MÄÄRITELMÄ
Vanadiini sijaitsee jaksollisen järjestelmän toissijaisen (B) alaryhmän ryhmän V neljännessä jaksossa.
Viittaa d-perheen elementteihin. Metalli. Nimitys - V. Sarjanumero - 23. Suhteellinen atomimassa - 50.941 amu.
Vanadiiniatomin elektroninen rakenne
Vanadiiniatomi koostuu positiivisesti varautuneesta ytimestä (+23), jonka sisällä on 23 protonia ja 28 neutronia ja 23 elektronia liikkuu neljällä kiertoradalla.
Kuva 1. Vanadiiniatomin kaavamainen rakenne.
Elektronien jakautuminen kiertoradalla on seuraava:
1s 2 2s 2 2s 6 3s 2 3s 6 3d 3 4s 2 .
Vanadiiniatomin ulompi energiataso sisältää 5 elektronia, jotka ovat valenssielektroneja. Kalsiumin hapetusaste on +5. Perustilan energiakaavio on seuraavanlainen:
Kaavion perusteella voidaan väittää, että vanadiinilla on myös hapetusaste +3.
Esimerkkejä ongelmanratkaisusta
ESIMERKKI 1
| Harjoittele | Piirrä elektronien jakautuminen pii- ja vanadiiniatomien energiatasojen ja alatasojen välillä. Mihin alkuainetyyppeihin ne kuuluvat atomirakenteella? |
| Vastaus | Pii: 14 Si) 2) 8) 4; 1s 2 2s 2 2s 6 3s 2 3s 2 . Vanadiini: 23 V) 2) 8) 11) 2 ; 1s 2 2s 2 2s 6 3s 2 3s 6 3d 3 4s 2 . Pii kuuluu perheeseen s- ja vanadiini d-elementtejä. |
Vanadiini
VANADIUM- minä; m.[lat. Vanadiini Old Scandista.] Kemiallinen alkuaine (V), vaaleanharmaa kova metalli, jota käytetään arvokkaiden teräslaatujen valmistukseen. ● Nimetty muinaisnorjalaisen kauneuden jumalattaren Vanadisin mukaan sen suolojen kauniin värin vuoksi.
◁ Vanadiini, -aya, -oh. Toiset malmit. Toinen teräs.
vanadiini(lat. Vanadiini), jaksollisen järjestelmän ryhmän V kemiallinen alkuaine. Nimi tulee muinaisnorjalaisesta kauneuden jumalattaresta Vanadista. Teräksenharmaa kova metalli. Tiheys 6,11 g/cm3 t pl 1920°C. Kestää vettä ja monia happoja. Se on levinnyt maankuoreen ja usein mukana raudassa (rautamalmit ovat tärkeä teollinen vanadiinin lähde). Ilmailu- ja avaruusteknologiassa, laivojen laivanrakennuksessa käytettyjen rakenneterästen ja metalliseosten seoskomponentti, suprajohtavien metalliseosten komponentti. Vanadiiniyhdisteitä käytetään tekstiili-, maali- ja lakkateollisuudessa sekä lasiteollisuudessa.
VANADIUMVANADIUM (lat. Vanadium), V (lue "vanadium"), kemiallinen alkuaine atominumerolla 23, atomipaino 50,9415. Luonnollinen vanadiini on kahden nuklidin seos (cm. NUCLIDE): vakaa 51 V (99,76 massa-%) ja heikosti radioaktiivinen 52 V (puoliintumisaika yli 3,9 10 17 vuotta). Kahden ulomman elektronisen kerroksen konfigurointi 3 s 2
s 6
d 3
4s 2
. Mendelejevin jaksollisessa taulukossa se sijaitsee neljännellä jaksolla ryhmässä VB. Vanadiini muodostaa yhdisteitä hapetusasteissa +2 - +5 (valenssi II - V).
Neutraalin vanadiiniatomin säde on 0,134 nm, V 2+ -ionien säde on 0,093 nm, V 3+ - 0,078 nm, V 4+ - 0,067-0,086 nm, V 5+ - 0,050-0,068 nm Vanadiiniatomin peräkkäiset ionisaatioenergiat ovat 6,74, 14,65, 29,31, 48,6 ja 65,2 eV. Paulingin asteikon mukaan vanadiinin elektronegatiivisuus on 1,63.
Vapaassa muodossaan se on kiiltävää hopeanharmaata metallia.
Löytöjen historia
Meksikolainen mineralogi A. M. del Rio löysi vanadiinin vuonna 1801 Zimapanin kaivoksesta peräisin olevan lyijymalmin epäpuhtaudeksi. Del Rio nimesi uuden alkuaineen erythroniumiksi (kreikan sanasta erythros - punainen) sen yhdisteiden punaisen värin vuoksi. Myöhemmin hän kuitenkin päätti, ettei hän ollut löytänyt uutta alkuainetta, vaan kromia, jotka löydettiin neljä vuotta aiemmin ja joita ei vieläkään lähes tutkittu. Vuonna 1830 saksalainen kemisti F. Wöhler tutki meksikolaista mineraalia. (cm. WELER Friedrich) Fluoridimyrkytyksen jälkeen hän kuitenkin keskeytti tutkimuksen useiksi kuukausiksi. Samana vuonna ruotsalainen kemisti N. Sefström (cm. SEFStröm Nils Gabriel) kiinnitti huomiota epäpuhtauden esiintymiseen rautamalmissa, joka sisälsi tunnettujen alkuaineiden ohella jotain uutta ainetta. J. Berzeliuksen laboratoriossa tehdyn analyysin tuloksena (cm. BERZELIUS Jens Jacob) todistettiin, että uusi elementti oli löydetty. Tämä elementti muodostaa yhdisteitä kauniilla väreillä, mistä johtuu elementin nimi, joka liittyy skandinaavisen kauneuden jumalattaren Vanadisin nimeen. Vuonna 1831 Wöhler todisti erytroniumin ja vanadiinin identiteetin, mutta alkuaine säilytti Sefströmin ja Berzeliuksen sille antaman nimen.
Luonnossa oleminen
Vanadiinia ei esiinny luonnossa vapaassa muodossaan, se on luokiteltu hivenaineeksi. (cm. HIVENAINEET). Vanadiinipitoisuus maankuoressa on 1,6 10 -2 massaprosenttia, valtamerivedessä 3,10 -7 %. Tärkeimmät mineraalit: patroniitti V(S 2) 2, vanadiniitti Pb 5 (VO 4) 3 Cl ja joitain muita. Pääasiallinen vanadiinin lähde ovat rautamalmit, jotka sisältävät vanadiinia epäpuhtautena.
Kuitti
Teollisuudessa, kun rautamalmeista saadaan vanadiinia sen seoksella, valmistetaan ensin rikaste, jossa vanadiinipitoisuus on 8-16 %. Seuraavaksi hapettavalla käsittelyllä vanadiini siirretään korkeimpaan hapetusasteeseen +5 ja erotetaan helposti veteen liukeneva natriumvanadaatti NaVO 3. Kun liuos tehdään happamaksi rikkihapolla, muodostuu sakka, joka kuivaamisen jälkeen sisältää yli 90 % vanadiinia.
Primääririkaste pelkistetään masuuneissa ja saadaan vanadiinirikastetta, jota sitten käytetään vanadiinin ja raudan lejeeringin - ns. ferrovanadiumin (sisältää 35-70 % vanadiinia) - sulatukseen. Metallista vanadiinia voidaan valmistaa pelkistämällä vanadiinikloridia vedyllä, pelkistämällä vanadiinioksidit (V 2 O 5 tai V 2 O 3) kalsiumtermiselle, VI 2:n termisellä dissosiaatiolla ja muilla menetelmillä.
Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet
Vanadiini on ulkonäöltään samanlainen kuin teräs; se on melko kovaa, mutta samalla sitkeää metallia. Sulamispiste 1920 °C, kiehumispiste noin 3400 °C, tiheys 6,11 g/cm3. Kidehila on kuutiomainen, runkokeskeinen, parametri a = 0,3024 nm.
Kemiallisesti vanadiini on melko inerttiä. Se kestää merivettä, laimennettuja suola-, typpi- ja rikkihappoliuoksia sekä emäksiä. Hapen kanssa vanadiini muodostaa useita oksideja: VO, V 2 O 3, V 3 O 5, VO 2, V 2 O 5. Oranssi V 2 O 5 on hapan oksidi, tummansininen VO 2 on amfoteerinen, loput vanadiinioksidit ovat emäksisiä. Halogeenien kanssa vanadiini muodostaa halogenideja koostumuksista VX 2 (X = F, Cl, Br, I), VX 3, VX 4 (X = F, Cl, Br), VF 5 ja useita oksohalideja (VOCl, VOCl 2, VOF 3 jne.).
Vanadiiniyhdisteet hapetusasteissa +2 ja +3 ovat vahvoja pelkistäviä aineita, hapetustilassa +5 niillä on hapettimien ominaisuuksia. Tulenkestävä vanadiinikarbidi VC (t pl =2800 °C), vanadiininitridi VN, vanadiinisulfidi V 2 S 5, vanadiinisilikidi V 3 Si ja muut vanadiiniyhdisteet tunnetaan.
Kun V2O5 on vuorovaikutuksessa emäksisten oksidien kanssa, muodostuu vanadaatteja (cm. VANADATES)- vanadiinihapposuolat, joiden koostumus on todennäköinen H2.
Sovellus
Vanadiinia käytetään pääasiassa seosaineena kulutusta, lämpöä ja korroosiota kestävien metalliseosten (pääasiassa erikoisterästen) valmistuksessa sekä komponenttina magneettien valmistuksessa. Vanadiinioksidi V 2 O 5 toimii tehokkaana katalyyttinä esimerkiksi rikkidioksidin SO 2 hapetuksessa rikkikaasuksi SO 3 rikkihapon tuotannossa. Vanadiiniyhdisteillä on useita sovelluksia eri teollisuudenaloilla (tekstiili-, lasi-, maali- ja lakkateollisuudessa jne.).
Biologinen rooli
Vanadiinia on jatkuvasti läsnä kaikkien organismien kudoksissa pieniä määriä. Kasveilla sen pitoisuus (0,1-0,2 %) on merkittävästi korkeampi kuin eläimissä (1·10 –5 -1·10 –4 %). Jotkut meren organismit - sammaleläimet, nilviäiset ja erityisesti askidiaanit - pystyvät väkevöimään vanadiinia merkittäviä määriä (askidioissa vanadiinia löytyy veriplasmasta tai erityisistä soluista - vanadosyyteistä). Ilmeisesti vanadiini osallistuu joihinkin kudosten oksidatiivisiin prosesseihin. Ihmisen lihaskudos sisältää 2,10 - 6 % vanadiinia, luukudos - 0,35 × 10 - 6 %, veressä - alle 2,10 - 4 % mg/l. Keskivertoihminen (paino 70 kg) sisältää yhteensä 0,11 mg vanadiinia. Vanadiini ja sen yhdisteet ovat myrkyllisiä. Myrkyllinen annos ihmisille on 0,25 mg, tappava annos on 2-4 mg. V 2 O 5:lle suurin sallittu pitoisuus ilmassa on 0,1-0,5 mg/m 3 .
tietosanakirja. 2009 .
Synonyymit:Katso, mitä "vanadium" on muissa sanakirjoissa:
- (lat. vanadiini). Hauras metalli, väriltään valkoinen, löydetty vuonna 1830 ja nimetty skandinaavisen jumaluuden Vanadiumin mukaan. Venäjän kielen vieraiden sanojen sanakirja. Chudinov A.N., 1910. VANADIUM lat. vanadiini, nimeltään Vanadia, ...... Venäjän kielen vieraiden sanojen sanakirja
- (kemiallinen arvo V, atomipaino 51) kemiallinen alkuaine, joka on samanlainen kuin fosforin ja typen yhdisteet. V. yhdisteitä löytyy usein, vaikkakin vähäisinä määrinä, rautamalmeista ja joistakin savista; vanadiinirautamalmien esikäsittely, V. osa... ... Brockhausin ja Efronin tietosanakirja
Vanad-sanakirja venäjän synonyymeistä. vanadiini substantiivi, synonyymien lukumäärä: 2 vanadiini (1) elementti... Synonyymien sanakirja
VANADIUM- VANADIUM, kemiallinen. merkki V, klo. V. 51,0, kova, elastinen teräksenvärinen metalli, sulamispiste 1715°, sp. paino 5,688. V. yhdisteet ovat laajalle levinneitä luonnossa. Nämä yhdisteet ovat myrkkyjä, jotka eivät ole vahvuudeltaan arseenia huonompia; heillä on... ... Suuri lääketieteellinen tietosanakirja
- (Vanadium), V, jaksollisen järjestelmän ryhmän V kemiallinen alkuaine, atominumero 23, atomimassa 50,9415; metalli, sulamispiste 1920°C. Käytetään teräksen ja valuraudan seostukseen, lämmönkestävien, kovien ja korroosionkestävien metalliseosten komponenttina, kuten... Nykyaikainen tietosanakirja
- (lat. Vanadiini) V, jaksollisen järjestelmän ryhmän V kemiallinen alkuaine, atominumero 23, atomimassa 50,9415. Nimi tulee muinaisnorjalaisesta kauneuden jumalattaresta Vanadista. Teräksenharmaa kova metalli. Tiheys 6,11 g/cm³, sulamispiste 1920 .C.… … Suuri Ensyklopedinen sanakirja
- (symboli V), SIIRTYMÄELEMENTTI, löydetty vuonna 1801. Hopeanvalkoinen, muokattava, kova metalli. Löytyy RAUTA-, LYYJY- JA URAANImalmeista sekä hiilestä ja öljystä. Käytetään terässeoksissa lisäämään lujuutta ja lämmönkestävyyttä.… … Tieteellinen ja tekninen tietosanakirja Fyysinen tietosanakirja
vanadiini- V Elementti ryhmästä V Jaksollinen. järjestelmät; klo. n. 23, klo. m 50,942; teräksen harmaa metalli. Natural V koostuu kahdesta isotoopista: 51V (99,75%) ja 50V (0,25%). V avattiin vuonna 1801 Meksikossa. mineralogi A. M. del Rio. Prom. V-asteikko...... Teknisen kääntäjän opas
Vanadiini(vanadiini), v, Mendelejevin jaksollisen järjestelmän ryhmän V kemiallinen alkuaine; atomiluku 23, atomimassa 50,942; metallin harmaa-teräs väri. Natural V. koostuu kahdesta isotoopista: 51 v (99,75 %) ja 50 v (0,25 %); jälkimmäinen on heikosti radioaktiivista (puoliintumisaika T 1/2 = 10 14 vuotta). V:n löysi vuonna 1801 meksikolainen mineralogi A. M. del Rio meksikolaisesta ruskeasta lyijymalmista, ja se sai nimensä kuumennettujen erythronium-suolojen kauniin punaisen värin mukaan (kreikan sanasta erythr o s - red). Vuonna 1830 ruotsalainen kemisti N. G. Sefström löysi uuden alkuaineen rautamalmista Tabergista (Ruotsi) ja antoi sille nimen V. muinaisnorjalaisen kauneuden jumalattaren Vanadisin kunniaksi. Vuonna 1869 englantilainen kemisti G. Roscoe sai jauhemaista metallia V. pelkistämällä vcl 2 vedyllä. V. on louhittu teollisessa mittakaavassa 1900-luvun alusta lähtien.
