Ванадий

Ванадий
Синкав или сребристосив метал
Спектрални линии
Tитан ← Ванадий → Хром – ↑ V ↓ Nb H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og Периодична система
Общи данни
Име, символ, Z	Ванадий, V, 23
Група, период, блок	5, 4, d
Химическа серия	преходен метал
Електронна конфигурация	[Ar] 3d3 4s2
e- на енергийно ниво	2, 8, 11, 2
CAS номер	7440-62-2
Свойства на атома
Атомна маса	50,9415 u
Ковалентен радиус	153±8 pm
Степен на окисление	5, 4, 3, 2, 1, −1, −3
Оксид	V2O5 (амфотерен)
Електроотрицателност (Скала на Полинг)	1,63
Йонизационна енергия	I: 650,9 kJ/mol II: 1414 kJ/mol III: 2830 kJ/mol IV: 4507 kJ/mol (още)
Физични свойства
Агрегатно състояние	твърдо вещество
Кристална структура	кубична обемноцентрирана
Плътност	6000 kg/m3
Температура на топене	2183 K (1910 °C)
Температура на кипене	3680 K (3407 °C)
Специф. топлина на топене	21,5 kJ/mol
Специф. топлина на изпарение	444 kJ/mol
Налягане на парата P (Pa) 1 10 102 103 104 105 T (K) 2101 2289 2523 2814 3187 3679
Скорост на звука	4560 m/s при 20 °C
Специф. ел. съпротивление	0,197 Ω.mm2/m
Топлопроводимост	30,7 W/(m·K)
Магнетизъм	парамагнитен
Модул на еластичност	128 GPa
Модул на срязване	47 GPa
Модул на свиваемост	160 GPa
Коефициент на Поасон	0,37
Твърдост по Моос	6,7
Твърдост по Викерс	628 – 640 MPa
Твърдост по Бринел	600 – 742 MPa
История
Откритие	Андрес Мануел дел Рио (1801 г.)
Изолиране	Нилс Габриел Сефстрьом (1830 г.)
Най-дълготрайни изотопи
Изотоп ИР ПП ТР ПР 48V синт. 16 дни β+ 48Ti 49V синт. 330 дни ε 49Ti 50V 0,25 % 1,5×1017 г. ε 50Ti β- 50Cr 51V 99,75 % стабилен
Ванадий в Общомедия

Ванадият е химически елемент. Открит е два пъти. През 1801 г. мексиканският минералог Андрес Мануел де Рио получил оксиди и соли на неизвестен елемент от мексиканския минерал Pb(VO₂)₃Cl, „кафяво олово“, по-късно наречен ванадинит. Оксидите и солите му имат различни цветове, поради което той му дал първоначално името „панхримиум“, от гръцкото „всякакъв цвят“, а по-късно „еритрониум“, от гръцки – червен. Химиците обаче се усънимли в точността на неговите анализи, като някои твърдели, че това може да е елементът хром, а френският химик Колет-Дескотил анализирал пратената му проба от новия оксид и потвърдил този извод. Последвало отказване на Дел Рио от претенциите на откривател. В последствие е открит от Нилс Габриел Сефстрьом през 1830 в Швеция като примеси в желязна руда.

Ванадият никога не е открит в природата в чисто състояние, а само в някои минерали. Той е сребристо бял, твърд и ковък метал. Химически устойчив е, при висока температура лесно се съединява с кислород, азот и др. Ванадиевият пентаоксид (V₂О₅) се използва като катализатор в химическите производства.

История

През 1830 г. шведският химик Нилс Габриел Сефстрьом научава от металурзи, че получаваният от тях чугун се оказал с две различни характеристики по отношение на трошливостта му в зависимост от произхода на желязната руда. Той изолирал от шлаката на „доброкачествения“ чугун неизвестен червен прах и направил извода, че съдържа още неоткрит химичен елемент. Сефстрьом, възхитен от красотата на цветовете на съединенията на неоткрития елемент, го нарекъл „ванадиум“, в чест на скандинавската богиня на красотата и младостта Ванадис, и го означил с V. В същата година, но малко по-късно, немският химик Фридрих Вьолер, използвайки мексиканската руда на дел Рио, потвърдил резултатите му и установил, че и той е получил елемента ванадий. И това не е било случайно – едни химици твърдели, че дел Рио е получил хром, а други – ванадий, тъй като рудата съдържала и двата елемента. Така за откриватели на ванадия се смятат и двамата – Дел Рио го е открил, а Сефстрьом го е преоткрил.

