Біологія ванадію
Ванадій представлений у кілька етапів. Перш за все, оксид ванадію (V) повинен бути отриманий з різних вихідних матеріалів. Потім це можна перетворити на елементарний метал і при необхідності очистити.
Можливими вихідними речовинами, з яких можна видобувати ванадій, є ванадієві руди, такі як карнотит або патроніт, ванадієвмісні титаново-магнетитові руди та нафта. Ванадієві руди в минулому були важливі для виробництва, але вже не відіграють важливої ролі і в основному замінені титано-магнетитовими рудами.
Якщо залізні руди, що містять ванадій, відновлюються до заліза в процесі доменної печі, ванадій спочатку залишається в чавуні. Для подальшої переробки чавуну в сталь в процесі переробки вдувається кисень. Ванадій потрапляє у шлак. Він містить до 25% оксиду ванадію (V) і є найважливішим джерелом для вилучення металу. Для отримання чистого оксиду ванадію (V) дрібно подрібнений шлак обсмажують окислювально з використанням солей натрію, таких як хлорид натрію або карбонат натрію. У процесі утворюється водорозчинний метаванадат натрію, який відокремлюється від залишків шлаку вилуговуванням. Отриманий нерозчинний поліванадат амонію випадає в осад з розчину додаванням кислоти та солей амонію. Це може бути перетворено в оксид ванадію (V) обсмажуванням. Оксид також можна отримати з інших руд, що містять ванадій, ідентичним чином. Ванадій можна видобути з нафти шляхом утворення емульсії з додаванням води та нітрату магнію. Подальша переробка відбувається як при видобутку із залізних руд. [13]
Фактичне виробництво ванадію відбувається за рахунок відновлення оксиду ванадію (V) з іншими металами. Як відновники можуть бути використані алюміній, кальцій, феросиліцій або вуглець; з останніми, однак, у реакції утворюються карбіди, які важко відокремити від металу.
Для отримання чистого ванадію в якості відновника використовується дорогий кальцій або алюміній, оскільки більш дешевий феросиліцій не може досягти високої чистоти. Тоді як чистий ванадій отримують безпосередньо з кальцієм, ванадієво-алюмінієвий сплав спочатку формується з алюмінієм, з якого чистий ванадій отримують сублімацією у вакуумі.
Однак значна частина ванадію доступна не як чистий метал, а у вигляді залізо-ванадієвого сплаву Феррованадій, що містить щонайменше 50% ванадію [13]. Для цього не потрібно попередньо добувати чистий ванадій. Натомість шлаки, що містять ванадій та залізо, відновлюються до ферованадію з ферокремнієм та вапном. Цього сплаву достатньо для більшості технічних застосувань.
Найчистіший ванадій може бути отриманий або електрохімічним способом, або за методом Ван-Аркеля-де-Бура. Для цього чистий ванадій плавлять разом з йодом у порожній скляній ампулі. Утворений в нагрітій ампулі йодид ванадію (III) розкладається на гарячому вольфрамовому дроті з утворенням високочистого ванадію та йоду.
