Какие химические свойства проявляет атом ванадия
| Ванадий | |
|---|---|
| Пластичный металл серебристо-белого цвета | |
 | |
| Название, символ, номер | Ванадий / Vanadium (V), 23 |
| Атомная масса (молярная масса) | 50,9415(1) а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Ar] 3d3 4s2 |
| Радиус атома | 134 пм |
| Ковалентный радиус | 122 пм |
| Радиус иона | (+5e)59 (+3e)74 пм |
| Электроотрицательность | 1,63 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | 0 |
| Степени окисления | 5, 4, 3, 2, 0 |
| Энергия ионизации (первый электрон) | 650,1 (6,74) кДж/моль (эВ) |
| Плотность (при н. у.) | 6,11 г/см³ |
| Температура плавления | 2160 К (1887 °C) |
| Температура кипения | 3650 К (3377 °C) |
| Уд. теплота плавления | 17,5 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 460 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 24,95 Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 8,35 см³/моль |
| Структура решётки | кубическая объёмноцентрированная |
| Параметры решётки | 3,024 Å |
| Температура Дебая | 390 K |
| Теплопроводность | (300 K) 30,7 Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7440-62-2 |
Ванадий — химический элемент с атомным номером 23. Принадлежит к 5-й группе периодической таблицы химических элементов (по устаревшей короткой форме периодической системы принадлежит к побочной подгруппе V группы, или к группе VB), находится в четвёртом периоде таблицы. Атомная масса элемента 50,9415(1) а. е. м. Обозначается символом V (от лат. Vanadium). Простое вещество ванадий — пластичный металл серебристо-серого цвета.
История
Ванадий был открыт в 1801 году профессором минералогии из Мехико Андресом Мануэлем Дель Рио в свинцовых рудах. Он обнаружил новый металл и предложил для него название «панхромий» из-за широкого диапазона цвета его соединений, сменив затем название на «эритроний». Дель Рио не имел авторитета в научном мире Европы, и европейские химики усомнились в его результатах. Затем и сам Дель Рио потерял уверенность в своём открытии и заявил, что открыл всего лишь хромат свинца.
В 1830 году ванадий был открыт заново шведским химиком Нильсом Сефстрёмом в железной руде. Новому элементу название дали Берцелиус и Сефстрём.
Шанс открыть ванадий был у Фридриха Вёлера, исследовавшего мексиканскую руду, но он серьёзно отравился фтороводородом незадолго до открытия Сефстрёма и не смог продолжить исследования. Однако Вёлер довёл до конца исследование руды и окончательно доказал, что в ней содержится именно ванадий, а не хром.
Названия
Этот элемент образует соединения с красивой окраской, отсюда и название элемента, связанное с именем скандинавской богини любви и красоты Фрейи (др.-сканд. Vanadís — дочь Ванов; Ванадис). В 1831 году геолог Шаблон:Iwq предложил переименовать ванадий в «риониум», но это предложение не было поддержано.
Нахождение в природе
Основная статья: Ванадиевые руды
Ванадий является 20-м наиболее распространённым элементом в земной коре. Он относится к рассеянным элементам и в природе в свободном виде не встречается. Содержание ванадия в земной коре 1,6⋅10−2% по массе, в воде океанов 3⋅10−7%. Наиболее высокие средние содержания ванадия в магматических породах отмечаются в габбро и базальтах (230—290 г/т). В осадочных породах значительное накопление ванадия происходит в биолитах (асфальтитах, углях, битуминозных фосфатах), битуминозных сланцах, бокситах, а также в оолитовых и кремнистых железных рудах. Близость ионных радиусов ванадия и широко распространённых в магматических породах железа и титана приводит к тому, что ванадий в гипогенных процессах целиком находится в рассеянном состоянии и не образует собственных минералов. Его носителями являются многочисленные минералы титана (титаномагнетит, сфен, рутил, ильменит), слюды, пироксены и гранаты, обладающие повышенной изоморфной ёмкостью по отношению к ванадию. Важнейшие минералы: патронит V(S2)2, ванадинит Pb5(VO4)3Cl и некоторые другие. Основной источник получения ванадия — железные руды, содержащие ванадий как примесь.
