До середини XX століття в хімічній науці з'явився термін – метали стратегічного значення. Під ним розуміли групу елементів, фізико-хімічні властивості яких дозволяли їх використовувати у виробництвах військово-промислового комплексу. Мова йде про таких металах, як хром, тантал, ніобій, молібден і вольфрам. Ванадій, властивості якого ми розглянемо в цій статті, також по праву займає одне з центральних місць серед металів, які застосовуються в сучасному машинобудуванні, чорній металургії, інструментальному та хімічному виробництві. Метал утворює з киснем чотири оксиду, виявляючи в них валентність, рівну 234 і 5. Найбільший практичний інтерес представляє з'єднання з найвищим ступенем окиснення металу – V 2 O 5 , яке ми розглянемо більш докладно.

Знайомимося з ванадієм

В хімічній науці існує давно усталене правило, що свідчить, що характеристику хімічного елемента потрібно починати з його положення в періодичній системі Менделєєва Д. І Хімічна формула ванадію як простої речовини – V, порядковий номер – 23 атомна маса - 509414. Він розташовується в четвертому періоді, п'ятої групи і, разом з ніобієм і танталом, є типовим представником тугоплавких металів. Зразки чистого речовини пластичні і мають сріблясто-сірий колір. Атом ванадію є d-елементом, що має на останньому енергетичному рівні два s-електрони, однак валентними будуть також і ті негативні частинки, які розташовані на d-підрівні цього ж четвертого рівня.

Де зустрічається метал і які його фізичні властивості

Сам елемент в чистому вигляді в природі не знайти. Зате він присутній у якості обов'язкового компонента в поліметалічних і залізних рудах. Раніше ми говорили про пластичності і ковкості простого речовини, тепер додамо, що важливі фізичні властивості ванадію – це високі температури кипіння і плавлення, рівні, відповідно, 3400 °С і 1920 °С. Подібно титану він різко погіршує свої фізико-хімічні параметри при забрудненні такими домішками, як азот, водень або кисень. Зокрема, знижуються його пластичність і механічна міцність, і ванадій стає крихким.

Особливі хімічні властивості

Метал здатний до пасивації, тобто має унікальну здатність протистояти дії агресивних хімічних середовищ: розчинів кислот, лугів і солей, утворюючи на своїй поверхні захисну плівку - оксид ванадію. Кристалічна решітка елемента має кубічну структуру. Зазначимо також, що антикорозійна стійкість сталей, що містять елемент, дуже висока, що дозволяє використовувати їх в якості несучих кріплень опор мостів і морських нафтових бурових установок. Не можна уявити без ванадийсодержащих сталей і сучасне інструментальне виробництво. Разом з ніобієм, хромом і титаном елемент застосовують для легування спеціальних сплавів, застосовуваних у ракетобудування та космічної промисловості. Однак концентрована нітратна і сульфатна кислоти, розчин фтороводень у воді і суміш хлоридної та нітратної кислот, звана царською горілкою, легко взаємодіють з металом. Елемент ванадій як просте речовина може реагувати з хлором, бромом, сіркою, при цьому утворюються відповідні солі. З киснем утворює кілька оксидів, що сильно відрізняються між собою за своїми хімічними властивостями. Розглянемо їх далі.

Основні і амфотерні оксиди

Метал утворює два оксиду – VO і V 2 O 3 , які виявляють типові основні властивості. В лабораторії монооксид добувають реакцією відновлення V 2 O 5 дрібнодисперсним порошком ванадію. Основні оксиди реагують з розчинами кислот, утворюючи відповідні солі. А вже з них можна отримати гідроксиди, проводячи реакцію обміну з лугами. Оксид ванадію (III) виявляється в якості компонента мінералу карелианита, а отримують його в лабораторних умовах при нагріванні V 2 O 5 з сіркою, вугіллям або воднем. Обидва основних оксиду мають сильно виражені відновні властивості. Оксид VO 2 - це типове амфотерное з'єднання, що вступає в реакцію як з кислотами, так і з лугами. У розчині, рн якого менше 7 виявляються позитивно заряджені іони ванадила VO 2+ додають розчину світло-синій колір, а в лужному середовищі утворюються солі поливанадиевой кислоти. Оксид ванадію (IV) притягує воду, тобто є гігроскопічною речовиною, в реакціях веде себе, як відновник.

Гемипентоксид ванадію

Сполука, формула якого V 2 O 5 - найбільш важливий оксид металу. Це водоростворимое кристалічна речовина оранжевого кольору, реагує з лугами з утворенням ванадатов – солей метаванадиевой кислоти HVO 3 . Широко застосовується в якості каталізатора в реакції окислення двооксиду сірки до сірчаного ангідриду в промисловому виробництві сульфатної кислоти. П'ятиокис ванадію має ромбічну кристалічну решітку і ознаки амфотерності з переважанням властивостей кислотного оксиду. В реакціях веде себе як сильний окислювач. З'єднання застосовують у технологіях скловаріння, медицині та в органічному синтезі.

Способи вилучення ванадію з його сполук

Раніше ми згадували про те, що метал є компонентом залізної руди. У доменному виробництві елемент разом з домішками вуглецю і фосфору переходить у чавун. При виплавці сталі оксид ванадію 5 осідає у складі шлаку, де його вміст може досягати 16 %. Додаючи до нього кухонну сіль і проводячи випалення суміші в печах, отримують продукт, який надалі розчиняють у воді. Одержаний водний концентрат обробляють сульфатною кислотою і виділяють із нього V 2 O 5 . Щоб виділити з оксиду чистий ванадій, можна скористатися методом кальциетермии - відновленням металів за допомогою металевого кальцію. Для зниження технологічних витрат в реакції з п'ятиокисом ванадію замість кальцію часто використовують алюміній. Метал можна отримати і відновленням оксиду тривалентного ванадію вугіллям.

Біологічна роль

Ванадій присутня в живих організмах як мікроелемент, що входить до складу міжклітинної рідини морських голкошкірих. У голотурій і морських їжаків він пов'язаний з білками, які виконують функцію транспортування до клітин кисню і видалення вуглекислого газу. Незначно вміст елемента в організмі теплокровних тварин і людини, де він перебуває у складі ферментів підшлункової залози, в нейроглии і нефронах. В рослинах мікроелемент бере участь в якості ферменту темнової фази фотосинтезу і впливає на рівень пігменту хлорофілу, що міститься в хлоропластах. Він також виявляється в бульбочкових бактерій, які є азотофиксаторами, у тканинах вищих грибів. У складі чорнозему, поряд із сполуками бору, міді, цинку і марганцю, оксид ванадію впливає на родючість грунту. У нашій статті ми вивчили основні властивості ванадію та його оксидів, а також розглянули застосування його сполук у промисловості.