Ванадий цена, возникновение, восстановление и использование

Ванадий, также устаревший ванадий, представляет собой химический элемент с символом V и атомным номером 23. Это стально-серый, голубовато-мерцающий переходный металл, очень мягкий в чистом виде. В периодической таблице этот металл вместе с более тяжелым ниобием, танталом и дубнием образует 5-ю группу или группу ванадия. Большая часть ванадия используется в производстве стали в виде так называемого феррованадия. Добавление ванадия в хромованадиевые стали увеличивает ударную вязкость и, таким образом, увеличивает сопротивление стали.

Элемент имеет разные биологические значения и необходим для многих живых существ. Он играет роль в контроле ферментов фосфорилирования и используется бактериями для фиксации азота.

Самым известным соединением ванадия является оксид ванадия (V), который используется в качестве катализатора для производства серной кислоты.

Поздний ванадий был впервые обнаружен в 1801 году испанским минералогом Андресом Мануэлем дель Рио в мексиканской свинцовой руде, позже ванадините. Первоначально он назвал новый элемент из-за разноцветных соединений panchromiumпозже Erythronium, так как соли при подкислении стали красными. Однако вскоре дель Рио отменил открытие, когда сначала Александр фон Гумбольдт, а затем французский химик HV Collett-Desotils заявили, что новый элемент был загрязнен хромом из-за его сходства с соединениями хрома.

Повторное открытие элемента удалось в 1830 году шведским химиком Нильсом Габриэлем Сефстремом. Он исследовал железо из шведского месторождения железной руды Таберг, растворив его в соляной кислоте. При этом он обнаружил, среди других известных веществ, неизвестный элемент, который по некоторым свойствам напоминал хром, а по другим - уран, но не был одним из этих элементов после дальнейших исследований. Он назвал новый элемент в честь Vanadis, эпитет нордического божества Фрейи. Спустя некоторое время Фридрих Велер, который уже занимался этой задачей в Берцелиусе, представил доказательства идентичности ванадия с эритронием.

Металлический ванадий был впервые произведен в 1867 году Генри Энфилдом Роско путем восстановления хлорида ванадия (II) водородом. Ванадий чистотой 99,7% был впервые получен в 1925 году Джоном Уэсли Марденом и Малкольмом Ричем путем восстановления оксида ванадия (V) кальцием.

Впервые ванадий был использован в 1903 году, когда в Англии была произведена первая ванадийсодержащая сталь. Повышенное использование этого элемента в сталелитейной промышленности началось в 1905 году, когда Генри Форд начал использовать ванадиевую сталь в производстве автомобилей.

 

Вхождение 

Ванадий является распространенным элементом на земле, его доля континентальной

Ванадий является распространенным элементом на Земле, его доля в континентальной коре составляет около 120 промилле. Аналогичное обилие элементов имеет цирконий, хлор и хром. Элемент не выглядит достойным, а только связан с различными минералами. Несмотря на обилие месторождений ванадия с высокими концентрациями элемента, они редки, многие минералы ванадия встречаются редко. По сравнению с земной корой его содержание в морской воде намного ниже, около 1,3 мкг / л.

Наиболее важные минералы ванадия включают, прежде всего, ванадаты, такие как ванадинит [Pb₅(VO₄)₃Cl], Descloizit Pb (Zn, Cu) [OH | VO₄] и карнотит [K₂(УО₂)₂(VO₄)₂· 3H₂О], а также сульфид ванадия Патронит VS₄. Большая часть ванадия содержится в следовых количествах в других минералах, особенно в железных рудах, таких как магнетит. Содержание ванадия в титано-магнетитовых рудах обычно составляет от 0,3 до 0,8%, но может достигать 1,7% в некоторых южноафриканских рудах.

Животные и растения содержат ванадий, поэтому люди содержат около 0,3 мг / кг этого элемента. В основном это происходит в ядрах клеток или митохондриях. Некоторые живые существа, особенно некоторые виды морских брызг и мухоморов, способны обогащать ванадий. В морских брызгах содержание ванадия до 10⁷ иногда такой большой, как в окружающей морской воде. Из-за содержания ванадия в живых существах уголь и сырая нефть, образующиеся из них, также содержат ванадий. Содержание до 0,1%. Особенно высокое содержание ванадия содержится в нефти из Венесуэлы и Канады.

В 2006 году было добыто 55.700 63 тонн ванадиевой руды (в пересчете на металлический ванадий). Наиболее важными странами-производителями являются Южная Африка, Китай и Россия. Ванадий - не дефицитное сырье, известны его запасы в XNUMX миллиона тонн.

