Wzór chemiczny wanadu. Wanad: właściwości, masa atomowa, wzór, zastosowanie. Stalowa partia elementu

DEFINICJA

Wanad znajduje się w czwartym okresie grupy V drugorzędnej (B) podgrupy układu okresowego pierwiastków.

Odnosi się do elementów z rodziny d. Metal. Oznaczenie - V. Numer porządkowy - 23. Względna masa atomowa - 50,941 a.m.u.

Struktura elektronowa atomu wanadu

Atom wanadu składa się z dodatnio naładowanego jądra (+23), wewnątrz którego znajdują się 23 protony i 28 neutronów, a 23 elektrony poruszają się po czterech orbitach.

Ryc.1. Schematyczna budowa atomu wanadu.

Rozkład elektronów na orbitalach jest następujący:

1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3D 3 4S 2 .

Zewnętrzny poziom energii atomu wanadu zawiera 5 elektronów, które są wartościowością. Stopień utlenienia wapnia wynosi +5. Schemat energetyczny stanu podstawowego ma następującą postać:

Na podstawie diagramu można argumentować, że wanad ma również stopień utlenienia +3.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

Ćwiczenia	Narysuj rozkład elektronów na poziomach energetycznych i podpoziomach w atomach krzemu i wanadu. Do jakich typów pierwiastków pod względem struktury atomowej należą?
Odpowiedź	krzem: 14 Si) 2) 8) 4 ; 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 2 . Wanad: 23 V) 2) 8) 11) 2 ; 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3D 3 4S 2 . Krzem należy do rodziny P- i wanadu D-elementy.

Wanad

WANAD-I; M.[łac. Wanad z Nord.] Pierwiastek chemiczny (V), jasnoszary twardy metal używany do wyrobu cennych gatunków stali. ● Jej nazwa pochodzi od nordyckiej bogini piękna Vanadis ze względu na piękny kolor jej soli.

◁ Wanad, th, th. V-te rudy. V-ta stal.

wanad

(łac. wanad), pierwiastek chemiczny V grupy układu okresowego. Nazwa pochodzi od staronordyckiej bogini piękna Vanadis. Szaro-stalowy twardy metal. Gęstość 6,11 g/cm3, T pl 1920°C. Odporny na wodę i wiele kwasów. Rozproszony w skorupie ziemskiej, często towarzyszy mu żelazo (rudy żelaza są ważnym przemysłowym źródłem wanadu). Składnik stopowy stali i stopów konstrukcyjnych stosowanych w technice lotniczej i kosmicznej, przemyśle okrętowym, składnik stopów nadprzewodzących. Związki wanadu są stosowane w przemyśle włókienniczym, farb i lakierów oraz szklarskim.

WANAD

WANAD (łac. Wanad), V (czytaj „wanad”), pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 23, masie atomowej 50,9415. Naturalny wanad jest mieszaniną dwóch nuklidów (cm. NUKLID): stabilne 51 V (99,76% masy) i słabo radioaktywne 52 V (okres półtrwania ponad 3,9 · 10 · 17 lat). Konfiguracja dwóch zewnętrznych warstw elektronowych 3 S 2 P 6 D 3 4S 2 . W układzie okresowym Mendelejewa znajduje się w czwartym okresie w grupie VB. Wanad tworzy związki na stopniach utlenienia od +2 do +5 (wartościowości od II do V).
Promień obojętnego atomu wanadu wynosi 0,134 nm, promień jonów V 2+ wynosi 0,093 nm, V 3+ wynosi 0,078 nm, V 4+ wynosi 0,067-0,086 nm, V 5+ wynosi 0,050-0,068 nm. Energie kolejnych jonizacji atomu wanadu wynoszą 6,74, 14,65, 29,31, 48,6 i 65,2 eV. W skali Paulinga elektroujemność wanadu wynosi 1,63.
W wolnej formie - błyszczący srebrzystoszary metal.
Historia odkrycia
Wanad został odkryty w 1801 roku przez meksykańskiego mineraloga AM del Río jako domieszka w rudzie ołowiu z kopalni w Zimapan. Del Rio nazwał nowy pierwiastek erytronium (od greckiego erythros, czerwony) ze względu na czerwony kolor jego związków. Jednak później uznał, że nie odkrył nowego pierwiastka, ale odmianę chromu, odkrytą cztery lata wcześniej i wciąż prawie niezbadaną. W 1830 r. niemiecki chemik F. Wehler zajął się meksykańskim minerałem. (cm. Wehlera Friedricha) Jednak zatruty fluorowodorem przerwał badania na kilka miesięcy. W tym samym roku szwedzki chemik N. Sefstrom (cm. SEFSTREM Nils Gabriel) zwrócił uwagę na obecność zanieczyszczeń w rudzie żelaza, w której wraz ze znanymi pierwiastkami znalazła się jakaś nowa substancja. W wyniku analizy w laboratorium J. Berzeliusa (cm. BERZELIUSZ Jens Jacob) udowodniono, że odkryto nowy pierwiastek. Pierwiastek ten tworzy związki o pięknym zabarwieniu, stąd nazwa pierwiastka kojarzona z imieniem skandynawskiej bogini piękna Vanadis. W 1831 Wöhler udowodnił tożsamość erytronium i wanadu, ale pierwiastek zachował nazwę nadaną mu przez Sefstroma i Berzeliusa.
Będąc w naturze
W naturze wanad nie występuje w postaci wolnej, należy do pierwiastków śladowych. (cm. PIERWIASTKI ŚLADOWE). Zawartość wanadu w skorupie ziemskiej wynosi 1,6-10-2% wagowych, w wodach oceanów 3,10-7%. Do najważniejszych minerałów należą patronit V(S 2) 2 , wanadynit Pb 5 (VO 4) 3 Cl i kilka innych. Głównym źródłem wanadu są rudy żelaza zawierające wanad jako zanieczyszczenie.
Paragon
W przemyśle, gdy wanad otrzymuje się z rud żelaza z jego domieszką, najpierw przygotowuje się koncentrat, w którym zawartość wanadu sięga 8-16%. Ponadto, poprzez obróbkę utleniającą, wanad jest przenoszony na najwyższy stopień utlenienia +5 i oddziela się łatwo rozpuszczalny w wodzie wanadan sodu NaVO3. Po zakwaszeniu roztworu kwasem siarkowym tworzy się osad, który po wysuszeniu zawiera ponad 90% wanadu.
Koncentrat pierwotny jest redukowany w wielkich piecach i otrzymuje się koncentrat wanadu, który jest następnie wykorzystywany do wytopu stopu wanadu i żelaza – tzw. ferrowanadu (zawiera od 35 do 70% wanadu). Metaliczny wanad można otrzymać przez redukcję chlorku wanadu wodorem, wapniowo-termiczną redukcję tlenków wanadu (V 2 O 5 lub V 2 O 3), termiczną dysocjację VI 2 i innymi metodami.
Fizyczne i chemiczne właściwości
Wanad wyglądem przypomina stal, jest dość twardym, ale jednocześnie plastycznym metalem. Temperatura topnienia 1920°C, temperatura wrzenia około 3400°C, gęstość 6,11 g/cm3. Sieć krystaliczna jest sześcienna skoncentrowana na ciele, parametr a = 0,3024 nm.
Chemicznie wanad jest dość obojętny. Jest odporny na wodę morską, rozcieńczone roztwory kwasu solnego, azotowego i siarkowego, alkalia. Wanad tworzy z tlenem kilka tlenków: VO, V 2 O 3 , V 3 O 5 , VO 2 , V 2 O 5 . Pomarańczowy V 2 O 5 to kwaśny tlenek, ciemnoniebieski VO 2 jest amfoteryczny, pozostałe tlenki wanadu są zasadowe. Z halogenami wanad tworzy halogenki o składzie VX 2 (X = F, Cl, Br, I), VX 3, VX 4 (X = F, Cl, Br), VF 5 i kilka oksohalogenków (VOCl, VOCl 2, VOF 3 itp.).
Związki wanadu na stopniach utlenienia +2 i +3 są silnymi reduktorami, na stopniach utlenienia +5 wykazują właściwości utleniaczy. Znany ogniotrwały węglik wanadu VC (t pl = 2800 °C), azotek wanadu VN, siarczek wanadu V 2 S 5 , krzemek wanadu V 3 Si i inne związki wanadu.
Kiedy V 2 O 5 oddziałuje z tlenkami zasadowymi, powstają wanadany (cm. WANADATY)- sole kwasu wanadowego o prawdopodobnym składzie H 2 .
Aplikacja
Wanad jest stosowany głównie jako dodatek stopowy w produkcji stopów odpornych na ścieranie, żaroodporne i korozję (zwłaszcza stale specjalne), jako składnik do produkcji magnesów. Tlenek wanadu V2O5 służy jako skuteczny katalizator, na przykład, w utlenianiu dwutlenku siarki SO2 do gazowej siarki SO3 w produkcji kwasu siarkowego. Związki wanadu znajdują różnorodne zastosowania w różnych gałęziach przemysłu (tekstylny, szklarski, farb i lakierów itp.).
Rola biologiczna
Wanad jest stale obecny w tkankach wszystkich organizmów w śladowych ilościach. W roślinach jego zawartość (0,1-0,2%) jest znacznie wyższa niż u zwierząt (1 10 -5 -1 10 -4 %). Niektóre organizmy morskie - mszywioły, mięczaki, a zwłaszcza żachwy - są w stanie skoncentrować wanad w znacznych ilościach (u żachwy wanad znajduje się w osoczu krwi lub specjalnych komórkach - wanadocytach). Najwyraźniej wanad bierze udział w niektórych procesach oksydacyjnych w tkankach. Ludzka tkanka mięśniowa zawiera 2 10 - 6% wanadu, tkanka kostna - 0,35 10 - 6%, we krwi - mniej niż 2 10 - 4% mg / l. W sumie ciało przeciętnej osoby (masa ciała 70 kg) zawiera 0,11 mg wanadu. Wanad i jego związki są toksyczne. Dawka toksyczna dla człowieka wynosi 0,25 mg, dawka śmiertelna to 2-4 mg. Dla V 2 O 5 MPC w powietrzu wynosi 0,1-0,5 mg / m 3.

słownik encyklopedyczny. 2009 .

Synonimy:

Zobacz, czym jest „wanad” w innych słownikach:

- (łac. wanad). Kruchy metal, biały, odkryty w 1830 roku i nazwany na cześć skandynawskiego bóstwa wanadu. Słownik słów obcych zawartych w języku rosyjskim. Chudinov A.N., 1910. WANAD łac. wanad, nazwany Vanadia, ... ... Słownik obcych słów języka rosyjskiego

- (liczba chemiczna V, masa atomowa 51) pierwiastek chemiczny podobny do związków z fosforem i azotem. Związki V. dość często spotykają się, choć w znikomo małych ilościach, w rudach żelaza i niektórych glinach; w przetwórstwie rud żelaza wanadowego, V. część ... ... Encyklopedia Brockhausa i Efrona

Wanad Słownik rosyjskich synonimów. wanad n., liczba synonimów: 2 pierwiastek wanadu (1) ... Słownik synonimów

WANAD- WANAD, chem. znak V, godz. V. 51,0, twardy, sprężysty metal w kolorze stali, temperatura topnienia 1715°, sp. waga 5.688. Połączenia V. są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Związki te są truciznami, które nie są gorsze od arsenu; oni mają…… Wielka encyklopedia medyczna

- (Wanad), V, pierwiastek chemiczny V grupy układu okresowego, liczba atomowa 23, masa atomowa 50,9415; metal, temperatura topnienia 1920shC. Stosowany do stopowania stali i żeliwa, jako składnik stopów żaroodpornych, twardych i odpornych na korozję, jako ... Współczesna encyklopedia

- (łac. wanad) V, pierwiastek chemiczny grupy V układu okresowego, liczba atomowa 23, masa atomowa 50,9415. Nazwa pochodzi od staronordyckiej bogini piękna Vanadis. Szary stalowy twardy metal. Gęstość 6,11 g/cm³, tt 1920 .C.… … Wielki słownik encyklopedyczny

- (symbol V), ELEMENT PRZEJŚCIOWY, odkryty w 1801 r. Srebrzystobiały, ciągliwy, lepki metal. Występuje w rudach żelaza, ołowiu i uranu, a także w węglu i ropie naftowej. Stosowany w stopach stali w celu zwiększenia wytrzymałości i odporności cieplnej. ... ... Naukowy i techniczny słownik encyklopedyczny Encyklopedia fizyczna

wanad- V Pierwiastek grupy V Okresowy. systemy; Na. N. 23, godz. m. 50,942; stalowoszary metal. Naturalny V składa się z dwóch izotopów: 51V (99,75%) i 50V (0,25%). V została odkryta w 1801 roku przez Mexa. mineralog AM del Rio. Na balu. skala V…… Podręcznik tłumacza technicznego

Wanad(wanad), v, pierwiastek chemiczny grupy v układu okresowego Mendelejewa; liczba atomowa 23, masa atomowa 50,942; stalowoszary metal. Naturalny V. składa się z dwóch izotopów: 51 v (99,75%) i 50 v (0,25%); ten ostatni jest słabo radioaktywny (okres półtrwania T 1/2 = 10 14 lat). V. została odkryta w 1801 roku przez meksykańskiego mineraloga A. M. del Rio w meksykańskiej brązowej rudzie ołowiu i nazwana na cześć pięknego czerwonego koloru rozgrzanych soli, erytronium (z greckiego erythros, czerwony). W 1830 r. szwedzki chemik N. G. Sefström odkrył nowy pierwiastek w rudzie żelaza z Taberg (Szwecja) i nazwał go B. na cześć Vanadis, staronordyckiej bogini piękna. W 1869 r. angielski chemik H. Roscoe otrzymał sproszkowany metal V. przez redukcję vcl 2 wodorem. V. wydobywa się na skalę przemysłową od początku XX wieku.

Zawartość V. w skorupie ziemskiej wynosi 1,5-10-2% wagowych, jest to dość powszechny pierwiastek, ale rozproszony w skałach i minerałach. Patronit, roscoelit, dekloizyt, karnotyt, wanadynit i niektóre inne minerały mają znaczenie przemysłowe.Tytan-magnetyt i osadowe (fosforowe) rudy żelaza, a także utlenione rudy miedzi, ołowiu i cynku są ważnym źródłem diamentów. V. jest wydobywany jako produkt uboczny przy przetwarzaniu surowców uranowych, fosforytów, boksytów oraz różnych złóż organicznych (asfaltyty, łupki bitumiczne).

Fizyczne i chemiczne właściwości. V. ma centrowaną na ciele siatkę sześcienną o okresie a = 3,0282 å. W stanie czystym V. jest kuty i można go łatwo obrabiać pod naciskiem. Gęstość 6.11 G/ cm 3 , T pl 1900 ± 25°С, T kip 3400°С; ciepło właściwe (przy 20-100°C) 0,120 kał/ grad; współczynnik rozszerzalności cieplnej (przy 20-1000°C) 10,6 10 -6 grad-1, rezystywność elektryczna przy 20°C 24,8 10 -8 om· M(24,8 10 -6 om· cm), poniżej 4,5 K V. przechodzi w stan nadprzewodnictwa. Własności mechaniczne wysokiej czystości V. po wyżarzaniu: moduł sprężystości 135,25 N/ M 2 (13520 kgf/ mm 2), wytrzymałość na rozciąganie 120 nm/ M 2 (12 kgf/ mm 2), wydłużenie 17%, twardość Brinella 700 pl/ M 2 (70 kgf/ mm 2). Zanieczyszczenia gazowe gwałtownie zmniejszają plastyczność wełny i zwiększają jej twardość i kruchość.

W zwykłych temperaturach na V. nie ma wpływu powietrze, woda morska i roztwory alkaliczne; odporne na kwasy nieutleniające, z wyjątkiem fluorowodorowego. Pod względem odporności na korozję w kwasie solnym i siarkowym tytan znacznie przewyższa tytan i stal nierdzewną. Podgrzana w powietrzu powyżej 300°C wełna wchłania tlen i staje się krucha. W temperaturze 600-700°C V. ulega intensywnemu utlenieniu z utworzeniem pięciotlenku v 2 o 5 oraz niższych tlenków. Po podgrzaniu V. powyżej 700 ° C w strumieniu azotu powstaje azotek vn ( T pl 2050°C), stabilny w wodzie i kwasach. V. oddziałuje z węglem w wysokich temperaturach, dając ogniotrwały węglik vc ( T pl 2800°C) o wysokiej twardości.

V. daje związki o wartościowościach 2, 3, 4 i 5; odpowiednio znane są tlenki: vo i v 2 o 3 (mające charakter zasadowy), vo 2 (amfoteryczne) i v 2 o 5 (kwaśne). Związki o 2- i 3-wartościowym V. są nietrwałe i są silnymi środkami redukującymi. Związki o wyższych wartościowościach mają znaczenie praktyczne. Skłonność V. do tworzenia związków o różnych wartościowościach jest wykorzystywana w chemii analitycznej, a także determinuje właściwości katalityczne v 2 o 5. V. pięciotlenek rozpuszcza się w alkaliach wraz z tworzeniem wanadany.

Odbiór i wniosek. Do ekstrakcji V. stosuje się: bezpośrednie ługowanie rudy lub koncentratu rudy roztworami kwasów i zasad; prażenie surowca (często z dodatkami nacl), a następnie wypłukanie prażonego produktu wodą lub rozcieńczonymi kwasami. Uwodniony pięciotlenek V jest izolowany z roztworów przez hydrolizę (przy pH = 1-3).Gdy rudy żelaza zawierające wanad są wytapiane w wielkim piecu, V. przechodzi do żeliwa, podczas przetwarzania którego żużle zawierające 10-16% obj. 2 o 5 uzyskuje się w stali. Żużle wanadowe są prażone z solą kuchenną. Wypalony materiał jest ługowany wodą, a następnie rozcieńczonym kwasem siarkowym. V 2 o 5 jest izolowany z roztworów. Ten ostatni służy do topienia żelazowanad(stopy żelaza o zawartości 35-70% W.) oraz otrzymywanie metalicznego W. i jego związków. Ciągliwy metaliczny V. otrzymuje się przez redukcję termiczną wapniową czystego v 2 o 5 lub v 2 o 3; regeneracja v 2 o 5 aluminium; próżniowa redukcja termiczna węgla v 2 o 3 ; redukcja termiczna magnezu vc1 3 ; dysocjacja termiczna jodku B. B. topi się w próżniowych piecach łukowych z elektrodą topliwą oraz w piecach elektronowych.

