Vanadium | ||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
← Titan | Chrome → | ||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||
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 | ||||||||||||||||||||||||||||
|
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] .
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 .
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] .
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] .
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] .
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] .
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).
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 | 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 .
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] .
Chlorid vanadičný se používá při termochemickém rozkladu vody v jaderné vodíkové energii (cyklus vanadium-chlorid "General Motors", USA).
Chemické zdroje prouduOxid vanadičný je široce používán jako kladná elektroda (anoda) ve vysoce výkonných lithiových bateriích a akumulátorech [14] .
Při výrobě kyseliny sírovéOxid vanadičný se používá jako katalyzátor [15] ve fázi přeměny oxidu siřičitého na oxid siřičitý [16] .
HutnictvíPřes 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 průmyslVanad 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 ropyVanadiová ocel se používá k vytvoření ponorných vrtných plošin pro vrtání ropných vrtů [21] .
Suvenýrové výrobkySoukromé společnosti v USA vyrábějí medaile a sběratelské žetony z čistého vanadu. Jedna z vanadových medailí vyšla v roce 2011 [22] .
ElektronikaPro termistory , paměťové spínače a displeje se používá polovodičový materiál na bázi oxidu vanadičitého [23] .
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.
Slovníky a encyklopedie |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Periodický systém chemických prvků D. I. Mendělejeva | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Řady elektrochemické aktivity kovů | |
---|---|
Eu , Sm , Li , Cs , Rb , K , Ra , Ba , Sr , Ca , Na , Ac , La , Ce , Pr , Nd , Pm , Gd , Tb , Mg , Y , Dy , Am , Ho , Er , Tm , Lu , Sc , Pu , |