Производство и получение ванадия. Ванадий (химический элемент): история названия, строение атома, валентность
Металл серебристо - белого цвета, который при нагреве до температуры 300 градусов Цельсия склонен к насыщению различными газами, например, кислородом или азотом, называют ванадием. Металл ванадий и его цена за 1 кг лома на сегодня лежит в диапазоне от нескольких десятков до тысяч долларов США - это химический элемент, занимающий в таблице Менделеева место под номером 23. Он расположен между титаном и хромом.
Ванадий - это тугоплавкий металл, температура плавления составляет 1735 ºC. Он часто встречается в земной коре, по некоторым расчётам, его объем составляет до 0,005%, от земной коры. Его можно встретить в составе более чем полусотни минералов. Для нужд экономики ежегодно добывают 10 000 тонн этого металла.
Кстати, специалисты горного дела считают рентабельными выработки с рудой, содержащей более 0,1% ванадия.
Цена ванадия за 1 кг лома
Роль ванадия в промышленности сложно переоценить. Более того если посмотреть на динамику добычи этого материала, то сразу будет видно, что ежегодный прирост составляет до 1,5%. Ключевыми игроками в этой части рынка можно назвать следующие страны:
- Китай;
- Российская Федерация.
На долю остальных государств приходиться всего несколько процентов от мирового объема, между тем как «Поднебесная» контролирует более трети рынка. По оценкам некоторых экспертов - до 36%.
Следует отметить и то, что рост добычи был спровоцирован увеличением объемов потребления ванадия и его производных в металлургической промышленности. И вновь - Китай впереди всех. Такая ситуация не может не отразится не уровне цен на этот металл и его соединения.
Цена на сентябрь 2018 года за кг ванадия составляет 16 долларов США или 900 рублей.
Говоря о цене на этот продукт надо понимать что на рынке в РФ представлено несколько позиций продукции, содержащий в себе ванадий. Это:
- Полоса;
- Проволока;
- Слиток;
- Проволока и пр.
При этом на рынке РФ активно работает несколько компаний, большинство из которых, расположены в Москве. В зависимости от типа продукции существенно разнится цена.
Так к примеру, ВНПЛ-1 (полоса) достигает стоимости в Москве 2026 USD, а ВНМ - 1 (слиток) 211.
Такой уровень цен обусловлен в первую очередь сложностью потребления и конечно спросом со стороны потребителей.
Применение ванадия в промышленности
Изначально, ванадий применяли для получения цветного стекла, керамических изделий и красок. Соединения, полученные на основании ванадия придавали неповторимый голубой или зелёный цвет стекольным изделиям. В том время как фарфор и керамика получали золотистую глазурь полученную из веществ, полученных из ванадия.
Оксид ванадия, произвёл значительный прорыв в теле окрашивания тканей, произведённых из хлопка и шелка.
Первая мировая война вызвала всплеск интереса к ванадию, точнее к серной кислоте, которую производили с помощью этого металла. Именно при получении кислоты, ванадий стали использовать как заменитель платины, которую использовали как катализатор.
Ванадий и металлургия
В отличии от химической отрасли, обходящейся ванадиевыми производными, металлургическая промышленность использует его в чистом виде. Все дело в том, что этот металл применяют как легирующий элемент.
После аварии, случившейся на гонках, обломок двигателя попал в руки Генри Форда - старшего, который и вызвал его к себе необычайной твёрдостью, вязкостью и малым весом. После проведённых анализов стало понятно, что двигатель был изготовлен из стали с примесью ванадия.
Исследования, выполненные в компании Форда, позволили получить стальные сплавы отличающиеся низкой массой, высокой прочностью. В следствие этого автомобили получили улучшенные ходовые характеристики, жёсткость и прочность конструкции. Кстати, после этого, Генри Форд и произнёс фразу, приведённую выше.
Примерно в то же время инженеры из разных стран использовали ванадиевые стали для получения брони, изготовления оружейных стволов, установленных, в том числе и на авиационных пушках и пулемётах.
Можно отметить, что для изготовления армейских касок во время Первой мировой войны применяли кремниевые и никелевые добавки, но только использование ванадиевых присадок, позволило добиться желаемых результатов. При этом, содержание ванадия в стали достигало всего 0,2%. Надо отметить, что использование этого металла позволило снизить вес и цены на изделия для военных. Изготовление стали с добавлением ванадиевых и хромовых компонентов, обладающей высокой усталостной прочностью, позволило увеличить выпуск авиационных моторов, торпед, бронебойных боеприпасов и пр. Кстати, появление таких сталей привело к снижению цены на готовую продукцию.
Некоторые особенности использования ванадия
Специалисты знают, что использование ряда элементов изменяет свойства стали. Например, молибден обеспечивает хорошую прокаливаемость, никель повышает вязкость. Но и тем не менее, какое влияние может оказать та или иная добавка можно определить не всегда. Между тем, ответ на вопрос, почему ванадий оказывает хорошее воздействие на стали лежит на поверхности.
Все дело в свойствах этого металла. В процессе изготовления расплав стали активно впитывает в себя различные газы. По мере остывания, в стальном слитке образуются микроскопические пузырьки. При дальнейшей обработке, например, ковке, он изменяют форму и его прочность становиться разной. После введения в расплав ванадия, он вступает в реакцию с проникшими газами, а это в свою очередь приводит к образованию шлаков , которые всплывают и удаляются в процессе плавки. Оставшийся в стали ванадий образует твёрдые и жаростойкие соединения, их называют карбиды. Они препятствуют появлению крупных кристаллов. После остывания сталь получается мелкозернистой, обладающей высокой твёрдостью и ковкостью.
Наличие ванадия в стали позволяет ей сохранять свои свойства при высоких температурах, которых появляются при обработке, например, при точении или шлифовании.
Кроме того, ванадиевые добавки, гарантируют наличие мелкокристаллической структуры материала.
Ещё свойство, которое появляется у стали, полученной с ванадиевыми добавками - стойкость к истиранию.
Так, цилиндры, применяемые в дизельных двигателях и изготовленные из качественной углеродистой стали, после пробега в тысячу моточасов теряют до 0,4 мм в толщине стенки, в то время, как те, которые выполнили из ванадиевой стали всего 0, 1 мм. Это не только повышают ресурс двигателя, но и снижают эксплуатационную стоимость.
Кстати, ванадий применяют не только в получении стали. Его применяют при производстве алюминиевого сплава под названием Вавилим. Он применяется при производстве машин и механизмов работающих под воздействием морской воды.
Ванадий применяют при производстве лабораторной посуды, инструментальных сталей. Даже качественные духовые музыкальные инструменты не обходятся без его участия.
На основании вышесказанного можно сказать следующее - применение ванадия и его соединений позволяет не только улучшить свойства различных материалов, но и снизить их эксплуатационные свойства.
Ванадий в человеческом организме
Без этого элемента не обходится и наш организм. В частности ванадий оказывает следующее воздействие:
- замедляет процессы старения;
- усиливает процессы обмена веществ;
- замедляет процесс выработки холестерина;
- положительно влияет на работу цнс, органов пищеварения и пр.;
- стабилизирует работу сердечно-сосудистой системы, в том числе снижает кровяное давление.
Надо отметить, что это малая часть его положительного влияния ванадия на человеческий организм. Именно поэтому этот элемент и его производные входят в состав различных медикаментов и витаминов, которые можно приобрести во многих аптеках нашей страны, в том числе и Москвы.
Производство ванадия, формы поставки
Сложностью технологического процесса и трудоёмкостью отличается производство ванадия и изделий из него. Это вызвано в первую очередь тем, что ванадиевая руда имеет сложный состав и малое содержание искомого урана. Именно поэтому, использование традиционных методов обогащения руды не представляется возможным.
Ванадий имеет объемноцентрированную кубическую решетку с периодом а=3,0282А. В чистом состоянии Ванадий ковок, легко поддается обработке давлением. Плотность 6,11 г/см3; t пл 1900°С, t кип 3400°С; удельная теплоемкость (при 20-100°С) 0,120 кал/г·град; термический коэффициент линейного расширения (при 20-1000°С) 10,6·10-6 град-1; удельное электрическое сопротивление при 20°С 24,8·10-8ом·м (24,8·10-6 ом·см); ниже 4,5 К Ванадий переходит в состояние сверхпроводимости. Механические свойства Ванадия высокой чистоты после отжига: модуль упругости 135,25 н/м 2 (13520 кгс/мм 2), предел прочности 120 мн/м 2 (12 кгс/мм 2), относительное удлинение 17%, твердость по Бринеллю 700 мн/м 2 (70 кгс/мм 2). Примеси газов резко снижают пластичность Ванадия, повышают его твердость и хрупкость.