Metalurgia żelaza jest głównym konsumentem Wielkiej Brytanii (do 95% wszystkich produkowanych metali). V. jest częścią stali szybkotnącej, jej zamienników, narzędzi niskostopowych oraz niektórych stali konstrukcyjnych. Wraz z wprowadzeniem 0,15-0,25% V. gwałtownie wzrasta wytrzymałość, wytrzymałość, odporność na zmęczenie i odporność na zużycie stali. Wprowadzony do stali V. jest zarówno pierwiastkiem odtleniającym, jak i węglikotwórczym. Węgliki pszenicy, rozmieszczone w postaci rozproszonych wtrąceń, zapobiegają rozrostowi ziarna podczas nagrzewania stali. V. jest wprowadzany do stali w postaci stopu ligaturowego - ferrowanadu. V. służy również do stopowania żeliwa. Nowym konsumentem tytanu jest szybko rozwijający się przemysł stopów tytanu; Niektóre stopy tytanu zawierają do 13% B. Stopy na bazie niobu, chromu i tantalu zawierające dodatki B znalazły zastosowanie w lotnictwie, rakietach i innych dziedzinach techniki. dodatek ti, nb , w, zr i al, które mają znaleźć zastosowanie w technice lotniczej, rakietowej i nuklearnej. Interesujące są nadprzewodzące stopy i związki B. z ga, si i ti.

Czysty metaliczny V. jest stosowany w energetyce jądrowej (obudowy elementów paliwowych, rur) oraz w produkcji urządzeń elektronicznych.

V. związki znajdują zastosowanie w przemyśle chemicznym jako katalizatory, w rolnictwie i medycynie, w przemyśle włókienniczym, farb i lakierów, gumowym, ceramicznym, szklarskim, fotograficznym i filmowym.

Związki V. są trujące. Możliwe jest zatrucie przez wdychanie pyłów zawierających związki B. Powodują one podrażnienie dróg oddechowych, krwawienia z płuc, zawroty głowy, zaburzenia pracy serca, nerek itp.

B. w organizmie. V. jest stałym składnikiem organizmów roślinnych i zwierzęcych. Źródłem V. są skały i łupki magmowe (zawierające ok. 0,013% V.) oraz piaskowce i wapienie (ok. 0,002% V.). W glebach V. około 0,01% (głównie w próchnicy); w wodach słodkich i morskich 1 10 7 -2 10 7%. W roślinach lądowych i wodnych zawartość V. jest znacznie wyższa (0,16-0,2%) niż w zwierzętach lądowych i morskich (1,5 · 10 -5 -2 · 10 -4%). Koncentratorami V. są: mszywiołowiec plumatella, mięczak pleurobranchus plumula, ogórek morski stichopus mobii, niektóre ascidia, z pleśni - kropidlak czarny, z grzybów - muchomor (Amanita muscaria). Biologiczną rolę V. badano na ascidianach, w których komórkach krwi V. znajduje się w stanie 3- i 4-walentnym, to znaczy istnieje równowaga dynamiczna.

Fizjologiczna rola V. w ascidiach jest związana nie z oddechowym przenoszeniem tlenu i dwutlenku węgla, ale z procesami redoks - przenoszeniem elektronów za pomocą tzw. układu wanadu, co prawdopodobnie ma znaczenie fizjologiczne u innych organizmów.

Oświetlony.: Meyerson GA, Zelikman AN, Metalurgia metali rzadkich, M., 1955; Polyakov A. Yu., Podstawy metalurgii wanadu, M., 1959; Rostoker U., Metalurgia wanadu, przeł. z angielskiego, M., 1959; Kieffer p., Brown H., wanad, niob, tantal, trans. z niem., M., 1968; Podręcznik metali rzadkich, [tłum. z ang.], M., 1965, s. 98-121; Materiały ogniotrwałe w inżynierii mechanicznej. Podręcznik, M., 1967, s. 47-55, 130-32; Kovalsky VV, Rezaeva LT, Biologiczna rola wanadu w ascidiach, „Postępy we współczesnej biologii”, 1965, t. 60, ok. 1 ust. 4; Bowen H. j. M., Pierwiastki śladowe w biochemii, l. - N. r., 1966.

I. Romankow. VV Kowalski.

Wanad jest pierwiastkiem chemicznym reprezentowanym przez symbol „V”. Masa atomowa wanadu wynosi 50,9415 amu. e. m., liczba atomowa - 23. Jest to solidny srebrnoszary, ciągliwy i topliwy metal, rzadko spotykany w przyrodzie. Występuje w ponad 60 minerałach, a nawet w paliwach kopalnych.

Nierozpoznane odkrycie

Metaliczny wanad został po raz pierwszy odkryty przez urodzonego w Hiszpanii meksykańskiego mineraloga Andrésa Manuela Del Río w 1801 roku. Naukowiec wydobył nowy pierwiastek z próbki brązowej rudy ołowiu wydobywanej w Meksyku. Jak się okazało, sole metali mają szeroką gamę kolorów, więc Del Rio pierwotnie nazwał je „panchromem” (z greckiego „παγχρώμιο” - „kolorowy”).

Później mineralog przemianował pierwiastek na erytronium (z greckiego „ερυθρός” - „czerwony”), ponieważ większość soli po podgrzaniu zmienia kolor na czerwony. Wydawałoby się, że do mało znanego w Europie naukowca uśmiechnęło się niesamowite szczęście. Odkrycie nowego pierwiastka chemicznego, wanadu, obiecało, jeśli nie sławę, to przynajmniej uznanie kolegów. Jednak ze względu na brak znaczącego autorytetu w świecie naukowym osiągnięcie Meksykanina zostało zignorowane.

W 1805 roku francuski chemik Hippolyte Victor Collet-Decotyls zasugerował, że nowy pierwiastek zbadany przez Del Rio był tylko próbką chromianu ołowiu z zanieczyszczeniami. W końcu meksykański badacz, aby nie stracić całkowicie twarzy przed naukowym bractwem, przyjął oświadczenie Colleta-Decotila i porzucił swoje odkrycie. Jednak jego osiągnięcie nie poszło w zapomnienie. Dziś Andres Manuel Del Rio jest uznawany za odkrywcę tego rzadkiego metalu.

Ponowne otwarcie

W 1831 roku Szwed Niels Gabriel Sefström ponownie odkrył pierwiastek chemiczny wanad w tlenku, który uzyskał podczas pracy z rudą żelaza. Jako jego oznaczenie naukowiec wybrał literę „V”, która nie została jeszcze przypisana żadnemu pierwiastkowi. Sefström nazwał nowy metal ze względu na jego piękne i bogate zabarwienie, na cześć staronordyckiej bogini piękna, Vanadis.

Wiadomość ta wzbudziła wzrosło zainteresowanie środowiska naukowego. Od razu przypomnieli sobie pracę meksykańskiego mineraloga. Również w 1831 roku Friedrich Wöhler ponownie sprawdził i potwierdził wcześniejsze odkrycie Del Rio. A geolog George William Featherstonhaup zasugerował nawet nazwanie metalu „rionium” na cześć odkrywcy, ale inicjatywa nie spotkała się z poparciem.

Nieuchwytny

Wyodrębnienie metalicznego wanadu w czystej postaci okazało się trudne. Wcześniej naukowcy pracowali tylko z jego solami. Dlatego prawdziwe właściwości wanadu były nieznane. W 1831 roku Berzelius poinformował, że uzyskał metaliczną substancję, ale Henry Enfield Roscoe udowodnił, że Berzelius faktycznie produkował azotek wanadu (VN). Roscoe ostatecznie wyprodukował ten metal w 1867 r., redukując chlorek wanadu (VCl 2 ) wodorem. Od 1927 r. czysty wanad otrzymywany jest przez redukcję pięciotlenku wanadu z udziałem wapnia.

Pierwsze seryjne przemysłowe zastosowanie pierwiastka datuje się na rok 1905. Metal został dodany do stopu stali do podwozi samochodów wyścigowych, a później do Forda Model T. Właściwości wanadu zmniejszają wagę konstrukcji, jednocześnie zwiększając wytrzymałość na rozciąganie. Nawiasem mówiąc, niemiecki chemik Martin Henze odkrył wanad w komórkach krwi (lub komórkach koelomicznych) życia morskiego - accidia - w 1911 roku.

Właściwości fizyczne

Wanad jest ciągliwym, szaroniebieskim metalem o średniej twardości, ze stalowym połyskiem i gęstością 6,11 g/cm³. Niektóre źródła opisują materiał jako miękki, odnosząc się do jego dużej ciągliwości. Struktura krystaliczna pierwiastka jest bardziej złożona niż większości metali i stali.

Wanad ma dobrą odporność na korozję, kwasy zasadowe, siarkowe i chlorowodorowe. Utlenia się w powietrzu w temperaturze około 660°C (933K, 1220°F), chociaż pasywacja tlenku zachodzi nawet w temperaturze pokojowej. Materiał ten topi się, gdy temperatura osiągnie 1920°C, a przy 3400°C wrze.

Właściwości chemiczne

Wanad pod wpływem tlenu tworzy cztery rodzaje tlenków:

Związki wanadu typu (II) są środkami redukującymi, a związki typu (V) są środkami utleniającymi. Związki (IV) często występują jako pochodne kationu wanadylu.

Tlenek

Najważniejszym komercyjnie związkiem jest pięciotlenek wanadu. Jest to brązowawo-żółte ciało stałe, chociaż świeżo wytrącone z roztworu wodnego ma kolor ciemnopomarańczowy.

Tlenek jest stosowany jako katalizator do produkcji kwasu siarkowego. Związek ten utlenia dwutlenek siarki (SO 2) do trójtlenku (SO 3). W tej reakcji redoks siarka jest utleniana od +4 do +6, a wanad jest redukowany od +5 do +4. Wzór na wanad jest następujący:

V 2 O 5 + SO 2 → 2VO 2 + SO 3

Katalizator jest regenerowany przez utlenianie tlenem:

2VO 2 + O 2 → V 2 O 5

Podobne procesy utleniania są stosowane w produkcji bezwodnika maleinowego, bezwodnika ftalowego i kilku innych związków organicznych w masie.

Tlenek ten jest również wykorzystywany do produkcji żelazowanadu. Ogrzewany jest żelazem i żelazokrzemem z dodatkiem wapna. Gdy stosuje się aluminium, otrzymuje się stop żelazowo-wanadowy wraz z tlenkiem glinu jako produktem ubocznym. Ze względu na wysoki współczynnik oporu cieplnego tlenek wanadu(V) jest stosowany jako materiał detektorowy w bolometrach i macierzach mikrobolometrycznych w urządzeniach termowizyjnych.

Charakterystyka

Rzadki metal ma następujące cechy:

• Struktura krystaliczna: sześcienna skoncentrowana na ciele.
• Przewodność dźwięku: 4560 m/s (przy 20°C).
• Wartościowość wanadu: V (rzadko IV, III, II).
• Rozszerzalność cieplna: 8,4 µm/(m·K) (przy 25°C).
• Przewodność cieplna: 30,7 W/(m·K).
• Rezystancja elektryczna: 197 nΩm (przy 20°C).
• Magnetyzm: paramagnetyczny.
• Podatność magnetyczna: +255·10 -6 cm 3 /mol (298K).
• Moduł sprężystości: 128 GPa.
• Moduł ścinania: 47 GPa.
• Objętościowy moduł sprężystości: 160 GPa.
• Współczynnik Poissona: 0,37.
• Twardość w skali Mohsa: 6,7.
• Twardość Vickersa: 628-640 MPa.
• Twardość Brinella: 600-742 MPa.
• Kategoria elementu: metal przejściowy.
• Konfiguracja elektroniczna: 3d 3 4s 2 .
• Ciepło topnienia: 21,5 kJ/mol.
• Ciepło parowania: 444 kJ/mol.
• Ciepło molowe: 24,89 J/(mol K).

Wanad w układzie okresowym znajduje się w 5. grupie (podgrupa wanadu), 4. okresie, bloku d.

Rozpościerający się

Wanad w skali Wszechświata stanowi około 0,0001% całkowitej objętości materii. Jest tak powszechny jak miedź i cynk. Metal znajduje się w widmowym blasku Słońca i innych gwiazd.

Pierwiastek jest 20. najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej. Metaliczny wanad w postaci krystalicznej występuje dość rzadko, ale związki tego materiału występują w 65 różnych minerałach. Ekonomicznie istotne z nich to patronit (VS 4), wanadynit (Pb 5 (VO 4) 3 Cl) i karnotyt (K 2 (UO 2) 2 (VO 4) 2 3 H 2 O).

Jony wanadylu występują obficie w wodzie morskiej i mają średnie stężenie 30 nM. Niektóre źródła wody mineralnej również zawierają wysokie stężenia tych jonów. Na przykład źródła w pobliżu góry Fuji zawierają do 54 µg/l.

Górnictwo

Większość tego rzadkiego metalu pochodzi z magnetytu wanadu występującego w ultramaficznych magmowych skałach gabro. Surowiec wydobywany jest głównie w Afryce Południowej, północno-zachodnich Chinach i wschodniej Rosji. W 2013 roku kraje te wyprodukowały ponad 97% całego wanadu (79 000 ton wagowo).

Metal występuje również w boksytach i złożach ropy naftowej, węgla, łupków bitumicznych i piasków roponośnych. W ropie naftowej odnotowano stężenia do 1200 ppm. Ze względu na utleniające właściwości wanadu (niektóre jego tlenki), po spaleniu takich produktów ropopochodnych pozostałości tego pierwiastka mogą powodować korozję w silnikach i kotłach.

Szacuje się, że każdego roku w wyniku spalania paliw kopalnych do atmosfery dostaje się około 110 000 ton tej substancji. Obecnie opracowywane są technologie wydobywania cennych substancji z węglowodorów.

Produkcja

Wanad jest stosowany głównie jako dodatek do stopów stali zwanych żelazostopami. Ferrowanad otrzymuje się bezpośrednio poprzez redukcję mieszaniny tlenku wanadu z wartościowością (V), tlenków żelaza i czystego żelaza w piecu elektrycznym.

Metal pozyskiwany jest wieloetapowym procesem, który rozpoczyna się prażeniem rozdrobnionej rudy wanadu-magnetytu z dodatkiem chlorku sodu (NaCl) lub węglanu sodu (Na 2 CO 3) w temperaturze około 850°C do uzyskania sodu metawanadan (NaVO3). Wodny ekstrakt tej substancji zakwasza się, otrzymując sól poliwanadanową, która jest redukowana wapniem metalicznym. Jako alternatywa dla produkcji na małą skalę pięciotlenek wanadu jest redukowany wodorem lub magnezem.

