Ванадий

Ванадий — химический элемент 5-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы пятой группы) четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 23. Обозначается символом V (от лат. Vanadium). Простое вещество ванадий — это тугоплавкий металл серебристо-серого цвета. Отличается высокой прочностью и коррозионной стойкостью, благодаря чему находит широкое применение в металлургии, химической промышленности и энергетике.

История открытия

Впервые ванадий был обнаружен в 1801 году в Мексике испанским минералогом Андресом Мануэлем дель Рио, который работал в горной школе Мехико. Дель Рио выделил новый элемент из свинцовой руды, назвав его «панхромием» (от греч. «все цветной») из-за разнообразия окраски его соединений, а затем переименовал в «эритроний» (от греч. «красный»), поскольку его соли при нагревании краснели. Однако французский химик Ипполит Виктор Колле-Декотиль, исследовавший образцы, ошибочно заявил, что это не новый элемент, а загрязнённый хромом образец урана. Дель Рио, доверившись авторитету коллеги, отказался от своего открытия.

Повторно ванадий был открыт в 1830 году шведским химиком Нильсом Габриэлем Сефстрёмом при анализе железной руды из шахты Таберг в Швеции. Он выделил оксид нового металла и назвал элемент ванадий в честь скандинавской богини красоты и плодородия Ванадис (Фрейи) из-за разнообразия и красоты окраски его соединений. В том же году немецкий химик Фридрих Вёлер, работавший с образцами мексиканской руды, подтвердил, что панхромий дель Рио и ванадий Сефстрёма — один и тот же элемент.

Металлический ванадий в чистом виде впервые получил в 1867 году английский химик Генри Энфилд Роско, восстановив хлорид ванадия водородом.

Нахождение в природе

Ванадий — достаточно распространённый элемент, его содержание в земной коре оценивается в 0,015–0,02% по массе, что ставит его на 22-е место по распространённости среди химических элементов. В природе ванадий встречается в виде примесей в различных рудах и минералах, а также входит в состав некоторых органических соединений, например, в нефти и битумах.

Минералы

Известно более 60 минералов ванадия, однако промышленное значение имеют лишь несколько:

Ванадинит (Pb₅(VO₄)₃Cl) — хлорванадат свинца, важнейшая руда ванадия.
Карнотит (K₂(UO₂)₂(VO₄)₂·3H₂O) — урано-ванадиевый минерал, источник ванадия и урана.
Роскоэлит (K(V,Al)₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂) — ванадиевая слюда.
Патронит (VS₄) — сульфид ванадия, встречается в Перу.

Месторождения

Крупнейшие запасы ванадия сосредоточены в России (Кольский полуостров, Урал), ЮАР (комплекс Бушвельд), Китае (провинция Сычуань), Австралии и Бразилии. В России основным источником ванадия являются титаномагнетитовые руды, из которых ванадий извлекается попутно при производстве стали и титана.

Физические свойства

Ванадий — это твёрдый, пластичный металл серебристо-серого цвета с характерным металлическим блеском. Ключевые физические характеристики:

Атомная масса: 50,9415 а. е. м.
Температура плавления: 1910 °C (2183 K).
Температура кипения: 3407 °C (3680 K).
Плотность при 20 °C: 6,11 г/см³.
Твёрдость по шкале Мооса: 6,5–7 (высокая, сравнима с кварцем).
Теплопроводность: 30,7 Вт/(м·K) при 300 K.
Удельное электрическое сопротивление: 0,2 мкОм·м (при 20 °C).

Ванадий относится к тугоплавким металлам. Он обладает парамагнитными свойствами и является сверхпроводником при температуре ниже 5,13 K.

Химические свойства

Ванадий — химически активный металл, но при комнатной температуре устойчив к коррозии благодаря образованию на поверхности плотной оксидной плёнки. При нагревании его активность возрастает.

Степени окисления

Ванадий проявляет степени окисления от +2 до +5, причём наиболее устойчивы и распространены соединения V(V) и V(IV). Соединения ванадия в разных степенях окисления имеют различную окраску, что используется в аналитической химии:

V(II) — фиолетовый.
V(III) — зелёный.
V(IV) — голубой.
V(V) — жёлтый, оранжевый или красный.

Реакции

С кислородом: при нагревании выше 600 °C сгорает с образованием оксида ванадия(V) V₂O₅.
С галогенами: взаимодействует при нагревании, образуя галогениды (например, VCl₄, VF₅).
С кислотами: растворяется в плавиковой и концентрированной серной кислотах, а также в царской водке. Устойчив к действию соляной и азотной кислот при комнатной температуре.
Со щелочами: при нагревании реагирует с расплавами щелочей, образуя ванадаты.

