Vanadium

Vanadium
←  Titanium | Chrome  →
23 V

NB
Periodisk system af grundstoffer23V _
Udseende af et simpelt stof
Vanadium prøver
Atom egenskaber
Navn, symbol, nummer Vanadium / Vanadium (V), 23
Gruppe , punktum , blok 15 (forældet 5), 4,
d-element
Atommasse
( molær masse )
50.9415(1) [1]  a. e. m.  ( g / mol )
Elektronisk konfiguration [Ar] 3d 3 4s 2
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 3 4s 2
Atomradius 134 kl
Kemiske egenskaber
kovalent radius 122  kl
Ion radius (+5e)59 (+3e)74  kl
Elektronegativitet 1,63 (Pauling-skala)
Elektrodepotentiale 0
Oxidationstilstande 0, +2, +3, +4, +5
Ioniseringsenergi
(første elektron)
650,1 (6,74)  kJ / mol  ( eV )
Termodynamiske egenskaber af et simpelt stof
Tæthed ( i.a. ) 6,11 [2]  g/cm³
Smeltetemperatur 2160 K (1887 °C)
Kogetemperatur 3650 K (3377 °C)
Oud. fusionsvarme 17,5 kJ/mol
Oud. fordampningsvarme 460 kJ/mol
Molær varmekapacitet 24,95 [2]  J/(K mol)
Molært volumen 8,35  cm³ / mol
Krystalgitteret af et simpelt stof
Gitterstruktur Kubisk
krop centreret
Gitterparametre 3.024 Å [2]
Debye temperatur 390K  _
Andre egenskaber
Varmeledningsevne (300 K) 30,7 W/(m K)
CAS nummer 7440-62-2
længst levede isotoper
Isotop Udbredelse
_
Halvt liv Decay kanal Forfaldsprodukt
48V _ synth. 16 dage β + 48 Ti
49V _ synth. 330 dage EZ 49 Ti
50V _ 0,25 % 1,5⋅10 17  år EZ 50 Ti
β - 50 Cr _
51V _ 99,75 % stabil - -
23 Vanadium
V50,9415
3d 3 4s 2

Vanadium ( kemisk symbol  - V, fra lat .  Vanadium ) - et kemisk element af den 15. gruppe (ifølge den forældede klassificering  - en sideundergruppe af den femte gruppe, VB), den fjerde periode af det periodiske system af kemiske elementer af D. I. Mendeleev , med atomnummer 23 og atommasse 50,9415(1) [1] . Elementet er et overgangsmetal .

Det simple stof vanadium  er et duktilt sølvgråt metal , dækket af luft med en smuk film af vanadiumoxider , hvis forskellige farver skyldes oxidlagets forskellige tykkelse [3] .

Historie

Vanadium blev opdaget i 1801 af Andres Manuel Del Rio , professor i mineralogi fra Mexico City , i blymalm. Han opdagede et nyt metal og foreslog navnet "panchromium" for det på grund af det brede udvalg af farver i dets forbindelser, og ændrede derefter navnet til "erythronium". Del Rio havde ingen autoritet i den videnskabelige verden i Europa, og europæiske kemikere satte spørgsmålstegn ved hans resultater. Så mistede Del Rio selv tilliden til sin opdagelse og erklærede, at han kun havde opdaget blykromat.

I 1830 blev vanadium genopdaget af den svenske kemiker Nils Sefström i jernmalm. Navnet blev givet til det nye element af Berzelius og Sefström.

Friedrich Wöhler , som udforskede mexicansk malm, havde en chance for at opdage vanadium , men han blev alvorligt forgiftet af hydrogenfluorid kort før Sefströms opdagelse og var ude af stand til at fortsætte sin forskning. Wöhler afsluttede imidlertid undersøgelsen af ​​malmen og beviste til sidst, at den indeholdt vanadium og ikke krom .

Navne

Dette grundstof danner sammensætninger med en smuk farve, deraf navnet på grundstoffet, forbundet med navnet på den skandinaviske gudinde for kærlighed og skønhed Freya ( Old Scandinavian Vanadís  - datter af Vans; Vanadis ) [4] . I 1831 foreslog geologen George William Featherstonhaugh at omdøbe vanadium til "rionium" (til ære for Del Rio), men dette forslag blev ikke støttet [5] .

