Vanadium

Vanadium
←  Titan | Chrome  →
23 V

Nb
Periodická soustava prvků23V _
Vzhled jednoduché látky
Vzorky vanadu
Vlastnosti atomu
Jméno, symbol, číslo Vanad / Vanadium (V), 23
Skupina , období , blok 15 (zastaralé 5), 4,
d-prvek
atomová hmotnost
( molární hmotnost )
50.9415(1) [1]  a. e. m.  ( g / mol )
Elektronická konfigurace [Ar] 3d 3 4s 2
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 3 4s 2
Poloměr atomu 134 hodin
Chemické vlastnosti
kovalentní poloměr 122  hodin
Poloměr iontů (+5e)59 (+3e)74  pm
Elektronegativita 1,63 (Paulingova stupnice)
Elektrodový potenciál 0
Oxidační stavy 0, +2, +3, +4, +5
Ionizační energie
(první elektron)
650,1 (6,74)  kJ / mol  ( eV )
Termodynamické vlastnosti jednoduché látky
Hustota (v n.a. ) 6,11 [2]  g/cm³
Teplota tání 2160 K (1887 °C)
Teplota varu 3650 K (3377 °C)
Oud. teplo tání 17,5 kJ/mol
Oud. výparné teplo 460 kJ/mol
Molární tepelná kapacita 24,95 [2]  J/(K mol)
Molární objem 8,35  cm³ / mol
Krystalová mřížka jednoduché látky
Příhradová konstrukce Krychlové
tělo centrované
Parametry mřížky 3,024 Å [2]
Debyeho teplota 390 tisíc  _
Další vlastnosti
Tepelná vodivost (300 K) 30,7 W/(m K)
Číslo CAS 7440-62-2
nejdéle žijící izotopy
Izotop Prevalence
_
Poločas rozpadu Rozpadový kanál Produkt rozpadu
48V _ synth. 16 dní β + 48 Ti
49V _ synth. 330 dní EZ 49 Ti
50V _ 0,25 % 1,5⋅10 17  let EZ 50 Ti
β - 50 kr _
51V _ 99,75 % stabilní - -
23 Vanadium
PROTI50,9415
3d 3 4s 2

Vanad ( chemická značka  - V, z lat .  Vanad ) - chemický prvek 15. skupiny (podle zastaralé klasifikace  vedlejší podskupina páté skupiny, VB), čtvrté období periodického systému chemických prvků D. I. Mendělejev , s atomovým číslem 23 a atomovou hmotností 50,9415(1) [1] . Prvek je přechodový kov .

Jednoduchá látka vanad  je tažný stříbrošedý kov pokrytý na vzduchu krásným filmem oxidů vanadu , jehož různé barvy jsou způsobeny různou tloušťkou vrstvy oxidu [3] .

Historie

Vanad objevil v roce 1801 Andres Manuel Del Rio , profesor mineralogie z Mexico City , v olověných rudách. Objevil nový kov a navrhl pro něj název „panchromium“ kvůli široké škále barev jeho sloučenin, poté změnil název na „erythronium“. Del Rio neměl ve vědeckém světě Evropy žádnou autoritu a evropští chemici jeho výsledky zpochybňovali. Pak sám Del Rio ztratil důvěru ve svůj objev a prohlásil, že objevil pouze chroman olovnatý.

V roce 1830 byl vanad znovu objeven švédským chemikem Nilsem Sefströmem v železné rudě. Jméno dali novému prvku Berzelius a Sefström.

Friedrich Wöhler , který zkoumal mexickou rudu, měl šanci objevit vanad , ale krátce před Sefströmovým objevem byl vážně otráven fluorovodíkem a nemohl ve výzkumu pokračovat. Wöhler však dokončil studium rudy a nakonec dokázal, že obsahuje vanad, nikoli chrom .

Jména

Tento prvek tvoří sloučeniny s nádhernou barvou, odtud název prvku, spojený se jménem skandinávské bohyně lásky a krásy Freya ( staroskandinávská Vanadís  - dcera Vanů; Vanadis ) [4] . V roce 1831 geolog George William Featherstonhaugh navrhl přejmenovat vanad na „rionium“ (na počest Del Ria), ale tento návrh nebyl podpořen [5] .

