Ванадий: свойства, применение и важность металла

Для того чтобы правильно использовать ванадий, нужно знать не только описание металла, но и особенности его применения. В понимании нюансов поможет обзор элемента, который раскроет свойства ванадия, как физические, так и химические. Также нужно рассмотреть получение и применение сплава ванадия в различных областях и сферах деятельности человека.

Содержание:

Что представляет собой ванадий

Ванадий располагается в периодической таблице химических элементов под номером 23. Его принято обозначать в записях и формулах символом V. Он представляет собой серебристо-белый металл, применяющийся в ряде сплавов и используемый для проведения различных химических процессов. Особенность состоит в том, что элемент относится к группе переходных металлов. Он имеет гранецентрированную кубическую решетку. Еще одна особенность этого элемента состоит в том, что его формула зависит от того, в каком соединении находится металл. В качестве примера нужно рассмотреть случай. Когда ванадий находится не в соединении, а в виде простого вещества. В этом случае его обозначат просто символом V. Если же ванадий находится в соединении с другими элементами, то его формула усложнится, например, V2O5 - оксид ванадия(V).

Атом ванадия состоит из ядра, окруженного двумя электронными слоями. На первом электронном  находятся 2 электрона, а на втором можно увидеть 8 электронов. Существует еще и третий электронный слой. Он содержит 11 электронов. Эта особенность делает ванадий химически активным элементом.

Получить металл можно различными способами. Сырьем может являться руда, отходы производственного процесса. Получить элемент можно даже из морской воды. Самым распространенным способом является флотация. В этом случае руда измельчается и смешивается с водой, после чего пропускается воздух. Образующиеся пузырьки прилипают к частицам руды, поднимая их на поверхность. Там они собираются и отправляются затем на дальнейшую переработку.

История элемента

Элемент был открыт в 1801 году мексиканским минералогом А. Дель Рио. Он проводил опыты, в ходе которых получил окрашенные оксиды и соли неизвестного элемента. Ученый дал ему название эритроний по красному оттенку некоторых солей. Затем в 1830 году шведский химик Н. Сефстрём повторно открыл элемент, изучая рудные соединения, и назвал его ванадием по имени древнескандинавской богини красоты Ванадис. Также в 1867 г. английский химик Г. Роско получил металлический ванадий. Получилось это у него методом восстановления VCl2 водородом.

Химические и физические свойства

При визуальном осмотре элемент похож на сталь, так как обладает похожим серебристо-серым оттенком. Отличительной особенностью является наличие у ванадия пластичности. Это свойство сохраняется у элемента в процессе нагревания до температуры 300 градусов. Если этот показатель будет превышен, то пластичность резко снижается. В результате металл становится хрупким и разрушается.

Аналогичный эффект – появление хрупкости, оказывают примеси водорода, азота или кислорода, которые оказываются в металле. Ванадий относится к тугоплавким металлам. Температурным пределом для него является показатель в 1887 градусов. Такой показатель объясняет низкую жаростойкость ванадия. Это свойство характерно именно для переходных элементов. Появляется оно вследствие рыхлости оксидов, формируемых на их основе. 

Также, разбирая химические и физические свойства ванадия, нужно отметить, что он демонстрирует устойчивость к процессам деформации вплоть до температуры 675  градусов. В процессе окисления металла на его поверхности образуется пленка. Она защищает элемент от различных негативных моментов, способствует сохранению прочных связей, предотвращает появление коррозии.

В природе существует 2 изотопа ванадия. Самым распространенным является 51V. Также существует  и радиоактивный вариант – 50V, доля которого составляет 0,25%. Радиоактивность изотопа 50V выражена слабо. Этот изотоп можно считать стабильным, поскольку период полураспада превышает показатель в триллионы лет.

Кристаллическая структура характеризуется объемно-центрированной кубической решеткой. Показатель плотности составляет 6,11 г/см3. Металл отличается тем, что его легко ковать и обрабатывать под давлением. По имеющимся данным содержание в земной коре достигает значений в 0,0015%, что характеризует ванадий как распространенный элемент. Одновременно нужно учитывать и такой момент, что ванадий относится к группе рассеянных металлов. Он включен в список, поскольку не имеет самостоятельных минералов или концентрированных залежей. Обнаружить элемент  можно в его сульфиде – патроните, ванадините. Еще один вариант поиска – в составе пород, таких как роскоэлит, деклуазит или карнотит. Температура плавления составляет 1920 градусов. Показатели температуры кипения равны 3400 градусам. Ванадий устойчив к воздействию воды, кислот и щелочей. Карбидные соединения плавятся при температуре в 2800 градусов. Показатель теплопроводности составляет 30,7 К. Показатель степени окисления – 5,4,3,2,0. Теплота испарения составляет 480 кДж/моль.

Соединения на основе ванадия

Если рассматривать электронную формулу ванадия, то можно увидеть следующий вариант ее написания - KL3s23p64s23d3. Теперь нужно подробнее разобраться с особенностями. Валентными оказываются 5 электронов, которые находятся на внешних 4s- и 3d-орбиталях. Этот момент связан с тем, какой будет показатель степени окисления, когда металл вступит в реакцию. Исходя из приведенной формулы значения такие: +2 – +5. При этом кислотной базой обладает только пентоксид ванадия с формулой V2O5. Остальные его соединения с кислородом отличаются тем, что  имеют основной или амфотерный характер. Примеры: – VO, V2O3 или, соответственно, оксид ванадия VO2.

Основную ценность для ученых, исследователей или работников производственной сферы имеет 

пятиокись ванадия.  Цена этого соединения формируется, соответственно интенсивности применения, например, для производства мощных литиевых аккумуляторов. Внешне это соединение выглядит как порошок с легким оранжевым оттенком. Используется он в качестве анода.

Другие направления использования различных соединений ванадия:

  • Сульфиды. Пятивалентный V2S5. Это соединение называется природный патронит, является минералом, в составе которого присутствует ванадий. После механического воздействия он представляет собой черный порошок.
  • Фториды. Двухвалентные VF2. Это фиолетовые кристаллы. Если будет использоваться пятивалентный VF5, то это уже белое твердое вещество. Особенность состава в том, что оно способно разъедать стекло.
  • Хлориды. Из трехвалентного VCl3 после проведения реакции восстановления получается металлический элемент.

Важно уточнить, что наибольшее промышленное использование остается за ванадиевыми окислами, одним из которых является V2O5. 

Производство металла

Важным промышленным источником пластичного металла, которым по своей сути и является ванадий, считаются следующие виды руд:

  • Железная.
  • Титаномагнетитовая.
  • Медно-свинцово-цинковые.

Дополнительные источники ванадия – минералы, урановое сырье, горючие сланцы. Во втором случае, рассматриваемый  металл выступает не основным элементом, а побочным продуктом, который можно получить в результате переработки основного сырья.

Теперь нужно рассмотреть, какие существуют способы извлечения ванадия. Их основная суть сводится к получению окислов металла:

  • Производится выщелачивание руды. Процесс осуществляется водными растворами или кислотами. Особый момент состоит в том, что исходный материал требуется предварительно отжечь. На следующей стадии выполняется работа по выщелачиванию основой или кислотной средой. На завершающем этапе этого метода проводится выделение гидратированного оксида ванадия. Его получают из растворов методом гидролиза.
  • Изначально, железные или другие руды, которые содержат в своем составе ванадий, плавят в домне при высокой температуре. Процесс характеризуется переходом ванадия в чугун. Переработка черного металла в сталь сопровождается образованием шлаков. В них содержится до 16% пентоксида ванадия. 
  • Выделение пятиокиси ванадия – основного промышленного компонента, происходит в 2 этапа. Предварительно, шлаки обжигают с добавлением такого элемента, как поваренная соль. Затем полученный продукт выщелачивают. Реакция запускается вначале разбавленной серной кислотой, а затем водой.