 

Извлечение и презентация 

Ванадий представлен в несколько ступеней. Прежде всего, оксид ванадия (V) должен быть получен из различных исходных материалов. Затем его можно превратить в элементарный металл и при необходимости очистить.

Возможными исходными материалами, из которых можно извлечь ванадий, являются ванадиевые руды, такие как карнотит или патронит, ванадийсодержащие титано-магнетитовые руды и нефть. Руды ванадия были важны для производства в прошлом, но больше не играют важной роли и в основном были заменены титано-магнетитовыми рудами.

Если ванадийсодержащая железная руда восстанавливается до железа в доменном процессе, ванадий первоначально остается в чугуне. Для дальнейшей переработки чугуна в сталь во время обжига впрыскивается кислород. Ванадий уходит в шлак. Он содержит до 25% оксида ванадия (V) и является основным источником извлечения металлов. Чтобы извлечь чистый оксид ванадия (V), тонко измельченный шлак окислительно обжаривают с натриевыми солями, такими как хлорид натрия или карбонат натрия. Это образует водорастворимый Natriummetavanadat, который отделяется от остаточного шлака путем выщелачивания. При добавлении солей кислоты и аммония полученный нерастворимый поливанадат аммония выпадает в осадок из раствора. Это можно преобразовать путем обжига в оксид ванадия (V). Из других ванадийсодержащих руд оксид может быть получен идентичным способом. Из нефти ванадий может быть извлечен путем образования эмульсии с добавлением воды и нитрата магния. Дальнейшая переработка производится как при добыче железных руд.

Фактическое извлечение ванадия происходит путем восстановления оксида ванадия (V) другими металлами.

 

В качестве восстановителя

можно использовать алюминий, кальций, ферросилиций или углерод; с последним, однако, в реакции образуются карбиды, которые трудно отделить от металла.

Восстановление кальцием

Для получения чистого ванадия в качестве восстановителя используется дорогой кальций или алюминий, поскольку более дешевый ферросилиций не может обеспечить высокую чистоту. В то время как чистый ванадий получается непосредственно с кальцием, ванадий-алюминиевый сплав первоначально образуется с алюминием, из которого чистый ванадий получается сублимацией в вакууме.

Однако большая часть ванадия не является чистым металлом, а находится в форме железо-ванадиевого сплава. феррованадияс содержанием ванадия не менее 50%. Для этого нет необходимости предварительно извлекать чистый ванадий. Вместо этого ванадий и железосодержащий шлак восстанавливают до феррованадия с помощью феррокремния и извести. Этого сплава достаточно для большинства технических приложений.

Чистейший ванадий может быть получен электрохимическим способом или по методу Ван-Аркеля-де-Бура. Для этого чистый ванадий расплавляют вместе с йодом в пустой стеклянной ампуле. Иодид ванадия (III), образующийся в нагретой ампуле, разлагается на горячей вольфрамовой проволоке с образованием ванадия и йода высокой чистоты.

Реакция в процессе Ван Аркеля-де-Бур

 

Свойства 

Физические свойства

Ванадий - немагнитный, прочный, податливый и отчетливо стальной тяжелый металл с плотностью 6,11 г / см.³. Чистый ванадий относительно мягкий, но при добавлении других элементов он становится тверже и имеет высокую механическую прочность. По большинству свойств он похож на своего соседа по периодической таблице - титан. Температура плавления чистого ванадия составляет 1910 ° C, но она значительно увеличивается из-за примесей, таких как углерод. При содержании углерода 10% это около 2700 ° C. Ванадий кристаллизуется как хром или ниобий в объемно-центрированной кубической кристаллической структуре с пространственной группой  параметр решетки a = 302,4 пм и две формульные единицы на элементарную ячейку.

Ванадий становится сверхпроводником ниже температуры перехода 5,13 К. Как и чистый ванадий, сплавы ванадия с галлием, ниобием и цирконием являются сверхпроводящими. При температурах ниже 5,13 К ванадий, как и металлы ванадиевой группы ниобий и тантал, демонстрирует пока необъяснимую спонтанную электрическую поляризацию в крошечных глыбах до 200 атомов, которая в противном случае проявляется только неметаллическими веществами.