Být v přírodě

Vanad je 20. nejrozšířenější prvek v zemské kůře [6] . Patří mezi stopové prvky a ve volné formě se v přírodě nevyskytuje. Obsah vanadu v zemské kůře je 1,6⋅10 −2 % hm., ve vodě oceánů 3⋅10 −7 %. Nejvyšší průměrné obsahy vanadu ve vyvřelých horninách jsou zaznamenány v gabrech a čedicích (230–290 ppm). V sedimentárních horninách dochází k výrazné akumulaci vanadu v biolitech (asfaltity, uhlí, živičné fosfáty), živičných břidlicích, bauxitech a také v oolitických a křemičitých železných rudách . Blízkost iontových poloměrů vanadu a železa a titanu , které jsou rozšířeny ve vyvřelých horninách , vede k tomu, že vanad je v hypogenních procesech zcela v rozptýleném stavu a netvoří vlastní minerály. Jeho nosiči jsou četné titanové minerály (titanomagnetit, sfén , rutil , ilmenit ), slídy , pyroxeny a granáty , které mají zvýšenou izomorfní kapacitu vůči vanadu. Nejvýznamnějšími minerály jsou patronit VS 4 , vanadinit Pb 5 (VO 4 ) 3 Cl a některé další. Hlavním zdrojem vanadu jsou železné rudy obsahující vanad jako nečistotu.

Vanadylový iont (VO 2+ ) se hojně vyskytuje v mořské vodě s průměrnou koncentrací 30 nMa [7] . Některé zdroje minerálních vod obsahují ionty také ve vysokých koncentracích. Například prameny poblíž hory Fuji obsahují až 54 mikrogramů vanadu na litr [7] .

Vklady

Během prvního desetiletí 20. století byla většina vanadové rudy vytěžena americkou společností Vanadium z Minas Ragra v Peru. Později vedlo zvýšení poptávky po uranu ke zvýšení těžby rudy tohoto kovu. Jednou z hlavních uranových rud byl karnotit , který také obsahuje vanad. Vanad se tak stal dostupným jako vedlejší produkt při výrobě uranu. Postupem času začala těžba uranu poskytovat velký podíl na poptávce po vanadu [8] [9] .

Ložiska jsou známá v Peru, USA, Jižní Africe, Finsku, Austrálii, Arménii, Turecku, Anglii, Rusku [10] . Jedno z největších ložisek vanadu se nazývá ložisko Chineyskoye v Transbajkalském území [ 11] .

Fyzikální vlastnosti

Vanad je tažný stříbrno -šedý kov , vzhledově podobný oceli. Tvoří krystaly kubické soustavy (tělesně centrovaná mřížka), prostorová grupa Im 3 m , parametry buňky  a = 0,3024 nm , Z = 2 . Bod tání 1920 °C, bod varu 3400 °C, hustota 6,11 g/cm³ . Při zahřátí na vzduchu nad 300 °C vanad křehne. Nečistoty kyslíku , vodíku a dusíku prudce snižují plasticitu vanadu a zvyšují jeho tvrdost a křehkost [2] .

Izotopy

Přírodní vanad se skládá ze dvou izotopů : slabě radioaktivní 50 V (množství izotopu 0,250 %) a stabilní 51 V (99,750 %). Poločas rozpadu vanadu-50 je 1,5⋅10 17 let , to znamená, že pro všechny praktické účely může být považován za stabilní; tento izotop je v 83 % případů přeměněn na 50 Ti elektronovým záchytem a v 17 % případů podléhá rozpadu beta-minus a mění se na 50 Cr .

Je známo 24 umělých radioaktivních izotopů vanadu s hmotnostními čísly od 40 do 65 (stejně jako 5 metastabilních stavů ). Z nich je nejstabilnějších 49 V ( T 1/2 = 337 dní) a 48 V ( T 1/2 = 15,974 dní).

Chemické vlastnosti

Chemicky je vanad poměrně inertní. Má dobrou odolnost proti korozi, proti působení mořské vody, zředěných roztoků kyseliny chlorovodíkové, dusičné a sírové, zásadám [12] .

S kyslíkem tvoří vanad několik oxidů : VO, V 2 O 3 , VO 2 , V 2 O 5 . Oranžový V 2 O 5  je kyselý oxid, tmavě modrý VO 2  je amfoterní, zbytek oxidů vanadu je zásaditý.