At være i naturen

Vanadium er det 20. mest udbredte grundstof i jordskorpen [6] . Det tilhører sporstoffer og forekommer ikke i naturen i fri form. Indholdet af vanadium i jordskorpen er 1,6⋅10 −2 vægtprocent, i oceanernes vand 3⋅10 −7 %. Det højeste gennemsnitlige indhold af vanadium i magmatiske bjergarter ses i gabbro og basalt (230-290 ppm). I sedimentære bjergarter forekommer en betydelig ophobning af vanadium i biolitter (asfaltitter, kul, bituminøse fosfater), bituminøse skifere, bauxitter samt i oolitiske og kiselholdige jernmalme . Nærheden af ​​de ioniske radius af vanadium og jern og titanium , som er udbredt i magmatiske bjergarter , fører til, at vanadium i hypogene processer er helt i en dispergeret tilstand og ikke danner sine egne mineraler. Dens bærere er talrige titaniummineraler (titanomagnetit, sphen , rutil , ilmenit ), glimmer , pyroxener og granater , som har en øget isomorf kapacitet i forhold til vanadium. De vigtigste mineraler er patronit VS 4 , vanadinit Pb 5 (VO 4 ) 3 Cl og nogle andre. Hovedkilden til vanadium er jernmalm, der indeholder vanadium som en urenhed.

Vanadylion (VO 2+ ) findes i overflod i havvand, med en gennemsnitlig koncentration på 30 nMa [7] . Nogle mineralvandskilder indeholder også ionen i høje koncentrationer. For eksempel indeholder kilder nær Mount Fuji op til 54 mikrogram vanadium per liter [7] .

Indskud

I løbet af det første årti af det 20. århundrede blev det meste af vanadiummalmen udvundet af det amerikanske firma Vanadium fra Minas Ragra i Peru. Senere førte en stigning i efterspørgslen efter uran til en stigning i udvindingen af ​​malm af dette metal. En af de vigtigste uranmalme var carnotit , som også indeholder vanadium. Således blev vanadium tilgængeligt som et biprodukt af uranproduktion. Med tiden begyndte uranudvinding at give en stor del af efterspørgslen efter vanadium [8] [9] .

Indskud er kendt i Peru, USA, Sydafrika, Finland, Australien, Armenien, Tyrkiet, England, Rusland [10] . En af de største forekomster af vanadium kaldes Chineyskoye-forekomsten i Trans-Baikal-territoriet [11] .

Fysiske egenskaber

Vanadium er et duktilt sølvgråt metal , der ligner stål i udseende . Danner krystaller af kubisk system (kropscentreret gitter), rumgruppe Im 3 m , celleparametre  a = 0,3024 nm , Z = 2 . Smeltepunkt 1920 °C, kogepunkt 3400 °C, massefylde 6,11 g/cm³ . Ved opvarmning i luft over 300 °C bliver vanadium skørt. Urenheder af ilt , brint og nitrogen reducerer kraftigt vanadiums plasticitet og øger dets hårdhed og skørhed [2] .

Isotoper

Naturligt vanadium består af to isotoper : svagt radioaktivt 50 V (isotopoverflod 0,250%) og stabilt 51V (99,750%). Halveringstiden for vanadium-50 er 1,5⋅10 17 år , det vil sige, at den for alle praktiske formål kan betragtes som stabil; denne isotop i 83% af tilfældene omdannes til 50 Ti ved elektronindfangning , og i 17% af tilfældene gennemgår den beta-minus henfald , der bliver til 50 Cr .

Der er 24 kendte kunstige radioaktive isotoper af vanadium med massetal fra 40 til 65 (samt 5 metastabile tilstande ). Af disse er 49 V ( T 1/2 = 337 dage) og 48 V ( T 1/2 = 15.974 dage) de mest stabile.

Kemiske egenskaber

Kemisk er vanadium ret inert. Det har god modstandsdygtighed over for korrosion, påvirkning af havvand, fortyndede opløsninger af saltsyre, salpetersyre og svovlsyre, alkalier [12] .

Med oxygen danner vanadium flere oxider : VO, V 2 O 3 , VO 2 , V 2 O 5 . Orange V 2 O 5  er et surt oxid, mørkeblåt VO 2  er amfotert, resten af ​​vanadiumoxiderne er basiske.