Химические свойства Ванадия
На воздухе Ванадий не изменяется, устойчив он к воде, к растворам минеральных солей и щелочей. Кислоты на него действуют только такие, которые одновременно являются окислителями. На холоде на него не действуют разбавленные азотная и серная кислоты. По-видимому, на поверхности металла образуется тончайшая пленка оксида, препятствующая дальнейшему окислению металла. Для того чтобы заставить Ванадий интенсивно реагировать, его нужно нагреть. При 600-700°С происходит интенсивное окисление компактного металла, а в мелкораздробленном состоянии он вступает в реакции при более низкой температуре .
Прямым взаимодействием элементов при нагревании могут быть получены сульфиды, карбиды, нитриды, арсениды, силициды. Для техники важны желто-бронзовый нитрид VN (t пл = 2050°С), устойчивый к воде и кислотам, а также обладающий высокой твердостью карбид VC (t пл = 2800 °С).
Ванадий очень чувствителен к примесям газов (O 2 , N 2 , H 2), которые резко меняют его свойства, даже если присутствуют в самых незначительных количествам. Поэтому и сейчас можно в разных справочниках встретить различную температуру плавления Ванадия. Загрязненный Ванадий, в зависимости от чистоты и способа получения металла, может плавиться в интервале от 1700 до 1900°С. При чистоте 99,8 - 99,9 % его плотность равна 6,11 г/см3 при 20°С, температура плавления составляет 1919°С, а температура кипения 3400 °С.
Металл исключительно стоек как в органических, так и в большинстве неорганических агрессивных средах. По стойкости к действию НС1, НВr и холодной серной кислоты он значительно превосходит титан и нержавеющую сталь. С галогенами, за исключением самого агрессивного из них - фтора, соединений не образует. С фтором же дает кристаллы VF 5 , бесцветные, возгоняющиеся без превращения в жидкость при 111°С. Атмосфера из углекислого газа на металлический Ванадий действует значительно слабее, чем на его аналоги - ниобий и тантал. Он обладает высокой стойкостью к расплавленным металлам, поэтому может применяться в конструкциях атомных реакторов, где расплавленные металлы используются как теплоносители. Ванадий не ржавеет ни в пресной, ни в морской воде, ни в растворах щелочей .
Из кислот на него действуют концентрированная серная и азотная кислоты, плавиковая и их смеси.
Особенностью Ванадия считается высокая растворимость в нем водорода. В результате такого взаимодействия образуются твердые растворы и гидриды. Наиболее вероятная форма существования гидридов - металлообразные соединения с электронной проводимостью. Они способны довольно легко переходить в состояние сверхпроводимости. Гидриды Ванадия могут с некоторыми твердыми или жидкими металлами образовывать растворы, в которых повышается растворимость водорода.
Самостоятельный интерес представляют карбиды Ванадия, так как по своим качествам дают для современной техники материал с весьма ценными свойствами. Они исключительно тверды, тугоплавки и обладают хорошей электрической проводимостью. Ванадий способен для образования своих карбидов даже вытеснить другие металлы из их карбидов:
3V + Fе3С = V 3 С + 3Fе
Известен целый ряд соединений ванадия с углеродом :
V 3 С; V 2 C; VC; V 3 С 2 ; V 4 С 3
С большинством членов главной подгруппы Ванадий дает соединения как бинарные (т.е. состоящие только из двух элементов.), так и более сложного состава. Нитриды образуются при взаимодействии порошка металла или его оксидов с газообразным аммиаком:
6V + 2NН 3 = 2V 3 N + 3Н 2
V 2 О 2 + 2NH 3 = 2VN + 2H 2 О + H 2
Для, полупроводниковой техники интерес представляют фосфиды V 3 Р, V 2 P, VP, VP 2 и арсениды V 3 As, VAs.
Комплексообразующие свойства Ванадия проявляются в образовании соединений сложного состава типа фосфорно-ванадиевой кислоты H 7 PV 12 O 36 или Н 7 [Р(V 2 O 6) 6 ].
3650 К (3377 °C)
17,5 кДж/моль
460 кДж/моль
кубическая
объёмноцентрированная
(300 K) 30,7 Вт/(м·К)
| 23 | |
| 3d 3 4s 2 | |
Нахождение в природе
Ванадий 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(S 2) 2 , ванадинит Pb 5 (VO 4) 3 Cl и некоторые другие. Основной источник получения ванадия - железные руды, содержащие ванадий как примесь.
Месторождения
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) NaVO 3 . 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 (V 2 O 5 или V 2 O 3) кальцием, термической диссоциацией VI 2 и другими методами.
Физические свойства
Химические свойства
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, V 2 O 3 , VO 2 ,V 2 O 5 . Оранжевый V 2 O 5 - кислотный оксид, темно-синий VO 2 - амфотерный, остальные оксиды ванадия - основные. Галогениды ванадия гидролизуются. С галогенами ванадий образует довольно летучие галогениды составов VX 2 (X = , , , ), VX 3 , VX 4 (X = , , ), VF 5 и несколько оксогалогенидов (VOCl, VOCl 2 , VOF 3 и др.). Известны следующие оксиды ванадия:
| Название | Формула | Плотность | Температура плавления | Температура кипения | Цвет |
|---|---|---|---|---|---|
| Оксид ванадия(II) | VO | 5,76 г/см³ | ~1830 °C | 3100 °C | Черный |
| Оксид ванадия(III) | V 2 O 3 | 4,87 г/см³ | 1967 °C | 3000 °C | Черный |
| Оксид ванадия(IV) | VO 2 | 4,65 г/см³ | 1542 °C | 2700 °C | Темно-голубой |
| Оксид ванадия(V) | V 2 O 5 | 3,357 г/см³ | 670 °C | 2030 °C | Красно-желтый |
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 °C), нитрид ванадия VN, сульфид ванадия V 2 S 5 , силицид ванадия V 3 Si и другие соединения ванадия.
При взаимодействии V 2 O 5 с основными оксидами образуются ванадаты - соли ванадиевой кислоты вероятного состава HVO 3 .
Применение
Биологическая роль и воздействие
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. Ванадий и его соединения токсичны. 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 ученые 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.
Изотопы
Природный ванадий состоит из двух изотопов : слаборадиоактивного 50 V (изотопная распространённость 0,250 %) и стабильного 51 V (99,750 %). Период полураспада ванадия-50 равен 1,5·10 17 лет, то есть для всех практических целей его можно считать стабильным; этот изотоп в 83 % случаев посредством электронного захвата превращается в , а в 17 % случаев испытывает бета-минус-распад , превращаясь в . Известны 24 искусственных радиоактивных изотопа ванадия с массовым числом от 40 до 65 (а также 5 метастабильных состояний). Из них наиболее стабильны 49 V (T 1/2 =337 дней) и 48 V (T 1/2 =15,974 дня).
См. также
Напишите отзыв о статье "Ванадий"
Примечания
Ссылки
|
||||||
| Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева | ||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| V | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| Лантаноиды | Свойства неизвестны | |||||||||||||||||||||||||||||||
Отрывок, характеризующий Ванадий
Народ беспокойно сновал по улицам.Наложенные верхом возы с домашней посудой, стульями, шкафчиками то и дело выезжали из ворот домов и ехали по улицам. В соседнем доме Ферапонтова стояли повозки и, прощаясь, выли и приговаривали бабы. Дворняжка собака, лая, вертелась перед заложенными лошадьми.
Алпатыч более поспешным шагом, чем он ходил обыкновенно, вошел во двор и прямо пошел под сарай к своим лошадям и повозке. Кучер спал; он разбудил его, велел закладывать и вошел в сени. В хозяйской горнице слышался детский плач, надрывающиеся рыдания женщины и гневный, хриплый крик Ферапонтова. Кухарка, как испуганная курица, встрепыхалась в сенях, как только вошел Алпатыч.
– До смерти убил – хозяйку бил!.. Так бил, так волочил!..
– За что? – спросил Алпатыч.
– Ехать просилась. Дело женское! Увези ты, говорит, меня, не погуби ты меня с малыми детьми; народ, говорит, весь уехал, что, говорит, мы то? Как зачал бить. Так бил, так волочил!
