 3 Га је слична структури уобичајених суправодича: станниде триниобиум (Нб 3 Сн) и ниобијум-титанијум (Нб 3 Ти).

Недавно су научници открили да је у средњем веку у узорцима дамаста и дамаста челика додата мала количина ванадијума (од 40 до 270 делова на милион). Ово је побољшало својства лопатица. Међутим, нејасно је где и како је миниран ретки метал. Можда је био део неких руда.

примена ванадија

Апплицатион

Поред металургије, ванадиј се користи и за друге задатке. Попречни пресјек хватања топлотних неутрона и кратки полу-живот изотопа произведених хватањем неутрона чине овај метал погодним материјалом за употребу у реактору за фузију.

Најчешћи ванадијум оксид, пентоксид В 2 О 5, користи се као катализатор у производњи сумпорна киселина и као оксидациони агенс у производњи анхидрида малеинске киселине. Ванадијум оксид се користи у производњи керамичких производа.

Метал је важна компонента мешаних метал оксидних катализатора који се користе у оксидацији пропана и пропилена у акролеину, акрилној киселини или амоксидацији пропилена у акрилонитрил. Други ванадијум оксид - диоксид ВО 2 - користи се у производњи стаклених премаза који блокирају инфрацрвено зрачење на одређеној температури.

Ванадијумска редокс батерија је галванска ћелија која се састоји од водених ванадијумових јона у различитим оксидационим стањима. Батерије овог типа су први пут предложене тридесетих година прошлог века, а комерцијална употреба почела је 1980-их. Ванадат се може користити за заштиту челика од корозије.

Ванадиј је важан за људско здравље. Помаже регулирати метаболизам угљика и липида, укључен је у производњу енергије. По дану се препоручује конзумирање 6-63 мцг (ВХО подаци) супстанце која долази из хране. Довољно је код житарица, махунарки, поврћа, биља, воћа.