Sredinom 20. stoljeća u kemijskoj znanosti pojavio se pojam - metali od strateškog značaja. To je značilo skupinu elemenata čija su fizikalno-kemijska svojstva omogućila korištenje u proizvodnji vojno-industrijskog kompleksa. Riječ je o metalima kao što su krom, tantal, niobij, molibden i volfram. Vanadij, čija ćemo svojstva razmotriti u ovom članku, također s pravom zauzima jedno od središnjih mjesta među metalima koji se koriste u modernom strojarstvu, crnoj metalurgiji, alatnoj i kemijskoj proizvodnji. Metal tvori četiri oksida s kisikom, pokazujući u njima valenciju 2, 3, 4 i 5. 5 što ćemo detaljnije proučiti.
Upoznajte vanadij
U kemijskoj znanosti postoji davno uspostavljenapravilo koje kaže da karakterizacija kemijskog elementa mora početi s njegovom pozicijom u periodnom sustavu D. I. Mendeljejev. Kemijska formula vanadija kao jednostavne tvari je V, serijski broj 23, atomska masa 50, 9414. Nalazi se u četvrtom razdoblju, petoj skupini i zajedno s niobijem i tantalom tipičan je predstavnik vatrostalni metali. Uzorci čiste tvari su plastični i imaju srebrno-sivu boju. Atom vanadija je d-element, ima dva s-elektrona na posljednjoj energetskoj razini, međutim, one negativne čestice koje se nalaze na d-podrazini iste četvrte razine također će biti valentne.
Gdje se nalazi metal i koja su mu fizička svojstva
Sam element se ne može naći u svom čistom obliku u prirodi. Ali prisutan je kao obavezna komponenta u polimetalnim i željeznim rudama. Ranije smo govorili o plastičnosti i savitljivosti jednostavne tvari, sada ćemo dodati da su važna fizikalna svojstva vanadija visoke točke vrelišta i tališta, jednake 3400 ° C i 1920 ° C. Poput titana, drastično pogoršava svoje fizikalne i kemijske parametre kada je kontaminiran nečistoćama kao što su dušik, vodik ili kisik. Posebno se smanjuje njegova duktilnost i mehanička čvrstoća, a vanadij postaje krhak.
Posebna kemijska svojstva
Metal je sposoban za pasivizaciju, tj. ima jedinstvenu sposobnost da izdrži djelovanje agresivnih kemijskih okruženja: otopina kiselina, lužina i soli, stvarajući zaštitni film na svojoj površini -vanadijev oksid. Kristalna rešetka elementa ima kubičnu strukturu. Također treba napomenuti da je otpornost na koroziju čelika koji sadrži element vrlo visoka, što im omogućuje da se koriste kao nosivi spojni elementi za nosače mostova i platforme za bušenje nafte na moru. Nemoguće je zamisliti modernu proizvodnju alata bez čelika koji sadrži vanadij. Zajedno s niobijem, kromom i titanom, element se koristi za legiranje posebnih legura koje se koriste u raketnoj znanosti i svemirskoj industriji. Međutim, koncentrirane nitratne i sulfatne kiseline, otopina fluorovodika u vodi i mješavina kloridnih i nitratnih kiselina, nazvane kraljevska voda, lako stupaju u interakciju s metalom. Element vanadij kao jednostavna tvar može reagirati s klorom, bromom, sumporom i nastaju odgovarajuće soli. S kisikom daje nekoliko oksida koji se uvelike razlikuju po svojim kemijskim svojstvima. Razmotrite ih dalje.
Bazični i amfoterni oksidi
Metal tvori dva oksida, VO i V2O3, koji pokazuju tipična osnovna svojstva. U laboratoriju se monoksid vadi reakcijom redukcije V2O5 fini vanadijev prah. Bazični oksidi reagiraju s otopinama kiselina i nastaju odgovarajuće soli. I već se iz njih mogu dobiti hidroksidi provođenjem reakcije izmjene s lužinama. Vanadijev (III) oksid nalazi se kao komponenta minerala karelianita, a dobiva se u laboratoriju zagrijavanjem V2O5 sa sumporom, ugljena ili vodika. Oba osnovna oksida imaju jako izražena redukcijska svojstva. Oksid VO2 tipičan je amfoterni spoj koji reagira i s kiselinama i s lužinama. U otopini čiji je pH manji od 7 nalaze se pozitivno nabijeni vanadil ioni VO2+, dajući otopini svijetloplavu boju, a soli polivanadinske kiseline nastaju u alkalnom mediju. Vanadijev (IV) oksid privlači vodu, t.j. je higroskopna tvar, u reakcijama se ponaša kao redukcijsko sredstvo.
Vanadijev hemipentoksid
Spoj čija je formula V2O5, je najvažniji metalni oksid. To je u vodi topiva narančasta kristalna tvar koja reagira s lužinama i tvori vanadate - soli metavanadinske kiseline HVO3. Široko se koristi kao katalizator u oksidaciji sumporovog dioksida u sumporni anhidrid u industrijskoj proizvodnji sulfatne kiseline. Vanadijev pentoksid ima rombičnu kristalnu rešetku i znakove amfoternosti s prevladavanjem svojstava kiselog oksida. U reakcijama se ponaša kao jako oksidacijsko sredstvo. Spoj se koristi u tehnologiji stakla, medicini i organskoj sintezi.
Metode za ekstrakciju vanadija iz njegovih spojeva
Ranije smo spomenuli da je metal sastavni dio željezne rude. U visokoj peći, element zajedno s nečistoćama ugljika i fosfora prelazi u lijevano željezo. Prilikom taljenja čelika, vanadijev oksid 5 taloži se u sastavu troske, gdje njegov sadržaj može doseći 16%. Dodajući tomekuhinjske soli i pečenjem smjese u pećima, dobije se proizvod koji se dalje otopi u vodi. Dobiveni vodeni koncentrat se tretira sa sulfatnom kiselinom i iz njega se izolira V2O5. Da biste izolirali čisti vanadij iz oksida, možete koristiti metodu termičke obrade kalcija - redukciju metala metalnim kalcijem. Kako bi se smanjili tehnološki troškovi u reakciji s vanadijevim pentoksidom, često se umjesto kalcija koristi aluminij. Metal se također može dobiti redukcijom trovalentnog vanadijevog oksida ugljenom.
Biološka uloga
Vanadij je prisutan u živim organizmima kao element u tragovima, koji je dio međustanične tekućine morskih bodljokožaca. Kod holoturija i ježinaca povezan je s proteinima koji obavljaju funkciju transporta kisika do stanica i uklanjanja ugljičnog dioksida. Sadržaj elementa je neznatan u organizmima toplokrvnih životinja i ljudi, gdje je u sastavu enzima gušterače, u neuroglijama i nefronima. U biljkama, element u tragovima sudjeluje kao enzim u tamnoj fazi fotosinteze i utječe na razinu pigmenta klorofila koji se nalazi u kloroplastima. Također se nalazi u bakterijama kvržica, koje su fiksatori dušika, u tkivima viših gljiva. Kao dio černozema, zajedno sa spojevima bora, bakra, cinka i mangana, vanadijev oksid utječe na plodnost tla.
U našem članku proučavali smo osnovna svojstva vanadija i njegovih oksida, a također smo razmotrili upotrebu njegovih spojeva uindustrija.
