Wanad: właściwości, masa atomowa, wzór, zastosowanie

Wanad jest pierwiastkiem chemicznym oznaczonym symbolem "V". Masa atomowa wanadu wynosi 50,9415 a. e. m., liczba atomowa - 23. Jest to srebrno-szary, ciągliwy i topliwy metal, rzadko spotykany w przyrodzie. Jest częścią ponad 60 minerałów i może nawet zawierać się w paliwach kopalnych.

Nierozpoznane odkrycie

Wanad metalu odkrył po raz pierwszy meksykański mineralogista pochodzenia hiszpańskiego Andres Manuel Del Rio w 1801 roku. Badacz usunął nowy element z próbki brązowej rudy ołowiu wydobywanej w Meksyku. Jak się okazało, sole metali mają dużą różnorodność kolorów, więc Del Rio pierwotnie nazwał to "panchromium" (z greckiego "παγχρώμιο" - "wielokolorowy").

Później mineralog przemianowany na element erythronium (z greckiego "ερυθρός" - "czerwony"), ponieważ większość soli uzyskała czerwony odcień po podgrzaniu. Wydaje się, że niewiarygodne szczęście uśmiechnęło się do mało znanego naukowca w Europie. Odkrycie nowego pierwiastka chemicznego wanadu obiecane, jeśli nie sława, to przynajmniej uznanie przez kolegów. Jednak ze względu na brak ważnego autorytetu w świecie naukowym, osiągnięcie Meksyku zostało zignorowane.

W 1805 r. Francuski chemik Hippolytus Victor Colle-Dekotils zasugerował, że nowy element badany przez Del Rio był jedynie próbką chromianu ołowiu z domieszką zanieczyszczeń. W końcu meksykański badacz, aby nie stracić całkowicie twarzy przed akademicką wspólnotą, zaakceptował aprobatę Colle-Decotyle i odmówił jej otwarcia. Jednak jego osiągnięcia nie zapadły w zapomnienie. Dziś Andrés Manuel Del Río jest uznawany za odkrywcę rzadkiego metalu.

Ponownie otwórz

W 1831 roku Szwed Nils Gabriel Sefström ponownie odkrył pierwiastek chemiczny wanad w tlenku uzyskanym podczas pracy z rudą żelaza. Jako jego wyznaczenie naukowiec wybrał literę "V", która nie została jeszcze przypisana do żadnego elementu. Sefström nazwał ten nowy metal ze względu na jego piękny i bogaty kolor na cześć nordyckiej bogini piękna Vanadisa.

Wiadomości spowodowały wzrost zainteresowania środowiskiem naukowym. Natychmiast przypomniał sobie pracę meksykańskiego minerologa. W tym samym 1831 roku Friedrich Wöhler ponownie sprawdził i potwierdził poprzednie odkrycie Del Rio. A geolog George William Featherstonhup nawet zasugerował, aby nazywać metal "Rionium" na cześć odkrywcy, ale inicjatywa nie była wspierana.

Nieuchwytny

Izolacja metalu wanadu w czystej postaci okazała się trudna. Wcześniej naukowcy pracowali tylko z jego solami. Dlatego prawdziwe właściwości wanadu są nieznane. W 1831 roku Berzelius poinformował o otrzymaniu metalizowanej substancji, ale Henry Enfield Roscoe udowodnił, że Berzelius rzeczywiście wytwarzał azotek wanadu (VN). Ostatecznie, Roscoe wyprodukował metal w 1867 roku przez redukcję chlorku wanadu (VCl2) pod działaniem wodoru. Od 1927 r. Czysty wanad uzyskuje się poprzez redukcję pięciotlenku wanadu przy udziale wapnia.

Pierwsze seryjne zastosowanie przemysłowe tego elementu pochodzi z 1905 roku. Metal został dodany do stopu stali do produkcji podwozi samochodów wyścigowych, a później - w modelu Ford T. Charakterystyka Vanadium może zmniejszyć masę konstrukcji, przy jednoczesnym zwiększeniu wytrzymałości na rozciąganie. Nawiasem mówiąc, niemiecki chemik Martin Khenze odkrył wanad w komórkach krwi (lub komórkach koelomicznych) mieszkańców morskich - ekscesów - w 1911 roku.