Ванадил ион () в изобилии находится в морской воде, имеющий среднюю концентрацию 30 нМа. Некоторые источники минеральной воды также содержат ион в высоких концентрациях. Например, источники около горы Фудзи содержат до 54 мкг на литр.
Месторождения
В течение первого десятилетия XX века большая часть ванадиевой руды добывалась американской компанией Vanadium из Минас-Рагра в Перу. Позднее увеличение спроса на уран привело к увеличению добычи руды этого металла. Одной из основных урановых руд был карнотит, который также содержит ванадий. Таким образом, ванадий стал доступным как побочный продукт производства урана. Со временем добыча урана стала обеспечивать большую долю спроса на ванадий.
Известны месторождения в Перу, США, ЮАР, Финляндии, Австралии, Армении, России, Турции, Англии.
Получение
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 (Na) 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 80 % ванадия). Металлический ванадий можно приготовить восстановлением хлорида ванадия водородом (H), термическим восстановлением оксидов ванадия (V2O5 или V2O3) кальцием, термической диссоциацией VI2 и другими методами.
Некоторые из разновидностей асцидий обладают уникальной особенностью: в их крови содержится ванадий. Асцидии поглощают его из воды.
В Японии разводят асцидий на подводных плантациях, собирают урожай, сжигают и получают золу, в которой ванадий содержится в более высокой концентрации, чем в руде многих его месторождений.
Физические свойства
Бруски ванадия 99,95 % чистоты, полученные переплавкой в электронном пучке. Поверхность брусков протравлена для проявления структуры
Ванадий — пластичный металл серебристо-серого цвета, по внешнему виду похож на сталь. Кристаллическая решётка кубическая объёмноцентрированная, a=3,024 Å, z=2, пространственная группа Im3m. Температура плавления 1920 °C, температура кипения 3400 °C, плотность 6,11 г/см³. При нагревании на воздухе выше 300 °C ванадий становится хрупким. Примеси кислорода, водорода и азота резко снижают пластичность ванадия и повышают его твёрдость и хрупкость.
Изотопы
Природный ванадий состоит из двух изотопов: слаборадиоактивного 50V (изотопная распространённость 0,250 %) и стабильного 51V (99,750 %). Период полураспада ванадия-50 равен 1,5⋅1017 лет, то есть для всех практических целей его можно считать стабильным; этот изотоп в 83 % случаев посредством электронного захвата превращается в 50Ti, а в 17 % случаев испытывает бета-минус-распад, превращаясь в 50Cr.
Известны 24 искусственных радиоактивных изотопа ванадия с массовым числом от 40 до 65 (а также 5 метастабильных состояний). Из них наиболее стабильны 49V (T1/2=337 дней) и 48V (T1/2=15,974 дня).
Химические свойства
Химически ванадий довольно инертен. Он имеет хорошую стойкость к коррозии, стоек к действию морской воды, разбавленных растворов соляной, азотной и серной кислот, щелочей.
С кислородом ванадий образует несколько оксидов: VO, V2O3, VO2,V2O5. Оранжевый V2O5 — кислотный оксид, тёмно-синий VO2 — амфотерный, остальные оксиды ванадия — основные.
Известны следующие оксиды ванадия:
| Название | Формула | Плотность | Температура плавления | Температура кипения | Цвет |
|---|---|---|---|---|---|
| Оксид ванадия (II) | VO | 5,76 г/см³ | ~1830 °C | 3100 °C | Чёрный |
| Оксид ванадия (III) | V2O3 | 4,87 г/см³ | 1967 °C | 3000 °C | Чёрный |
| Оксид ванадия (IV) | VO2 | 4,65 г/см³ | 1542 °C | 2700 °C | Тёмно-голубой |
| Оксид ванадия (V) | V2O5 | 3,357 г/см³ | 670 °C | 2030 °C | Красно-жёлтый |
Галогениды ванадия гидролизуются. С галогенами ванадий образует довольно летучие 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 (tпл=2800 °C), нитрид ванадия VN, сульфид ванадия V2S5, силицид ванадия V3Si и другие соединения ванадия.