Получение

Промышленное получение ванадия включает несколько стадий:

Обогащение руды: извлечение ванадийсодержащих концентратов (например, из титаномагнетитов, ванадинитов, карнотитов).
Окислительный обжиг: концентрат обжигают с содой или поваренной солью для перевода ванадия в растворимую форму — ванадат натрия NaVO₃.
Выщелачивание: полученный спек обрабатывают водой или разбавленной серной кислотой, извлекая ванадий в раствор.
Осаждение: из раствора осаждают технический оксид ванадия(V) V₂O₅.
Восстановление: оксид ванадия восстанавливают до металла алюминием (алюмотермия) или кальцием (кальциетермия). Для получения особо чистого ванадия применяют йодидное рафинирование или электронно-лучевую плавку.

Применение

Основная область применения ванадия — металлургия, где он используется в качестве легирующей добавки.

Металлургия

Феррованадий: сплав железа с ванадием (содержание V 35–80%) — основной продукт, используемый в сталелитейной промышленности. Добавка 0,1–0,3% ванадия значительно повышает прочность, упругость, износостойкость и ударную вязкость стали.
Инструментальные стали: ванадий входит в состав быстрорежущих и штамповых сталей (например, Р6М5, Х12МФ), увеличивая их твёрдость и красностойкость.
Конструкционные стали: ванадийсодержащие стали применяются для изготовления рельсов, мостовых конструкций, трубопроводов, деталей автомобилей и авиационной техники.
Титановые сплавы: ванадий (обычно в виде сплава Ti-6Al-4V) используется как легирующий элемент для титана, повышая его прочность и жаропрочность.

Химическая промышленность

Катализаторы: оксид ванадия(V) V₂O₅ является ключевым компонентом катализаторов для производства серной кислоты (контактный способ), а также для окисления органических соединений (например, в производстве фталевого ангидрида).
Пигменты: соединения ванадия (ванадаты, ванадиевые бронзы) используются для получения жёлтых, оранжевых и зелёных керамических и стекольных красок.
Производство аккумуляторов: ванадиевые редокс-батареи (VRFB) — перспективный тип проточных аккумуляторов для стационарного хранения энергии.

Прочие области

Ядерная энергетика: ванадий и его сплавы (например, V-4Cr-4Ti) рассматриваются как конструкционные материалы для термоядерных реакторов из-за низкой активации под действием нейтронов.
Медицина: соединения ванадия изучаются в качестве потенциальных противодиабетических и противоопухолевых препаратов (инсулиноподобное действие, ингибирование тирозинфосфатаз).
Электроника: диоксид ванадия VO₂ используется в качестве материала для переключателей и сенсоров, так как при температуре около 68 °C испытывает фазовый переход металл-изолятор.

Биологическая роль и токсичность

Ванадий является микроэлементом, необходимым для некоторых организмов (например, для асцидий — морских оболочников, которые накапливают ванадий в крови). Для человека роль ванадия до конца не выяснена, однако известно, что он участвует в регуляции обмена углеводов и липидов, а также может влиять на активность некоторых ферментов.

В больших дозах соединения ванадия токсичны. Пятиокись ванадия V₂O₅ и другие растворимые соединения ванадия при вдыхании вызывают раздражение дыхательных путей, кашель, а при длительном воздействии — хронические заболевания лёгких. Предельно допустимая концентрация (ПДК) ванадия в воздухе рабочей зоны составляет 0,1 мг/м³ (для V₂O₅). Ванадий и его соединения относятся к 3-му классу опасности (умеренно опасные вещества).

Интересные факты

Ванадий — один из немногих элементов, названных в честь божества из скандинавской мифологии.
В 2016 году в Перу был обнаружен новый минерал ванадия — ванадинит-гидроксид, который обладает уникальной структурой и может быть использован в качестве катализатора.
Сплав Ti-6Al-4V (титан — 90%, алюминий — 6%, ванадий — 4%) является самым распространённым титановым сплавом в мире, используемым в авиакосмической промышленности, медицине и спортивных товарах.

Источники

Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1.
Реми Г. Курс неорганической химии. — М.: Мир, 1972. — Т. 2.
Greenwood N. N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. — 2nd ed. — Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997.
Свойства элементов: справочник / Под ред. М. Е. Дрица. — М.: Металлургия, 1985.
ГОСТ 12.1.005-88. Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →