Ванадий - файл n1.doc

Ванадий
скачать (1181 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1181kb.19.11.2012 20:53скачать

n1.doc

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет
Кафедра Химии


КСРС

Вариант №7

«ВАНАДИЙ»

Уфа-2008

Содержание


Введение. 2

История открытия. 3

Распространение в природе, получение металла. 4

Физические свойства. 5

Химические свойства. 6

Взаимодействие между металлами. Диаграммы состояния. 8

Коррозия и защита от коррозии. 11

Применение и перспективы применения в технике, быту и т.д. 11

Список использованной литературы: 14



Введение.



Ванадий считают как бы связующим между элементами первой и побочной подгрупп V группы. Его химия напоминает химию подгруппы азота тем, что в степени окисления +5 ванадию соответствует кислота НVО3, гораздо более устойчивая, чем кислоты сурьмы и висмута — членов главной подгруппы. В то же время этот элемент образует простое вещество, которое, подобно другим членам побочной подгруппы, является типичным устойчивым тугоплавким металлом.

По количеству степеней окисления ванадий напоминает азот. Ни у кого из его аналогов (ни у ниобия, ни у тантала) нет такого количества степеней окисления, как у ванадия. Точно известны четыре его состояния: +2, +3, +4 и +5. У азота есть еще два других: +1 и -3. Относительно недавно появилось сообщение о том, что при содержании кислорода 14,5—15,5 % происходит образование ?-фазы, близкой по составу к V2O. Наличие степени окисления +4 и +1 подтверждается органическими производными ванадия. Что же касается соединений с водородом, когда формально степень окисления соответствует -3, то ванадий обладает способностью растворять водород и при этом образовывать с ним гидрид.

По стабильности валентные состояния ванадия неравноценны. В обычных условиях самым устойчивым со­стоянием будет +4. В это состояние он может быть пе­реведен из +3 даже молекулярным кислородом, а из +5 восстановлен мягкими восстановителями. На этом основана, кстати сказать, ванадатометрия -определение при помощи соединений ванадия присутствия, например, ионов Fe2+, Os4+, Mo+5.

История открытия.



В начале XIX в. в Швеции были найдены новые богатые месторождения железной руды. Одна за другой сооружались доменные печи. Но что примечательно: при одинаковых условиях некоторые из них давали железо удивительной ковкости, в то время как из других получался более хрупкий металл. После многих безуспешных попыток наладить процесс выплавки высококачественного металла в «плохих» домнах металлурги обратились за помощью к химикам, и в 1830 г. Нильсу Сефстрему удалось выделить из шлака «лучших» домен неизвестный черный порошок. Сефстрем сделал вывод, что изумительную ковкость металлу придает присутствие в руде какого-то неизвестного элемента, содержащегося в черном порошке.

Этот новый элемент Сефстрем назвал ванадием в честь легендарной Ванадис – богини красоты древних скандинавов.

Открытие нового элемента всегда было большой честью для ученого. Поэтому можно представить себе огорчение мексиканского минералога Андреса Мануэля дель Рио, который еще в 1801 г. обнаружил в свинцовой руде никогда не встречавшийся прежде элемент и назвал его эритронием. Но, усомнившись в собственных выводах, дель Рио отказался от своего открытия, решив, что встретился с недавно открытым хромом.

Еще большее разочарование постигло блестящего немецкого химика Фридриха Вёлера. В те же годы, что и Сефстрему, ему довелось исследовать железные руды, привезенные из Мексики Л. Гумбольдтом. Те самые, что исследовал дель Рио. Вёлер тоже нашел в них что-то необычное, но его исследования прервала болезнь. Когда он возобновил работу, было уже поздно – Сефстрем обнародовал свое открытие. Свойства нового элемента совпадали с теми, что были занесены в один из лабораторных журналов Вёлера.

И только в 1869 г., спустя 39 лет после открытия Сефстрема, элемент №23 впервые был выделен в относительно чистом виде. Английский химик Г. Роско, действуя водородом на хлористый ванадий, получил элементарный ванадий чистотой около 96%.

Распространение в природе, получение металла.



В земной коре ванадия намного больше, чем хрома, никеля, свинца, цинка и даже меди. Однако минералы, богатые элементом №23, встречаются редко. Соединения ванадия рассеиваются в земной коре водой; они более растворимы, чем природные соединения других металлов, расположенных в правой половине менделеевской таблицы, и перемещаются в горных породах на значительные расстояния. Ванадий накапливается в некоторых рудах и других металлов – свинца, меди, цинка, урана, а также в угле, нефти, сланцах. Один из немецких заводов, например, получал от сжигания венесуэльской нефти золу, которая содержала до 10% ванадия. Некоторое время зола из топок, сжигавших эту нефть, была исходным сырьем для получения ванадия.

В 1902 г. в Испании было открыто первое месторождение ванадинита Рb5(VO4)3Сl. В 1925 г. ванадинит обнаружили в Южной Африке. Он встречается также в Чили, Аргентине, Мексике, Австралии, США. Исключительны по своему значению месторождения ванадия в Перу. Они находятся в горах, на высоте 4700 метров над уровнем моря. Главное богатство перуанских месторождений – минерал патронит – простое соединение ванадия с серой V2S5. При обжиге патронита получаются концентраты с очень высоким содержанием пятиокиси ванадия – до 20...30%.

Социалистические страны располагают собственными запасами этого ценного металла и полностью обеспечивают им свою промышленность.

В России ванадий впервые был найден в Ферганской долине у перевала Тюя-Муюн (в переводе с киргизского – Верблюжий горб). Из этих руд «Ферганское общество по добыче редких металлов» извлекало в небольших количествах соединения ванадия и урана и продавало их за границу. Большую же часть ценных компонентов руды, в том числе радий, извлекать не умели. Только после установления Советской власти богатства Тюя-Муюна стали использоваться комплексно.

Позднее ванадий обнаружили в керченских железных рудах, и было налажено производство отечественного феррованадия. Богатейшими источниками ванадия оказались уральские титаномагнетиты. Вместе с керченской рудой они освободили нашу промышленность от необходимости ввоза ванадия из-за рубежа. В 1927 г. ванадий был обнаружен в Сулейман-Сае, около нынешнего г. Джамбула. В наши дни поставщиками ванадия стали также месторождения центрального Казахстана, Киргизии, Красноярского края, Оренбургской области. В горе Качканар на Урале заключено 8 млрд т железной руды, и разработка ее началась лишь в 60-е годы. Руда эта беднее, и ценнее руд всемирно известных железных гор – Высокой и Благодати, потому что из недр Качканара добывается не только железо, но и ванадий.

Процесс получения чистого ванадия довольно сложный. Сначала стремятся получить его оксид (V2O5 или V2O3) или галогенид (VС13 или VI3), а затем применяют либо металлотермию:
V2O5 + 5Ca = 5CaO+2V;
2VCl3 + 3Mg= 3MgCl2+2V,
либо восстановление углем в вакууме:
V2О3 + 3C = 3CO+2V,
либо термическую диссоциацию в вакууме на горячей проволоке:
2VI3 = 2V+3I2
Последним способом получают металл высокой чистоты.


Физические свойства.





Типы кристаллической решетки


остается кубической (?-фаза), при больших содержаниях кислорода она перестраивается в тетрагональную(?-фаза), что, по-видимому, является основной причиной сильного влияния кислорода на твердость; кубическая объемно центрированная

Пластичность

пластичен, при нагревании на воздухе выше 300°С становится хрупким. Примеси кислорода, водорода и азота резко снижают пластичные свойства.

Твердость

по Бринеллю 600 МПа; примеси кислорода, водорода и азота резко повышают его твердость

Электропроводность

4

Теплопроводность

1,0 Вт/(м*К) (293 К)

Температура кипения

3400°C

Температура плавления

1900±25°C

Оптические свойства

При легировании пленок ванадием происходит небольшое увеличение оптического поглощения во всем инттервале длин волн. Большие концентрации ванадия сдвигают край собственного поглощения в область высоких энергий, т.е. образцы становятся «прозрачнее», а малые концентрации V, наоборот, сдвигают край поглощения в область низких энергий и образец становился «темнее» исходного.

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. При 600—700°С происходит интенсивное окисление компактного металла, а в мелкораздробленном состоянии он вступает в реакции при более низкой температуре:
2V +5O2=2V2O5=2VO2 + O2;
2V +5F=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.
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 как 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].

Взаимодействие между металлами. Диаграммы состояния.



Mg-V. МАГНИЙ-ВАНАДИЙ

Mg и V практически не сплавляются, и в системе наблюдается несмешиваемость в жидком и твердом состоянии. Температура плавления V- 1885єС, а температура монотектического равновесия - 1860 °С.

В жидком Mg растворимость V при температуре 950 °С равна 0,14 % (ат.) [0,3% (по массе)] и понижается до 0,03 % (ат.) [0,06 % (по массе)] при температуpe 650 єС. Растворимость Mg в (V) при температуре 1860 єС определена равной 0,06-0,08 % (ат.) [0,03-0,04 % (по массе)], а при 20 °С она составляет 0,02 % (ат.) [0,01 % (по массе)].


Pd-V. ПАЛЛАДИЙ-ВАНАДИЙ

Диаграмма состояния Pd-V построена на основании данных термического, микроскопического, рентгеноструктурного и дилатометри­ческого анализов. Система Pd-V представляет собой систему эвтектического типа; эвтектика кристаллизуется при температура -1340 °С и концентрации 60 % (ат.) V.

Максимальная растворимость Pd в (V) при температуре эвтектики составляет 37,5 % (ат.), при 500 єС - 15 % (ат.). Растворимость V в твердом Pd при температуре 1340 °С равна 58 % (ат.), при 500 єС - 50 % (ат.). По данным работы при температуре 700 єС в (Pd) растворяет­ся 49,1 + 1,3 % (ат.) V. При понижении температуры в твердом состоянии происходит несколько превращений, в результате которых образуются промежуточные фазы Pd3V, Pd2V, PdV3. Соединения Pd3V и Pd2V образуются в результате упорядочения твердого раствора на основе Pd конгруэнтно при температурах 815 и 905 °С соответственно; при температуре 720 єС и 28 % (ат.) V между соединениями наблюдается эвтектоидная реакция. Фаза PdV3 образуется в результате перитекто-идной реакции (Pd) + (V) ? PdV3 при температуре 840 єС . Область гомогенности при температурах <800 °С простирается от 23,8+0,8 до 29,0+0,3 %(ат.)Рd. В работе на основе рентгеноструктурных исследований показано существование двух модификаций соединения Pd2V и нового соединения PdV.
Nb-V. НИОБИЙ-ВАНАДИЙ

Диаграмма состояния Nb-V характеризуется наличием непрерывной взаимной растворимости компонентов в жидком и твердом состояниях. Линии ликвидуса и солидуса имеют минимум, который по данным различных исследователей находится при следующих : температурах и концентрациях: 1810 °С и 23 % (ат.) Nb , 1720 °С и '6,8 % (ат.) Nb , 1812 єС и 25,5 % (ат.) Nb , 1860± 10 °С и 22 % (ат.) Nb. Различие данных обусловлено разной чистотой использовавшихся исходных материалов и точностью методов определения температур плавления сплавов.

Согласно расчету диаграммы Nb-V, в приближении модели регулярных растворов, минимум на линии ликвидус-солидус лежит при температуре 1817 °С и концентрации 22 % (ат.) Nb. Расчет предполагает расслоение твердых растворов (Nb, V) на две изоморфные фазы при температуре ниже 380 °С.

Параметр решетки а, нм, ОЦК твердых растворов (Nb, V) при температуре 20 °С описывается уравнением: а = 0,30322 + 0,03613x - 0,00914х2, где x - атомная доля Nb.

Коррозия и защита от коррозии.



При сжигании топлив, содержащих соединения ванадия, в мазутных топках парогенераторов возникает ванадиевая коррозия. Особенностью ее является то, что она может проходить как электрохимическая благодаря образованию расплава на поверхности металла, возникающего при взаимодействии оксида ванадия с железной окалиной. Ванадиевая коррозия металлов горячей части установки усиливается в присутствии натрия, т.к. при горении топлива наряду с образованием оксида У2О5, окисляющего железо, образуется ванадилванадат натрия Na2O V2O4 •5V2O5 с температурой плавления 625°С. Это соединение взаимодействует с защитной пленкой из окислов железа на стали, и разрушает ее. Может протекать межкристаллитная коррозия металла камеры сгорания, происходить отрыв лопаток турбины, коробление стенок жаровой трубы, нарушение работы направляющего аппарата турбины и др.

Наиболее эффективным способом предотвращения ванадиевой коррозии является введение в топливо присадок типа сульфонатов Сu, Zn, Ca,. Присадки превращают низкоплавкий V2Os и ванадилванадат натрия в высокоплавкие порошкообразные соединения типа ванадата магния Mg 3 (V2O4)2, которые выносятся из камеры сгорания с отработавшими газами. Интенсивность ванадиевой коррозии снижается в 2-10 раз при введении в топливо 0,02% Mg в виде магниевых солей синтетических жирных кислот Си -С2о или окисленного петролатума.

Применение и перспективы применения в технике, быту и т.д.