Właściwości fizyczne

Wanad jest plastycznym szaroniebieskim metalem o średniej twardości ze stalowym połyskiem i gęstością 6,11 g / cm3. Niektóre źródła opisują materiał jako miękki, mając na uwadze jego wysoką plastyczność. Struktura krystaliczna elementu jest bardziej skomplikowana niż większość metali i stali.

Wanad ma dobrą odporność na korozję, alkalia, siarkę i kwas chlorowodorowy. Utlenia się w powietrzu w temperaturze około 660 ° C (933K, 1220 ° F), chociaż pasywacja tlenku zachodzi nawet w temperaturze pokojowej. Materiał ten topi się, gdy temperatura osiągnie 1920 ° С, i wrze w temperaturze 3400 ° С.

Właściwości chemiczne

Wanad pod wpływem tlenu tworzy cztery rodzaje tlenków:

Związki typu (II) wanadu są środkami redukującymi, a związki typu (V) są środkami utleniającymi. Związki (IV) często występują jako pochodne kationu wanadylowego.

Tlenek

Najważniejszym związkiem handlowym jest pięciotlenek wanadu. Jest to brązowo-żółte ciało stałe, chociaż po świeżo zapakowanym z roztworu wodnego jego kolor jest ciemnopomarańczowy.

Tlenek jest stosowany jako katalizator do wytwarzania kwasu siarkowego. Ten związek utlenia dwutlenek siarki (SO2) do trójtlenku (SO3). W tej reakcji redoks siarka utlenia się od +4 do +6, a wanad zmniejsza się z +5 do +4. Wzór na wanad jest następujący:

V ₂ O ₅ + SO ₂ → 2VO ₂ + SO ₃

Katalizator jest regenerowany przez utlenianie tlenu:

2VO ₂ + O ₂ → V ₂ O ₅

Podobne procesy utleniania stosuje się do wytwarzania bezwodnika maleinowego, bezwodnika ftalowego i kilku innych masowych związków organicznych.

Tlenek ten jest również stosowany do wytwarzania ferrovanadu. Jest ogrzewany żelazem i żelazokrzemem z dodatkiem wapna. Podczas stosowania aluminium, stop żelazowo-wanadowy jest wytwarzany razem z tlenkiem glinu jako produktem ubocznym. Ze względu na wysoki współczynnik oporu cieplnego tlenek wanadu (V) stosuje się jako materiał detekcyjny w bolometrach i mikrobolometrach w urządzeniach termowizyjnych.

Charakterystyka

Rzadki metal ma następujące cechy:

• Struktura krystaliczna: ciało sześcienne.
• Przewodność dźwięku: 4560 m / s (przy 20 ° C).
• Wanad o wartościowości: V (rzadko IV, III, II).
• Rozszerzalność cieplna: 8,4 μm / (m · K) (przy 25 ° C).
• Przewodność cieplna: 30,7 W / (m · K).
• Opór elektryczny: 197 nΩ · m (w 20 ° C).
• Magnetyzm: paramagnetyczny.
• Wrażliwość magnetyczna: + 255 · 10 ^-6 cm ³ / mol (298K).
• Moduł sprężystości: 128 GPa.
• Moduł ścinania: 47 GPa.
• Moduł sprężystości objętościowej: 160 GPa.
• Współczynnik Poissona: 0,37.
• Twardość Mohsa: 6.7.
• Twardość Vickersa: 628-640 MPa.
• Twardość Brinella: 600-742 MPa.
• Kategoria przedmiotu: metal przejściowy.
• Konfiguracja elektroniczna: 3d ³ 4s ² .
• Temperatura topnienia: 21,5 kJ / mol.
• Ciepło parowania: 444 kJ / mol.
• Wydajność cieplna molowa: 24,89 J / (mol · K).

Wanad w układzie okresowym znajduje się w piątej grupie (podgrupa wanadu), w czwartym okresie, w bloku d.