В результате можно получить продукт, который является основным в процессе производственного получения ванадия или его разнообразных сплавов с железом – V2O5. Феррованадий характеризуется широкой вариацией  по содержанию основного металла. Количество может составлять 35-70%.

Промышленный выпуск чистого металла также активно используется в настоящее время для получения этого ценного элемента. Металлический ванадий реализуется в двух физических состояниях. Он может быть представлен в твердом состоянии - куски и порошок. Тогда слитки ванадия изготавливаются методом выплавки. Процесс происходит под воздействием высоких температур внутри специальных приспособлений - электроннолучевых печей. Это современная установка, оборудованная двумя видами пушек. Они разделяются на термоэлектронные  пушки и ВТР. 

Непосредственно рабочий процесс получения слитков требует к себе повышенного внимания. Он производится по технологии капельной плавки. Сырье поступает в охлаждаемый водой кристаллизатор. Этот прибор изготовлен из меди и устанавливается вертикально.

По степени чистоты принято выделять несколько марок ванадия, который производится в слитках:

  • ВнМ-0 – 99,99.
  • ВнМ-1 – 99,9.
  • ВнМ-2 – 99.5.

В процессе производства учитываются требования и особые отметки, которые имеются в  ТУ 48-4-272-73. Слитки должны быть по форме цилиндрическими. Их основные параметры:

  • Длина (см) – 20-80.
  • Диаметр (мм) – 80, 100, 120 или 150.
  • Вес слитка (кг) – 8-80.

Если производится металл в виде порошка, то для этого используется метод электролитического рафинирования. В качестве исходного элемента здесь выступает алюминотермический ванадий. Получаемый в процессе электролитический порошок ванадия также имеет три степени чистоты. Этот показатель определяется его маркой:

  • Вэл-1 – 99.9.
  • Вэл-2 – 99.7.
  • Вэл-3 – 99.5.

Нужно отметить, что исходный кусковой металлический ванадий характеризуется более низкой чистотой. Такое значение фиксируется, если он получается с применением алюминотермической технологии. В результате состав металла будет следующим:

  • Ванадий (V )– более 95%.
  • Алюминий (Al) – до 2%.
  • Железо (Fe) - до 0.3%.

Прокат ванадия также нужно рассмотреть подробнее, так как этот материал активно используется в производственной сфере. Именно по этой причине металл доступен не только слитками, но и кусками или порошком. Ванадий также можно приобрести в виде изделий проката. Это разрешено и в требованиях ГОСТ. Основные виды реализации, доступные для приобретения:

  • Лист.
  • Пруток.
  • Трубчатый профиль.

Аналогично слиткам, проволока из ванадия также выпускается в 3 разных видах:

  • ВнПр-0. 
  • ВнПр-1.
  • ВнПр-2.

Их чистота аналогична соответствующим маркам металла, который находится в слитках. Вместе с прутками, проволокой и листовым прокатом, популярностью пользуется трубка, которая делается  из ванадия.

Полоса этого металла выпускается двух марок: ВнПл-1 и ВнПл-2. Они различаются по таким показателям как степень чистоты базового металла. Листовая продукция отличается оригинальностью исполнения. Например, лента может быть разной по ширине и толщине. Также лента обладает закругленными краями. Такая особенность прокатной продукции представлена в целях безопасности. Дополнительно нужно отметить, что ленточный прокат может иметь специальное покрытие. Такое решение разработано специально под эксплуатацию в неблагоприятных или сложных климатических условиях.

Применение ванадия

primenenie vanadiya

Начальным моментом для использования пластичного металла, который сегодня известен под наименованием ванадий стали исследования, которые делал Н. Зинин. Описанный химиком синтез анилина, который получился из нитробензола, предоставил новые направления и  перспективы для разработки синтетических красителей. Именно в этой отрасли материал проявил себя наиболее активно. Причина в том, что соединения этого металла имеют яркую окраску и насыщенные оттенки.

В результате металл начал интенсивно использоваться в производстве. Сначала его добавляли в краски, но затем стали вносить в стекла и изделия из цветной керамики. Такое решение повысило интерес к оксиду ванадия. Его стали добавлять также и, для того чтобы произвести процесс преобразования бесцветной анилиновой соли в красящее вещество. 