Følgende vanadiumoxider er kendt:

Systematisk

Navn

Chem. formel Massefylde , g/cm³ Smeltepunkt , °C Kogepunkt , °C Molær masse , g/ mol Farve
Vanadium(II)oxid VO 5,76 1830 3100 66,94 Det sorte
Vanadium(III)oxid V2O3 _ _ _ 4,87 1967 3000 149,88 Det sorte
Vanadium(IV)oxid VO2 _ 4,571 g/cm³ 1542 2700 82,94 mørkeblå
Vanadium(V)oxid V2O5 _ _ _ 3,357 670 2030 181,88 rød-gul

Vanadiumhalogenider hydrolyseres. Med halogener danner vanadium ret flygtige halogenider af sammensætningerne VX 2 (X \ u003d F , Cl , Br , I ), VX 3 , VX 4 (X \ u003d F , Cl , Br ), VF 5 og flere oxohalider (VOCl, VOCl2 , VOF3 og etc.) .

Vanadiumforbindelser i oxidationstilstande +2 og +3 er stærke reduktionsmidler, i oxidationstilstande +5 udviser de egenskaberne som oxidationsmidler. Kendt ildfast vanadiumcarbid VC (t pl =2800 °C), vanadiumnitrid VN , vanadiumsulfid V2S5 , vanadiumsilicid V3Si og andre vanadiumforbindelser .

Når V 2 O 5 interagerer med basiske oxider, dannes vanadater  - salte af vanadinsyre med den sandsynlige sammensætning HVO 3 .

Reagerer med syrer .

Henter

I industrien, når vanadium opnås fra jernmalm med dets tilblanding, fremstilles først et koncentrat, hvor vanadiumindholdet når 8-16%. Ved oxidativ behandling overføres vanadium til den højeste oxidationstilstand på +5, og det let vandopløselige natriumvanadat NaVO 3 udskilles . Når opløsningen syrnes med svovlsyre, dannes et bundfald, som efter tørring indeholder mere end 90 % vanadium.

Det primære koncentrat reduceres i højovne, og der opnås et vanadiumkoncentrat, som derefter bruges til smeltning af en legering af vanadium og jern - det såkaldte ferrovanadium (indeholder fra 35 til 80 % vanadium). Vanadiummetal kan fremstilles ved reduktion af vanadiumchlorid med hydrogen, termisk reduktion af vanadiumoxider (V 2 O 5 eller V 2 O 3 ) med calcium, termisk dissociation af VI 2 og andre metoder.

Nogle af sorterne af ascidianer har en unik egenskab: de indeholder vanadium i deres blod. Ascidians absorberer det fra vandet. I Japan er det blevet foreslået at opdrætte ascidianer på undervandsplantager, høste dem, brænde dem og opnå aske, som indeholder vanadium i en højere koncentration end i malmen i mange af dens aflejringer [13] .

Ansøgning

Brint energi

Vanadiumchlorid bruges til den termokemiske nedbrydning af vand i nuklear-hydrogen-energi (vanadium-chlorid-cyklus "General Motors", USA).

Kemiske strømkilder

Vanadiumpentoxid er meget udbredt som en positiv elektrode (anode) i højeffekts lithiumbatterier og -akkumulatorer [14] .

Ved fremstilling af svovlsyre

Vanadium(V)oxid bruges som katalysator [15] på stadiet for omdannelse af svovldioxid til svovldioxid [16] .

Metallurgi

Over 90 % [17] af al produceret vanadium bruges som legeringsadditiv i stål , hovedsageligt højstyrke lavlegerede, i mindre omfang rustfrit stål og værktøjsstål, samt i produktion af højstyrke titanlegeringer [ 18] baseret på Ti-6Al-4V (i den russiske klassifikation - BT6, indeholder ca. 4% vanadium). I stål danner vanadium fint spredte VC-carbider, hvilket øger de mekaniske egenskaber og strukturstabiliteten. Dens anvendelse er især effektiv i kombination med wolfram, molybdæn og nikkel. I konstruktionsstål overstiger vanadiumindholdet som regel ikke 0,25%, i værktøjs- og højhastighedsskærende stål når det 4%. I den russiske nomenklatur af stål er vanadium betegnet med bogstavet F.