При взаимодействии V2O5 с осно́вными оксидами образуются ванадаты — соли ванадиевой кислоты вероятного состава HVO3.
Взаимодействует с кислотами.
- С концентрированной азотной кислотой:
V + 6HNO3 →t∘ VO2NO3 + 5NO2↑ + 3H2O
Применение
Водородная энергетика
Хлорид ванадия применяется при термохимическом разложении воды в атомно-водородной энергетике (ванадий-хлоридный цикл «Дженерал Моторс», США).
Химические источники тока
Пентаоксид ванадия широко применяется в качестве положительного электрода (анода) в мощных литиевых батареях и аккумуляторах. Ванадат серебра в резервных батареях в качестве катода.
В производстве серной кислоты
Оксид ванадия(V) используется как катализатор на стадии превращения сернистого ангидрида в серный.
Металлургия
Свыше 90 % всего производимого ванадия находит применение в качестве легирующей добавки в сталях, главным образом, высокопрочных низколегированных, в меньшей степени, нержавеющих и инструментальных, а также в производстве высокопрочных титановых сплавов, основанных на системе Ti-6Al-4V (в российской классификации — ВТ6, содержит около 4 % ванадия). В сталях ванадий образует мелкодисперсные карбиды VC, что повышает механические свойства и стабильность структуры. Его применение особенно эффективно совместно с вольфрамом, молибденом и никелем. В конструкционных сталях содержание ванадия не превышает, как правило, 0,25 %, в инструментальных и быстрорежущих доходит до 4 %. В российской номенклатуре сталей ванадий обозначается буквой Ф.
Автомобильная промышленность
Ванадий используется в деталях, требующих очень высокой прочности, таких как поршни автомобильных двигателей. Американский промышленник Генри Форд отмечал важную роль ванадия в автомобильной промышленности. «Если бы не было ванадия — не было бы автомобиля». — Говорил Форд. Ванадиевая сталь позволила уменьшить вес при увеличении прочности при растяжении
Электроника
Материал на основе диоксидов ванадия и титана используют при создании компьютеров и другой электроники.
Нефтедобыча
Ванадиевая сталь используется при создании погружных буровых платформ для бурения нефтяных скважин.
Сувенирная продукция
Частные компании США выпускают медали и коллекционные жетоны из чистого ванадия. Одна из ванадиевых медалей вышла в 2011 году.
Производство
- Россия: Евраз Ванадий Тула, Чусовской металлургический завод
- Чехия: Мнишек-под-Брди
- США: Хот-Спрингс
- ЮАР: Бритс
Биологическая роль и воздействие
Ванадий и все его соединения токсичны. Наиболее токсичны соединения пятивалентного ванадия. Чрезвычайно ядовит его оксид(V) (ядовит при попадании внутрь организма и при вдыхании, поражает дыхательную систему). Смертельная доза ЛД50 оксида ванадия(V) для крыс орально составляет 10 мг/кг.
Ванадий и его соединения очень токсичны для водных организмов (окружающей среды).
Установлено, что ванадий может тормозить синтез жирных кислот, подавлять образование холестерина. Ванадий ингибирует ряд ферментных систем, тормозит фосфорилирование и синтез АТФ, снижает уровень коферментов А и Q, стимулирует активность моноаминоксидазы и окислительное фосфорилирование. Известно также, что при шизофрении содержание ванадия в крови значительно повышается.
Избыточное поступление ванадия в организм обычно связано с экологическими и производственными факторами. При остром воздействии токсических доз ванадия у рабочих отмечаются местные воспалительные реакции кожи и слизистых оболочек глаз, верхних дыхательных путей, скопление слизи в бронхах и альвеолах. Возникают и системные аллергические реакции типа астмы и экземы; а также лейкопения и анемия, которые сопровождаются нарушениями основных биохимических параметров организма.
При введении ванадия животным (в дозах 25—50 мкг/кг), отмечается замедление роста, диарея и увеличение смертности.
Всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) 0,11 мг ванадия. Токсическая доза для человека 0,25 мг, летальная доза — 2—4 мг.