Jsou známy následující oxidy vanadu:

Systematický

název

Chem. vzorec Hustota , g/cm³ Teplota tání , °C Bod varu , °C Molární hmotnost , g/ mol Barva
Oxid vanadičitý VO 5,76 1830 3100 66,94 Černá
Oxid vanadičný V2O3 _ _ _ 4,87 1967 3000 149,88 Černá
Oxid vanadičitý VO2 _ 4,571 g/cm³ 1542 2700 82,94 tmavě modrá
Oxid vanadičný (V). V 2 O 5 3,357 670 2030 181,88 červenožlutý

Halogenidy vanadu jsou hydrolyzovány. Vanad tvoří s halogeny spíše těkavé halogenidy složení VX 2 (X\ u003d F , Cl , Br , I ), VX 3 , VX 4 (X\ u003d F , Cl , Br ), VF 5 a několik oxohalogenidů (VOCl, VOCl2 , VOF3 atd .).

Sloučeniny vanadu v oxidačních stavech +2 a +3 jsou silná redukční činidla, v oxidačních stavech +5 vykazují vlastnosti oxidačních činidel. Známý žáruvzdorný karbid vanadu VC (t pl =2800 °C), nitrid vanadu VN, sulfid vanadu V 2 S 5 , silicid vanadu V 3 Si a další sloučeniny vanadu.

Při interakci V 2 O 5 s bazickými oxidy vznikají vanadičnany  - soli kyseliny vanadičové pravděpodobného složení HVO 3 .

Reaguje s kyselinami .

Získání

V průmyslu, kdy se vanad získává ze železných rud s jeho příměsí, se nejprve připravuje koncentrát, ve kterém obsah vanadu dosahuje 8–16 %. Dále se oxidační úpravou vanad převede do nejvyššího oxidačního stavu +5 a oddělí se ve vodě snadno rozpustný vanadičnan sodný NaVO 3 . Při okyselení roztoku kyselinou sírovou se vytvoří sraženina, která po vysušení obsahuje více než 90 % vanadu.

Primární koncentrát se redukuje ve vysokých pecích a získá se vanadový koncentrát, který se následně používá při tavení slitiny vanadu a železa - tzv. ferovanadium (obsahuje od 35 do 80 % vanadu). Kovový vanad lze připravit redukcí chloridu vanadičného vodíkem, tepelnou redukcí oxidů vanadu (V 2 O 5 nebo V 2 O 3 ) vápníkem, tepelnou disociaci VI 2 a dalšími metodami.

Některé z odrůd ascidiánů mají jedinečnou vlastnost: obsahují vanad v krvi. Ascidians jej absorbuje z vody. V Japonsku bylo navrženo chovat ascidiany na podvodních plantážích, sklízet je, spalovat a získávat popel, který obsahuje vanad ve vyšší koncentraci než v rudě mnoha jeho ložisek [13] .

Aplikace

Energie vodíku

Chlorid vanadičný se používá při termochemickém rozkladu vody v jaderné vodíkové energii (cyklus vanadium-chlorid "General Motors", USA).

Chemické zdroje proudu

Oxid vanadičný je široce používán jako kladná elektroda (anoda) ve vysoce výkonných lithiových bateriích a akumulátorech [14] .

Při výrobě kyseliny sírové

Oxid vanadičný se používá jako katalyzátor [15] ve fázi přeměny oxidu siřičitého na oxid siřičitý [16] .

Hutnictví

Přes 90 % [17] veškerého vyrobeného vanadu se používá jako legovací přísada do ocelí , zejména vysokopevnostních nízkolegovaných, v menší míře nerezových a nástrojových ocelí, jakož i při výrobě vysokopevnostních slitin titanu [ 18] na bázi Ti-6Al-4V (v ruské klasifikaci - BT6, obsahuje asi 4 % vanadu). V ocelích tvoří vanad jemně rozptýlené karbidy VC, což zvyšuje mechanické vlastnosti a stabilitu struktury. Jeho použití je zvláště účinné v kombinaci s wolframem, molybdenem a niklem. V konstrukčních ocelích obsah vanadu zpravidla nepřesahuje 0,25 %, v nástrojových a rychlořezných ocelích dosahuje 4 %. V ruské nomenklatuře ocelí je vanad označen písmenem F.

