Tegen het midden van de 20e eeuw verscheen er een term in de chemische wetenschap - metalen van strategisch belang. Het betekende een groep elementen waarvan de fysisch-chemische eigenschappen het mogelijk maakten ze te gebruiken bij de productie van het militair-industriële complex. We hebben het over metalen zoals chroom, tantaal, niobium, molybdeen en wolfraam. Vanadium, waarvan we de eigenschappen in dit artikel zullen bespreken, neemt ook terecht een van de centrale plaatsen in tussen de metalen die worden gebruikt in de moderne machinebouw, ferrometallurgie, gereedschaps- en chemische productie. Het metaal vormt vier oxiden met zuurstof, met daarin een valentie van 2, 3, 4 en 5. 5 die we in meer detail zullen bestuderen.
Maak kennis met vanadium
In de chemische wetenschap is er al lang eende regel die stelt dat de karakterisering van een chemisch element moet beginnen met zijn positie in het periodiek systeem van D. I. Mendelejev. De chemische formule van vanadium als een eenvoudige stof is V, het serienummer is 23, de atoommassa is 50, 9414. Het bevindt zich in de vierde periode, de vijfde groep en is samen met niobium en tantaal een typische vertegenwoordiger van vuurvaste metalen. Monsters van een zuivere stof zijn van plastic en hebben een zilvergrijze kleur. Het vanadiumatoom is een d-element, het heeft twee s-elektronen op het laatste energieniveau, maar de negatieve deeltjes die zich op het d-subniveau van hetzelfde vierde niveau bevinden, zullen ook valentie zijn.
Waar wordt het metaal gevonden en wat zijn de fysieke eigenschappen ervan
Het element zelf kan niet in zijn pure vorm in de natuur worden gevonden. Maar het is aanwezig als een verplicht onderdeel in polymetaal- en ijzererts. Eerder hadden we het over de plasticiteit en kneedbaarheid van een eenvoudige stof, nu voegen we eraan toe dat de belangrijke fysische eigenschappen van vanadium hoog kook- en smeltpunten zijn, gelijk aan respectievelijk 3400 ° C en 1920 ° C. Net als titanium verslechtert het zijn fysische en chemische parameters drastisch wanneer het wordt verontreinigd met onzuiverheden zoals stikstof, waterstof of zuurstof. Met name de taaiheid en mechanische sterkte worden verminderd en vanadium wordt bros.
Speciale chemische eigenschappen
Metaal is in staat tot passiveren, d.w.z. heeft een uniek vermogen om de werking van agressieve chemische omgevingen te weerstaan: oplossingen van zuren, logen en zouten, die een beschermende film op het oppervlak vormen -vanadiumoxide. Het kristalrooster van het element heeft een kubische structuur. Er moet ook worden opgemerkt dat de corrosieweerstand van staal dat het element bevat, zeer hoog is, waardoor ze kunnen worden gebruikt als dragende bevestigingsmiddelen voor brugsteunen en offshore-olieboorplatforms. Het is onmogelijk om een moderne gereedschapsproductie voor te stellen zonder vanadiumhoudend staal. Samen met niobium, chroom en titanium wordt het element gebruikt om speciale legeringen te legeren die worden gebruikt in de raketwetenschap en de ruimtevaartindustrie. Geconcentreerde nitraat- en sulfaatzuren, een oplossing van waterstoffluoride in water en een mengsel van chloride- en nitraatzuren, aqua regia genaamd, hebben echter gemakkelijk een wisselwerking met het metaal. Het element vanadium kan als eenvoudige stof reageren met chloor, broom, zwavel en de overeenkomstige zouten worden gevormd. Met zuurstof geeft het verschillende oxiden die sterk verschillen in hun chemische eigenschappen. Overweeg ze verder.