 

Химические свойства

Ванадий является неблагородным металлом и может реагировать со многими неметаллами. В воздухе он неделями остается блестящим металлическим. Если смотреть в течение длительного периода времени, видна четко видимая зеленая ржавчина. Если требуется консервация ванадия, его следует хранить в атмосфере аргона. В жару он подвергается действию кислорода и окисляется до оксида ванадия (V). В то время как углерод и азот реагируют с ванадием только в раскаленном состоянии, реакция с фтором и хлором происходит на холоде.

По сравнению с кислотами и основаниями ванадий обычно стабилен при комнатной температуре благодаря тонкому пассивирующему оксидному слою, на него воздействуют только плавиковая кислота и сильные окисляющие кислоты, такие как горячая азотная кислота, концентрированная серная кислота и царская водка.

Ванадий способен поглощать водород до температуры 500 ° C. Металл становится хрупким и легко измельчается. Водород можно удалить при 700 ° C в вакууме.

 

Изотоп 

Всего известно 25 изотопов и еще 6 основных изомеров ванадия. Два из них происходят естественным путем. Это изотопы ⁵⁰V с собственной частотой 0,25% и ⁵¹V с частотой 99,75%. ⁵⁰V слабо радиоактивен, распадается с периодом полураспада 1,5 x 10¹⁷ Лет до 83% при захвате электронов ⁵⁰Ti, на 17% ниже β^-Распад тоже ⁵⁰Cr. Оба ядра можно использовать для исследований методом ЯМР-спектроскопии.

Наиболее стабильные искусственные изотопы ⁴⁸V с периодом полураспада 16 дней и ⁴⁹V с периодом полураспада 330 дней. Они используются как индикаторы. Все остальные изотопы и изомеры ядра очень нестабильны и распадаются за минуты или секунды.

 

Использовать

Лишь небольшой процент чистого ванадия используется в качестве материала оболочки для ядерного топлива из-за его небольшого поперечного сечения захвата нейтронов. Однако также можно использовать более стойкие ванадиевые сплавы. Более 90% продукции используется в различных сплавах, в основном с железом, титаном, никелем, хромом, алюминием или марганцем. Лишь небольшая часть используется в соединениях, в основном в виде оксида ванадия (V).

С 85% произведенного ванадия, безусловно, большая часть потребляется в сталелитейной промышленности. Поскольку для этого не требуется высокая чистота, феррованадий используется в качестве сырья. Ванадий, даже в небольших количествах в сталях, значительно увеличивает прочность и ударную вязкость и, следовательно, износостойкость. Это вызвано образованием твердого карбида ванадия. В зависимости от применения добавляются различные количества ванадия. Например, конструкционные стали и инструментальные стали содержат только небольшие количества (от 0,2 до 0,5%) ванадия, быстрорежущей стали до 5%. Ванадийсодержащие стали используются в основном для механически напряженных инструментов и пружин. Стали, которые также содержат кобальт в дополнение к железу и ванадию, являются магнитными.

Титановые сплавы, которые содержат ванадий и обычно также алюминий, являются особенно стабильными и жаростойкими и используются в авиастроении для опорных деталей и лопаток турбин авиационных двигателей.

Ванадий используется в качестве основного электролита в так называемой проточной окислительно-восстановительной ячейке; примером такого применения является ванадиевый окислительно-восстановительный аккумулятор.

 

доказательство 

Предварительный образец представляет собой шарик соли фосфора, в котором ванадий имеет характерный зеленый цвет в восстановительном пламени. Пламя окисления бледно-желтое и поэтому слишком неспецифическое.

Качественные доказательства ванадия основаны на образовании ионов пероксованадия. Для этого кислый раствор, содержащий ванадий в степени окисления +5, смешивают с небольшим количеством перекиси водорода. Красновато-коричневый [V (O₂)]³⁺-катион. Он реагирует с большим количеством перекиси водорода с образованием бледно-желтой пероксованадиновой кислоты H.₃[VO₂(O₂)₂].

Количественно ванадий можно определить титрованием. Для этого ванадийсодержащий раствор серной кислоты окисляют перманганатом калия до пятивалентного ванадия, а затем подвергают обратному титрованию раствором сульфата железа (II) и дифениламином в качестве индикатора. Также возможно восстановление существующего пятивалентного ванадия сульфатом железа (II) до степени четырехвалентного окисления и последующее потенциометрическое титрование раствором перманганата калия.

В современной аналитике ванадий можно обнаружить несколькими методами. Это, например, атомно-абсорбционная спектрометрия при 318,5 нм и спектрофотометрия с N-бензоил-N-фенилгидроксиламином в качестве цветного реагента при 546 нм.