Maankuoren V-pitoisuus on 1,5-10 -2 painoprosenttia, se on melko yleinen alkuaine, mutta hajallaan kiviin ja mineraaleihin. V.-mineraalien suuresta määrästä teollisesti tärkeitä ovat patroniitti, roskoeliitti, dekloysiitti, karnotiitti, vanadiniitti ym. Tärkeitä V:n lähteitä ovat titanomagnetiitti ja sedimenttiset (fosfori)rautamalmit sekä hapettuneet kupari-lyijy- sinkkimalmit. V. uutetaan sivutuotteena uraanin raaka-aineiden, fosforiittien, bauksiittien ja erilaisten orgaanisten esiintymien (asfaltiitit, öljyliuske) jalostuksen yhteydessä.
Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. V.:ssä on kehokeskeinen kuutiohila, jonka jakso on a = 3,0282 å. Puhtaassa tilassaan V. on taottu ja sitä voidaan helposti käsitellä paineella. Tiheys 6.11 G/ cm 3 , t pl 1900 ± 25°С, t paali 3400 °C; ominaislämpökapasiteetti (20-100°C:ssa) 0,120 ulosteet/ ggrad; lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (20-1000°C:ssa) 10,6·10 -6 rakeita-1, sähköinen ominaisvastus 20 °C:ssa 24,8·10 -8 ohm· m(24,8·10 -6 ohm· cm), alle 4,5 K V. se menee suprajohtavaan tilaan. Erittäin puhtaan V. mekaaniset ominaisuudet hehkutuksen jälkeen: kimmokerroin 135,25 n/ m 2 (13520 kgf/ mm 2), vetolujuus 120 nm/ m 2 (12 kgf/ mm 2), venymä 17%, Brinell-kovuus 700 pl/ m 2 (70 kgf/ mm 2). Kaasun epäpuhtaudet vähentävät jyrkästi kuidun plastisuutta ja lisäävät sen kovuutta ja haurautta.
Tavallisissa lämpötiloissa V. ei ole alttiina ilmalle, merivedelle ja alkaliliuoksille; kestää ei-hapettavia happoja, paitsi fluorivetyhappo. Suola- ja rikkihapon korroosionkestävyyden suhteen V. on huomattavasti parempi kuin titaani ja ruostumaton teräs. Kuumennettaessa ilmassa yli 300 °C:seen se imee happea ja muuttuu hauraaksi. 600-700°C:ssa V. hapettuu voimakkaasti, jolloin muodostuu pentoksidia v 2 o 5 sekä alempia oksideja. Kun V kuumennetaan yli 700 °C typpivirrassa, nitridi vn ( t sp. 2050 °C), stabiili vedessä ja hapoissa. V. on vuorovaikutuksessa hiilen kanssa korkeissa lämpötiloissa, jolloin muodostuu tulenkestävää karbidia vc ( t pl 2800°C), jolla on korkea kovuus.
V. antaa yhdisteitä, jotka vastaavat valensseja 2, 3, 4 ja 5; Sen mukaisesti tunnetaan seuraavat oksidit: vo ja v 2 o 3 (jolla on emäksinen luonne), vo 2 (amfoteerinen) ja v 2 o 5 (hapan). 2- ja 3-arvoisen lasiaisen yhdisteet ovat epästabiileja ja voimakkaita pelkistäviä aineita. Yhdisteet, joilla on korkeampi valenssi, ovat käytännön tärkeitä. V:n taipumusta muodostaa eri valenssisia yhdisteitä käytetään analyyttisessä kemiassa ja se määrittää myös v 2 o 5:n katalyyttiset ominaisuudet. V. pentoksidi liukenee emäksiin muodostaen vanadaatit.
Kuitti ja hakemus. Mineraalien uuttamiseen käytetään: malmin tai malmirikasteen suora uutto happo- ja emäsliuoksilla; raaka-aineen polttaminen (usein nacl-lisäaineilla), jota seuraa poltetun tuotteen huuhtoutuminen vedellä tai laimeilla hapoilla. Hydratoitua V-pentoksidia eristetään liuoksista hydrolyysillä (pH = 1-3) Kun vanadiinipitoisia rautamalmeja sulatetaan masuunissa, V muuttuu valuraudaksi, jonka käsittelyn aikana kuona sisältää 10-16 % v. 2 o 5 saadaan teräkseksi. Vanadiinikuonat paahdetaan ruokasuolan kanssa. Palanut materiaali uutetaan vedellä ja sitten laimealla rikkihapolla. V 2 o 5 eristetään liuoksista. Jälkimmäistä käytetään sulatukseen ferronadium(raudaseokset, joissa on 35-70 % V.) ja saadaan metalli V. ja sen yhdisteet. Muokattava metalli V. saadaan pelkistämällä puhdasta v 2 o 5 tai v 2 o 3 kalsium-lämpöpelkistämällä; v 2 o 5:n vähentäminen alumiinilla; tyhjiöhiili-terminen pelkistys v 2 o 3; magnesium-terminen pelkistys vc1 3; jodidin lämpödissosiaatio.V. sulatetaan tyhjökaariuuneissa kulutuselektrodilla ja elektronisuihkuuuneissa.