През 1876 г. английският химик Хенри Енфилд Роско първи изолира ванадия чрез водородна редукция на ванадиев дихлорид (VCl₂), а през 1925 г. американските химици Джон Уесли Марден и Малкълм Н. Рич получават 99,7% чист метал чрез редукция на ванадиев пентаоксид (V₂O₅) с калций.

Физични свойства

В чист вид ванадият не е намерен в природата. Той се съдържа в различни минерали, въглища и в петрол и е на около 19-о място по разпространение в земната кора с 16×10^-3% от земната маса. Той е с номер 23 в периодичната таблица и е първият елемент от 5-а (IIIB) група, с атомно тегло 50,9415.

Компактен образец ванадий не се променя при обикновени условия, без значение от pH.

Елементът ванадий има два природни изотопа, които имат следното съотношение на Земята: ⁵⁰V – 0,25% и ⁵¹V – 99,75%. Установено е, че ванадий 51 е стабилен, а ванадий-50 е слабо радиоактивен, с период на полуразпад 1,4×10¹⁷ години (β⁺-разпад). Това е многократно повече от възрастта на Земята, поради което се смята за относително стабилен. Получени и изследвани са около 24 радиоактивни и 4 метастабилни (изомерни) състояния с масово число от 40 до 65, като по-дълготрайните (с период на полуразпад и вид на разпада) са ⁴⁹V – 329 дни, електронен захват и ⁴⁸V – 15,9735 дни, β⁺-разпад. Останалите изотопи имат периоди на полуразпад минути, секунди и части от секундата.

Ванадият е сребристосив, много твърд метал, с кубична обемноцентрична решетка, специфично тегло 6 g/cm³, температура на топене 1900 °C и на кипене 3407 °C. При температура от 5,03 K металът става свръхпроводник.

Химични свойства

Ванадият е силно разсеян в руди на други метали. Като търговски източник на ванадий са: карнотит, ванадинит и патронит (V₂S₄). Освен това се използват сажди от изгарянето на някои видове нефт и въглища, богати на ванадий. При преработката на различните източници се получава като изходен продукт ванадиев пентаоксид, който след това се редуцира.

Ванадият се отличава с висока химическа устойчивост в морската вода и водните разтвори на минералните соли, сравнително устойчив е към действието на разредена солна киселина, не взаимодейства с разредена азотна и сярна киселина. Реагира с флуороводородна киселина, концентрирана азотна и сярна киселина, с царска вода. Не взаимодейства с разредени основи, но в присъствието на въздух се окислява и образува ванадати. Кислородът се разтваря във ванадия, а разтворимостта му се увеличава с повишаване на температурата.

Оксиди, хидроксиди и соли

Оксидите, отговарящи на четирите окислителни състояния са: VO, V₂O₃, VO₂, V₂O₅, но са известни и V₄O₇ и V₅O₉. С увеличаване на степента на окисление, се засилват киселинните свойства, а също и химическата устойчивост. Моноксидът не се разтваря във вода, с разредени неорганични киселини образува соли(II) и е силен редуктор. Получава се чрез редуциране на V₂O₅ с водород при 1700 °C. Хидроксидът V(OH)₂ се образува при действието на основа върху сол(II):

${\ce {2NaOH + VCl2_{(aq)}-> V(OH)2 + 2NaCl}}$

Оксидът V₂O₃ е антиферомагнетик, образува соли(III), силен редуктор, получава се от V₂O₅ чрез въглероден оксид, водород или сяра при нагряване. Хидроксидът, V(OH)₃, се получава като се действа с основа или NH₄OH на разтвори на соли(III) без достъп на въздух.