Automobilový průmysl

Vanad se používá v dílech, které vyžadují velmi vysokou pevnost, jako jsou písty automobilových motorů. Americký průmyslník Henry Ford poznamenal důležitou roli vanadu v automobilovém průmyslu. "Kdyby nebylo vanadu, nebylo by ani auto." Ford [19] řekl . Vanadová ocel umožnila snížit hmotnost a zároveň zvýšit pevnost v tahu [20] .

Produkce ropy

Vanadiová ocel se používá k vytvoření ponorných vrtných plošin pro vrtání ropných vrtů [21] .

Suvenýrové výrobky

Soukromé společnosti v USA vyrábějí medaile a sběratelské žetony z čistého vanadu. Jedna z vanadových medailí vyšla v roce 2011 [22] .

Elektronika

Pro termistory , paměťové spínače a displeje se používá polovodičový materiál na bázi oxidu vanadičitého [23] .

Výroba

Biologická role a dopad

Vanad a mnohé z jeho sloučenin jsou toxické (pro člověka ) ve vysokých koncentracích. Nejtoxičtější jsou sloučeniny pětimocného vanadu. Jeho oxid (V) V 2 O 5 je jedovatý (jedovatý při požití a vdechnutí působí na dýchací soustavu). Pololetální dávka LD50 oxidu vanadičného pro krysy orálně je 10 mg/kg .

Vanad a jeho sloučeniny jsou velmi toxické pro vodní organismy (životní prostředí).

Bylo zjištěno, že vanad může inhibovat syntézu mastných kyselin a inhibovat tvorbu cholesterolu . Vanad inhibuje řadu enzymových systémů inhibuje fosforylaci a syntézu ATP , snižuje hladinu koenzymů A a Q , stimuluje aktivitu monoaminooxidázy a oxidativní fosforylaci.

Nadměrný příjem vanadu v těle je obvykle spojen s environmentálními a výrobními faktory. Při akutní expozici toxickým dávkám vanadu dochází u pracovníků k lokálním zánětlivým reakcím kůže a sliznic očí, horních cest dýchacích, hromadění hlenu v průduškách a alveolech. Existují také systémové alergické reakce, jako je astma a ekzém ; stejně jako leukopenie a anémie , které jsou doprovázeny porušením hlavních biochemických parametrů těla.

Při podávání vanadu zvířatům (v dávkách 25–50 μg/kg) je zaznamenáno zpomalení růstu, průjem a zvýšení úmrtnosti.

Celkově tělo průměrného člověka (tělesná hmotnost 70 kg) obsahuje 0,11 mg vanadu. Toxická dávka pro člověka je 0,25 mg, smrtelná 2-4 mg.

Zvýšený obsah bílkovin a chrómu ve stravě snižuje toxický účinek vanadu. Normy spotřeby této minerální látky nejsou stanoveny.

Vysoký obsah vanadu byl navíc zjištěn u některých mořských bezobratlých ( holothurians a ascidians ), u kterých je součástí proteinových komplexů plazmy a krvinek a coelomické tekutiny. V krevních buňkách ascidiánů může hmotnostní zlomek vanadu dosáhnout až 8,75 % [13] . Funkce prvku v těle není zcela jasná , různí vědci jej považují za zodpovědný buď za přenos kyslíku v těle těchto zvířat, nebo za přenos živin. Z hlediska praktického využití – z těchto organismů je možné vanad extrahovat, ekonomická návratnost takových „mořských plantáží“ není v tuto chvíli jasná, ale v Japonsku existují zkušební možnosti.