Rautametallurgia on metallin pääasiallinen kuluttaja (jopa 95 % kaikesta tuotetusta metallista). V. on nopean teräksen, sen korvikkeiden, niukkaseosteisten työkaluterästen ja joidenkin rakenneterästen komponentti. Kun otetaan käyttöön 0,15-0,25 % V., teräksen lujuus, sitkeys, väsymiskestävyys ja kulutuskestävyys kasvavat jyrkästi. Teräkseen lisätty V. on sekä hapettumista poistava että karbidia muodostava alkuaine. V. karbidit, jotka jakautuvat hajallaan inkluusioiden muodossa, estävät rakeiden kasvua terästä kuumennettaessa. V. viedään teräkseen pääseoksen - ferrovanadiinin - muodossa. V:tä käytetään myös valuraudan seostukseen. Uusi titaanin kuluttaja on nopeasti kehittyvä titaaniseosteollisuus; jotkin titaaniseokset sisältävät jopa 13 % V. Ilmailussa, raketissa ja muilla tekniikan aloilla on käytetty niobiumiin, kromiin ja tantaaliin perustuvia seoksia, jotka sisältävät lisäaineita V. Lämmönkestävät ja korroosionkestävät seokset, jotka perustuvat V:iin lisättynä ti, nb on kehitetty. , w, zr ja al, joiden käyttöä odotetaan ilmailu-, raketti- ja ydinteknologiassa. Mielenkiintoisia ovat suprajohtavat seokset ja V-yhdisteet, joissa on ga, si ja ti.
Puhdasta metallista V.:tä käytetään ydinenergiassa (polttoaine-elementtien kuoret, putket) ja elektroniikkalaitteiden valmistuksessa.
V. yhdisteitä käytetään kemianteollisuudessa katalyytteinä, maataloudessa ja lääketieteessä, tekstiili-, maali- ja lakka-, kumi-, keramiikka-, lasi-, valokuva- ja filmiteollisuudessa.
V. yhdisteet ovat myrkyllisiä. Myrkytys on mahdollista hengittämällä pölyä sisältäviä yhdisteitä B. Ne aiheuttavat hengitysteiden ärsytystä, keuhkoverenvuotoa, huimausta, sydämen, munuaisten toiminnan häiriöitä jne.
V. kehossa. V. on pysyvä osa kasvi- ja eläinorganismeja. Veden lähteenä ovat magmaiset kivet ja liuskeet (sisältävät noin 0,013 % vettä) sekä hiekka- ja kalkkikivet (noin 0,002 % vettä). Maaperässä V. on noin 0,01 % (pääasiassa humuksessa); makeissa ja merivesissä 1,10 7 -2,10 7 %. Maa- ja vesikasveilla V.:n pitoisuus on merkittävästi korkeampi (0,16-0,2 %) kuin maa- ja merieläimissä (1,5·10 -5 -2,10 -4 %). V.-rikastajat ovat: sammal-plumatella, nilviäinen pleurobranchus plumula, merikurkku stichopus mobii, jotkut askidiit, homeista - musta aspergillus, sienistä - myrkkysieni (amanita muscaria). V.:n biologista roolia on tutkittu askidioissa, joiden verisoluissa V. on 3- ja 4-valenttisessa tilassa, eli vallitsee dynaaminen tasapaino.
V.:n fysiologinen rooli askidioissa ei liity hapen ja hiilidioksidin hengitykseen, vaan redox-prosesseihin – elektronien siirtoon niin sanotun vanadiinijärjestelmän avulla, jolla on luultavasti fysiologista merkitystä muissa organismeissa.
Lit.: Meerson G. A., Zelikman A. N., Metallurgy of harvinaisten metallien, M., 1955; Polyakov A. Yu., Vanadiinimetallurgian perusteet, M., 1959; Rostoker U., Vanadium Metallurgy, käänn. Englannista, M., 1959; Kieffer p., Brown H., vanadiini, niobium, tantaali, trans. saksasta, M., 1968; Handbook of Rare Metals, [trans. englannista], M., 1965, s. 98-121; Tulenkestävät materiaalit koneenrakennuksessa. Directory, M., 1967, s. 47-55, 130-32; Kovalsky V.V., Rezaeva L.T., Vanadiinin biologinen rooli askidioissa, "Modernin biologian edistysaskel", 1965, v. 60, v. 1(4); Bowen N. j. M., hivenaineet biokemiassa, l. - n. v., 1966.
I. Romankov. V. V. Kovalsky.
Vanadiini on kemiallinen alkuaine, jota symboloi symboli "V". Vanadiinin atomimassa on 50,9415 a. e.m., atomiluku - 23. Se on kova hopeanharmaa, muokattava ja sulava metalli, jota harvoin tavataan luonnossa. Sitä löytyy yli 60 mineraalista ja jopa fossiilisista polttoaineista.
Tuntematon löytö
Metallivanadiinin löysi ensimmäisen kerran espanjalaissyntyinen meksikolainen mineralogi Andres Manuel Del Rio vuonna 1801. Tutkija on louhinut uuden alkuaineen Meksikossa louhitusta "ruskeasta" lyijymalmista. Kuten käy ilmi, metallin suoloilla on laaja valikoima värejä, joten Del Rio nimesi sen alun perin "panchromium" (kreikan sanasta "παγχρώμιο" - "monivärinen").
Minerologi nimesi myöhemmin alkuaineen erythronium (kreikan sanasta "ερυθρός" - "punainen"), koska useimmat suolat muuttuivat punaisiksi kuumennettaessa. Vaikuttaa siltä, että uskomaton onni hymyili vähän tunnetulle tiedemiehelle Euroopassa. Uuden kemiallisen alkuaineen vanadiinin löytäminen lupasi, jos ei mainetta, niin ainakin tunnustusta kollegoilta. Kuitenkin, koska tieteellisessä maailmassa ei ollut merkittävää auktoriteettia, meksikolaisen saavutus jätettiin huomiotta.
Vuonna 1805 ranskalainen kemisti Hippolyte Victor Collet-Decotils ehdotti, että Del Rion tutkima uusi alkuaine oli vain näyte lyijykromaatista, jossa on epäpuhtauksia. Lopulta meksikolainen tutkija hyväksyi Collet-Decotillen lausunnon ja hylkäsi löytönsä, jotta hän ei täysin menettäisi kasvojaan tieteellisen veljeyden edessä. Hänen saavutuksensa ei kuitenkaan haihtunut unohduksiin. Nykyään Andres Manuel Del Rio tunnustetaan harvinaisen metallin löytäjäksi.
Avataan uudelleen
Vuonna 1831 ruotsalainen Nils Gabriel Sefström löysi uudelleen kemiallisen alkuaineen vanadiinin oksidista, jonka hän sai työskennellessään rautamalmin kanssa. Tiedemies valitsi kirjaimen "V" tunnuksekseen, jota ei ole vielä osoitettu millekään elementille. Säfström nimesi uuden metallin sen kauniin ja täyteläisen värisävyn vuoksi muinaisnorjalaisen kauneudenjumalattaren Vanadisin mukaan.
Uutinen herätti lisääntynyttä kiinnostusta tiedeyhteisössä. Muistimme heti meksikolaisen mineralogin työn. Samana vuonna 1831 Friedrich Wöhler tarkasti ja vahvisti Del Rion aiemman löydön. Ja geologi George William Featherstonhoop jopa ehdotti metallin nimeämistä "rioniumiksi" löytäjän kunniaksi, mutta aloitetta ei tuettu.
Käsittämätön
Vanadiinimetallin eristäminen puhtaassa muodossaan on osoittautunut vaikeaksi. Ennen tätä tutkijat työskentelivät vain sen suolojen kanssa. Siksi vanadiinin todellisia ominaisuuksia ei tunneta. Vuonna 1831 Berzelius ilmoitti saaneensa metalloitua ainetta, mutta Henry Enfield Roscoe osoitti, että Berzelius oli todella tuottanut vanadiininitridiä (VN). Roscoe lopulta tuotti metallin vuonna 1867 pelkistämällä vanadiinikloridia (VCl 2) vedyllä. Vuodesta 1927 lähtien puhdasta vanadiinia on saatu pelkistämällä vanadiinipentoksidia kalsiumilla.
Elementin ensimmäinen teollinen sarjakäyttö on peräisin vuodelta 1905. Metallia lisättiin terässeokseen kilpa-auton alustan valmistamiseksi ja myöhemmin Ford Model T:n ominaisuuksiin. Vanadiumin ominaisuudet auttavat vähentämään rakenteellista painoa ja lisäämään vetolujuutta. Muuten, saksalainen kemisti Martin Henze löysi vanadiinia meren asukkaiden verisoluista (tai coelomic soluista) - acidioista - vuonna 1911.
Fyysiset ominaisuudet
Vanadiini on muokattava harmaansininen metalli, jonka kovuus on keskikovaa ja jonka kiilto on terästä ja jonka tiheys on 6,11 g/cm³. Jotkut lähteet kuvailevat materiaalia pehmeäksi, mikä tarkoittaa sen suurta taipuisuutta. Elementin kiderakenne on monimutkaisempi kuin useimpien metallien ja terästen.
Vanadiinilla on hyvä korroosionkestävyys, emäkset, rikki- ja kloorivetyhappo. Se hapettuu ilmassa noin 660 °C:ssa (933 K, 1220 °F), vaikka oksidin passivoitumista tapahtuu jopa huoneenlämpötilassa. Tämä materiaali sulaa, kun lämpötila saavuttaa 1920 °C, ja kiehuu 3400 °C:ssa.
Kemialliset ominaisuudet
Vanadiini muodostaa hapen vaikutuksesta neljän tyyppisiä oksideja:
Tyypin (II) vanadiiniyhdisteet ovat pelkistäviä aineita ja tyypin (V) yhdisteet ovat hapettavia aineita. Yhdisteet (IV) esiintyvät usein vanadyylikationin johdannaisina.
Oksidi
Kaupallisesti tärkein yhdiste on vanadiinipentoksidi. Se on ruskeankeltainen kiinteä aine, vaikka vesiliuoksesta juuri saostettuna sen väri on tummanoranssi.
Oksidia käytetään katalyyttinä rikkihapon valmistuksessa. Tämä yhdiste hapettaa rikkidioksidin (SO 2) trioksidiksi (SO 3). Tässä redox-reaktiossa rikki hapettuu arvosta +4 arvoon +6 ja vanadiini pelkistyy arvosta +5 arvoon +4. Vanadiinin kaava on seuraava:
V 2 O 5 + SO 2 → 2VO 2 + SO 3
Katalyytti regeneroidaan hapen hapettumisen avulla:
2VO 2 + O 2 → V 2 O 5
Samanlaisia hapetusprosesseja käytetään maleiinihappoanhydridin, ftaalihappoanhydridin ja useiden muiden bulkkiorgaanisten yhdisteiden valmistuksessa.
Tätä oksidia käytetään myös ferrovanadiumin valmistuksessa. Se lämmitetään raudalla ja ferrosiilillä kalkkia lisäämällä. Käytettäessä alumiinia syntyy rauta-vanadiiniseos ja sivutuotteena alumiinioksidia. Suuren lämpövastuskertoimensa ansiosta vanadiini(V)oksidia käytetään ilmaisinmateriaalina bolometreissä ja mikrobolometriryhmissä lämpökuvauslaitteissa.
Ominaisuudet
Harvinaisella metallilla on seuraavat ominaisuudet:
- Kristallirakenne: vartalokeskeinen kuutio.
- Äänenjohtavuus: 4560 m/s (20°C:ssa).
- Vanadiinin valenssi: V (harvemmin IV, III, II).
- Lämpölaajeneminen: 8,4 µm/(m K) (25 °C:ssa).
- Lämmönjohtavuus: 30,7 W/(m K).
- Sähkövastus: 197 nΩ m (20 °C:ssa).
- Magnetismi: paramagneettinen.
- Magneettinen herkkyys: +255·10 -6 cm 3 /mol (298K).
- Kimmomoduuli: 128 GPa.
- Leikkausmoduuli: 47 GPa.
- Kimmokerroin: 160 GPa.
- Poissonin suhde: 0,37.
- Kovuus Mohsin asteikolla: 6,7.
- Vickers-kovuus: 628-640 MPa.
- Brinell-kovuus: 600-742 MPa.
- Elementtiluokka: siirtymämetalli.
- Elektroninen konfigurointi: 3d 3 4s 2.
- Sulamislämpö: 21,5 kJ/mol.
- Haihdutuslämpö: 444 kJ/mol.
- Molaarinen lämpökapasiteetti: 24,89 J/(mol K).
Vanadiini jaksollisessa taulukossa on 5. ryhmässä (vanadiinialaryhmä), 4. jaksossa, d-lohko.
Leviäminen
Vanadiinia on maailmankaikkeuden mittakaavassa noin 0,0001 % aineen kokonaistilavuudesta. Se on yhtä yleinen kuin kupari ja sinkki. Metalli löydettiin Auringon ja muiden tähtien spektraalisesta hehkusta.
Alkuaine on maankuoren 20. yleisin. Metallivanadiini on kiteisessä muodossa melko harvinainen, mutta tämän materiaalin yhdisteitä löytyy 65 eri mineraalista. Niistä taloudellisesti merkittäviä ovat patroniitti (VS 4), vanadiniitti (Pb 5 (VO 4) 3 Cl) ja karnotiitti (K 2 (UO 2) 2 (VO 4) 2 3 H 2 O).
Vanadyyli-ioneja on runsaasti merivedessä, ja niiden keskimääräinen pitoisuus on 30 nMa. Jotkut kivennäisvesilähteet sisältävät myös näitä ioneja korkeina pitoisuuksina. Esimerkiksi Fuji-vuoren lähellä olevat lähteet sisältävät jopa 54 µg/l.
Tuotanto
Suurin osa tästä harvinaisesta metallista saadaan vanadiinimagnetiitista, jota löytyy ultramafisista magmaisista gabbrokivistä. Raaka-aineita louhitaan pääasiassa Etelä-Afrikassa, Luoteis-Kiinassa ja Itä-Venäjällä. Vuonna 2013 nämä maat tuottivat yli 97 % kaikesta vanadiinista (79 000 tonnia painosta).
Metallia on myös bauksiitissa ja raakaöljyn, kivihiilen, öljyliuskeen ja tervahiekkojen esiintymissä. Raakaöljyssä on raportoitu pitoisuuksia jopa 1200 ppm. Vanadiinin (jotkin sen oksidit) hapettavista ominaisuuksista johtuen tällaisten öljytuotteiden palamisen jälkeen elementin jäämät voivat aiheuttaa korroosiota moottoreissa ja kattiloissa.
Arviolta 110 000 tonnia ainetta vapautuu ilmakehään vuosittain fossiilisten polttoaineiden polttamisen seurauksena. Nykyään kehitetään teknologioita arvokkaiden aineiden erottamiseksi hiilivedyistä.
Tuotanto
Vanadiinia käytetään ensisijaisesti lisäaineena terässeoksille, joita kutsutaan ferroseoksiksi. Ferrovanadium valmistetaan suoraan pelkistämällä valenssi (V) vanadiinioksidin, rautaoksidien ja puhtaan raudan seos sähköuunissa.
Metalli valmistetaan monivaiheisella prosessilla, joka alkaa pasuttamalla jauhettua vanadiinimagnetiittimalmia lisäämällä natriumkloridia (NaCl) tai natriumkarbonaattia (Na2CO3) noin 850 °C:ssa natriummetavanadaatin (NaVO3) tuottamiseksi. Tämän aineen vesipitoinen uute tehdään happamaksi polyvanadaattisuolan saamiseksi, joka pelkistetään kalsiummetallilla. Vaihtoehtona pienimuotoiselle tuotannolle vanadiinipentoksidi pelkistetään vedyllä tai magnesiumilla.