Basis- en amfotere oxiden
Het metaal vormt twee oxiden, VO en V2O3, die typische basiseigenschappen vertonen. In het laboratorium wordt monoxide gewonnen door de reductiereactie V2O5 fijn vanadiumpoeder. Basische oxiden reageren met zure oplossingen om de overeenkomstige zouten te vormen. En er kunnen al hydroxiden uit worden verkregen door een uitwisselingsreactie met alkaliën uit te voeren. Vanadium(III)oxide wordt gevonden als een bestanddeel van het mineraal karelianiet en wordt in het laboratorium verkregen door V2O5 te verhitten met zwavel, steenkool of waterstof. Beide basische oxiden hebben sterk uitgesproken reducerende eigenschappen. Oxide VO2 is een typische amfotere verbinding die reageert met zowel zuren als logen. In een oplossing waarvan de pH lager is dan 7, worden positief geladen vanadylionen VO2+ gevonden, waardoor de oplossing een lichtblauwe kleur krijgt, en polyvanadylzuurzouten worden gevormd in een alkalisch milieu. Vanadium(IV)oxide trekt water aan, d.w.z. is een hygroscopische stof, bij reacties gedraagt het zich als een reductiemiddel.
Vanadiumhemipentoxide
Compound waarvan de formule V2O5 is, is het belangrijkste metaaloxide. Het is een in water oplosbare oranje kristallijne stof die reageert met alkaliën om vanadaten te vormen - zouten van metavanadinezuur HVO3. Het wordt veel gebruikt als katalysator bij de oxidatie van zwaveldioxide tot zwavelzuuranhydride bij de industriële productie van sulfaatzuur. Vanadiumpentoxide heeft een ruitvormig kristalrooster en tekenen van amfotericiteit met een overwicht van zure oxide-eigenschappen. Bij reacties gedraagt het zich als een sterk oxidatiemiddel. De verbinding wordt gebruikt in glastechnologie, medicijnen en organische synthese.
Methoden voor het extraheren van vanadium uit zijn verbindingen
We hebben eerder vermeld dat het metaal een bestanddeel is van ijzererts. Bij de productie van hoogovens gaat het element, samen met onzuiverheden van koolstof en fosfor, over in gietijzer. Wanneer staal wordt gesmolten, slaat vanadiumoxide 5 neer in de samenstelling van slakken, waar het geh alte kan oplopen tot 16%. Er aan toevoegenkeukenzout en door het mengsel in ovens te roosteren, wordt een product verkregen dat verder wordt opgelost in water. Het resulterende waterige concentraat wordt behandeld met sulfaatzuur en daaruit wordt geïsoleerd. Om puur vanadium van oxide te isoleren, kunt u de calciumthermische methode gebruiken - de reductie van metalen met behulp van metallisch calcium. Om de technologische kosten bij de reactie met vanadiumpentoxide te verlagen, wordt in plaats van calcium vaak aluminium gebruikt. Het metaal kan ook worden verkregen door driewaardig vanadiumoxide te reduceren met steenkool.
Biologische rol
Vanadium is aanwezig in levende organismen als een sporenelement, dat deel uitmaakt van de intercellulaire vloeistof van mariene stekelhuidigen. Bij holothurians en zee-egels wordt het geassocieerd met eiwitten die de functie vervullen van het transporteren van zuurstof naar cellen en het verwijderen van koolstofdioxide. De inhoud van het element is onbeduidend in de organismen van warmbloedige dieren en mensen, waar het zich bevindt in de samenstelling van pancreasenzymen, in neuroglia en nefronen. In planten is het sporenelement als enzym betrokken bij de donkere fase van fotosynthese en beïnvloedt het het niveau van het chlorofylpigment in chloroplasten. Het wordt ook aangetroffen in knobbelbacteriën, die stikstofbinders zijn, in de weefsels van hogere schimmels. Als onderdeel van de chernozem, samen met verbindingen van boor, koper, zink en mangaan, beïnvloedt vanadiumoxide de bodemvruchtbaarheid.
In ons artikel hebben we de basiseigenschappen van vanadium en zijn oxiden bestudeerd, en ook het gebruik van zijn verbindingen inindustrie.