Известный "автомобильный король" Форд сказал: "Если бы не было ванадия" - не было бы автомобиля". Незначительная добавка (0,2%) ванадия к обычной стали сообщает ей целый ряд ценных свойств: увеличивается ее упругость, прочность на истирание и сопротивление разрыву, что особенно важно для таких ответственных частей автомобиля, как рессоры, оси, валы, шестерни. Из ванадиевой стали изготовляют автомобильные моторы, паровозные цилиндры, тормозные колодки. Если бы не ванадиевая сталь, автомобиль весил бы в два раза больше, в два раза увеличился бы расход горючего, износ покрышек, сократился срок службы дорожного покрытия.

Поэтому ванадий образно и называют "автомобильным металлом".

В технике строительства мелких морских кораблей, гидросамолетов, глиссеров нашел применение сплав, имеющий звучное название "ванадал", который состоит из алюминия и ванадия и обладает не только высокими механическими свойствами, но и отличной устойчивостью против разрушающего действия морской воды.

Нужно заметить, что ежегодно на земном шаре добывается не более 5 тыс. т ванадия, т. е. всего лишь в 5 раз больше, чем золота. Между тем на земле ванадия сравнительно много, он составляет 0,005 % от общего числа атомов земной коры, что при переводе в тонны дает грандиозное количество. Ванадий входит в состав более пятидесяти минералов, обнаружен даже в составе метеоритов, но ... богатые месторождения его минералов встречается весьма редко. Ванадий - элемент, рассеянный повсюду, поэтому руды, содержащие всего один процент ванадия, считаются чрезвычайно богатыми. Для промышленного получения ванадия используют и такие руды, в которых ванадия всего 0,1%.

В земной коре ванадия больше, чем таких распространенных металлов, как цинк, медь, олово, свинец. Если посмотреть на карту крупных промышленных месторождений ванадия, то бросается в глаза, что многие из них - Колорадо (минерал карнотит), Перу (минерал патронит), юго-запад Африки - находятся в районах с сухим и жарким климатом.

Каждому понятно, что когда есть возможность без ущерба для производства заменить драгоценные металлы более доступным и дешевым материалом, ее немедленно используют. Поэтому, как только в Одесском химическом институте была установлена возможность замены в производстве серной кислоты платинированного асбеста (асбест с нанесенным на него порошком платины) окислом ванадия, на наших заводах сразу же приступили к внедрению изобретения в производство. Впервые такая замена была осуществлена еще в предвоенные годы на одном из заводов Донбасса. Ныне большинство заводов мира в производстве серной кислоты применяют в качестве катализатора не платину, а соединения ванадия. Помимо сернокислотной промышленности, соединения ванадия применяются в резиновой, стекольной и керамической промышленностях.

Некоторые растения и животные, например асцидии, голотурии и др., извлекают ванадии из окружающей среды и накапливают его в виде гемованадина в кровяных тельцах - ванадоцитах (до 15% в золе). По-видимому, ванадиевые соединения у этих организмов принимают участие в окислительно-восстановительных процессах, в дыхании и кровотворении. Наличие ванадия в золе нефтей, образовавшихся из останков животных и растений, свидетельствует о том, что он для отдельных видов растений и животных, живших в минувшие геологические эпохи, играл, по-видимому, большую роль в процессах жизнедеятельности, подобно железу для современных животных.

На современные животные организмы растворимые соединения ванадия действуют как сильные яды, однако опыты введения в пищу некоторым животным (свиньям, быкам и др.) незначительных количеств соединений ванадия привели к неожиданным результатам: наблюдалось повышение аппетита и необычайное ожирение животных.

При туберкулезе часто наблюдается истощение организма; с давних пор при лечении "чахотки" старались у больных сохранить аппетит, давая им различную пищу с большим содержанием жиров. Поэтому способность соединений ванадия возбуждать аппетит и создавать повышенный запас жиров пытались использовать при лечении некоторых видов туберкулеза легких. В настоящее время в связи с открытием эффективных средств борьбы с этим заболеванием соединения ванадия для этих целей в медицине не применяются.







Список использованной литературы:





  1. Ефимов Ю.В., Барон В.В., Савицкий Е.М. Ванадий и его сплавы.

  2. В.В. Фролов.  Химия.  1968 г.

  3. А.М.Прохоров. Советский энциклопедический словарь. Москва 1981 г.

  4. Н.В.Коровин. Общая химия. «Высшая школа», 2000г.

  5. Г.Н. Фадеев. Пятая вертикаль – элементы V группы периодической системы Д.И.Менделеева. М.: Просвещение. 1985.

  6. В.Н.Музгин. Аналитическая химия ванадия. М.: Просвещение. 1981г.

  7. Под ред. Н.П.Лякишева. Диаграммы состояния двойных металлических систем. М.: Машиностроение. 2001г.







Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации