Ванадий

Радиус нейтрального атома ванадия 0, 134 нм, радиус ионов V²⁺ — 0, 093 нм, V³⁺ — 0, 078 нм, V⁴⁺ — 0, 067-0, 086 нм, V⁵⁺ — 0, 050-0, 068 нм. Энергии последовательной ионизации атома ванадия 6, 74, 14, 65, 29, 31, 48, 6 и 65, 2 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность ванадия 1, 63.

В свободном виде — блестящий серебристо-серый металл.

Ванадий открыт в 1801 мексиканским минералогом А. М. дель Рио как примесь в свинцовой руде из рудника в Зимапане. Новый элемент дель Рио назвал эритронием (от греческого erythros — красный) из-за красного цвета его соединений. Однако впоследствии он решил, что им обнаружен не новый элемент, а разновидность хрома, открытого четырьмя годами ранее и еще почти не изученного. В 1830 мексиканским минералом занялся немецкий химик Ф. Велер, однако, отравившись фтористым водородом, он на несколько месяцев прекратил исследования. В том же году шведский химик Н. Сефстрем обратил внимание на наличие в железной руде примеси, в которой наряду с известными элементами оказалось какое-то новое вещество. В результате анализа в лаборатории Й. Берцелиуса было доказано, что открыт новый элемент. Этот элемент образует соединения с красивой окраской, отсюда и название элемента, связанное с именем скандинавской богини красоты Ванадис. В 1831 Велер доказал тождественность эритрония и ванадия, но за элементом сохранилось название, данное ему Сефстремом и Берцелиусом.

В природе ванадий в свободном виде не встречается, относится к рассеянным элементам. Содержание ванадия в земной коре 1, 6·10^–2 % по массе, в воде океанов 3, 10^-7 %. Важнейшие минералы: патронит V(S₂)₂, ванадинит Pb₅(VO₄)₃Cl и некоторые другие. Основной источник получения ванадия — железные руды, содержащие ванадий как примесь.

В промышленности при получении ванадия из железных руд с его примесью сначала готовят концентрат, в котором содержание ванадия достигает 8-16%. Далее окислительной обработкой ванадий переводят в высшую степень окисления +5 и отделяют легко растворимый в воде ванадат натрия NaVO₃. При подкислении раствора серной кислотой выпадает осадок, который после высушивания содержит более 90% ванадия.

Первичный концентрат восстанавливают в доменных печах и получают концентрат ванадия, который далее используют при выплавке сплава ванадия и железа — так называемого феррованадия (содержит от 35 до 70% ванадия). Металлический ванадий можно приготовить восстановлением хлорида ванадия водородом, кальцийтермическим восстановлением оксидов ванадия (V₂O₅ или V₂O₃), термической диссоциацией VI₂ и другими методами.

Ванадий по внешнему виду похож на сталь, это достаточно твердый, но вместе с тем пластичный металл. Температура плавления 1920 °C, температура кипения около 3400 °C, плотность 6, 11 г/см³. Кристаллическая решетка кубическая объемно центрированная, параметр а=0, 3024 нм.

Химически ванадий довольно инертен. Он стоек к действию морской воды, разбавленных растворов соляной, азотной и серной кислот, щелочей. С кислородом ванадий образует несколько оксидов: VO, V₂O₃, V₃O₅, VO₂, V₂O₅. Оранжевый V₂O₅ — кислотный оксид, темно-синий VO₂ — амфотерный, остальные оксиды ванадия — основные. С галогенами ванадий образует галогениды составов VX₂ (X = F, Cl, Br, I), VX₃, VX₄ (X = F, Cl, Br), VF₅ и несколько оксогалогенидов (VOCl, VOCl₂, VOF₃ и др.).

Соединения ванадия в степенях окисления +2 и +3 — сильные восстановители, в степени окисления +5 проявляют свойства окислителей. Известны тугоплавкий карбид ванадия VC (t_пл=2800 °С), нитрид ванадия VN, сульфид ванадия V₂S₅, силицид ванадия V₃Si и другие соединения ванадия.

При взаимодействии V₂O₅ с основными оксидами образуются ванадаты — соли ванадиевой кислоты вероятного состава H₂[O(V₂O₅)_{2, 5}].

Ванадий в основном используется как легирующая добавка при получении износоустойчивых, жаропрочных и коррозионностойких сплавов (прежде всего, специальных сталей), как компонент при получении магнитов. Оксид ванадия V₂O₅ служит эффективным катализатором, например, при окислении сернистого газа SO₂ в серный газ SO₃ при производстве серной кислоты. Соединения ванадия находят разнообразное применение в различных отраслях промышленности (текстильной, стекольной, лакокрасочной и др.).

Ванадий постоянно присутствует в тканях всех организмов в ничтожных количествах. В растениях его содержание (0, 1-0, 2%) значительной выше, чем в животных (1·10^–5-1·10^–4 %). Некоторые морские организмы — мшанки, моллюски и, особенно, асцидии — способны концентрировать ванадий в значительных количествах (у асцидий ванадий находится в плазме крови или специальных клетках — ванадоцитах). По-видимому, ванадий участвует в некоторых окислительных процессах в тканях. Мышечная ткань человека содержит 2·10^{– 6} % ванадия, костная ткань — 0, 35·10^{– 6} %, в крови — менее 2·10^{– 4} % мг/л. Всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) 0, 11 мг ванадия. Ванадий и его соединения токсичны. Токсическая доза для человека 0, 25 мг, летальная доза — 2-4 мг. Для V₂O₅ ПДК в воздухе 0, 1-0, 5 мг/м³.

Авторы: С.С. Бердоносов, П.С. Бердоносов