Повышенное содержание белков и хрома в рационе снижает токсическое действие ванадия. Нормы потребления для этого минерального вещества не установлены.
Кроме того, высокое содержание выявлено у некоторых морских беспозвоночных (голотурий и асцидий), у которых ванадий входит в состав белковых комплексов плазмы и форменных элементах крови и целомической жидкости. В клетках крови асцидий массовая доля ванадия может доходить до 8,75 %. Функция элемента в организме до конца не ясна, разные учёные считают его отвечающим либо за перенос кислорода в организме этих животных, либо за перенос питательных веществ. С точки зрения практического использования — возможна добыча ванадия из этих организмов, экономическая окупаемость таких «морских плантаций» на данный момент не ясна, но в Японии имеются пробные варианты.
Соединения ванадия | |
|---|---|
Бромид ванадия (II) (VBr2)Бромид ванадия (III) (VBr3)Ванадат железа (III) (FeVO4)Ванадиевая кислота (HVO3)Галлид ванадия (V3Ga)Гексакарбонилванадий (V(CO)6)Гидроксид ванадия (II) (V(OH)2)Гидроксид ванадия (III) (V(OH)3)Диборид ванадия (VB2)Диселенид ванадия (VSe2)Дисилицид ванадия (VSi2)Дисульфид ванадия (VS2)Дифосфид ванадия (VP2)Иодид ванадия (II) (VI2)Иодид ванадия (III) (VI3)Карбид ванадия (VC)Метаванадат аммония (NH4VO3)Метаванадат железа (III) (Fe(VO3)3)Метаванадат калия (KVO3)Метаванадат кобальта(II) (Co(VO3)2)Метаванадат меди (II) (Cu(VO3)2)Метаванадат натрия (NaVO3)Метаванадат свинца (II) (Pb(VO3)2)Нитрид ванадия (VN)Оксибромид ванадия(III) (VOBr)Оксид ванадия (II) (VO)Оксид ванадия (III) (V2O3)Оксид ванадия (IV) (VO2)Оксид ванадия (V) (V2O5)Оксидибромид ванадия (IV) (VOBr2)Оксидифторид ванадия (IV) (VOF2)Оксидихлорид ванадия (IV) (VOCl2)Оксибромид ванадия (III) (VOBr)Оксидибромид ванадия (IV) (VOBr2)Окситрибромид ванадия (V) (VOBr3)Окситрифторид ванадия (V) (VOF3)Оксид-трихлорид ванадия (VOCl3)Оксихлорид ванадия (III) (VOCl)Ортованадат натрия (Na3VO4)Пентаоксид триванадия (V3O5)Пированадиевая кислота (H4V2O7)Селенид ванадия (II) (VSe)Селенид ванадия (III) (V2Se3)Силицид ванадия (V2Si)Силицид триванадия (V3Si)Сульфат ванадила (VOSO4)Сульфат ванадия (II) (VSO4)Сульфат ванадия (III) (V2(SO4)3)Сульфат ванадия (III)-аммония (VNH4(SO4)2)Сульфид ванадия (II) (VS)Сульфид ванадия (III) (V2S3)Сульфид ванадия(V) (V2S5)Тетрасульфид ванадия (VS4)Триметаванадат аммония ((NH4)3V3O9)Фосфид ванадия (VP)Фосфид диванадия (V2P)Фосфид триванадия (V3P)Фторид ванадия (II) (VF2)Фторид ванадия (III) (VF3)Фторид ванадия (IV) (VF4)Фторид ванадия (V) (VF5)Хлорид гексаамминванадия(III) ([V(NH3)6]Cl3)Хлорид ванадия (II) (VCl2)Хлорид ванадия (III) (VCl3)Хлорид ванадия (IV) (VCl4)Хлорид диоксованадия (V) ((VO2)Cl) | |
Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Электрохимический ряд активности металлов | |
|---|---|
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, | |
Источник
Элемент, открытый учеными дважды, сегодня мы знаем как ванадий. Википедия детально раскрывает перипетии его обнаружения, поэтому остается добавить, что название этого пластичного металла могло быть совсем иным. Действительно, мексиканскому профессору минералогии А. Мануэлю, первым выделившим неизвестный доселе металл из свинцовых руд, на заре XIX века не хватило исключительно уверенности в собственной правоте.