характеристики
Фізичні властивості
Ванадій - немагнітний, міцний, пластичний і чітко сталево-блакитний важкий метал щільністю 6,11 г/см 3. [13] Чистий ванадій відносно м’який, але при додаванні інших елементів він стає твердішим і має високу механічну міцність. За більшістю своїх властивостей він подібний до свого сусіда по періодичній системі - титану. Температура плавлення чистого ванадію становить 1910 ° C, але це значно підвищується за рахунок домішок, таких як вуглець. При вмісті вуглецю 10% це близько 2700 ° C. [17] Ванадій кристалізується, як хром або ніобій, у центрованій тілом кубічній кристалічній структурі з просторовою групою $ Im \ barm $ та параметром решітки a = 302,4 pm, а також двома формульними одиницями на одиницю комірки. [19]
Ванадій стає надпровідником нижче температури переходу 5,13 К. [20] Так само, як чистий ванадій, сплави ванадію з галієм, ніобієм та цирконієм є надпровідними. При температурах нижче 5,13 К ванадій, як і метали ванієвої групи ніобій і тантал, демонструє поки що незрозумілу, спонтанну електричну поляризацію в крихітних грудочках до 200 атомів, яка в іншому випадку проявляється лише неметалевими речовинами. [21] [22]
Хімічні властивості
Ванадій є основним металом і здатний реагувати з багатьма неметалами. У повітрі він залишається блискучим металевим тижнями. При перегляді протягом тривалого періоду часу сприймається добре помітна зелена іржа. Якщо потрібно зберегти ванадій, його потрібно утримувати під аргоном. У спеку він атакується киснем і окислюється до оксиду ванадію (V). У той час як вуглець та азот реагують з ванадієм лише тоді, коли він розжарений, реакція з фтором та хлором відбувається на холоді.
Ванадій в основному стійкий до кислот і основ при кімнатній температурі завдяки тонкому пасивуючому оксидному шару; на нього атакують тільки плавикова кислота та сильно окислювальні кислоти, такі як гаряча азотна кислота, концентрована сірчана кислота та акварегія.
Ванадій здатний поглинати водень до температури 500 ° С. Метал стає крихким і може бути легко порошкоподібним. Гідроген можна видалити при вакуумі при 700 ° С. [13]
Ізотопи
Всього про ванадій відомо 25 ізотопів та ще 6 ядерних ізомерів. [23] З них два зустрічаються природним шляхом. Це ізотопи 50 В з природною частотою 0,25% та 51 В з частотою 99,75%. 50 В слабо радіоактивний, з періодом напіввиведення 1,5 · 10 17 років, він розпадається на 83% із захопленням електронів до 50 Ti, 17% з β - розпадом до 50 Cr. [23] Обидва ядра можуть бути використані для досліджень за допомогою ЯМР-спектроскопії.
Найбільш стабільними штучними ізотопами є 48 В з періодом напіввиведення 16 днів та 49 В з періодом напіввиведення 330 днів. Вони використовуються як індикатори. [17] Усі інші ізотопи та ізомери ядра дуже нестійкі і розпадаються за хвилини або секунди.
→ Список ізотопів ванадію
використання
Лише незначний відсоток чистого ванадію використовується як матеріал для облицювання ядерного палива через невеликий перетин захоплення нейтронів. [24] Однак можуть використовуватися і більш стійкі ванадієві сплави. Понад 90% продукції використовується в різних сплавах, переважно з металами залізо, титан, нікель, хром, алюміній або марганець. Лише незначна частина використовується у сполуках, переважно як оксид ванадію (V).
Оскільки 85% виробленого ванадію на сьогоднішній день найбільша частина споживається в металургійній промисловості. Оскільки для цього не потрібні високі показники чистоти, феррованадій використовується як сировина. Навіть у невеликих кількостях ванадій підвищує міцність і в'язкість сталей, а отже, і зносостійкість. Це викликано утворенням твердого карбіду ванадію. Залежно від застосування додають різну кількість ванадію. Конструкційні сталі та інструментальні сталі містять лише невеликі кількості (0,2 - 0,5%) ванадію, тоді як швидкорізальна сталь - до 5%. [15] Сталі, що містять ванадій, в основному використовуються для інструментів та пружин, що зазнають механічних навантажень. Сталі, що містять крім заліза та ванадію кобальт, є магнітними.
Титанові сплави, що містять ванадій і переважно алюміній, особливо стійкі і жароміцні і використовуються в авіабудуванні для несучих деталей і лопаток турбін авіаційних двигунів. [13]
Ванадій використовується як основний електроліт в одному з типів так званих окисно-відновних комірок; прикладом такого застосування є окисно-відновний акумулятор ванадію.