Bil industrien

Vanadium bruges i dele, der kræver meget høj styrke, såsom automobilmotor stempler. Den amerikanske industrimand Henry Ford bemærkede den vigtige rolle, vanadium spiller i bilindustrien. "Hvis der ikke var vanadium, ville der ikke være nogen bil." Ford [19] sagde . Vanadiumstål gjorde det muligt at reducere vægten og samtidig øge trækstyrken [ 20] .

Olieproduktion

Vanadiumstål bruges til at skabe nedsænkelige boreplatforme til boring af oliebrønde [21] .

Souvenirprodukter

Private virksomheder i USA producerer medaljer og samleobjekter af rent vanadium. En af vanadiummedaljerne udkom i 2011 [22] .

Elektronik

Halvledermateriale baseret på vanadiumdioxid bruges til termistorer , hukommelseskontakter og displays [23] .

Produktion

Biologisk rolle og virkning

Vanadium og mange af dets forbindelser er giftige (for mennesker ) ved høje koncentrationer. Forbindelser af pentavalent vanadium er de mest giftige. Dens oxid (V) V 2 O 5 er giftig (giftig ved indtagelse og indånding påvirker åndedrætssystemet). Den semi-letale dosis af LD50 af vanadium(V)oxid til rotter oralt er 10 mg/kg .

Vanadium og dets forbindelser er meget giftige for vandlevende organismer (miljø).

Det er blevet fastslået, at vanadium kan hæmme syntesen af ​​fedtsyrer og hæmme dannelsen af ​​kolesterol . Vanadium hæmmer en række enzymsystemer hæmmer phosphorylering og ATP -syntese , reducerer niveauet af coenzymer A og Q , stimulerer monoaminoxidaseaktivitet og oxidativ phosphorylering.

Overdreven indtagelse af vanadium i kroppen er normalt forbundet med miljø- og produktionsfaktorer. Under akut eksponering for toksiske doser af vanadium oplever arbejdere lokale betændelsesreaktioner i huden og slimhinderne i øjnene, de øvre luftveje, ophobning af slim i bronkierne og alveolerne. Der er også systemiske allergiske reaktioner såsom astma og eksem ; samt leukopeni og anæmi , som er ledsaget af krænkelser af kroppens vigtigste biokemiske parametre.

Når vanadium administreres til dyr (ved doser på 25-50 μg/kg), bemærkes væksthæmning, diarré og en stigning i dødeligheden.

I alt indeholder kroppen af ​​en gennemsnitlig person (kropsvægt 70 kg) 0,11 mg vanadium. Den toksiske dosis for mennesker er 0,25 mg, den dødelige dosis er 2-4 mg.

Det øgede indhold af proteiner og chrom i kosten reducerer vanadiums toksiske virkning. Normer for forbrug af dette mineralske stof er ikke fastlagt.

Desuden blev der fundet et højt indhold af vanadium i nogle marine hvirvelløse dyr ( holothurians og ascidians ), hvori det er en del af proteinkomplekserne af plasma og blodceller og coelomisk væske. I ascidians blodceller kan massefraktionen af ​​vanadium nå op til 8,75 % [13] . Funktionen af ​​elementet i kroppen er ikke helt klar , forskellige videnskabsmænd anser det for at være ansvarligt enten for overførsel af ilt i kroppen af ​​disse dyr eller for overførsel af næringsstoffer. Fra et praktisk brugssynspunkt - det er muligt at udvinde vanadium fra disse organismer, er den økonomiske tilbagebetaling af sådanne "havplantager" ikke klar i øjeblikket, men der er prøvemuligheder i Japan.