 

Биологическое значение

Соединения ванадия имеют разные биологические значения. Характерной особенностью ванадия является то, что он является анионным в виде ванадата и катионным в качестве VO₂⁺, В.О.²⁺ или V³⁺ имеет место. Ванадаты очень похожи на фосфаты и, соответственно, имеют аналогичные эффекты. Поскольку ванадат сильнее связывается с подходящими ферментами, чем фосфат, он способен блокировать и, таким образом, контролировать ферменты фосфорилирования. Это касается, например, натрий-калий-АТФазы, которая контролирует транспорт натрия и калия в клетки. Это препятствие можно быстро удалить с помощью десфериоксамина B, который образует стабильный комплекс с ванадатом. Кроме того, ванадий влияет на поглощение глюкозы. Он способен стимулировать гликолиз в печени и ингибировать конкурентный процесс глюконеогенеза. Это приводит к снижению уровня глюкозы в крови. Поэтому исследуется, подходят ли соединения ванадия для лечения сахарного диабета типа 2. Однако никаких четких результатов пока не найдено. Кроме того, ванадий также стимулирует окисление фосфолипидов и подавляет синтез холестерина, ингибируя сквален-синтазу, систему микросомальных ферментов печени. Следовательно, дефицит вызывает повышение уровня холестерина и триглицеридов в плазме крови.

Ванадий играет роль в фотосинтезе растений. Он способен катализировать реакцию с образованием 5-аминолевулиновой кислоты без фермента. Это важный предшественник образования хлорофилла.

В некоторых организмах встречаются ванадийсодержащие ферменты, поэтому некоторые бактерии имеют азотфиксирующие ванадийсодержащие нитрогеназы. Это, например, виды рода Azotobacter а также цианобактерии Anabaenavariabilis, Однако эти нитрогеназы не так эффективны, как более распространенные молибденовые нитрогеназы и, следовательно, активируются только при дефиците молибдена. Другие ванадийсодержащие ферменты содержатся в бурых водорослях и лишайниках. Они содержат ванадийсодержащие галопероксидазы, с помощью которых они образуют хлор, бром или йодорганические соединения.

Функция ванадия, который присутствует в больших количествах в морских брызгах как металлопротеин ванабин, пока не известна. Первоначально предполагалось, что ванадий, как и гемоглобин, служит переносчиком кислорода; однако было обнаружено, что это неверно.

 

опасность 

Как и другая металлическая пыль, ванадиевая пыль также легко воспламеняется. Ванадий и его неорганические соединения оказались канцерогенными в исследованиях на животных. Поэтому они классифицируются в категории канцерогенности 2. Например, если рабочие ванадия вдыхают пыль в течение длительного времени, может произойти так называемый ванадизм. Это признанное профессиональное заболевание может проявляться раздражением слизистой оболочки, зеленовато-черным обесцвечиванием языка, а также хроническими заболеваниями бронхов, легких и кишечника.

 

Связи

Ванадий может присутствовать в соединениях в различных степенях окисления. Часто уровни +5, +4, +3 и +2, реже +1, 0, -1 и -3. Наиболее важные и стабильные степени окисления +5 и +4.

 

Водный раствор

В водном растворе ванадий может быть легко превращен в различные степени окисления. Поскольку различные ионы ванадия имеют характерные цвета, происходят изменения цвета.

В кислом растворе пятивалентный ванадий образует бесцветный VO.₂⁺Ионы, которые сначала уменьшают до синего четырехвалентного VO²⁺являются ионы. Трехвалентная стадия с V³⁺Ион зеленого цвета, самый глубокий шаг, достижимый в водном растворе, двухвалентный V²⁺-Ион серо-фиолетовый.

 

кислородные соединения 

Наиболее важным и наиболее стабильным ванадий-кислородным соединением является оксид ванадия (V) V₂O₅. Это соединение оранжевого цвета используется в больших количествах в качестве катализатора для производства серной кислоты. Там он действует как переносчик кислорода и во время реакции становится другим оксидом ванадия, оксидом ванадия (IV) VO.₂ уменьшено. Другими известными оксидами ванадия являются оксид ванадия (III) V₂O₃ и оксид ванадия (II) VO.