Диоксидът (VO₂) на ванадия е антиферомагнит, хигроскопичен, амфотерен, с редукционни свойства.

Диванадиевият пентаоксид (V₂O₅) е с диамагнитни свойства, над 700 °C дисоциира. Той е полупроводник от n-тип. Пентаоксидът е промеждутъчен продукт от производството на ферованадий, използва се като катализатор в производството на сярна киселина, компонент е в специални стъкла и глазури, а също и в луминофори на червено светене. Химически чист V₂O₅ се получава от NH₄VO₃ при термична дисоциация или от подкислен със сярна киселина разтвор:

${\ce {2NH4VO3 ->[{t}] V2O5 + 2NH3 + H2O}}$,

${\ce {2Nh4VO3 + H2SO4 -> V2O5 + (NH4)2SO4 + H2O}}$.

В зависимост от начина на получаването съединението има различна диспресност и цвят.

Халогениди и оксохалогениди

Ванадиеви халогениди

Степен на окисление	Флуорид	Хлорид	Бромид	Йодид
+5	VF5 безцветен	—	—	—
+4	VF4 зелен	VCl4 червено-кафяв	—	—
+3	VF3 жълто-зелен	VCl3 червено-виолетов	VBr3 сиво-кафяв	VI3 тъмнокафяв
+2	VF2 син	VCl2 бледозелен	VBr2 оранжево-кафяв	VI2 червено-виолетов

Други съединения

С азота над 700 °C ванадият образува нитрид (VN, жълти кристали), с въглерода и въглеродосъдържащи газове над 800 °C – карбиди (черни кристали, VC, като отношението C:V e 37:47% и никога 1:1), с хлора – хлориди, с флуора – флуориди, с водорода образува твърди разтвори. С металите ванадият формира сплави и интерметални съединения. Триванадиев галид (V₃Ga) се използва като свръхпроводник (температура 16,8 K) за изготвяне на на намотки на соленоиди.

Ванадиев диборид (VB₂) е огнеупорен материал и компонент на високотемпературни сплави, а триванадиевият силицид (V₃Si) е свръхпроводник при 17,2 K.

Образуват се ванадиев моносулфид (VS) и диванадиев пентасулфид (V₂S₅).

Приложение

Широко приложение ванадият намира в металургията, химическата промишленост и производството на викототемпературно обзавеждане. Като изходен продукт в черната металургия се използва ферованадий, съдържащ 35 – 85% ванадий. Добавен в стоманата, ванадият има два ефекта: премахва зърнеността на матрицата и изчиства въглеродното присъствие, като го формира в карбиди. По този начин ванадиевата стомана е особено издръжлива и устойчива на удари и огъвания. Почти всички инструментални стомани съдържат ванадий, в количества от 0,10% до 5%. Той осигурява запазването на твърдостта и режещата способност на инструмента при високи температури, получаващ се при скоростно рязане на металите. В някои видове чугуни добавка на малки количества ванадий регулира размера и разпределението на графичните пукнатини за подобряване на здравината и съпротивлението на износване.

В цветната металургия ванадият заема важно място. Добавянето на няколко процента ванадий към алуминия го прави много твърд. Същото се отнася за златото, медта, никела и титана. Със среброто ванадият не се сплавя.

Ванадиевите съединения (V₂O₅ и ванадатите) се използват като катализатори в контактния метод за производството на сярна киселина; като окислителни катализатори в синтеза на фталов и металинов анхидрид; в производството на полиамиди (найлони); за окисление на органични вещества, като етанол към ацеталдехид и антрацен (C₁₂H₁₂) към антрахинон (C₁₄H₈O).

Физиологично действие

Установено е, че ванадият и неговите съединения въздействат токсично на човешкия организъм. Ванадият предизвиква възпалителни реакции на кожата, дихателните пътища на белите дробове, а също и нарушение на биологичните параметри на организма. Нормалното съдържание в организма на човека е около 0,11 mg (за 70 kg). Токсичната доза е 0,25 mg, а леталната доза – от 2 до 4 mg. За някои дълбоководни животни концентрацията на ванадий в тъканната течност и кръвта достига до 10%.