Ванадий
Общие сведения
Ванадий представляет собой химический элемент пятой группы периодической системы с атомным номером 23. Относится к категории переходных металлов. Впервые элемент был обнаружен в 1801 году профессором минералогии Мануэлем дель Рио в Мехико при исследовании свинцовых руд. Из-за разнообразия цветов получаемых химических соединений первооткрыватель дал ему название, отражающее его многоцветность. Однако это открытие осталось практически незамеченным в Европе. Повторное и окончательное открытие ванадия для европейской науки произошло в 1830 году в Швеции. Элемент получил свое современное название в честь древнескандинавской богини красоты Фрейи, также известной как Ванадис, что было обусловлено эстетической привлекательностью и яркой окраской его соединений. В 1831 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус сообщил о выделении чистого металла, но впоследствии выяснилось, что полученное вещество являлось нитридом ванадия. Действительно чистый ванадий был успешно синтезирован лишь в 1867 году методом восстановления хлорида ванадия водородом.
Свойства и характеристики
В чистом виде ванадий является пластичным металлом серебристо-серого цвета, внешне напоминающим сталь. Он обладает кубической сингонией кристаллической решетки, характеризуется температурой кипения около 3400 градусов Цельсия. На воздухе металл покрывается защитной оксидной пленкой, которая может придавать ему различные цветовые оттенки в зависимости от своей толщины. При нагревании, а также при наличии примесей кислорода, водорода или азота пластичность ванадия снижается, и он приобретает хрупкость. В природе существует два изотопа: стабильный ванадий-51 и слабо радиоактивный ванадий-50, доля которого составляет около четверти процента. При полураспаде радиоактивный изотоп превращается в титан или хром. Ванадий отличается высокой химической устойчивостью к коррозии, морской воде, щелочам и не подвержен воздействию многих кислот. С кислородом он образует ряд оксидов, обладающих различными химическими свойствами и цветами: кислотный оксид пятивалентного ванадия имеет оранжево-красный цвет, амфотерный диоксид ванадия окрашен в голубой, а основные оксиды имеют черный цвет. Элемент также способен образовывать галогениды, карбиды, нитриды и силициды. Собственной ванадиевой кислоты в свободном виде не существует, однако известны ее соли, получаемые через взаимодействие оксидов. Ванадий и его соединения, особенно пятивалентный оксид, обладают высокой токсичностью. Проникновение токсичных доз в организм человека поражает центральную нервную систему, вызывает воспаление слизистых оболочек глаз и дыхательных путей, системные аллергические реакции, анемию, лейкопению и нарушает синтез жирных кислот и холестерина.
Нахождение в природе
По распространенности в земной коре ванадий занимает двадцатое место. В свободном виде элемент в природе не встречается, находясь исключительно в составе различных минералов и горных пород. Он присутствует в магматических и осадочных породах, каменных углях, битумах, фосфатах, горючих сланцах, бокситах, слюде, пироксенах и гранатах, часто сопутствуя титану. К минералам, содержащим ванадий в значительных количествах, относятся патронит, представляющий собой сульфид ванадия, и ванадинит, состоящий из хлорида ванадия и свинца. Исторически ванадий также добывался как побочный продукт из урановых руд, например, карнотита. Значительные запасы элемента сосредоточены в железных рудах, где он присутствует в качестве примеси. Месторождения ванадия находятся в России, в частности в Сибири и Забайкальском крае, а также в Финляндии, Австралии, Армении, Турции и Великобритании. Уникальной биологической особенностью является способность некоторых морских организмов, таких как асцидии, накапливать ванадий в своей крови в концентрациях, достигающих одного процента, что не наносит им вреда и, предположительно, выполняет защитную функцию или функцию переноса кислорода.
Получение
Промышленное получение ванадия преимущественно базируется на переработке железных руд, содержащих этот элемент в виде примесей, а также из урановых руд. На первом этапе из руды получают концентрат с содержанием ванадия до 16 процентов. Затем производится его окисление до максимальной степени окисления с образованием ванадата натрия. Путем обработки раствора серной кислотой ванадий осаждают, и после высушивания получают первичный концентрат, содержащий около 90 процентов ванадия. В дальнейшем этот концентрат восстанавливают в доменных печах, получая феррованадий — сплав железа с ванадием, в котором доля последнего составляет от 35 до 80 процентов. В лабораторных условиях чистый металл можно выделить путем термического восстановления оксида ванадия или восстановления хлорида ванадия водородом. В качестве альтернативного и перспективного источника сырья рассматривается извлечение ванадия из золы морских организмов, в частности асцидий, активно концентрирующих этот металл из морской воды.
Применение
Около 90 процентов производимого ванадия используется в металлургической промышленности в качестве легирующей добавки. Благодаря своей прочности и легкости, он широко применяется для создания высокопрочных низколегированных сплавов, нержавеющих сталей и титановых сплавов. Введение ванадия в сталь способствует образованию мелкодисперсных карбидов, что существенно улучшает структуру и повышает стабильность материала. Элемент добавляют в быстрорежущие, конструкционные стали в концентрациях до 4 процентов и инструментальные стали до 10 процентов. Ванадиевые сплавы критически важны для автомобильной промышленности, в частности для изготовления деталей, подвергающихся высоким нагрузкам, таких как поршни двигателей. Материалы на основе ванадия применяются при создании погружных буровых платформ для добычи нефти. Металл ограниченно используется при чеканке некоторых жетонов и медалей. Соединения ванадия, в том числе пентоксид, находят применение в химических источниках тока, например в литиевых батареях. Также рассматриваются перспективы использования элемента в атомно-водородной энергетике при термическом разложении воды.