доказ
Попередній зразок забезпечують гранули фосфорної солі, у яких ванадій виглядає характерно зеленим у відновлювальному полум’ї. Полум'я окислення блідо-жовте і тому занадто неспецифічне. [25]
Якісні докази ванадію засновані на утворенні іонів пероксованадію. Для цього кислий розчин, що містить ванадій у ступені окислення +5, змішується з невеликою кількістю перекису водню. Утворюється червоно-коричневий [V (O2)] 3+ катіон. Це реагує з більшою кількістю перекису водню, утворюючи блідо-жовту пероксованову кислоту H3 [VO2 (O2) 2]. [25]
Ванадій можна кількісно визначити титруванням. Для цього розчин сірчаної кислоти, що містить ванадій, окислюють перманганатом калію до пентавалентного ванадію, а потім титрують розчином сульфату заліза (II) та дифеніламіну як індикатора. Також можливе відновлення пентавалентного ванадію, який присутній із сульфатом заліза (II), до чотиривалентного ступеня окиснення та подальше потенціометричне титрування розчином перманганату калію. [13]
У сучасній аналітиці ванадій можна виявити за допомогою декількох методів. Це, наприклад, атомно-абсорбційна спектрометрія при 318,5 нм та спектрофотометрія з N-бензоїл-N-фенілгідроксиламіном як кольоровим реагентом при 546 нм. [15]
Біологічне значення
З’єднання ванадію мають різне біологічне значення. Для ванадію характерно, що він зустрічається як аніонно, як ванадат, так і катіонно, як VO2 +, VO 2+ або V 3+. Ванадати дуже схожі на фосфати і відповідно мають подібні ефекти. Оскільки ванадат сильніше зв'язується з відповідними ферментами, ніж фосфат, він здатний блокувати і, таким чином, контролювати ферменти фосфорилювання. Це стосується, наприклад, натрій-калій-АТФази, яка контролює транспорт натрію та калію в клітини. Цей завал можна швидко усунути за допомогою десферріоксаміну В, який утворює стійкий комплекс з ванадатом. [14] Ванадій також впливає на засвоєння глюкози. Він здатний стимулювати гліколіз у печінці та інгібувати конкурентний процес глюконеогенезу. Це призводить до зниження рівня глюкози в крові. [15] Тому досліджується, чи придатні сполуки ванадію для лікування цукрового діабету 2 типу. Однак чітких результатів поки що не знайдено. [26] Крім того, ванадій також стимулює окислення фосфоліпідів і пригнічує синтез холестерину, інгібуючи скваленсинтазу, мікросомальну ферментну систему в печінці. Отже, дефіцит спричинює підвищений рівень холестерину та тригліцеридів у плазмі крові. [27]
Ванадій відіграє роль у фотосинтезі рослин. Він здатний каталізувати реакцію з утворенням 5-амінолевулінової кислоти без ферменту. Це важливий попередник утворення хлорофілу. [14]
В деяких організмах є ванадійвмісні ферменти, деякі види бактерій мають ванадійвмісні нітрогенази для фіксації азоту. Це, наприклад, види роду Азотобактер а також ціанобактерії Anabaena variabilis. [14] Однак ці нітрогенази не настільки ефективні, як більш поширені нітрогенази молібдену, і тому активуються лише тоді, коли є дефіцит молібдену. [28] Інші ферменти, що містять ванадій, можна знайти в бурих водоростях та лишайниках. Вони містять галопероксидази, що містять ванадій, за допомогою яких вони утворюють хлорорганічні, бромові або йодно-органічні сполуки.