Алпатыч как бы одобрительно кивнул головой на эти слова и, не желая более ничего знать, подошел к противоположной – хозяйской двери горницы, в которой оставались его покупки.
– Злодей ты, губитель, – прокричала в это время худая, бледная женщина с ребенком на руках и с сорванным с головы платком, вырываясь из дверей и сбегая по лестнице на двор. Ферапонтов вышел за ней и, увидав Алпатыча, оправил жилет, волосы, зевнул и вошел в горницу за Алпатычем.
– Аль уж ехать хочешь? – спросил он.
Не отвечая на вопрос и не оглядываясь на хозяина, перебирая свои покупки, Алпатыч спросил, сколько за постой следовало хозяину.
– Сочтем! Что ж, у губернатора был? – спросил Ферапонтов. – Какое решение вышло?
Алпатыч отвечал, что губернатор ничего решительно не сказал ему.
– По нашему делу разве увеземся? – сказал Ферапонтов. – Дай до Дорогобужа по семи рублей за подводу. И я говорю: креста на них нет! – сказал он.
– Селиванов, тот угодил в четверг, продал муку в армию по девяти рублей за куль. Что же, чай пить будете? – прибавил он. Пока закладывали лошадей, Алпатыч с Ферапонтовым напились чаю и разговорились о цене хлебов, об урожае и благоприятной погоде для уборки.
– Однако затихать стала, – сказал Ферапонтов, выпив три чашки чая и поднимаясь, – должно, наша взяла. Сказано, не пустят. Значит, сила… А намесь, сказывали, Матвей Иваныч Платов их в реку Марину загнал, тысяч осьмнадцать, что ли, в один день потопил.
Алпатыч собрал свои покупки, передал их вошедшему кучеру, расчелся с хозяином. В воротах прозвучал звук колес, копыт и бубенчиков выезжавшей кибиточки.
Было уже далеко за полдень; половина улицы была в тени, другая была ярко освещена солнцем. Алпатыч взглянул в окно и пошел к двери. Вдруг послышался странный звук дальнего свиста и удара, и вслед за тем раздался сливающийся гул пушечной пальбы, от которой задрожали стекла.
Алпатыч вышел на улицу; по улице пробежали два человека к мосту. С разных сторон слышались свисты, удары ядер и лопанье гранат, падавших в городе. Но звуки эти почти не слышны были и не обращали внимания жителей в сравнении с звуками пальбы, слышными за городом. Это было бомбардирование, которое в пятом часу приказал открыть Наполеон по городу, из ста тридцати орудий. Народ первое время не понимал значения этого бомбардирования.
Звуки падавших гранат и ядер возбуждали сначала только любопытство. Жена Ферапонтова, не перестававшая до этого выть под сараем, умолкла и с ребенком на руках вышла к воротам, молча приглядываясь к народу и прислушиваясь к звукам.
К воротам вышли кухарка и лавочник. Все с веселым любопытством старались увидать проносившиеся над их головами снаряды. Из за угла вышло несколько человек людей, оживленно разговаривая.
– То то сила! – говорил один. – И крышку и потолок так в щепки и разбило.
– Как свинья и землю то взрыло, – сказал другой. – Вот так важно, вот так подбодрил! – смеясь, сказал он. – Спасибо, отскочил, а то бы она тебя смазала.
Народ обратился к этим людям. Они приостановились и рассказывали, как подле самих их ядра попали в дом. Между тем другие снаряды, то с быстрым, мрачным свистом – ядра, то с приятным посвистыванием – гранаты, не переставали перелетать через головы народа; но ни один снаряд не падал близко, все переносило. Алпатыч садился в кибиточку. Хозяин стоял в воротах.
– Чего не видала! – крикнул он на кухарку, которая, с засученными рукавами, в красной юбке, раскачиваясь голыми локтями, подошла к углу послушать то, что рассказывали.
– Вот чуда то, – приговаривала она, но, услыхав голос хозяина, она вернулась, обдергивая подоткнутую юбку.
Опять, но очень близко этот раз, засвистело что то, как сверху вниз летящая птичка, блеснул огонь посередине улицы, выстрелило что то и застлало дымом улицу.
– Злодей, что ж ты это делаешь? – прокричал хозяин, подбегая к кухарке.
В то же мгновение с разных сторон жалобно завыли женщины, испуганно заплакал ребенок и молча столпился народ с бледными лицами около кухарки. Из этой толпы слышнее всех слышались стоны и приговоры кухарки:
– Ой о ох, голубчики мои! Голубчики мои белые! Не дайте умереть! Голубчики мои белые!..
Через пять минут никого не оставалось на улице. Кухарку с бедром, разбитым гранатным осколком, снесли в кухню. Алпатыч, его кучер, Ферапонтова жена с детьми, дворник сидели в подвале, прислушиваясь. Гул орудий, свист снарядов и жалостный стон кухарки, преобладавший над всеми звуками, не умолкали ни на мгновение. Хозяйка то укачивала и уговаривала ребенка, то жалостным шепотом спрашивала у всех входивших в подвал, где был ее хозяин, оставшийся на улице. Вошедший в подвал лавочник сказал ей, что хозяин пошел с народом в собор, где поднимали смоленскую чудотворную икону.
К сумеркам канонада стала стихать. Алпатыч вышел из подвала и остановился в дверях. Прежде ясное вечера нее небо все было застлано дымом. И сквозь этот дым странно светил молодой, высоко стоящий серп месяца. После замолкшего прежнего страшного гула орудий над городом казалась тишина, прерываемая только как бы распространенным по всему городу шелестом шагов, стонов, дальних криков и треска пожаров. Стоны кухарки теперь затихли. С двух сторон поднимались и расходились черные клубы дыма от пожаров. На улице не рядами, а как муравьи из разоренной кочки, в разных мундирах и в разных направлениях, проходили и пробегали солдаты. В глазах Алпатыча несколько из них забежали на двор Ферапонтова. Алпатыч вышел к воротам. Какой то полк, теснясь и спеша, запрудил улицу, идя назад.
– Сдают город, уезжайте, уезжайте, – сказал ему заметивший его фигуру офицер и тут же обратился с криком к солдатам:
– Я вам дам по дворам бегать! – крикнул он.
Алпатыч вернулся в избу и, кликнув кучера, велел ему выезжать. Вслед за Алпатычем и за кучером вышли и все домочадцы Ферапонтова. Увидав дым и даже огни пожаров, видневшиеся теперь в начинавшихся сумерках, бабы, до тех пор молчавшие, вдруг заголосили, глядя на пожары. Как бы вторя им, послышались такие же плачи на других концах улицы. Алпатыч с кучером трясущимися руками расправлял запутавшиеся вожжи и постромки лошадей под навесом.
Когда Алпатыч выезжал из ворот, он увидал, как в отпертой лавке Ферапонтова человек десять солдат с громким говором насыпали мешки и ранцы пшеничной мукой и подсолнухами. В то же время, возвращаясь с улицы в лавку, вошел Ферапонтов. Увидав солдат, он хотел крикнуть что то, но вдруг остановился и, схватившись за волоса, захохотал рыдающим хохотом.
– Тащи всё, ребята! Не доставайся дьяволам! – закричал он, сам хватая мешки и выкидывая их на улицу. Некоторые солдаты, испугавшись, выбежали, некоторые продолжали насыпать. Увидав Алпатыча, Ферапонтов обратился к нему.
– Решилась! Расея! – крикнул он. – Алпатыч! решилась! Сам запалю. Решилась… – Ферапонтов побежал на двор.
По улице, запружая ее всю, непрерывно шли солдаты, так что Алпатыч не мог проехать и должен был дожидаться. Хозяйка Ферапонтова с детьми сидела также на телеге, ожидая того, чтобы можно было выехать.
Была уже совсем ночь. На небе были звезды и светился изредка застилаемый дымом молодой месяц. На спуске к Днепру повозки Алпатыча и хозяйки, медленно двигавшиеся в рядах солдат и других экипажей, должны были остановиться. Недалеко от перекрестка, у которого остановились повозки, в переулке, горели дом и лавки. Пожар уже догорал. Пламя то замирало и терялось в черном дыме, то вдруг вспыхивало ярко, до странности отчетливо освещая лица столпившихся людей, стоявших на перекрестке. Перед пожаром мелькали черные фигуры людей, и из за неумолкаемого треска огня слышались говор и крики. Алпатыч, слезший с повозки, видя, что повозку его еще не скоро пропустят, повернулся в переулок посмотреть пожар. Солдаты шныряли беспрестанно взад и вперед мимо пожара, и Алпатыч видел, как два солдата и с ними какой то человек во фризовой шинели тащили из пожара через улицу на соседний двор горевшие бревна; другие несли охапки сена.