Spread

Wanad w skali wszechświata wynosi około 0,0001% całkowitej objętości materii. Rozprzestrzenia się tak często, jak miedź i cynk. Metal znajduje się w widmowym blasku Słońca i innych gwiazd.

Element jest 20. najczęściej występującym w skorupie. Kryształowy wanad w postaci krystalicznej jest dość rzadki, ale związki tego materiału występują w 65 różnych minerałach. Znaczące z punktu widzenia ekonomicznego są: patronit (VS ₄ ), wanadynit (Pb ₅ (VO ₄ ) ₃ Cl) i karnotyt (K ₂ (UO ₂ ) ₂ (VO ₄ ) ₂ · ₃ H ₂ O).

Jony wanadylu są obficie rozprowadzane w wodzie morskiej i mają średnie stężenie 30 nMa. Niektóre źródła wody mineralnej zawierają również te jony w wysokich stężeniach. Na przykład źródła w pobliżu góry Fuji zawierają do 54 μg / l.

Górnictwo

Większość tego rzadkiego metalu jest otrzymywana z magnetytu wanadu znajdowanego w ultrabasycznych magmatycznych skałach gabro. Surowce są wydobywane głównie w Afryce Południowej, północno-zachodnich Chinach i we wschodniej Rosji. W 2013 r. Kraje te wyprodukowały ponad 97% całego wanadu (79 000 ton w przeliczeniu na wagę).

Metal występuje również w boksytach i złożach ropy naftowej, węgla, łupków bitumicznych i piasków bitumicznych. W przypadku ropy naftowej odnotowano stężenia do 1200 ppm. Ze względu na utleniające właściwości wanadu (niektóre z jego tlenków) po spaleniu takich produktów ropopochodnych, pozostałości pierwiastka mogą powodować korozję w silnikach i kotłach.

Około 110 000 ton substancji uwalnianych jest do atmosfery w ciągu roku poprzez spalanie paliw kopalnych. Obecnie opracowywane są technologie umożliwiające wydobywanie cennych substancji z węglowodorów.

Produkcja

Wanad stosuje się głównie jako dodatek do stopów stali, zwanych żelazostopami. Żelowanadan otrzymuje się bezpośrednio przez redukcję mieszaniny tlenku wanadu z wartościowości (V), tlenków żelaza i czystego żelaza w piecu elektrycznym.

Metal jest wytwarzany w procesie wielostopniowym, który rozpoczyna się od spalenia kruszonej rudy magnetytu wanadowego z dodatkiem chlorku sodu (NaCl) lub węglanu sodu (Na2CO3) w temperaturze około 850 ° C w celu wytworzenia metawanadanu sodu (NaVO3). Wodny ekstrakt tej substancji zakwasza się, tworząc sól poliadadanową, która jest redukowana przez metal wapniowy. Jako alternatywę dla produkcji na małą skalę pięciotlenek wanadu redukuje się wodorem lub magnezem.

Stosuje się również wiele innych metod, w których wanad jest wytwarzany jako produkt uboczny innych procesów. Jego oczyszczenie możliwe jest metodą jodkową opracowaną przez Antoniego Edouarda van Arkela i Jana Hendrika de Bohr w 1925 roku. Oznacza to tworzenie jodku wanadu (III) i jego późniejszą dekompozycję w czysty metal:

2 V + 3I ₂ ⇌ 2 VI ₃

Dość egzotyczny sposób pozyskania tego pierwiastka wymyślili Japończycy. Rozmnażają się na podwodnych plantacjach ascidian (typ akordów), które absorbują wanad z wody morskiej. Następnie są zbierane i spalane. Cenny metal jest wydobywany z uformowanego popiołu. Nawiasem mówiąc, jego koncentracja w tym przypadku jest znacznie wyższa niż w najbogatszych złóż.

Stopy

Co to są stopy wanadu? Około 85% wyprodukowanego rzadkiego metalu wykorzystuje się do produkcji żelazawaduadu lub dodatku do stali. Na początku XX wieku okazało się, że nawet niewielka ilość wanadu znacznie zwiększa wytrzymałość stali. Ten pierwiastek tworzy stabilne azotki i węgliki, co prowadzi do lepszej wydajności stali i stopów.