Функція ванадію, який у великих кількостях присутній у морських бризках, як металопротеїновий ванабін, поки не відома. Спочатку передбачалося, що ванадій, подібний до гемоглобіну, служить транспортером кисню; проте це було визнано неправильним. [28]
Небезпеки
Як і інші металеві пили, пил ванадію є займистим. В експериментах на тваринах було показано, що ванадій та його неорганічні сполуки є канцерогенними. Тому вони класифікуються в канцерогені категорії 2. [29] Якщо пил ванадію вдихають робітники при виплавці металу протягом тривалого періоду, може виникнути так званий ванадизм. Це визнане професійне захворювання може проявлятися подразненням слизових оболонок, зелено-чорним забарвленням мови, а також хронічними захворюваннями бронхів, легенів та кишечника. [15]
посилання
Ванадій може бути присутнім у сполуках у різних ступенях окислення. Часто рівні становлять +5, +4, +3 та +2, рідше +1, 0, −1 та −3. Найважливішими та найстабільнішими ступенями окислення є +5 та +4.
Водний розчин
Ванадій легко перетворюється у різні ступені окислення у водному розчині. Оскільки різні іони ванадію мають характерні кольори, відбуваються зміни кольору.
У кислому розчині пентавалентний ванадій утворює безбарвні іони VO2 +, які спочатку відновлюються до синіх чотиривалентних іонів VO 2+. Тривалентний рівень з іонами V 3+ має зелений колір, найнижчий рівень, який можна досягти у водному розчині, двовалентний іон V 2+ є сіро-фіолетовим.
Кисневі сполуки
Найважливішою та найбільш стабільною ванадієво-кисневою сполукою є оксид ванадію (V) V2O5. Ця сполука оранжевого кольору у великих кількостях використовується як каталізатор для виробництва сірчаної кислоти. Там він діє як кисневий носій і під час реакції відновлюється до іншого оксиду ванадію, оксиду ванадію (IV) VO2. Іншими відомими оксидами ванадію є оксид ванадію (III) V2O3 та оксид ванадію (II) VO.
У лужному розчині оксид ванадію (V) утворює ванадати, солі з аніоном VO4 3−. Однак, на відміну від аналогічних фосфатів, іон ванадата є найбільш стабільною формою; Ванадати водню та дигідрогену, а також вільна ванадієва кислота нестійкі і відомі лише у розведених водних розчинах. Якщо основні розчини ванадату підкисляють, замість гідроген ванадатів утворюються поліванадати, в яких накопичується до десяти одиниць ванадату. Ванадати можна знайти в різних мінералах, прикладами є ванадиніт, десклоїцит та карнотит.
Галогенні сполуки
Ванадій утворює безліч сполук із галогенами фтором, хлором, бромом та йодом. Відомо, що лише одна сполука, фторид ванадію (V), перебуває у стадії окислення +5. У ступенях окиснення +4, +3 та +2 є сполуки з усіма галогенами, лише з йодом відомі лише сполуки на стадіях +2 та +3. Однак із цих галогенідів технічно важливими є лише хлориди хлориду ванадію (IV) та хлориду ванадію (III). Крім усього іншого, вони служать каталізатором для виробництва етилен-пропілен-дієнового каучуку. [13]
Хлориди оксиду ванадію
Також ванадій утворює змішані солі з киснем і хлором, т. Зв Хлориди оксиду ванадію. Оксихлорид ванадію (III), VOCl, являє собою жовто-коричневий, водорозчинний порошок. Оксихлорид ванадію (IV), VOCl2, що використовується у фотографії та як текстильна пляма, складається із зелених гігроскопічних кришталевих таблеток, які розчиняються у воді з синім кольором. Нарешті, оксихлорид ванадію (V), VOCl3, являє собою жовту рідину, яка дуже легко гідролізується водою. VOCl3 використовується як компонент каталізатора при полімеризації етилену низького тиску. [30]
Більше сполук ванадію
В органічних сполуках ванадію ванадій досягає найнижчих ступенів окиснення 0, -I та -III. Тут особливо важливі металоцени, так звані ванадоцен. Вони використовуються як каталізатори для полімеризації алкінів. [31]
Карбід ванадію VC використовується, серед іншого, у формі порошку для розпилення плазми або зварювання плазмового порошку. [32] Крім того, карбід ванадію додають до твердих металів, щоб зменшити ріст зерна. [13] Створюються так звані металокераміки, які особливо тверді та зносостійкі.