Поэтому, окончательное наименование элемент получил тремя декадами позже, когда в 1830 году швед Н. Сефстрем обнаружил его в железной руде. Привлекающая взор окраска соединения на базе V подтолкнула химика к национальному фольклору, а именно, богине любви и красоты Ванадис. Так, мифологический скандинавский персонаж дал имя реальному металлу, ставшему полноправным членом Периодической системы элементов.
Свойства ванадия
На внешний вид, элемент обладает сходством со сталью, также имея серебристо-серый оттенок. Однако, в отличие от низкоуглеродистого железа, металл ванадий характеризуется пластичностью. Это свойство сохраняется у вещества до температуры 300 0С, превышение которой резко снижает пластичность и металл становится хрупким. Аналогичный эффект оказывают примеси водорода, азота или кислорода в металле.
На фото: металл ванадий
Ванадий относится к тугоплавким металлам, с соответствующим температурным пределом – 1887 0С. Это объясняет его низкую жаростойкость – свойство, характерное для переходных элементов, вследствие рыхлости оксидов, формируемых на их основе. Ванадий устойчив к деформации ползучести вплоть до температуры 675 0С, чему способствует пятиокись ванадия. Пленка этого соединения образуется при окислении металла, сохраняя прочную связь с его поверхностью до указанного температурного предела.
Ванадий в таблице Менделеева
Ванадий – химический элемент V, относящийся соответственно собственной валентности к пятой группе Периодической системы. Его атомные характеристики: номером – 23, масса – 50.9. В природе различают два изотопа элемента: наиболее распространенный –51V и радиоактивный – 50V, доля которого составляет 0.25%. Радиоактивность изотопа 50V выражена достаточно слабо, фактически его можно считать стабильным, поскольку период полураспада существенно превышает триллионы лет.
Кристаллическая структура ванадия характеризуется объемно-центрированной кубической решеткой, что также свойственно тугоплавким металлам. Его плотность 6.11 грамм на куб. см. Металл ковок, прост в обработке давлением.
Содержание V внутри земной коры достигает 0.0015%, что характеризует его как распространенный элемент. С другой стороны, ванадий – рассеянный металл, поскольку не имеет самостоятельных минералов или концентрированных залежей. Обнаружить вещество можно в его сульфиде – патроните, ванадините, а также ряде других пород: роскоэлит, деклуазит, карнотит.
к содержанию ↑
Соединения ванадия
Электронная формула ванадия – KL3s23p64s23d3, где валентными оказываются 5 электронов на внешних 4s- и 3d-орбиталях. Это обуславливает степень окисления металла: +2 – +5. При этом кислотной базой обладает только пентоксид ванадия – V2O5. Остальные его соединения с кислородом: имеют основной – VO, V2O3 или амфотерный – оксид ванадия VO2, характер.
Наиболее ценным из окислов металла считается пятиокись ванадия, цена которой формируется, соответственно ее интенсивному применению для производства мощных литиевых аккумуляторов. Там, порошкообразное вещество со слабым оранжевым оттенком – пятиокись ванадия используется в качестве анода.
Среди прочих соединений ванадия, практическое применение нашли:
- Сульфиды. Пятивалентный V2S5 – известен как природный минерал патронит и представляет собой черный порошок.
- Фториды. Двухвалентные VF2 – фиолетовые кристаллы, тогда как пятивалентный VF5 – белое твердое вещество, способное разъедать стекло.
- Хлориды. Из трехвалентного VCl3 путем восстановления получают металлический элемент.
Впрочем, наибольшее промышленное использование остается за ванадиевыми окислами, в частности V2O5.
Соединения ванадия
к содержанию ↑
Производство ванадия
Важным промышленным источником пластичного металла выступают три вида руд:
- железные;
- титаномагнетитовые;
- медно-свинцово-цинковые.
