Sredinom 20. veka u hemijskoj nauci se pojavio termin - metali od strateškog značaja. To je značilo grupu elemenata čija su fizičko-hemijska svojstva omogućila da se koriste u proizvodnji vojno-industrijskog kompleksa. Govorimo o metalima kao što su hrom, tantal, niobijum, molibden i volfram. Vanadijum, čija svojstva ćemo razmotriti u ovom članku, takođe s pravom zauzima jedno od centralnih mesta među metalima koji se koriste u savremenom mašinstvu, crnoj metalurgiji, alatnoj i hemijskoj proizvodnji. Metal formira četiri oksida sa kiseonikom, pokazujući u njima valencu od 2, 3, 4 i 5. 5 što ćemo detaljnije proučiti.
Upoznajte vanadij
U hemijskoj nauci postoji davno uspostavljenapravilo koje kaže da karakterizacija hemijskog elementa mora početi od njegove pozicije u periodičnom sistemu D. I. Mendeljejev. Hemijska formula vanadijuma kao jednostavne supstance je V, serijski broj 23, atomska masa 50, 9414. Nalazi se u četvrtom periodu, petoj grupi i zajedno sa niobijem i tantalom tipičan je predstavnik vatrostalni metali. Uzorci čiste supstance su plastični i imaju srebrno-sivu boju. Atom vanadijuma je d-element, ima dva s-elektrona na zadnjem energetskom nivou, međutim, one negativne čestice koje se nalaze na d-podnivou istog četvrtog nivoa će također 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 fizička svojstva vanadija visoke točke ključanja i topljenja, jednake 3400 ° C i 1920 ° C, respektivno. Kao i titanijum, drastično pogoršava svoje fizičke i hemijske parametre kada je kontaminiran nečistoćama kao što su azot, vodonik ili kiseonik. Posebno se smanjuje njegova duktilnost i mehanička čvrstoća, a vanadij postaje krhak.
Posebna hemijska svojstva
Metal je sposoban za pasivizaciju, tj. ima jedinstvenu sposobnost da izdrži djelovanje agresivnih kemijskih sredina: 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 omogućava 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 vanadijum. Zajedno sa niobijem, hromom i titanijumom, ovaj element se koristi za legiranje specijalnih legura koje se koriste u raketnoj nauci i svemirskoj industriji. Međutim, koncentrirane nitratne i sulfatne kiseline, otopina fluorovodonika u vodi i mješavina kloridnih i nitratnih kiselina, nazvana carska akva, lako stupaju u interakciju s metalom. Element vanadijum kao jednostavna supstanca može da reaguje sa hlorom, bromom, sumporom i nastaju odgovarajuće soli. Sa kisikom daje nekoliko oksida koji se uvelike razlikuju po svojim kemijskim svojstvima. Razmotrite ih dalje.
Bazni i amfoterni oksidi
Metal formira dva oksida, VO i V2O3, koji pokazuju tipična osnovna svojstva. U laboratoriji, monoksid se dobija reakcijom redukcije V2O5 fini vanadijev prah. Osnovni oksidi reaguju sa rastvorima kiselina i formiraju odgovarajuće soli. I već se iz njih mogu dobiti hidroksidi provođenjem reakcije izmjene s alkalijama. Vanadijum (III) oksid se nalazi kao komponenta minerala karelianita, a dobija se u laboratoriji zagrevanjem V2O5 sa sumporom, uglja ili vodonika. Oba osnovna oksida imaju jako izražena redukcijska svojstva. Oksid VO2 je tipično amfoterno jedinjenje koje reaguje i sa kiselinama i sa alkalijama. U rastvoru čija je pH vrednost manja od 7, nalaze se pozitivno naelektrisani vanadil joni VO2+, dajući rastvoru svetloplavu boju, a soli polivanadne kiseline se formiraju u alkalnom mediju. Vanadijum (IV) oksid privlači vodu, tj. je higroskopna supstanca, u reakcijama se ponaša kao redukciono sredstvo.
Vanadij hemipentoksid
Jedinjenje čija je formula V2O5, je najvažniji metalni oksid. To je u vodi rastvorljiva narandžasta kristalna supstanca koja reaguje sa alkalijama i formira vanadate - soli metavanadinske kiseline HVO3. Široko se koristi kao katalizator u oksidaciji sumpor-dioksida u sumporni anhidrid u industrijskoj proizvodnji sulfatne kiseline. Vanadijum pentoksid ima rombičnu kristalnu rešetku i znakove amfoternosti sa dominantnim svojstvima kiselog oksida. U reakcijama se ponaša kao jak oksidant. Jedinjenje se koristi u tehnologiji stakla, medicini i organskoj sintezi.
Metode za ekstrakciju vanadijuma iz njegovih jedinjenja
Ranije smo spomenuli da je metal komponenta željezne rude. U visokoj peći, element zajedno sa nečistoćama ugljenika i fosfora prelazi u liveno gvožđe. Prilikom taljenja čelika, vanadijev oksid 5 taloži se u sastavu šljake, gdje njegov sadržaj može dostići 16%. Dodavanje tomekuhinjske soli i pečenjem smjese u pećima, dobije se proizvod koji se dalje rastvara u vodi. Dobijeni vodeni koncentrat se tretira sa sulfatnom kiselinom i iz njega se izoluje V2O5. Da biste izolirali čisti vanadij od oksida, možete koristiti metodu termičke obrade kalcija - redukciju metala pomoću metalnog kalcija. Kako bi se smanjili tehnološki troškovi u reakciji s vanadij pentoksidom, aluminij se često koristi umjesto kalcija. Metal se takođe može dobiti redukcijom trovalentnog vanadijum oksida sa ugljem.
Biološka uloga
Vanadij je prisutan u živim organizmima kao element u tragovima, koji je dio međućelijske tekućine morskih bodljokožaca. Kod holotura i morskih ježeva 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, gde je u sastavu enzima pankreasa, u neuroglijama i nefronima. U biljkama, element u tragovima je uključen kao enzim u tamnoj fazi fotosinteze i utiče na nivo pigmenta hlorofila koji se nalazi u hloroplastima. Nalazi se i u bakterijama kvržica, koje su fiksatori dušika, u tkivima viših gljiva. Kao deo černozema, zajedno sa jedinjenjima bora, bakra, cinka i mangana, vanadijev oksid utiče na plodnost zemljišta.
U našem članku proučavali smo osnovna svojstva vanadijuma i njegovih oksida, a također smo razmotrili upotrebu njegovih spojeva uindustrija.