Stosowanych jest również wiele innych metod, z których wszystkie wytwarzają wanad jako produkt uboczny innych procesów. Jego oczyszczanie jest możliwe metodą jodkową opracowaną przez Antona Eduarda van Arkela i Jana Hendrika de Bora w 1925 roku. Oznacza to powstawanie jodku wanadu (III), a następnie jego rozkład w celu uzyskania czystego metalu:

2 V + 3I 2 ⇌ 2 VI 3

Dość egzotyczny sposób pozyskiwania tego pierwiastka wymyślili Japończycy. Hodują tryskacze morskie (rodzaj akordów) na podwodnych plantacjach, które pochłaniają wanad z wody morskiej. Następnie są zbierane i spalane. Z powstałych popiołów wydobywany jest cenny metal. Nawiasem mówiąc, jego stężenie w tym przypadku jest znacznie wyższe niż w najbogatszych złożach.

Stopy

Co to są stopy wanadu? Około 85% produkowanego metalu rzadkiego jest wykorzystywane do produkcji żelazowanadu lub jako dodatek do stali. Na początku XX wieku odkryto, że nawet niewielka ilość wanadu znacznie zwiększa wytrzymałość stali. Pierwiastek ten tworzy stabilne azotki i węgliki, co prowadzi do polepszenia właściwości stali i stopów.

Od tego czasu obserwuje się stosowanie wanadu w osiach, ramach, wałach korbowych, przekładniach i innych ważnych elementach pojazdów kołowych. Istnieją dwie grupy stopów:

• Wysokowęglowy o zawartości od 0,15% do 0,25% wanadu.
• Stale narzędziowe szybkotnące (HSS) o zawartości tego pierwiastka od 1% do 5%.

W przypadku stali HSS można uzyskać twardość powyżej HRC 60. Stosowane są w narzędziach chirurgicznych. W metalurgii proszków stopy mogą zawierać do 18% wanadu. Wysoka zawartość węglików w tych stopach znacznie poprawia odporność na zużycie. Robią narzędzia i noże.

Dzięki swoim właściwościom wanad stabilizuje formę beta tytanu, zwiększa jego wytrzymałość i stabilność temperaturową. Zmieszany z aluminium w stopach tytanu, jest stosowany w silnikach odrzutowych, szybkich samolotach i implantach dentystycznych. Najpopularniejszym stopem na rury bez szwu jest tytan 3/2,5 zawierający 2,5% wanadu. Materiały te są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, obronnym i rowerowym. Innym popularnym stopem, produkowanym głównie w arkuszach, jest tytan 6AL-4V, w którym 6% aluminium i 4% wanadu.

Kilka stopów wanadu wykazuje właściwości nadprzewodzące. Nadprzewodnikiem pierwszej fazy A15 był związek wanadu V 3 Si, który otrzymano w 1952 r. Taśma wanadowo-galowa jest stosowana w magnesach nadprzewodzących. Budowa fazy nadprzewodzącej A15 V 3 Ga jest zbliżona do budowy bardziej powszechnych nadprzewodników: cyniaku triniobu (Nb 3 Sn) i niobu-tytanu (Nb 3 Ti).

Niedawno naukowcy odkryli, że w średniowieczu do niektórych próbek stali damasceńskiej i damasceńskiej dodawano niewielką ilość wanadu (od 40 do 270 części na milion). Poprawiło to właściwości ostrzy. Nie jest jednak jasne, gdzie i jak wydobywano rzadki metal. To mogło być częścią niektórych rud.

Aplikacja

Oprócz metalurgii wanad jest również używany do innych zastosowań. Przekrój poprzeczny wychwytu neutronów termicznych i krótki okres półtrwania izotopów wytwarzanych przez wychwyt neutronów sprawiają, że metal ten jest odpowiednim materiałem do zastosowania w reaktorze termojądrowym.

Najpopularniejszy tlenek wanadu, pięciotlenek V 2 O 5, jest stosowany jako katalizator w produkcji kwasu siarkowego oraz jako środek utleniający w produkcji bezwodnika maleinowego. Tlenek wanadu jest używany do produkcji wyrobów ceramicznych.

Metal jest ważnym składnikiem katalizatorów mieszanych tlenków metali stosowanych w utlenianiu propanu i propylenu do akroleiny, kwasu akrylowego lub amoksydacji propylenu do akrylonitrylu. Inny tlenek wanadu, dwutlenek VO2, jest wykorzystywany do produkcji powłok szklanych, które blokują promieniowanie podczerwone w określonej temperaturze.

Akumulator redoks wanadu to ogniwo galwaniczne składające się z wodnych jonów wanadu na różnych stopniach utlenienia. Baterie tego typu zostały po raz pierwszy zaproponowane w latach trzydziestych XX wieku, a komercyjne wykorzystanie rozpoczęło się w latach osiemdziesiątych. Wanadan może być stosowany do ochrony stali przed korozją.

Wanad jest niezbędny dla zdrowia człowieka. Pomaga regulować metabolizm węgla i lipidów oraz bierze udział w produkcji energii. Zaleca się spożywać 6-63 mcg dziennie (dane WHO) substancji dostarczanej z pożywieniem. Wystarczająco dużo w zbożach, roślinach strączkowych, warzywach, ziołach, owocach.