Viz také

Sloučeniny vanadu

Poznámky

  1. 1 2 Meija J. a kol. Atomové hmotnosti prvků 2013 (IUPAC Technical Report  )  // Pure and Applied Chemistry . - 2016. - Sv. 88 , č. 3 . - str. 265-291 . - doi : 10.1515/pac-2015-0305 .
  2. 1 2 3 4 Korshunov B. G. Vanadium // Chemická encyklopedie  : v 5 svazcích / Ch. vyd. I. L. Knunyants . - M . : Sovětská encyklopedie , 1988. - T. 1: A - Darzana. - S. 349. - 623 s. — 100 000 výtisků.  - ISBN 5-85270-008-8 .
  3. Pergament A., Khanin S. ELEKTRONICKÉ SPÍNÁNÍ V TENKÝCH OXIDOVÝCH VRSTVÁCH V PŘECHODNÝCH KOVECH  (ruština)  ? . „Základní výzkum a vysoké školství“ a „Rozvoj vědeckého potenciálu vysokého školství“, podporované Ministerstvem školství a vědy Ruské federace a Americkou občanskou nadací pro výzkum a vývoj (CRDF), grant č. RUX0-000013-PZ-06) (13. května 2009). Staženo: 22. ledna 2022.
  4. Sefström, NG Ueber das Vanadin, ein neues Metall, gefunden im Stangeneisen von Eckersholm, einer Eisenhütte, die ihr Erz von Taberg in Småland bezieht  (German)  // Annalen der Physik und Chem.ie  : magazin - 1831. - Bd. 97 , č. 1 . - S. 43-49 . - doi : 10.1002/andp.18310970103 . — .
  5. Featherstonhaugh, George William. Nový kov, prozatímně nazvaný Vanadium  (neopr.)  // The Monthly American Journal of Geology and Natural Science. - 1831. - S. 69 .
  6. Sborník  _ _ — National Cotton Council of America, 1991.
  7. 1 2 Rehder D. Bioanorganická chemie vanadu  . — 1. vyd. - Hamburk, Německo: John Wiley & Sons, Ltd , 2008. - S. 5 & 9-10. — (Anorganická chemie). — ISBN 9780470065099 . - doi : 10.1002/9780470994429 .
  8. Busch P.M. Vanadium: Materiálový  průzkum . - Ministerstvo vnitra USA, Bureau of Mines, 1961.
  9. Wise, James M. Pozoruhodné skládané dacitové hráze v Mina Ragra, Peru (květen 2018).
  10. Elektronická knihovna OIL-GAS (nepřístupný odkaz) . Získáno 19. září 2010. Archivováno z originálu 5. dubna 2015. 
  11. „Basilej“ zahájen . www.kommersant.ru (15. února 2005). Staženo: 20. ledna 2022.
  12. Holleman AF, Wiberg E., Wiberg N. Das Vanadium // Lehrbuch der Anorganischen Chemie  (německy) . - Walter de Gruyter , 1985. - S. 1071-1075. - ISBN 978-3-11-007511-3 . - doi : 10.1002/ange.19870990634 .
  13. 1 2 Michibata H., Hirose H., Sugiyama K., Ookubo Y., Kanamori K. Extrakce látky vázající vanad (vanadobin) z krevních buněk několika druhů ascidií  // Biologický bulletin. - 1990. - Sv. 179. - S. 140-147.
  14. Všechny kovy. Vanadium. Aplikace. .
  15. Langeslay RR et al. Katalytické aplikace vanadu: Mechanistická perspektiva   // ​​Chemické recenze. - 2018. - Sv. 119 , iss. 4 . - doi : 10.1021/acs.chemrev.8b00245 . — PMID 30296048 .
  16. Eriksen KM, Karydis DA, Boghosian S., Fehrmann R. Deactivation and Compound Formation in Sulfuric-Acid Catalysts and Model Systems  //  Journal of Catalysis. - 1995. - Sv. 155 , č.p. 1 . - str. 32-42 . - doi : 10.1006/jcat.1995.1185 .
  17. Vanad. Výhled do roku 2028, 17. vydání . Roskill . Roskill Information Services (5. března 2019).
  18. Slitiny titanu. Metalografie slitin titanu / Ed. N.F. Anoshkin. - M .: Metalurgie, 1980. - S. 11. - 464 s.
  19. Metatorg. Vanad .
  20. Betz F. Řízení technologických inovací : Konkurenční výhoda vyplývající ze změny  . - Wiley-IEEE, 2003. - S. 158-159. - ISBN 978-0-471-22563-8 .
  21. Coinandbullionpages. Vanad .
  22. Omnicoin .
  23. Slotvinsky-Sidak N.P. Oxidy vanadu // Chemická encyklopedie  : v 5 svazcích / Ch. vyd. I. L. Knunyants . - M . : Sovětská encyklopedie , 1988. - T. 1: A - Darzana. - S. 351-352. — 623 s. — 100 000 výtisků.  - ISBN 5-85270-008-8 .
  24. Podniky EVRAZ Vanadium . Datum přístupu: 13. dubna 2019.

Odkazy