Käytetään myös monia muita menetelmiä, jotka kaikki tuottavat vanadiinia muiden prosessien sivutuotteena. Sen puhdistaminen on mahdollista Anton Eduard van Arkelin ja Jan Hendrik de Boerin vuonna 1925 kehittämällä jodidimenetelmällä. Se sisältää vanadiini(III)jodidin muodostumisen ja sen myöhemmän hajoamisen puhtaan metallin tuottamiseksi:
2 V + 3I 2 ⇌ 2 VI 3
Japanilaiset keksivät melko eksoottisen tavan saada tämä elementti. Ne kasvattavat askidia (eräänlainen chordata) vedenalaisilla viljelmillä, jotka imevät vanadiinia merivedestä. Sitten ne kerätään ja poltetaan. Tuloksena olevasta tuhkasta uutetaan arvokasta metallia. Muuten, sen pitoisuus on tässä tapauksessa paljon korkeampi kuin rikkaimmissa esiintymissä.
Seokset
Mitä ovat vanadiinilejeeringit? Noin 85 % tuotetusta harvinaisesta metallista käytetään ferroanadiumin valmistukseen tai teräksen lisäaineena. 1900-luvun alussa havaittiin, että pienikin määrä vanadiinia lisää merkittävästi teräksen lujuutta. Tämä elementti muodostaa stabiileja nitridejä ja karbideja, mikä parantaa terästen ja metalliseosten ominaisuuksia.
Siitä lähtien vanadiinia on käytetty pyörillä varustettujen ajoneuvojen akseleissa, rungoissa, kampiakseleissa, vaihteissa ja muissa tärkeissä osissa. Seoksia on kaksi ryhmää:
- Korkea hiilipitoisuus, jonka pitoisuus on 0,15-0,25 % vanadiinia.
- Nopeat työkaluteräkset (HSS), jotka sisältävät 1-5 % tätä alkuainetta.
HSS-laatuteräksillä voidaan saavuttaa kovuus yli HRC 60. Niitä käytetään kirurgisissa instrumenteissa. Jauhemetallurgiassa seokset voivat sisältää jopa 18 % vanadiinia. Näiden metalliseosten korkea karbidipitoisuus lisää merkittävästi kulutuskestävyyttä. Niistä valmistetaan työkalut ja veitset.
Ominaisuuksiensa ansiosta vanadiini stabiloi titaanin beetamuotoa, lisää sen lujuutta ja lämpötilan kestävyyttä. Se on sekoitettu alumiiniin titaaniseoksissa, ja sitä käytetään suihkumoottoreissa, nopeissa lentokoneissa ja hammasimplanteissa. Yleisin saumattomien putkien seos on titaani 3/2,5, joka sisältää 2,5 % vanadiinia. Näitä materiaaleja käytetään laajalti ilmailu-, puolustus- ja polkupyöräteollisuudessa. Toinen yleinen metalliseos, jota valmistetaan pääasiassa levyinä, on titaani 6AL-4V, joka on 6 % alumiinia ja 4 % vanadiinia.
Useilla vanadiinilejeeringeillä on suprajohtavia ominaisuuksia. Ensimmäisen vaiheen suprajohde A15 oli vanadiiniyhdiste V3Si, joka saatiin vuonna 1952. Vanadiinigalliumnauhaa käytetään suprajohtavissa magneeteissa. Suprajohtavan faasin A15 V 3 Ga rakenne on samanlainen kuin tavallisimpien suprajohteiden: triniobistannidin (Nb 3 Sn) ja niobiumtitaanin (Nb 3 Ti) rakenne.
Äskettäin tutkijat ovat havainneet, että keskiajalla pieniä määriä vanadiinia (40-270 miljoonasosaa) lisättiin joihinkin Damaskoksen ja damastiteräksen näytteisiin. Tämä paransi terien ominaisuuksia. On kuitenkin epäselvää, missä ja miten harvinainen metalli louhittiin. Ehkä se oli osa joitakin malmeja.
Sovellus
Metallurgian lisäksi vanadiinia käytetään muihin sovelluksiin. Neutronien sieppaamisen poikkileikkaus ja lyhyt puoliintumisaika tekevät metallista sopivan materiaalin käytettäväksi fuusioreaktorin sisällä.
Yleisintä vanadiinioksidia, V 2 O 5 -pentoksidia, käytetään katalyyttinä rikkihapon valmistuksessa ja hapettimena maleiinihappoanhydridin valmistuksessa. Vanadiinivaahtoa käytetään keraamisten tuotteiden valmistuksessa.
Metalli on tärkeä komponentti sekametallioksidikatalyyteissä, joita käytetään propaanin ja propeenin hapetuksessa akroleiiniksi, akryylihapoksi tai propeenin ammoksidoinnissa akryylinitriiliksi. Toista vanadiinioksidia, VO 2 -dioksidia, käytetään lasipinnoitteiden valmistuksessa, jotka estävät infrapunasäteilyn tietyissä lämpötiloissa.
Vanadiini-pelkistysakku on jännitekenno, joka koostuu vesipitoisista vanadiini-ioneista eri hapetustiloissa. Tämän tyyppisiä paristoja ehdotettiin ensimmäisen kerran 1930-luvulla, ja kaupallinen käyttö alkoi 1980-luvulla. Vanadaattia voidaan käyttää suojaamaan terästä korroosiolta.
Vanadiini on tärkeä ihmisten terveydelle. Se auttaa säätelemään hiili- ja rasva-aineenvaihduntaa ja osallistuu energian tuotantoon. Ainetta suositellaan nautittavaksi 6-63 mcg päivässä (WHO:n tiedot) ruoasta. Se on täysin riittävä viljassa, palkokasveissa, vihanneksissa, yrteissä ja hedelmissä.