Алпатыч подошел к большой толпе людей, стоявших против горевшего полным огнем высокого амбара. Стены были все в огне, задняя завалилась, крыша тесовая обрушилась, балки пылали. Очевидно, толпа ожидала той минуты, когда завалится крыша. Этого же ожидал Алпатыч.
– Алпатыч! – вдруг окликнул старика чей то знакомый голос.
– Батюшка, ваше сиятельство, – отвечал Алпатыч, мгновенно узнав голос своего молодого князя.
Князь Андрей, в плаще, верхом на вороной лошади, стоял за толпой и смотрел на Алпатыча.
– Ты как здесь? – спросил он.
– Ваше… ваше сиятельство, – проговорил Алпатыч и зарыдал… – Ваше, ваше… или уж пропали мы? Отец…
– Как ты здесь? – повторил князь Андрей.
Пламя ярко вспыхнуло в эту минуту и осветило Алпатычу бледное и изнуренное лицо его молодого барина. Алпатыч рассказал, как он был послан и как насилу мог уехать.
– Что же, ваше сиятельство, или мы пропали? – спросил он опять.
Князь Андрей, не отвечая, достал записную книжку и, приподняв колено, стал писать карандашом на вырванном листе. Он писал сестре:
«Смоленск сдают, – писал он, – Лысые Горы будут заняты неприятелем через неделю. Уезжайте сейчас в Москву. Отвечай мне тотчас, когда вы выедете, прислав нарочного в Усвяж».
Написав и передав листок Алпатычу, он на словах передал ему, как распорядиться отъездом князя, княжны и сына с учителем и как и куда ответить ему тотчас же. Еще не успел он окончить эти приказания, как верховой штабный начальник, сопутствуемый свитой, подскакал к нему.
– Вы полковник? – кричал штабный начальник, с немецким акцентом, знакомым князю Андрею голосом. – В вашем присутствии зажигают дома, а вы стоите? Что это значит такое? Вы ответите, – кричал Берг, который был теперь помощником начальника штаба левого фланга пехотных войск первой армии, – место весьма приятное и на виду, как говорил Берг.
Князь Андрей посмотрел на него и, не отвечая, продолжал, обращаясь к Алпатычу:
– Так скажи, что до десятого числа жду ответа, а ежели десятого не получу известия, что все уехали, я сам должен буду все бросить и ехать в Лысые Горы.
– Я, князь, только потому говорю, – сказал Берг, узнав князя Андрея, – что я должен исполнять приказания, потому что я всегда точно исполняю… Вы меня, пожалуйста, извините, – в чем то оправдывался Берг.
Что то затрещало в огне. Огонь притих на мгновенье; черные клубы дыма повалили из под крыши. Еще страшно затрещало что то в огне, и завалилось что то огромное.
– Урруру! – вторя завалившемуся потолку амбара, из которого несло запахом лепешек от сгоревшего хлеба, заревела толпа. Пламя вспыхнуло и осветило оживленно радостные и измученные лица людей, стоявших вокруг пожара.
Человек во фризовой шинели, подняв кверху руку, кричал:
– Важно! пошла драть! Ребята, важно!..
– Это сам хозяин, – послышались голоса.
– Так, так, – сказал князь Андрей, обращаясь к Алпатычу, – все передай, как я тебе говорил. – И, ни слова не отвечая Бергу, замолкшему подле него, тронул лошадь и поехал в переулок.
Описание и свойства ванадия
Ванадий первоначально был обнаружен мексиканцем А.М. Дель Рио в рудах бурого цвета, содержащих свинец, которые при нагревании давали красноватый цвет.
Но официальное признание элемент получил позднее, когда его обнаружил химик из Швеции Н.Г.Сефстрем при исследовании железной руды из местного месторождения и дал ему название Ванадий созвучное с именем Ванадис, которое носила древнегреческая богиня красоты.
По внешнему виду металл напоминает сталь своим серебристо-серым цветом. Но на этом сходство заканчивается. Строение ванадия : кубическая объемноцентрированная решетка с параметрами a=3,024A и z=2. Плотность составляет 6,11 г/ см 3 .
Плавится он при температуре 1920 о С, а кипеть начинает при 3400 о С. А вот нагревание на открытом воздухе до температуры выше 300 о С снижает пластические свойства металла и делает его хрупким, повышая при этом твердость. Понять такое поведение помогает строение атома металла.
Ванадий элемент, имеющий атомный номер 23 и атомную массу 50,942, он относится к V группе четвертого периода системы Д. . А это означает, что атом ванадия состоит из 23-х протонов, 23-х электронов и 28-ми нейтронов.
Несмотря на то что это элемент V группы, валентность ванадия не всегда равна 5. Она бывает 2, 3. 4 и 5 с положительным знаком. Разные значения валентности объясняются разными вариантами заполнения электронных оболочек, при которых они приходят в стабильное состояние.
Известно, что положительное значение валентности определяется числом отданных атомом химического элемента электронов, а отрицательное – числом электронов, присоединенных к внешнему энергетическому уровню для формирования его стабильности. Электронная формула ванадия — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 3 .
Он может легко отдать два электрона с 4-го подуровня, при этом его степень окисления обусловлена 2-х валентным положительным проявлением. Но атом этого элемента способен отдавать еще 3 электрона с предшествующей внешнему подуровню орбиты и проявить максимальную степень окисления, равную +5.
Оксиды этого элемента с валентностью от 2-х до 5 различны по своему химическому проявлению. Оксиды VO и V 2 O 3 имеют основной характер, VO 2 – амфотерный и V 2 O 5 – кислотный.
Чистый металл отличается своей пластичностью и поэтому хорошо обрабатывается , штамповкой, прессованием и прокаткой. Обработка сваркой и резкой должны проходить в инертной среде, т. к. при нагревании теряется пластичность.
При обработке металл практически не подвержен наклепу и может выдержать большие нагрузки при обжатии в холодном виде без промежуточного отжига. Он устойчив к коррозии и не изменяется под влиянием воды, в том числе и морской, а также слабых растворах некоторых кислот, солей и щелочей.
Месторождения и добыча ванадия
Ванадий химический элемент , достаточно распространенный в земных породах, но в чистом виде не встречается, присутствуя в минералах в рассеянном состоянии. Скопления его в породах присутствуют очень редко. Это редкий металл. Руда с содержанием 1% чистого вещества относится к категории богатой.
В промышленности не пренебрегают даже рудами с содержанием 0,1% дефицитного элемента. В малых концентрациях он встречается более чем в сорока минералах. Значимыми для промышленности можно назвать роскоэлит, называемый ванадиевой слюдкой, в котором содержится до 29% пятиокиси V 2 O 5 , карнотит (урановая слюдка), содержащий 20% V 2 O 5 , и ванадинит с содержанием 19% V 2 O 5.
Крупные месторождения руд, содержащие металл, находятся в Америке, ЮАР, России, Финляндии и Австралии. Большое месторождение есть в горах Перу, где он представлен патронитом V 2 S 5 , содержащим серу. При его обжиге образуется концентрат, содержащий до 30% V 2 O 5.
Найден минерал в Киргизии и Казахстане. Знаменитое Кызылординское месторождение является одним из крупнейших. В России его добывают в основном в Краснодарском крае (Керченское месторождение) и на Урале (Гусевогорское месторождение титаномагнетитов).
Технология извлечения металла зависит от требований к его чистоте и области использования. Основные методы, применяемые в технологии его получения – это йодидный, кальцетермический, алюминотермический, углетермический в вакууме, хлоридный.
В основе технологии йодидного метода лежит термическая диссоциация йодида . Распространенным является получение металла восстановлением V 2 O 5 термическим методом с применением кальция или алюминия.
При этом происходит реакция по формуле: V 2 O 5 +5Ca = 2V+5CaC+1460 кДж с выделением тепла, которого достаточно для расплавления образовавшегося V, что позволяет ему стекать и собираться в твердом виде. Чистота металла, полученного таким способом, достигает 99,5%.
Современный способ извлечения V — это восстановление оксидов в условиях вакуума углеродом при температуре от 1250 о С до 1700 о С. Метод хлоридной добычи заключается в восстановлении VCl 3 жидким магнием.