В щелочном растворе оксид ванадия (V) образует ванадаты, соли с анионом VO₄^3-. Однако в отличие от аналогичных фосфатов ион ванадата является наиболее стабильной формой; Водород и дигидрованадаты, а также свободная ванадиевая кислота нестабильны и известны только в разбавленных водных растворах. При подкислении основных ванадатных растворов вместо гидрованадатов образуются поливанадаты, в которых накапливается до десяти ванадатных звеньев. Ванадаты могут быть найдены в различных минералах, примерами являются ванадинит, десклоицит и карнотит.

 

галогеновые соединения 

Ванадий образует множество соединений с галогенами фтором, хлором, бромом и йодом. Известно, что только одно соединение, фторид ванадия (V), находится в степени окисления +5. В степенях окисления +4, +3 и +2 есть соединения со всеми галогенами, только с йодом известны соединения в состояниях +2 и +3. Однако из этих галогенидов только хлориды хлорид ванадия (IV) и хлорид ванадия (III) являются технически значимыми. Помимо прочего, они служат катализатором производства этилен-пропилен-диенового каучука.

 

Vanadiumoxidchloride 

Ванадий также образует смешанные соли с кислородом и хлором, так называемые Vanadiumoxidchloride, Оксид ванадия (III), VOCl, представляет собой желтовато-коричневый водорастворимый порошок. Оксид хлорида ванадия (IV), VOCl. Используется в фотографии и в качестве текстильного красителя.₂ состоит из зеленых гигроскопичных кристаллических таблеток, растворяющихся в воде синего цвета. Оксихлорид ванадия (V), VOCl₃ в конце концов, это жидкость желтого цвета, которая очень легко гидролизуется водой. VOCl₃ служит компонентом катализатора при полимеризации под низким давлением.

 

Другие соединения ванадия

В органических соединениях ванадия ванадий достигает своей низшей степени окисления 0, -I и -III. Особое значение здесь имеют металлоцены, так называемые ванадоцены. Они используются в качестве катализаторов полимеризации алкинов.

Карбид ванадия VC используется в порошковой форме, помимо прочего, для плазменного напыления или сварки в плазменном порошке. Кроме того, карбид ванадия добавляют к твердым металлам, чтобы уменьшить рост зерна. Результатом являются так называемые керметы, которые являются особенно твердыми и износостойкими.

Общий
Имя, символ, атомный номер	Ванадий, V, 23
серия	Переходные металлы
Группа, период, блок	5, 4, д
Внешний вид	стальной серый металлик, голубоватый мерцающий
номер CAS	7440-62-2
Массовая доля земной оболочки	0,041%
ядерной
атомная масса	50,9415 XNUMX человека
Атомный радиус (рассчитанный)	135 (171) вечера
Ковалентный радиус	153 м.
электронная конфигурация	[Ar] 3d3 4s2
1. ионизация	650,9 кДж / моль
2. ионизация	1414 кДж / моль
3. ионизация	2830 кДж / моль
4. ионизация	4507 кДж / моль
5. ионизация	6298,7 кДж / моль
физически
Физическое состояние	Праздник
кристаллическая структура	кубическое тело-центрированное
плотность	6,11 г / см3 (20 ° С)
твердость по Моосу	7,0
магнетизм	парамагнитный ( = 3,8 10-4)
точка плавления	2183 К (1910 ° С)
Температура кипения	3680 К (3407 ° С)
Молярный объем	8,32 · 10-6 m3/ моль
Теплота парообразования	453 кДж / моль
теплота плавления	21,5[5] кДж / моль
скорость звука	4560 м / с на 293,15 K
Удельная теплоемкость	489 Дж / (кг · К)
Электропроводность	5 · 106 А / (В · м)
теплопроводность	31 Вт / (м · К)
Химический
состояния окисления	+5, + 4, + 3, + 2
электроотрицательность	1,63 (шкала Полинга)
Изотоп
изотоп NH t1/2 ZA ZE (МэВ) ZP 48V {Син.} 15,9735 г ε 4,012 48Ti 49V {Син.} 330 г ε 0,602 49Ti 50V 0,25% 1,5 · 1017 a ε 2,208 50Ti β- 1,037 50Cr 51V 99,75 % стабильный
безопасности
СГС опасных веществ

нет пиктограмм СГС

H- и P-фразы H: нет H-фразEUH: нет ставок EUHP: без P-фраз Опасная информацияПорошок

легкий легковоспламеняющийся	прекрасный
(F)	(Xi)

R- und S-SätzeR: 17-36/37/38 (Pulver)S: 7-26-33-37-43-60 (Pulver)

 

Цены ванадия

Цена ванадия -> цены на стратегические металлы