Ванадий

ВАНАДИЙ (латинский Vanadium), V, химический элемент V группы короткой формы (5-й группы длинной формы) периодической системы; атомный номер 23, атомная масса 50,9415. Природный ванадий содержит 99,76% стабильного изотопа ⁵¹V и 0,24% слаборадиоактивного ⁵⁰V (К-захват, Т_1/2 3,25?10¹⁴лет); искусственно получены радиоактивные изотопы с массовыми числами 40-64, важнейший из которых ⁴⁸V (К-захват и β-распад, Т_1/2 16 суток).

Историческая справка. Ванадий был открыт в 1801 году мексиканским минералогом А. дель Рио, который получил окрашенные оксиды и соли неизвестного элемента, и назван по красивому красному цвету некоторых солей эритронием (от греческого ?ρυτρ?ς - красный). В 1830 году шведский химик Н. Сефстрём повторно открыл элемент и назвал его ванадий в честь древнескандинавской богини красоты Ванадис. В 1867 году английский химик Г. Роско получил металлический ванадий восстановлением VCl₂ водородом.

Распространённость в природе. Содержание ванадия в земной коре 0,02% по массе. В свободном виде в природе не встречается. Поскольку размеры атомов ванадия и самых распространённых металлов (Fe, Ti, MN), а также размеры ванадат- и фосфат-ионов близки, ванадий входит в состав многих минералов и комплексных руд других металлов (магнетитовых, титаномагнетитовых, осадочных железных, фосфоритов, апатитов и пр.). Основные минералы ванадия: патронит, деклуазит, карнотит, ванадинит, роскоэлит (смотри Ванадиевые руды). Ванадий содержится в веществах органического происхождения: нефти, углях, битумах и пр., морской воде.

Свойства. Конфигурация внешней электронной оболочки атома ванадия 3d³4s²; в соединениях проявляет степени окисления +5, +4 (менее устойчива); редко +3 и +2; электроотрицательность по Полингу 1,63; атомный радиус 132,1 пм; радиус иона V⁵⁺ 68 пм (координационное число 6).

Ванадий - серебристо-серый металл; кристаллическая решётка кубическая объёмно-центрированная; t_ПЛ 1920 °С, t_KИП 3400 °С; при 292 К плотность 6110 кг/м³, удельное электрическое сопротивление 24,8?10^-8 Ом?м; теплопроводность 30,7 Вт/(м?К) (при 300 К). Ванадий парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 6,28?10^-8 м³/кг; ниже 5,4 К переходит в сверхпроводящее состояние. В чистом состоянии ванадий ковок, легко поддаётся обработке давлением; устойчив к коррозии благодаря образованию защитной оксидной плёнки.

Ванадий характеризуется высокой химической инертностью. Растворяется в HF, концентрированных  НNО₃ и Н₂SO₄, царской водке. Ванадий не взаимодействует с растворами щелочей; с расплавами щелочей в присутствии окислителей образует ванадаты. При спекании V₂О₅ с карбонатами щелочных и щёлочноземельных металлов образуются ванадиевые бронзы (смотри Бронзы оксидные). С металлами ванадий образует сплавы (например, феррованадий) и интерметаллические соединения. Ванадий способен поглощать значительное количество водорода, азота. При нагревании на воздухе выше 300 °С ванадий поглощает кислород и становится хрупким.

При 600-700 °С на воздухе происходит интенсивное окисление ванадия до V₂О₅. Выше 700 °С в атмосфере азота ванадий образует нитрид VN (жёлтые кристаллы, t_ПЛ 2360 °С), с углеродом и углеродсодержащими газами выше 800 °С - карбид VC (чёрные кристаллы, t_ПЛ около 2830 °С). Силицид триванадия V₃Si (светло-серые кристаллы, t_ПЛ около 1910 °С) получают из V и Si конденсацией паров в вакууме. Диборид VB₂ (серые кристаллы, tпл около 2400 °С) получают восстановлением оксидов ванадия бором или В₄С в вакууме при 1500-1600 °С. Ванадий образует сульфиды: VS (тёмно-коричневые кристаллы), V₂S₃ (чёрные), V₂S₅ (чёрные). Галлид триванадия V₃Ga имеет сравнительно высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние (14,5 К). Ванадий образует комплексные, а также ванадийорганические соединения.

Ванадий относится к микроэлементам, его содержание в тканях растений до 0,2%, животных - около 2?10^-7%. Некоторые организмы, например асцидии, лишайники, избирательно концентрируют ванадий. Многие соединения ванадия токсичны: могут поражать нервную, дыхательную, пищеварительную и кровеносную системы, вызывать заболевания кожи.

Получение. Основной источник ванадия - ванадийсодержащие титаномагнетиты. При их плавке ванадий переходит в чугун, при переработке которого в сталь получают шлаки, содержащие 10-16% V₂О₅. Шлаки обжигают с NaCl, KCl, Na₂CO₃; обожжённый материал выщелачивают водой и разбавленной Н₂SO₄. Из растворов выделяют V₂О₅. Восстановлением V₂О₅ ферросилицием или Al получают феррованадий (35-80% V). Ковкий металлический ванадий получают кальциетермическим восстановлением V₂О₅ или V₂О₃, восстановлением V₂О₅ алюминием, вакуумной карботермией V₂О₃, магниетермией VCl₃. Ванадий наиболее высокой чистоты получают термической диссоциацией VI₂. Плавят ванадий в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом. Мировое производство ванадия около 25 тысяч т/год.

Применение. Ванадий в основном используют как легирующий компонент специальных конструкционных ванадийсодержащих сталей, обладающих хорошей ковкостью, прочностью, сопротивлением усталости и износоустойчивостью. В сталях ванадий взаимодействует с растворённым углеродом, образуя твёрдые и жаростойкие карбиды, которые способствуют образованию мелкокристаллической структуры. Ванадий используют также для легирования чугуна, как компонент сплавов для постоянных магнитов, жаропрочных, твёрдых и коррозионностойких сплавов, в атомной энергетике - для изготовления оболочек топливных элементов и ядерных реакторов: в химической промышленности соединения ванадия применяют как катализаторы. ⁴⁸V - радиоактивный индикатор.

Лит.: Clark R. The chemistry of titanium and vanadium. Amst. е. а., 1968; Слотвинский-Сидак Н. П., Андреев В. К. Ванадий в природе и технике. М., 1979; Ванадий в черной металлургии. М., 1983.