Применение ванадия
Одно из основных применений металл нашел в качестве легирующей добавки — феррованадия для улучшения качества сталей. Добавление ванадиевой повышает прочностные параметры сталей, а также ее вязкость, износостойкость и другие характеристики.
При этом добавка выполняет функцию как раскислителя, так и карбидообразующего компонента. Карбиды равномерно располагаются в сплаве, предотвращая структурный рост зерен стали при нагревании. Легированный ванадием чугун также способствует улучшению его качеств.
Применяется ванадий для улучшения сплавов на основе титана. Есть титана, в составе которых содержится до 13% этой легирующей добавки. Присутствует ванадий также в сплавах ниобия, тантала и хрома, используемых в авиационной промышленности, а также алюминиевых, титановых и других материалах авиации и ракетостроения.
Уникальность элемента позволяет использовать его в атомной отрасли при производстве канальных труб ТВЭЛов для атомных станций, т. к. он, как и цирконий, обладает свойством малого поперечного захвата тепловых нейтронов, что важно при протекании ядерных реакций. В атомно-водородной технологии используют хлорид ванадия для термохимического взаимодействия с водой.
Используют ванадий в химической и сельскохозяйственной отрасли, медицине, стекольном производстве, текстильной области, лакокрасочном производстве и изготовлении аккумуляторов. Широко распространены ручные и оснастка из сплава хром ванадий, отличающиеся своей прочностью.
Одно из последних направлений — это электроника. Особенно интересным и перспективным является материал на основе диоксидов титана и ванадия . Соединенные определенным образом, они создают систему, обладающую способностью значительно увеличивать память и скорость компьютеров и других электронных устройств.
Цена ванадия
В качестве готового сырья ванадий выпускают в виде , прутков, кругов, а также оксидов. В ассортименте многих предприятий, занимающихся производством этого тугоплавкого металла, представлены сплавы различных марок. Цена во многом зависит от назначения, чистоты металла, способа производства, а также вида продукции.
Например, Екатеринбургское предприятие НПК «Специальная металлургия» реализует слитки по цене 7 тыс. за кг, — по цене от 440 до 500 тыс. за тонну, слитки марки ВНМ-1 по цене 500 тыс.за тонну. Цена может меняться также в зависимости от рыночных условий и спроса на продукцию.
Ванадий - химический элемент 5-й группы периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Название элемента «Ванадий» произошло от имени древнескандинавской богини красоты - «Ванадис». Причиной этому стал цвет солей. Ванадий - твердый металл серо-стального цвета. Он довольно устойчив к действию воды и множества кислот. В земной коре ванадий рассеян, часто сопутствует железу, а железные руды, являются очень важным источником промышленного производства ванадия.
Ванадий является, пожалуй, самым редким представителем черных металлов на Земле. Основная область применения данного металла - это производство марочных сталей, а также чугунов. Добавки ванадия способны обеспечить высокую характеристику титановым сплавам, что так важно в авиационной и космической промышленности. Ванадий широко использестя как катализатор в процессе получения серной кислоты.
В природе ванадий обычно находится в титаномагнетитовых рудах, иногда встречается в фосфоритах, урансодержащих алевролитах и песчаниках, а которых концентрация ванадия, как правило, не превышает двух процентов. Главными рудными минералами в подобных месторождениях являются ванадиевый мусковит-роскоэлит, а также карнотит. Зачастую ванадий в достаточно большом количестве встречается в бокситах, бурых углях, тяжелых нефтях, битуминозных песках и сланцах. Обычно Ванадий добывается в виде побочного продукта во время извлечения из минерального сырья других, главных компонентов. К примеру, из золы в результате сжигания нефти, или из титановых шлаков во время переработки титаномагнетитовых концентратов.
Ванадий в чистом виде представляет собой светло-серый металл, поддающийся ковке. Ванадий почти вдвое легче железа. Температура плавления металла составляет 1900 градусов по Цельсию, плюс-минус 25 градусов. Температура кипения ванадия равна 3400 градусам по Цельсию. В сухом воздухе при соблюдении комнатной температуры ванадий ведет себя достаточно пассивно с химической точки зрения. Но при достижении высоких температур элемент способен легко соединяться с азотом, кислородом, а также другими атомами.
В химической промышленности соединения Ванадия применяют как катализаторы. Кроме того, ванадий применяется в медицине и сельском хозяйстве, а также в резиновой, текстильной, лакокрасочной, стекольной, керамической промышленности, в производстве приспособлений для фото- и видеосъемки. Ванадий используется как легирующий компонент в создании конструкционных сплавов и сталей, которые применяются в космической и авиационной технике, морском судостроении. Металл используют и в качестве компонента сверхпроводящих сплавов.
Соединения ванадия сами по себе ядовиты и могут принести ущерб организму. Отравление ванадием обычно происходит при вдыхании пыли металла, содержащейся в воздухе. Результатом такого вдыхания может стать раздражение дыхательных путей, головокружение, легочное кровотечение. Ванадиевая пыль воздействует на работу сердца и почек.
Поступая в организм с пищей, ванадий оказывает благотворное воздействие на иммунитет, способствует очищению крови. Некоторые исследования доказывают, что в совокупности с отдельными веществами ванадий способен замедлять процессы старения организма. Больше всего ванадия (как химического элемента) содержится в неочищенном рисе (400 мг/100г), цельном зерне овса (200 мг/100г), а также в фасоли (190 мг/100г), редисе (185 мг/100г) и сыром картофеле (149 мг/100г).
Биологические свойства
Соединения ванадия являются ядовитыми. Отравление веществом возможно после вдыхания ванадиевой пыли. При вдыхании возможно возникновение раздражения дыхательных путей, головокружения, лёгочного кровотечения, нарушается деятельность почек, сердца и других внутренних органов.
В ничтожных количествах ванадий присутствует в тканях практически всех живых организмов на нашей планете. Существует предположение, что ванадий служит средством, которое подавляет образование холестерина в сосудах, но вот нормы употребления данного минерала так и не удалось установить.
Биологическая роль ванадия была изучена на асцидиях. Ванадий в их кровяных клетках находится в трех- и четырехвалентном состоянии, тем самым осуществляется динамическое равновесие:
V III -> V IV ,
V III <- V IV .
У асцидии физиологическая роль ванадия напрямую связывается не с дыхательным процессом переноса углекислого газа и кислорода, а с процессами окисления и восстановления, т.е. переносом электронов с помощью, если можно так сказать, ванадиевой системы, которая, скорее всего, имеет значение на физиологическом уровне, в том числе и у других организмов.
В растениях содержание ванадия гораздо выше, чем в животных: 0,1% - 2% против 1·10 -5% - %1·10 -4 %. Некоторые виды морских жители, особенно это касается мшанок и моллюсков, в частности асцидий, концентрируют ванадий в довольно больших количествах. Ванадий находится у асцидий в плазме крови или в ванадоцитах - специальных клетках существа.
Источниками ванадия являются сланцы и изверженные породы, содержание металла составляет в них примерно 0,013% ванадия. Ванадий содержится также в песчаниках и известняках, где содержание металла составляет около 0,002%. В почвах, по большей части в гумусе, доля ванадия составляет примерно 0,01%. В пресной и морской воде содержание металла примерно 1·107—2·107%.
Судя по всему, ванадий участвует в протекании некоторых окислительных процессов в органических тканях. У человека содержание ванадия в мышечной ткани составляет 2·10 -6 % ванадия, в крови - менее 2·10 -4 % мг/л, в костной ткани – около 0,35·10 -6 %. Всего в здоровом человеческом организме, имеющем массу 70 килограмм, содержится 0,11 миллиграмма ванадия.
Соединения ванадия и сам элемент токсичны. Для человека токсическая доза составляет 0,25 миллиграмма, летального исход при употреблении 2-4 миллиграмм. Для VO5 предельно допустимый коэффициент содержания в воздухе составляет 0,1-0,5 мг/м3.
В прошлом при лечении туберкулеза, анемии и сифилиса применялись некоторые фармацевтические препараты, в составе которых в малых долях присутствовали самые разные соединения ванадия. На сегодняшний день ванадиевые соли применяются в качестве инсектицидов, фунгицидов и дезинфицирующих средств.
Ванадий в организме человека участвует в следующих процессах:
1. Усиливает окисление фосфолипидов, усиливает эритропоэз, Стимулирует костный мозг, участвует в стимулировании пролиферации костных клеток, а также в процессе синтеза костного коллагена, в общем виде способствует росту организма.
2. Снижает активность НаКАтфазы, при этом ванадий делает аденилатциклазу еще боле активной, повышает активность печеночных липолитических ферментов. Ванадий угнетает процесс синтеза эндогенного холестерина в гепатоцитах, снижает концентрацию холестерина и триглицеридов в плазме крови.
3. Ванадий как и некоторые другие микроэлементы (например селен, цинк) дает инсулино-миметический эффект, за счет воздействия на фосфоинозитол 3 киназу (PI3), инсулин-рецепторный субстрат 1-го типа (IRS-1), протеинкиназу В (PKB), активность ГЛЮТ4
Во времена первой мировой войны французские инженеры создали самолет, который стал настоящей сенсацией того времени. Обычно самолеты вооружались пулеметом, а на этом аппарате была установлена самая настоящая пушка, которая держала в страхе всех летчиков Германии. Но возникает вопрос, как можно было поставить пушку на самолет в то время? Ведь грузоподъемность летательных аппаратов первой мировой войны была очень и очень низкой. В последствии оказалось, что все дело в ванадии, это он помог установить на самолет полноценную пушку. Авиационные пушки французских самолетов изготавливались из ванадиевой стали. Имея совсем не большой вес, орудия обладали прекрасной прочностью, которая позволяла вести ошеломляюще сокрушительный на те времена огонь по вражеским самолетам.
Ванадий, как и другой химический элемент - бор – дважды пережил свое открытие. Фактически он был открыт еще в 1781 году в свинцовых рудах Андресом Мануэлем Дель Рио, который бы профессором минерологи в Мехико. И лишь спустя двадцать девять лет, в 1830 году ванадий был заново обнаружен в железной руде ученым-химиком Нильсом Сёфстремом из Швеции. Окончательное название элемент получил от богини красоты скандинавских народов по имени Ванадис, причиной чему стал красивый цвет соеденияя, образующего ванадий.
Интересен еще и тот факт, что некоторые представители подводного растительного и животного мира, например, асцидии, морские ежи и голотурии, буквально «коллекционируют» ванадий. Эти создания извлекают химический элемент из окружающей среды каким-то не понятным для человеческого ума способом. Отдельные ученые предполагают, что у этих живых организмов ванадий служит той же цели, что и железо в крови высших существ, в том числе и человека, т.е. помогает крови впитывать кислород, или, говоря образно, помогает ей «дышать».
В организме здорового взрослого человека содержание ванадия составляет около 10-25мг, большая доля элемента приходится на зубы, костную ткань, жировую ткань на плазму крови (до 10 мкг/л), легкие (около 0,6 мг/кг).
Суточная потребность в химическом элементе для взрослых составляет 1.8 мг (Food and Nutrition board. 2004 by the National Academy of Sciences).
Ванадий проникает в организм по большей части с пищей: рис, зеленый салат, фасоль, редис, укроп, горох, черный перец, грибы, петрушка, мясо.
Неоднократные исследования установили связь ванадия с психическим состоянием человека. Научно доказан тот факт, что при шизофрении содержание ванадия в крови больного значительно повышается.
По мнению американских ученых-медиков, недостаток ванадия в человеческом организме связан с развитием сахарного диабета, потому что его нехватка, как и в случае с недостатком цинка и хрома – это один из самых важных индикаторов симптомов сахарного диабета.
История
Ванадий как примесь в составе свинцовой руды рудника в Зимапане был открыт испанским минерологом А. М. Дель Рио в 1801году. Дель Рио назвал новый элемент эритронием («erythros» - от греческого «красный»), т.к. его соединения имели красный цвет. Вот как всемирно известный шведский ученый-химик Берцелиус описывает историю открытия элемента ванадий:
«В давние времена далеко на севере жила чудесная Ванадис, всеми любимая прекрасная богиня. Однажды в ее дверь кто-то постучал. Но богиня сначала не отреагировала, т.к. очень удобно устроилась в кресле. Но стук не повторился, и кто-то отошел от двери. Ванадис стало интересно, что же это за такой скромный посетитель? Богиня открыла окно и взглянула на улицу. Незнакомцем оказался некто Вёлер, который быстро удалялся от ее замка. Спустя несколько дней все повторилось, кто-то снова постучал в дверь, но теперь стук не утихал до тех пор, пока Богиня не подошла и не открыла двери. Перед ней оказался красивый молодец Нильс Сёвстрем. Почти сразу они полюбили друг друга, и через какое-то время у них родился сын, которого они назвали Ванадий. Так и был назван тот совершенно новый металл, найденный в 1831 году шведским ученым химиком и физиком Нильсом Сёвстремом».
Но в данной легенде есть одна неточность. Первым, кто постучал в дверь богине был минералог Андрее Мануэль дель Рио, а не немецкий ученый Вёлер. И сначала испанский ученый назвал элемент «панхромом» («всецветный»), т.к. соединения этого нового металла были окрашены в самые разные цвета, и только затем сменил название на «эритроний», т.е. «красный.
Но дель Рио не смог научно доказать свою находку. Более того, спустя год после открытия он подумал, что новый элемент – это ничто иное, как хром, открытый немногим ранее. Точно такую же ошибку совершил и немецкий ученый Вёлер, «скромный посетитель», который слишком мало стучал в дверь богини Ванадис.
Только через почти тридцать лет состоялось настоящее рождение ванадия. Отцом основателем данного химического элемента и нового металла считается молодой ученый из Швеции Нильс Сёвстрем. В то время на родине Сёвстрема как раз начала развиваться металлургия. Заводы появлялись в разных концах страны. Было замечено, что металл, который выплавляли из одних руд, получался хрупким, а металл, выплавленный из других – достаточно пластичным. И не для кого не было понятно, в чем тут подвох. Нильс Сёвстрем решил попробовал найти ответ.
В процессе исследования химического состава руд, из которых получался высококачественный металл, Сёвстрем после проведения многих опытов доказал, что в таких рудах содержится элемент, который в свое время обнаружил дель Рио и ошибочно принял за хром. Новый металл назвали ванадием.
Ни Вёлеру, ни дель Рио не было суждено стать «отцами основателями» нового химического элемента, хоть они и были к этому близки. После успеха шведского ученого немец Вёлер написал своему другу: «Я был просто ослом, как я мог проглядеть новый элемент в этой бурой свинцовой руде? Все-таки Берцелиус был прав, когда так иронично описывал мою слабую неудачную попытку постучаться в дворец богини Ванадис.
На территории России ванадий впервые нашли в 1834 году на Урале в свинцовой руде Березовского рудника. В 1839 году ванадий был найден в пермских песчаниках. Уже в то далекое время инженер Шубин высказывал мнение о благотворном влиянии примеси ванадия на качество медных и железных сплавов. Он писал, что черная медь, гаркупфер, штыковая медь и медистый чугун составляют сплавы с ванадием, и, что, вероятнее всего, именно присутствие ванадия дает им такую прочность.
Спустя еще много лет никто не мог в чистом виде выделить ванадий. Лишь в 1869 г. англичанин Генри Роско после долгих поисков сумел выделить чистый металлический ванадий. Но лишь в те времена его можно было считать чистым, т.к. содержание посторонних примесей находилось в районе 4%. Даже такая доля способна существенно изменить свойства металла. Чистый ванадий представляет собой серебристо-серый металл, обладает высокой пластичностью, поддается ковке.
Нахождение в природе
Ванадий довольно часто встречается в недрах земли в качестве составной части титаномагнетитовых руд, реже дефицитный металл можно встретить в фосфоритах, еще реже в составе урансодержащих алевролитов и песчаников, концентрация ванадия в данных природных образованиях не превышает 2-х процентов. Главными рудными минералами в месторождениях ванадия являются ванадиевый мусковит-роскоэлит и карнотит. В бокситах, бурых углях, тяжелых нефтях, а также в битуминозныхпесках и сланцах также иногда могут присутствовать довольно значительные доли редкого металла.
Самые высокие показатели среднего содержания ванадия в породах магматического типа были отмечены в базальтах и габбо. Примерное значение концентрации в данных породах колеблется от 230 до 290 грамм на тонну веса. Среди осадочных пород ванадий наиболее часто можно встретить в биолитах (асфальтиты, угли и др.), бокситах и железных рудах. За счет близости ионных радиусов ванадия с распространенными в магматических породах железом и титаном, в гипогенных процессах ванадий всегда остается в рассеянном состоянии, именно поэтому металл не образует собственных минералов. Носители ванадия - это многочисленные минералы слюды, титана (сфен, ильменит, рутил, титаномагнетит), гранаты и пироксены, которые обладают повышенной изоморфной ёмкостью в отношении ванадия.
Как правило, ванадий добывается в виде побочного продукта при извлечении и переработке из минерального сырья других полезных веществ. К примеру, очень часто ванадий получают из титановых шлаков в процессе переработки титаномагнетитовых концентратов, иногда из золы после сжигания нефти, угля и других горючих ископаемых.
Производителями ванадия в мировом масштабе выступают такие государства, как Южно-Африканская республика, Соединенные Штаты Америки, Российская федерация (где основные разработки дефицитного металла расположены в районе Уральского хребта), а также Финляндия. Если судить о количестве ванадия по его учтенным запасам, лидирующие места на глобальном уровне занимают такие страны, как ЮАР, Россия и Австралия.
Интересно заметить, что хотя доля ванадия в земной коре довольно существенна и составляет около 0,2 процентов (что в 15 раз превышает количество свинца и в 2000 раз превышает суммарное количество серебра), металл, как ни странно, относят к разряду дефицитных, потому что его скопления встречаются довольно редко. Если какая-либо руда содержит в своем составе хотя бы один процент ванадия, она сразу считается очень обогащенной. В промышленной переработке зачастую встречаются случаи, когда ванадий добывают из руды с концентрацией ценного металла всего в 0,1 процента от общей массы.
Содержание ванадия, как химического элемента, в земной коре нашей планеты составляет 1,6*10 -2 %, в воде всех мировых океанов около 3*10-7%. Важнейшими минералами, которые представляют собой соединениями ванадия, являются ванадинит Pb 5 (VO 4) 3 Cl, патронит V(S 2) 2 и несколько других. Основным источником получения ванадия являются железные руды, в которых ванадий встречается в качестве примеси.
Применение
Ванадий чаще всего используется в качестве легирующей добавки в производстве жаропрочных, коррозийностойких и износоустойчивых сплавов, в первую очередь это касается специальных сталей. Кроме того, ванадий используют в качестве одного из компонентов при получении магнита. Ванадий в металлургии обозначают буквой Ф.
Основным потребителем ванадия выступает черная металлургия, в которой используется около 95% всего добываемого металла. В составе быстрорежущей стали, и ее заменителей также присутствует ванадий, он входит в состав инструментальных малолегированных и в некоторые виды конструкционных сталей. Даже присутствие 0,15 % - 0,25 % ванадия в составе сплава, прочность стали резко повышается, повышаются показатели вязкости, сопротивления усталости и износоустойчивости металла. Введенный в стать ванадий, является одновременно и карбидообразующим, и раскисляющим элементом. Карбиды ванадия распределяются в виде дисперсных включений, препятствуя тем самым росту зерна в процессе нагревания стали. Ввод ванадия в сталь происходит в виде феррованадия, который является одной из форм лигатурного сплава.
Ванадий применяется и в процессе легирования чугуна. Промышленность титановых сплавов, которая стремительно развивается в последнее время, является новым, но довольно существенным потребителем ванадия на современном этапе. Необходимо отметить, что отдельные сплавы титана могут содержать до 13% ванадия. Сплавы, основанные на ниобии, хроме и тантале, содержащие при этом присадки ванадия, нашли применение в ракетной, авиационной и других сферах индустрии. Также в авиационной, ракетной и даже атомной технике в ближайшее время ожидается использование различных по составу и свойствам коррозийностойких и жаропрочных сплавов в основе которых лежит ванадий, а также добавки Zr, Ti, W, Al и Nb. Такие сплавы уже переходят в стадию промышленного изготовления. Огромный интерес вызывают сверхпроводящие соединения и сплавы на основе ванадия с Ti, Si и Ga.
Ванадий применяется в качестве промежуточного материала (прослойки) в процессе плакирования стали, а также тугоплавких металлов циркониевыми, титановыми сплавами, со сплавами благородных металлов.
За счет высокой коррозионной стойкости в самых агрессивных средах, ванадий становится перспективным материалом в химическом машиностроении и др. отраслях.
Металлический ванадий в чистом виде нередко используется в атомной энергетике, из него изготавливают оболочку для тепловыделяющих элементов, а также различные трубы. Ванадий присутствует и в некоторых электронных приборах. В процессе термохимического разложения воды применяется хлорид ванадия, этот процесс относится к области ядерной энергетики, например, цикл хлоридного ванадия «General Motors» в Соединенных Штатах Америки.
Самый распространенный оксид ванадия V 2 O 5 зачастую используется в качестве эффективного катализатора, к примеру, в процессе окисления сернистого газа SO 2 и превращения его в серный газ SO 3 при получении серной кислоты. Оксид ванадия применяют в качестве катализатора также при окислении аммиака и др.
Соединения и сплавы ванадия находят применение в самых разных отраслях экономики: стекольной, лакокрасочной, текстильной промышленности, в медицине, сельском хозяйстве, в производстве фото- и кинооборудования и других сферах. В аккумуляторах и мощных литиевых батареях пятиокись ванадия применяется довольно широко, здесь она служит катодом, т.е. положительным электродом. В резервных батареях в качестве положительного электрода выступает ванадат серебра. При изготовлении электронно-лучевых трубок применяются люминесцентные материалы, т.е ванадаты иттрия. Ванадат натрия является лазерным материалом, который широко применяется как активные элементы в твердотельных лазерах.
Производство
При промышленном получении ванадия сначала готовят концентрат из железных руд с примесью металла, содержание ванадия в данном концентрате составляет примерно 8-16%. Затем при помощи окислительной обработки ванадий переводится в степень окисления +5, т.е высшую степень окисления, в результате чего от полученной массы отделяют ванадат натрия (т.е. NaVO 3), который легко растворяется в воде. Раствор после этого подкисляют при помощи серной кислоты, в последствии выпадает осадок. После просушивания данного осадка получившаяся консистенция содержит более чем 90% ванадия.
Первичный концентрат восстанавливают доменным способом в печах, после чего получается концентрат ванадия, используемый далее в процессе выплавки сплава железа и ванадия, т.е. феррованадия (феррованадий содержит примерно от 35% до 70% чистого ванадия). Ванадий как металл можно производить путем восстановления хлорида ванадия водородом, а также при помощи термической диссоциации VI2 и кальцийтермического восстановления оксидов ванадия (например, V 2 O 5 или V 2 O 3) или другими методами.
Металлический ванадий, поддающийся ковке, получают также при помощи кальциетермического восстановления чистых V 2 O 3 или V 2 O 5 ; путем восстановления V 2 O 5 с использованием алюминия; путем вакуумного углетермического восстановления V 2 O 3 ; путем магниетермического восстановления VCl 3 или путем термической диссоциации йодида ванадия. Ванадий плавят в дуговых вакуумных печах с расходуемым электродом, а также в электроннолучевых печах.
Ванадий извлекается из содержащей металл руды или ее концентратов путем непосредственного выщелачивания при помощи растворов кислот либо щелочей, или методом выщелачивания разбавленными кислотами или водой продукта окислительного обжига (его смешивают с поваренной солью). Из растворов оксид ванадия V2O5 (V)извлекают гидролизом, он используется при выплавке феррованадия и производстве металлического ванадия.
Железные руды, содержащие ванадий, перерабатываются на сталь, в результате чего остаются ванадиевые шлаки. Эти шлаки подвергаются обжигу в смеси, в составе которой есть NaCl. Затем полученный продукт выщелачивают с использованием воды, после этого его выщелачивают слабым раствором серной кислоты, в результате получают технический ванадиевый оксид (V).
Металлический ванадий производят или путем непосредственного восстановления оксида ванадия, или в две стадии: сперва восстанавливают оксиды до низшего оксида используя один восстановитель, а после низший оксид восстанавливают до металла.
Существует несколько способов получения металлического ванадия: это и кальциетермический, когда ковкий ванадий производят путем восстановления оксидов ванадия при помощи кальция, и алюминотермический, при котором роль основного восстановителя играет алюминий, и вакуумное углетермическое восстановление оксидов ванадия (наиболее перспективно использование углерода), это и хлоридный метод, когда восстанавливают хлорид ванадия (VCl3).