Дополнительные источники ванадия – это ранее перечисленные минералы, а также урановое сырье, горючие сланцы. Во втором случае, металл выступает побочным продуктом, получаемым в результате переработки основного сырья.
Бруски ванадия
Существует несколько способов извлечения ванадия, суть которых сводится к получению окислов металла:
- Выщелачивание руды, водными растворами, кислотами. Предварительно, исходное сырье отжигают. На следующей стадии выполняют выщелачивание основой или кислотной средой. Последний этап состоит в выделении гидратированного оксида ванадия из растворов методом гидролиза.
- Изначально, железные или другие ванадийсодержащие руды плавят в домне. Процесс характеризуется переходом V в чугун. Переработка черного металла в сталь сопровождается образованием шлаков, содержащих до 16% пентоксида ванадия. Выделение пятиокиси происходит в два этапа. Предварительно, шлаки обжигают с поваренной солью. Далее, полученный продукт выщелачивают: вначале водой, после разбавленной серной кислотой.
Результирующий продукт – V2O5 используется для получения металлического ванадия или его сплавов с железом. Феррованадий характеризуется широкой вариацией V в соединении от 35 до 70%.
Феррованадий FeV50
к содержанию ↑
Промышленный выпуск чистого металла
Металлический ванадий реализуется в двух физических состояниях: твердом – куски и порошкообразном. Слитки ванадия изготавливают методом выплавки внутри электроннолучевых печей. Это современная установка, оборудованная двумя видами пушек: термоэлектронные и ВТР. Непосредственно рабочий процесс получения слитков, происходит согласно технологии капельной плавки в охлаждаемый водой кристаллизатор. Он изготовлен из меди и устанавливается вертикально.
По степени чистоты различают три марки ванадия в слитках:
- ВнМ-0 – 99,99;
- ВнМ-1 – 99,9;
- ВнМ-2 – 99.5.
Все они производятся согласно ТУ 48-4-272-73, обладают цилиндрической формой с габаритами по длине: 20 – 80 см; и диаметру 80, 100, 120 и 150 мм. Вес бруска колеблется от 8 до 80 кг.
Порошкообразный металл изготавливается посредством электролитического рафинирования. В качестве исходного сырья выступает алюминотермический V. Результирующий электролитический порошок ванадия также имеет три степени чистоты, определяемых его маркой:
- Вэл-1 – 99.9;
- Вэл-2 – 99.7;
- Вэл-3 – 99.5.
Исходный кусковой металлический ванадий, получаемый алюминотермической технологией, характеризуется более низкой чистотой. Его состав: V – свыше 95%, Al менее 2% и Fe до 0.3%.
к содержанию ↑
Прокат ванадия
Сегодня, металл доступен не только слитками, кусками или порошком. Ванадий купить реально в виде изделий проката, производимых согласно ТУ 48-4-373-76. Основные виды реализации – это:
- лист ванадия;
- пруток;
- трубчатый профиль.
Аналогично слиткам, проволока из ванадия также выпускается тремя сортами ВнПр-0, 1 и 2. Их чистота аналогична соответствующим маркам металла в слитках. Наряду с прутками, проволокой, а также листовым прокатом, высоким спросом пользуется трубка из ванадия.
Полоса ванадия выпускается двух марок ВнПл-1 и ВнПл-2, отличающихся степенью чистоты базового металла. Листовая продукция металла отличается оригинальность исполнения. Например, лента ванадия имеет широкую вариацию по ширине и толщине, а также обладает закругленными краями в целях безопасности. Дополнительно, ленточный прокат может иметь специальное покрытие под эксплуатацию в неблагоприятных климатических условиях.
к содержанию ↑
Применение ванадия – от ярких красок до составляющей пороха
Ванадий 5 окись (пятиокись ванадия)
Толчком для использования пластичного металла человеком стали исследования Н. Зинина. Описанный химиком синтез анилина из нитробензола предоставил новые перспективы разработки синтетических красителей. Именно в этой отрасли, соединения ванадия с их яркой окраской, оказались более чем к месту. Как результат, металл начал интенсивно использоваться в производстве не только красок, но и цветной керамики, стекла. Это подняло спрос на пятиокись ванадия, купить которую было выгодно по следующим соображениям: одной весовой порции V2O5 достаточно для преобразования бесцветной анилиновой соли (200 тысяч аналогов по массе) в красящее вещество. Подобную эффективность ванадий показал и в окрашивании индиго, что нашло применение металлу под производство цветных тканей из шелка и ситца.