Od tego czasu wanad wykorzystywany jest w osiach, ramach, wałach korbowych, przekładniach i innych ważnych elementach pojazdów kołowych. Istnieją dwie grupy stopów:

• Wysoka zawartość węgla od 0,15% do 0,25% wanadu.
• Szybkie cięcie stale narzędziowe (HSS) zawartość od 1% do 5% tego pierwiastka.

W przypadku stali HSS można osiągnąć twardość wyższą niż HRC 60. Są one stosowane w instrumenty chirurgiczne. W metalurgii proszków stopy mogą zawierać do 18% wanadu. Wysoka zawartość węglika w tych stopach znacznie zwiększa odporność na zużycie. Tworzą narzędzia i noże.

Ze względu na swoje właściwości wanad stabilizuje beta-formę tytanu, zwiększa jego wytrzymałość i stabilność temperaturową. Mieszany z aluminium w stopach tytanu, stosowany jest w silnikach odrzutowych, szybkich samolotach i implantach dentystycznych. Najczęściej stosowanym stopem do rur bez szwu jest tytan 3 / 2,5, zawierający 2,5% wanadu. Materiały te są szeroko rozpowszechnione w przemyśle lotniczym, obronnym i rowerowym. Innym powszechnym stopem, wytwarzanym głównie w arkuszach, jest tytan 6AL-4V, w którym 6% aluminium i 4% wanadu.

Kilka stopów wanadu wykazuje właściwości nadprzewodzące. Pierwszym nadprzewodnikiem A15 był związek wanadowy V3 Si, który został uzyskany w 1952 roku. Taśma wanadowo-galu jest stosowana w magnesach nadprzewodzących. Struktura fazy nadprzewodzącej A15 V ₃ Ga jest podobna do struktury typowych nadprzewodników: cyny triniobowej (Nb ₃ Sn) i niobowo-tytanowej (Nb ₃ Ti).

Niedawno naukowcy odkryli, że w średniowieczu do niektórych próbek stali damasceńskiej i adamaszku dodano niewielką ilość wanadu (od 40 do 270 części na milion). Poprawiło to właściwości łopatek. Jednak nie jest jasne, gdzie i jak wydobywano rzadki metal. Być może był częścią jakiejś rudy.

Aplikacja

Oprócz hutnictwa wanad jest używany do innych zadań. Przekrój wychwytywania neutronów termicznych i krótki okres półtrwania izotopów wytwarzanych przez wychwytywanie neutronów sprawiają, że ten metal jest odpowiednim materiałem do zastosowania wewnątrz reaktora termojądrowego.

Najczęściej tlenek wanadu, pięciotlenek V ₂ O _{5, jest} stosowany jako katalizator w procesie produkcji kwas siarkowy i jako czynnik utleniający w produkcji bezwodnika maleinowego. Tlenek wanadu stosuje się w produkcji wyrobów ceramicznych.

Metal jest ważnym składnikiem katalizatorów z mieszanych tlenków metali stosowanych do utleniania propanu i propylenu do akroleiny, kwasu akrylowego lub amoksydacji propylenu do akrylonitrylu. Inny tlenek wanadu - dwutlenek VO ₂ - jest stosowany do wytwarzania powłok szklanych, które blokują promieniowanie podczerwone w określonej temperaturze.

Bateria wanadowa typu redox to ogniwo galwaniczne składające się z wodnych jonów wanadu w różnych stanach utlenienia. Baterie tego typu zostały po raz pierwszy zaproponowane w 1930 roku, a komercyjne wykorzystanie zaczęło się w 1980 roku. Wanadate może być stosowany do ochrony stali przed korozją.

Wanad jest ważny dla ludzkiego zdrowia. Pomaga regulować metabolizm węgla i lipidów, bierze udział w produkcji energii. Na dzień zaleca się spożywać 6-63 mcg (dane WHO) substancji pochodzących z żywności. Wystarczająco dużo w zbożach, roślinach strączkowych, warzywach, ziołach, owocach.