Основным сырьем при производстве ванадия являются железные руды, в составе которых присутствует и дефицитный ванадий. Сначала следует процесс обогащения железной руды, далее полученные концентраты перерабатываются вплоть до момента, пока ни станет образовываться оксид ванадия (V). Из полученного оксида ванадий можно получить таким способом, как металлотермия:
V2O5 + 5Ca -> 900 градусов по Цельсию -> 2V + 5CaO.
Высоко чистый ванадий можно получить путем восстановления хлоридов ванадия с использованием водорода:
VCl4 + 2H2 = V + 4HCl;
Высоко чистый ванадий можно получить путем магнийтермического восстановления хлорида ванадия (III):
2VCl3 + 3Mg = 2V + 3MgCl2;
Высоко чистый ванадий можно получить путем термической диссоциации VI2:
Высоко чистый ванадий можно получить еще и путем электролиза расплавов галогенидов ванадия:
VCl2 -> электролиз -> V + Cl2.
Физические свойства
По своему внешнему виду ванадий, как металл, очень похож на сталь. Ванадий сам по себе достаточно твердый, но вместе с тем он обладает хорошей пластичностью.
Теперь давайте рассмотрим физические свойства ванадия в конкретных цифрах. Объемно-центрированная кубическая решетка ванадия имеет период a=3,0282. Ванадий в чистом виде довольно хорошо поддается ковке, металл можно легко подвергать обработке под давлением. Плотность ванадия как вещества составляет 6,11 грамм на сантиметр кубический. Температура плавления металла равна 1900 градусам по Цельсию, температура кипения составляет 3400 градуса по Цельсию. Удельная теплоемкость ванадия при температуре от 20 до 100 градусов по Цельсию равна 0,120 кал/гград. Металл имеет термический коэффициент линейного расширения равный 10,6·10 -6 град -1 , при температуре от 20 до 1000 градусов Цельсия. Ванадий имеет удельное электрическое сопротивление 24,8·10 -6 ом·см (24,8·10 -8 ом·м) при температуре 20 градусов по Цельсию. Ниже тока в 4,5 кВ металл переходит в состояние сверхпроводимости.
Ванадий высокой чистоты после процедуры отжига имеет следующие механические свойства: значение модуля упругости составляет 13520 кгс/мм 2 (135,25 н/м 2), предел прочности металла равен 12 кгс/мм 2 (120 нм/м 2), относительное удлинение вещества равно 17-ти процентам, твердость металла по Бринеллю составляет 70 кгс/мм 2 (700 мн/м 2). Ванадий часто имеет примеси других элементов, в частности газов. Примеси газов в составе ванадия воздействуют на металл не самым лучшим образом. Они снижают пластичность металла, в то же врем, делая ванадий еще более твердым и хрупким.
Ванадий, встречающийся в природе, является смесью, состоящей из двух нуклидов: стабильного нуклида 51V, который составляет 99,76% по массе, и слабо радиоактивного нуклида 52V, период полураспада которого равен более чем 3,9·10 17 лет. При этом конфигурация двух внешних электронных слоев имеет вид 3s 2 p 6 d 3 4s 2 . В периодической системе Дмитрия Ивановича Менделеева химический элемент ванадий расположен в четвертом периоде в группе VВ. Ванадий способен образовывать соединения в степени окисления от + 2 до + и в валентности от II до V.
Радиус нейтрального атома химического элемента ванадий составляет 0,134 нм, радиус его ионов равен V 5+ — 0,050-0,068 нм, V 4+ - 0,067-0,086 нм, V 3+ - 0,078 нм, V 2+ - 0,093 нм. Энергии последовательной ионизации атома химического элемента ванадий характеризуются значениями 6.74; 14.65; 29.31; 48.6 и 65.2 эВ. Электроотрицательность ванадия по шкале Полинга составляет 1,63.
Химические свойства
Ванадий - элемент с высокой химической стойкостью, в нормальных условиях он инертен. При комнатной температуре на ванадий не воздействует воздух, морская вода и растворы щелочей, металл устойчив к неокисляющим кислотам, кроме плавиковой кислоты. Коррозийная стойкость ванадия в соляной и серной кислотах намного выше, чем у нержавеющей стали и титана.
При нагревании ванадия до температуры 300 градусов по Цельсию, он начинает поглощать кислород и становится довольно хрупким. При нагревании до температуры 600-700 градусов по Цельсию, ванадий начинает интенсивно окисляться, образуя пятиокись V 2 O 5 и низшие оксиды. При нагревании химического элемента выше 700 градусов по Цельсию в токе азота начинает образовываться нитрид VN (tпл 2050°C), он устойчив и в кислотах, и в воде. При достижении высокой температуры ванадий начинает взаимодействовать с углеродом, при этом образуется тугоплавкий карбид VC (температура плавления 2800 градусов по Цельсию), который обладает очень высокой твердостью.
Ванадий даёт соединения 2-й, 3-й, 4-й и 5-й валентностей, в соответствии с этим известны следующие окислы: VO и V 2 O 3 (основной характер), VO 2 (амфотерный), V 2 O 5 (кислотный). Соединения двух- и трехвалентного ванадия неустойчивы и выступают сильными восстановителями. Соединения высших валентностей имеют практическое значение. В аналитической химии используется способность ванадия образовывать соединений различной валентности, к тому же данный факт обусловливает каталитические свойства V 2 O 5 . Пятиокись ванадия способна растворяться в щелочах, образуя ванадаты.
Ванадий образует с галогенами летучие галогениды составов которых выглядит так VX 2 (X = F, Cl, Br, I), VX 4 (X = F, Cl, Br), VX 3 , VF 5 , а также несколько оксогалогенидов (например, VOF 3 , VOCl 2 , VOCl и др.).
Давайте рассмотрим основные химические реакции с ванадием.
При нагревании до температуры выше 600 градусов по Цельсию ванадий взаимодействует с кислородом, в результате чего образуется оксид ванадия (V):
4V + 5O2 = 2V2O5.
Оксид ванадия (IV) образуется и при горении элемента на воздухе:
При достижении температуры выше 700 градусов по Цельсию ванадий реагирует с азотом, образуя нитрид:
При нагревании ванадия до температуры 200–300 градусов по Цельсию, он реагирует с галогенами. С хлором образуется хлорид ванадия (IV), с фтором - фторид ванадия (V), с йодом – йодид ванадия (II), с бромом – бромид ванадия (III),:
V + 2Cl2 = VCl4,
2V + 5F2 = 2VF5,
V + I 2 = VI 2,
2V + 3Br 2 = 2VBr 3.
Ванадий при достижении 800 градусов по Цельсию с углеродом образует карбид:
При спекании с кремнием и бором на высоких температурах образуется силицид и борид:
V + 2B = VB2.
При нагревании ванадий реагирует с фосфором и серой:
V + P = VP, может быть образование VP2,
2V + 3S = V2S3, может быть образование VS и VS2.
С водородом ванадий образует твердые растворы.
Ванадий располагается до водорода в ряду напряжений металлов, но, за счет защитной пленки, он довольно инертен, при этом не растворяется в воде, соляной кислоте, на холоде не вступает в реакции с разбавленной азотной и серной кислотами.
Ванадий реагирует с плавиковой кислотой, образуя фторидный комплекс:
2V + 12HF = 2H3 + 3H2;
Реагирует с концентрированной азотной кислотой, образуя нитрат ванадина:
V + 6HNO3 = VO2NO3 + 5NO2 + 3H2O;
Вступает в реакцию с концентрированной серной кислотой, образуя сульфат ванадила:
V + 3H2SO4 = VOSO4 + 2SO2 + 3H2O
А также с царской водкой, образуя хлорид ванадина:
3V + 5HNO3 + 3HCl = 3VO2Cl + 5NO + 4H2O;
Элемент растворяется в смеси плавиковой и азотной кислоты:
3V + 21HF + 5HNO3 = 3H2 + 5NO + 10H2O,
При этом пассивирующую пленку оксида растворяет плавиковая кислота:
V2O5 + 14HF = 2H2 + 5H2O,
а поверхность металла окисляется за счет азотной кислоты окисляет:
6V + 10HNO3 = 3V2O5 + 10NO + 5H2O
Ванадий не реагирует с растворами щелочей, но в расплавах, если есть воздух, он окисляется, образуя ванадаты:
4V + 12KOH + 5O2 = 4K3VO4 +6H2O.
С металлами ванадий способен образовывать различные интерметаллиды и сплавы.