Новый интерес к металлу возник с началом XX и связан с первой мировой войной. Причина тому, высокая потребность в серной кислоте, как сырья для нитроклетчатки – базового компонента боевых порохов. Естественно, производство H2SO4 не требует ванадия напрямую. Однако, оксиды и соли этого элемента способны значительно ускорять крайне медленную реакцию взаимодействия сернистого ангидрида с кислородом. Именно она лежит в основе производства серной кислоты. Ванадий вытеснил более дорогой катализатор – платину. Преимущества пятиокиси V2O5 – очевидны, она существенно дешевле платины и требуется в меньших количествах.
к содержанию ↑
Ванадий в современных реалиях
Области современной эксплуатации тугоплавкого металла по-прежнему включают использование катализаторов на его основе. Расширилась только сфера применения: наряду с производством серной кислоты, ванадиевые соединения задействованы для крекинга нефти, например. Также с их участием происходит получение уксусной кислоты, прочие технологические процессы промышленной химии.
Катализатор ванадий-содержащий
Остальные сферы промышленного применения ванадия в корне отличаются от его изначального использования. Основные акценты использования V и соединений на его основе, сегодня включают:
- производство стали;
- изготовление химических источников тока;
- агротехнический сектор;
- атомно-водородная энергетика.
О применении пятиокиси ванадия в качестве анода для мощных литиевых аккумуляторов уже упоминалось ранее. Другое соединение – ванадат серебра, напротив, используется под катоды резервных батарей.
Малая величина поперечного сечения неупругого рассеивания нейтронов обуславливает эксплуатацию элемента для нужд атомно-водородной энергетики. Например, ванадий используется в качестве материала для ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Альтернативно, хлорид этого металла – компонент процесса термохимического разложения воды.
Сельское хозяйство начинает использовать ядохимикаты и даже микроудобрения, в составе которых присутствуют соединения пластичного металла.
к содержанию ↑
Стальной удел элемента
Наибольшая сфера реализации ванадия, несомненно, черная металлургия. Как бытовой пример, можно привести гаечный ключ, маркированный известной многим пометкой – хром ванадий.
Гаечный ключ хром-ванадий
В производстве высокопрочных сталей – ванадий оказывается широко востребованной легирующей добавкой. Промышленное начало использованию элемента V для создания сталей, обладающих одновременно улучшенной твердостью, вязкостью и легкостью, положила лаборатория Форда еще в начале XX века.
Одновременно с этим, французские инженеры легировали ванадием сталь для изготовления бронирующих плит, а впоследствии пушек военных самолетов. Внедрение V на уровне десятых долей процента совместно с хромом привело к созданию облегченной стали, с улучшенными показателями прочности. Дополнительные преимущества хромованадиевых марок стали – вязкость, повышенная износоустойчивость.
Сегодня, сталь марок «хром-ванадий» интенсивно используется при изготовлении различного обрабатывающего: резцы, сверла; и прочего инструмента. Машиностроение использует этот материал под стенки цилиндров дизельных моторов, благодаря его высокой устойчивости к истиранию, продлевающей эксплуатационный ресурс деталей.
Цилиндры дизельного мотора
Среди цветных металлов, легированных ванадием выделим:
- Алюминий. Включение в метал 3% V привело к созданию марки «Вавилиом». Этот алюминий обладает высокой твердостью, устойчив к влаге и даже воздействию соленой воды. 2-процентное легирование алюминия ванадием применяется в производстве духовых музыкальных инструментов.
- Медь. Металл, содержащий 8% V, выступает в качестве сырья для получения медных сплавов. Те же латунь и бронза, с добавкой ванадия до половины процента приобретают механические свойства аналогичные стали, вследствие чего используются в производстве ответственных деталей, узлов оборудования.