Se også

Vanadiumforbindelser

Noter

  1. 1 2 Meija J. et al. Grundstoffernes atomvægte 2013 (IUPAC Technical Report  )  // Pure and Applied Chemistry . - 2016. - Bd. 88 , nr. 3 . - S. 265-291 . - doi : 10.1515/pac-2015-0305 .
  2. 1 2 3 4 Korshunov B. G. Vanadium // Chemical Encyclopedia  : i 5 bind / Kap. udg. I. L. Knunyants . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: A - Darzana. - S. 349. - 623 s. — 100.000 eksemplarer.  - ISBN 5-85270-008-8 .
  3. Pergament A., Khanin S. ELEKTRONISK SKIFTNING I TYNDE OXIDLAG I OVERGANGSMETALLER  (russisk)  ? . "Grundlæggende forskning og videregående uddannelse" og "Udvikling af det videnskabelige potentiale for videregående uddannelse", støttet af Ministeriet for Uddannelse og Videnskab i Den Russiske Føderation og American Civil Research and Development Foundation (CRDF), bevilling nr. RUX0-000013-PZ-06) (13. maj 2009). Hentet: 22. januar 2022.
  4. Sefström, NG Ueber das Vanadin, ein neues Metall, gefunden im Stangeneisen von Eckersholm, einer Eisenhütte, die ihr Erz von Taberg in Småland bezieht  (tysk)  // Annalen der Physik und Chemie  : magazin. - 1831. - Bd. 97 , nr. 1 . - S. 43-49 . - doi : 10.1002/andp.18310970103 . — .
  5. Featherstonhaugh, George William. New Metal, foreløbigt kaldet Vanadium  (neopr.)  // The Monthly American Journal of Geology and Natural Science. - 1831. - S. 69 .
  6. Forhandlinger  _ _ - National Cotton Council of America, 1991.
  7. 1 2 Rehder D. Bioinorganisk vanadiumkemi  . — 1. udg. - Hamborg, Tyskland: John Wiley & Sons, Ltd , 2008. - S. 5 & 9-10. — (Uorganisk Kemi). — ISBN 9780470065099 . - doi : 10.1002/9780470994429 .
  8. Busch P.M. Vanadium: En  materialeundersøgelse . - US Department of Interior, Bureau of Mines, 1961.
  9. Wise, James M. Bemærkelsesværdige foldede dacitiske diger ved Mina Ragra, Peru (maj 2018).
  10. Elektronisk bibliotek OIL-GAS (utilgængeligt link) . Hentet 19. september 2010. Arkiveret fra originalen 5. april 2015. 
  11. "Basel" startede . www.kommersant.ru (15. februar 2005). Hentet: 20. januar 2022.
  12. Holleman AF, Wiberg E., Wiberg N. Das Vanadium // Lehrbuch der Anorganischen Chemie  (tysk) . - Walter de Gruyter , 1985. - S. 1071-1075. - ISBN 978-3-11-007511-3 . - doi : 10.1002/ange.19870990634 .
  13. 1 2 Michibata H., Hirose H., Sugiyama K., Ookubo Y., Kanamori K. Ekstraktion af et vanadiumbindende stof (vanadobin) fra blodcellerne hos flere ascidianarter  // Biologisk Bulletin. - 1990. - Bd. 179. - S. 140-147.
  14. Alle metaller. Vanadium. Ansøgning. .
  15. Langeslay RR et al. Katalytiske anvendelser af vanadium: et mekanisk perspektiv   // Kemiske anmeldelser. - 2018. - Bd. 119 , udg. 4 . - doi : 10.1021/acs.chemrev.8b00245 . — PMID 30296048 .
  16. Eriksen KM, Karydis DA, Boghosian S., Fehrmann R. Deactivation and Compound Formation in Sulphuric-Acid Catalysts and Model Systems  //  Journal of Catalysis. - 1995. - Bd. 155 , nr. 1 . - S. 32-42 . - doi : 10.1006/jcat.1995.1185 .
  17. Vanadium. Outlook til 2028, 17. udgave . Roskill . Roskill Information Services (5. marts 2019).
  18. Titaniumlegeringer. Metallografi af titanlegeringer / Ed. N.F. Anoshkin. - M . : Metallurgi, 1980. - S. 11. - 464 s.
  19. Metatorg. Vanadium .
  20. Betz F. Håndtering af teknologisk innovation : Konkurrencefordel fra forandring  . - Wiley-IEEE, 2003. - S. 158-159. - ISBN 978-0-471-22563-8 .
  21. Mønt- og bullionsider. Vanadium .
  22. Omnicoin .
  23. Slotvinsky-Sidak N.P. Vanadiumoxider // Chemical Encyclopedia  : i 5 bind / Kap. udg. I. L. Knunyants . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: A - Darzana. - S. 351-352. — 623 s. — 100.000 eksemplarer.  - ISBN 5-85270-008-8 .
  24. Virksomheder EVRAZ Vanadium . Dato for adgang: 13. april 2019.

Links