Металл: Ванадий

Минобрнауки России

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ИЖЕВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

М.Т КАЛАШНИКОВА.

ФАКУЛЬТЕТ: «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМОБИЛЯ»

КАФЕДРА АВТОМОБИЛИ И МЕТАЛО ОБРАБАТЫВАЮЩИЕ ОБОРУДОВАНИЯ.

 

Реферат.

по химии 

на тему метал: Ванадий.

 

 

 

                                                                                                       Выполнил:

                                                                                                        Студент гр. Б01- 731-2з                                                                                                                                                                                  

                                                                                   Даутов. Д.Я

 

 

                                                                                                         Проверил:Кибенко В.Д.

 

 

 

 

 

Ижевск – 2012.

 

Содержание .

1. Электронная конфигурация атома. Возможные степени окисления.
2. Нахождение в природе и получение в свободном виде.
3. Физические и химические свойства.
4. Свойства соединений.
5. Сплавы и применение метала и его соединения.
6. Список используемой литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Электронная конфигурация атома. Возможные степени окисления.

 

 

ВАНА́ДИЙ (лат. Vanadium), V (читается «ванадий»), химический элемент с атомным  номером 23, атомная масса 50,9415. Природный  ванадий представляет собой смесь  двух нуклидов: стабильного 51V (99,76% по массе) и слабо радиоактивного 52V (период полураспада более 3,9·1017 лет). Конфигурация двух внешних электронных слоев 3s2p6d34s2. В периодической системе  Менделеева расположен в четвертом  периоде в группе VВ. Ванадий образует соединения в степенях окисления  от +2 до +5 (валентности от II до V).

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

 В свободном виде — блестящий серебристо-серый металл.

 

 

 

 

 

 

2. Нахождение в природе и получение в свободном виде.

   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 битуминозных  песках 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 Pb5(VO4)3Cl, патронит V(S2)2 и несколько других. Основным источником получения ванадия являются железные руды, в которых ванадий встречается в качестве примеси.

   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. NaVO3), 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, V2O5 или V2O3) или другими методами.

   Металлический ванадий, поддающийся ковке, получают также при помощи кальциетермического восстановления чистых V2O3 или V2O5; путем восстановления V2O5 с использованием алюминия; путем вакуумного углетермического восстановления V2O3; путем магниетермического восстановления VCl3 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:

VI2 = V + I2;

  Высоко чистый ванадий можно получить еще и путем электролиза расплавов галогенидов ванадия:

VCl2 -> электролиз ->  V + Cl2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Физические и химические свойства.

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/мм2 (135,25 н/м2), предел прочности металла равен 12 кгс/мм2 (120 нм/м2), относительное удлинение вещества равно 17-ти процентам, твердость металла по Бринеллю составляет 70 кгс/мм2 (700 мн/м2). 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 3,9·1017 лет. При этом конфигурация двух внешних электронных слоев имеет вид 3s2p6d34s2. 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 V5+ — 0,050-0,068 нм, V4+ — 0,067-0,086 нм, V3+ — 0,078 нм, V2+ — 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

 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   («пассивированное   состояние»).   Для   того   чтобы    заставить пассивированный ванадий  интенсивно  реагировать,  его  нужно  нагреть.  При600—700°С  происходит  интенсивное окисление  компактного металла,   а   вмелко раздробленном  состоянии  он  вступает  в  реакции  при  более   низкой температуре:

2V +5O2[pic]2V2O5[pic]2VO2 + O2;

2V +5F[pic]2VF5;

2V +2Cl2          в токе хлора t      VCl4

  Прямым взаимодействием элементов при  нагревании  могут  быть  получены сульфиды, карбиды, нитриды, арсениды, силициды.  Для  техники  важны  желто - бронзовый нитрид VN (tпл = 2050°С), устойчивый к воде и  кислотам,  а  также обладающий высокой твердостью карбид VC (tпл = 2800 °С).

    Ванадий  очень чувствителен к примесям  газов (O2, N2, H2), 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  VF5,  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.

Действуют на него лишь расплавленные щелочи:

                     4V + 12NaOH + 5O2 = 4Na3VО4 + 6H2О

    Из  кислот на него действуют концентрированная  серная и азотная кислоты, плавиковая и их смеси:

                     V + 4H2SО4  = V(SО4)2 + 2H2О + 2SО2

    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 = V3С + 3Fе

    Известен  целый ряд соединений ванадия  с углеродом:

                          V3С; V2C; VC; VзС2; V4С3

    С  большинством членов главной  подгруппы  ванадий дает  соединения  ка 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 + 2NН3 = 2V3N + 3Н2

                        V2О2 + 2NH3 = 2VN + 2H2О + H2

    Для,  полупроводниковой техники интерес  представляют фосфиды  V3Р,  V2P, VP, VP2 и арсениды V3As, VAs.

    Комплексообразующие   свойства   ванадия   проявляются   в   образовании соединений сложного состава типа фосфорно-ванадиевой кислоты  H7PV12O36  или Н7[Р(V2O6)6].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Свойства соединений.

Ванадий даёт соединения 2-й, 3-й, 4-й и 5-й валентностей, в соответствии с этим известны следующие  окислы: VO и V2O3 (основной характер), VO2 (амфотерный), V2O5 (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 V2O5. Пятиокись ванадия способна растворяться в щелочах, образуя ванадаты.

 Ванадий образует с галогенами летучие галогениды составов которых выглядит так VX2 (X = F, Cl, Br, I), VX4 (X = F, Cl, Br), VX3, VF5, а также несколько оксогалогенидов (например, VOF3, VOCl2, 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:

V + O2 = VO2.

При достижении температуры выше 700 градусов по Цельсию  ванадий реагирует с азотом, образуя  нитрид:

2V + N2 = 2VN.

   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 + I2 = VI2,

2V + 3Br2 = 2VBr3.

Ванадий при  достижении 800 градусов по Цельсию с  углеродом образует карбид:

V + C = VC.

При спекании с кремнием и бором на высоких  температурах образуется силицид и  борид:

3V + Si = V3Si,

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[VF6] + 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[VF7] + 5NO + 10H2O,

При этом пассивирующую  пленку оксида растворяет плавиковая кислота:

V2O5 + 14HF = 2H2[VF7] + 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.

 

 

 

 

5. Сплавы и применение метала и его соединения.

    Этот  элемент получил вполне заслуженно  название  «витамин  для  стали».

Половина легированных сталей всего мирового  производства  содержит добавки ванадия. Именно на это в виде феррованадия идет 95%  от  общего  добываемого количества этого металла.  Сплав,  содержащий  ванадий,  становится  тверже, выдерживает значительные динамические нагрузки и меньше истирается.  Ванадий обладает высоким сродством к  азоту,  кислороду  и  углероду.  Соединяясь  с малыми их количествами, он значительно повышает качество  стали,  делает  ее мелкозернистой и более вязкой. Она  легче  переносит  удар  и  изгиб,  лучше противостоит разрыву. Легкость ванадия передается сплавам, и они  становятся особенно ценными там,  где  масса  играет  решающую  роль,  —  в  авиации  и автомобилестроении.

  Другая основная область его  применения — химическая  промышленность. Ванадиевые  катализаторы  сочетают  способность  ускорять  получение  весьма ценных  продуктов  со  стойкостью  к  большинству  контактных  ядов.   Такие катализаторы  сыграли  решающую  роль   по   усовершенствованию   технологии получения серной кислоты и  увеличению  мощности  установок.  Другие  важные процессы,  где  используются  соединения  ванадия:   производства   анилина, щавелевой  кислоты,  переработка  нафталина  и  др.  Одна   массовая   часть катализирует превращение 200 тыс. массовых частей соли анилина  в  краситель— черный анилин.

    Из  других областей использования  ванадия можно указать медицину,  где некоторые  соединения  ванадия  применяют  как  дезинфицирующие  и  лечебные препараты, а также производство сплавов с алюминием, медью и никелем.  Такие сплавы, содержащие добавки ванадия от 0,5 до 20%, улучшают качество бронз  и латуней, придают химическую стойкость никелевым сплавам, а  золоту  сообщают не свойственную ему твердость.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Список используемой литературы.

Слотвинский-Сидак  Н. П., Андреев В. К. Ванадий в природе  и технике. М., 1979.

Слотвинский-Сидак  Н. П., Андреев В. К. Аналитическая  химия ванадия, М., 1989.