Основное направление использования ванадия было связано с получением красящего состава с оттенком индиго. Его стали приобретать также и под производство цветных тканей из шелка и ситца, которым требовался именно этот тон.

На современном этапе развития спрос на металл возник во времена Первой Мировой Войны. Ванадий был связан с тем, что в производственной сфере того времени требовалось большое количество серной кислоты. Этот состав являлся основой для нитроклетчатки, который использовался в качестве базового компонента боевых порохов. Нужно указать, что производство серной кислоты не требует использование непосредственно ванадия в чистом виде. Здесь интерес представляют оксиды и соли, полученные на основе этого элемента. Именно они способны значительно ускорять реакцию взаимодействия сернистого ангидрида с кислородом, то есть, выступают в качестве мощного катализатора. Ранее в качестве элемента ускорения применяли платину, но ее цена была выше, поэтому производственный процесс являлся затратным. Также оксид ванадия требуется для запуска реакции в меньшем количестве.

Остальные сферы промышленного применения ванадия в значительной степени отличаются от его изначального направления использования. Основные акценты использования металла и соединений на его основе, сегодня включают такие моменты, как:

  • Производство стали.
  • Изготовление источников тока, которые по природе происхождения являются химическими.
  • Использование элемента в агротехническом секторе.
  • Атомно-водородная энергетика.

Также известно, что оксид ванадия активно применяется в качестве анода для производства мощных литиевых аккумуляторов. Нужно отметить, что ванадат серебра используется в качестве  катодов при производстве резервных батарей.

Нужно обратить внимание на то, что незначительная величина поперечного сечения неупругого рассеивания нейтронов обуславливает эксплуатацию элемента в атомной отрасли. Продукцию на основе ванадия производят для использования в атомно-водородной энергетике. Например, ванадий используется в качестве основного материала для изготовления ядерных реакторов, которые работают на быстрых нейтронах. Если же используется такое соединение, как хлорид ванадия, то такой компонент применяется для запуска процесса термохимического разложения воды.

Сельское хозяйство также является одной из отраслей, где активно начинает применяться этот элемент. Причина в том, что это направление применяет различные ядохимикаты и даже микроудобрения, в составе которых присутствуют соединения пластичного металла. В результате эффективность специальных составов повышается в несколько раз. Одновременно снижается вред для растений, окружающей среды или здоровья человека.

Применение ванадия также можно увидеть в таких направлениях, как:

  • Создание различных сплавов. Они затем используются в отраслях промышленности, включая такие важные их направления, как авиация, космонавтика и автомобильное производство. Причина в том, что сплавы обладают высокой прочностью и устойчивостью к коррозии.
  • Катализаторы. Катализаторы на основе ванадия используется в качестве надежного ускорителя в различных химических реакциях, таких как окисление углеводородов.
  • Создание электрических контактов.  Ванадий добавляют в сплавы для электрических контактов, так как он улучшает их проводимость и гарантирует коррозионную стойкость.
  • Топливо. Ванадий также используется в производстве топлива. Этот компонент является основой для ракетных двигателей. В этих механизмах металл используется, так как помогает контролировать такие процессы, как горение и температурные показатели.

Медицина также применяет ванадий. Элемент в этом случае может быть использован для лечения некоторых видов рака и других сложных заболеваний. Нужно обратить особое внимание на тот момент, что использование ванадия в медицине все еще находится на стадии исследований, несмотря на то, что активное изучение этого элемента ведется достаточно долгое время.

Ванадий – особый компонент, который применяется в самых разнообразных сферах деятельности людей. Описание металла дает понять, что он способен справиться с разнообразными задачами, начиная от защиты компонентов, заканчивая созданием красящих составов. Именно по этой причине применение его производится активно. Процесс получения и применения сплавов ванадия позволяет добиваться разнообразия в видах и марках этого металла.

Адрес: Одинцово, ул. Западная, 19А
Время работы: Пн - Пт: с 9:00 до 18:00