- Никель. Его сплав с ванадием (20%) отличается высокой химической стойкостью. Подобная инертность способствует изготовлению лабораторной посуды.
Дополнительно, элементом V легируют сплавы титана, и даже благородные металлы, золото, например.
Резюмируя важность пластичного металла в промышленном прокате, достаточно отметить один факт. Современное производство ванадия до 80% ориентировано на нужды металлургии, преимущественно под производство нержавеющих и инструментальных сталей.
к содержанию ↑
С прицелом на будущее
Отличительной особенностью легирования стали ванадием, от добавок других тугоплавких металлов, молибдена, например, выступает установленный характер улучшения свойств базового материала. Внедрение ванадия в расплавленную сталь приводит к его активному взаимодействию с азотом и кислородом, о чем уже упоминалось ранее. Как результат, газы, поглощенные расплавленным металлом, не остаются внутри него после застывания. Кислород и азот, прореагировавшие с ванадием, преобразуются в жидкий шлак, выводимый на поверхность расплава и удаляемый в процессе плавки.
Вторая важная особенность – ванадий взаимодействует с углеродом. Это приводит к изменению структуры черного металла: на место растворенного углерода приходят карбиды ванадия, характеризуемые повышенной твердостью и жаростойкостью. Одновременно с этим, карбиды слабо растворимы в железе, что отражается в их неравномерном распределении по объему металла. Этот фактор препятствует созданию крупных кристаллических структур внутри стали, делая ее мелкозернистой. Подобная мелкокристаллическая структура обуславливает высокую ударную вязкость, делая сталь ковкой и одновременно твердой, а также улучшая характеристики износа металла.
Четкое понимание механизма улучшения параметров стали ванадием, способствует дальнейшему технологическому прогрессу в легировании черных металлов.
к содержанию ↑
Стоимость ванадия
Основные месторождения тугоплавкого металла расположены в США, Китае, России, ЮАР и Армении. Современный уровень годового производства ванадия составляет порядка 90 тысяч тонн. Лидерство по выпуску металла удерживает Китай, на долю которого приходится более половины предложений. Как результат, именно Поднебесная оказывается основным регулятором цены на ванадий.
Добыча ванадиевой руды на месторождениях в России
Современная тенденция роста стоимости ванадия сохраняется уже не одну декаду. Это связано с ростом потребления металла. Основной вклад в востребованность элемента вносит растущее производство легированных сталей. Как считают эксперты, цена на ванадий сегодня, еще не обрела собственного максимума, ее рост прогнозируется минимум до 2020 года. Эти перспективы достаточно консервативны, поскольку объем использования конструкционных сталей ежегодно увеличивается. Таким образом, продать ванадий будет несложно еще несколько десятков лет.
Говоря языком цифр, можно выделить еще одну особенность металла – ванадий. Цена за кг его определяется видом продукции.
Так, наиболее дорогостоящим оказывается прокат: полоса, проволока – около $2000. На сотню долларов дешевле пруток. Непосредственно слитки металла марки ВнМ-1 стоят $200, что на порядок дешевле проката. Стоимость пятиокиси ванадия, и того меньше: $35 – 40 за килограмм. Цифры приведены с учетом расценок на металл к началу 2017 года.
к содержанию ↑
Лом ванадия
Отходы чистого металла принимаются достаточно редко. Это связано со спецификой использования элемента, 80% которого расходуется на легирование стали, прочие отрасли металлургии. Основные источники лома ванадия:
- легированная сталь, марка которой содержит Ф в наименовании;
- ванадийсодержащие отходы, включая сплавы, приборы, конструкционные элементы узлов оборудования;
- соединения на базе металла.
Сегодня, даже используя интернет, достаточно непросто определить сколько стоит лом ванадия. Цена отходов, содержащих этот металл, определяется его процентным вхождением и в большинстве случаев указывается, как договорная. С другой стороны, практически все пункты приема, не откажутся от любого лома, в составе которого присутствует ванадий. Цена за грамм металла может быть рассчитана самостоятельно, по итогам сделки с приемщиком. Впрочем, это скорее дело интереса.
к содержанию ↑
Видео – про металл ванадий
Источник