Do połowy XX wieku w naukach chemicznych pojawił się termin - metale o strategicznym znaczeniu. Chodziło o grupę pierwiastków, których właściwości fizykochemiczne pozwoliły na ich wykorzystanie w produkcji kompleksu wojskowo-przemysłowego. Mowa o metalach takich jak chrom, tantal, niob, molibden i wolfram. Wanad, którego właściwości rozważymy w tym artykule, słusznie również zajmuje jedno z centralnych miejsc wśród metali stosowanych we współczesnej inżynierii mechanicznej, metalurgii żelaza, produkcji narzędziowej i chemicznej. Metal tworzy z tlenem cztery tlenki, wykazując w nich wartościowość 2, 3, 4 i 5. 5 które omówimy bardziej szczegółowo.
Poznaj wanad
W nauce chemicznej istnieje od dawna ugruntowanazasada mówiąca, że charakterystykę pierwiastka chemicznego należy rozpocząć od jego pozycji w układzie okresowym D. I. Mendelejew. Wzór chemiczny wanadu jako prostej substancji to V, numer seryjny to 23, masa atomowa to 50, 9414. Znajduje się on w czwartym okresie, piątej grupie i wraz z niobem i tantalem jest typowym przedstawicielem metale ogniotrwałe. Próbki czystej substancji są plastyczne i mają srebrzystoszary kolor. Atom wanadu jest pierwiastkiem d, ma dwa s-elektrony na ostatnim poziomie energii, jednak te ujemne cząstki, które znajdują się na podpoziomie d tego samego czwartego poziomu, również będą walencją.
Gdzie znajduje się metal i jakie są jego właściwości fizyczne
Samego elementu nie można znaleźć w czystej postaci w naturze. Ale jest obecny jako obowiązkowy składnik w rudach polimetalicznych i żelaza. Wcześniej mówiliśmy o plastyczności i ciągliwości prostej substancji, teraz dodamy, że ważnymi właściwościami fizycznymi wanadu są wysokie temperatury wrzenia i topnienia, równe odpowiednio 3400 ° C i 1920 ° C. Podobnie jak tytan, drastycznie pogarsza swoje parametry fizykochemiczne, gdy jest zanieczyszczony zanieczyszczeniami, takimi jak azot, wodór czy tlen. W szczególności zmniejsza się jego ciągliwość i wytrzymałość mechaniczna, a wanad staje się kruchy.
Specjalne właściwości chemiczne
Metal jest zdolny do pasywacji, tj. posiada wyjątkową zdolność wytrzymywania działania agresywnych środowisk chemicznych: roztworów kwasów, zasad i soli, tworząc na jej powierzchni film ochronny -tlenek wanadu. Sieć krystaliczna elementu ma strukturę sześcienną. Należy również zauważyć, że odporność na korozję stali zawierających ten pierwiastek jest bardzo wysoka, co pozwala na ich stosowanie jako nośnych elementów złącznych podpór mostów i morskich platform wiertniczych. Nie sposób wyobrazić sobie nowoczesnej produkcji narzędzi bez stali zawierających wanad. Wraz z niobem, chromem i tytanem pierwiastek ten jest używany do stopowania specjalnych stopów stosowanych w rakietach i przemyśle kosmicznym. Jednak stężone kwasy azotanowe i siarczanowe, roztwór fluorowodoru w wodzie oraz mieszanina kwasów chlorkowych i azotanowych, zwana wodą królewską, łatwo wchodzą w interakcję z metalem. Pierwiastek wanad jako prosta substancja może reagować z chlorem, bromem, siarką i tworzą się odpowiednie sole. Z tlenem daje kilka tlenków, które znacznie różnią się właściwościami chemicznymi. Rozważ je dalej.
Tlenki zasadowe i amfoteryczne
Metal tworzy dwa tlenki, VO i V2O3, które wykazują typowe podstawowe właściwości. W laboratorium tlenek jest wydobywany w reakcji redukcji V2O5 drobny proszek wanadu. Tlenki zasadowe reagują z roztworami kwasów, tworząc odpowiednie sole. I już można z nich uzyskać wodorotlenki, przeprowadzając reakcję wymiany z zasadami. Tlenek wanadu (III) jest składnikiem mineralnego karelianitu i jest otrzymywany w laboratorium przez ogrzewanie V2O5 z siarką, węgiel lub wodór. Oba podstawowe tlenki mają silnie wyraźne właściwości redukujące. Tlenek VO2 jest typowym związkiem amfoterycznym, który reaguje zarówno z kwasami, jak i zasadami. W roztworze, którego pH jest mniejsze niż 7, znajdują się dodatnio naładowane jony wanadylu VO2+, nadające roztworowi jasnoniebieski kolor, a sole kwasu poliwanadowego tworzą się w środowisku alkalicznym. Tlenek wanadu (IV) przyciąga wodę, tj. jest substancją higroskopijną, w reakcjach zachowuje się jak reduktor.
Półpentanotlenek wanadu
Związek o wzorze V2O5, jest najważniejszym tlenkiem metalu. Jest to rozpuszczalna w wodzie pomarańczowa substancja krystaliczna, która reaguje z zasadami, tworząc wanadany – sole kwasu metawanadowego HVO3. Jest szeroko stosowany jako katalizator w utlenianiu dwutlenku siarki do bezwodnika siarkowego w przemysłowej produkcji kwasu siarczanowego. Pięciotlenek wanadu ma rombową sieć krystaliczną i oznaki amfoteryczności z przewagą właściwości kwaśnych tlenków. W reakcjach zachowuje się jak silny środek utleniający. Związek ma zastosowanie w technologii szkła, medycynie i syntezie organicznej.
Metody ekstrakcji wanadu z jego związków
Wspomnieliśmy wcześniej, że metal jest składnikiem rudy żelaza. W produkcji wielkopiecowej pierwiastek wraz z zanieczyszczeniami węgla i fosforu przechodzi do żeliwa. Podczas przetapiania stali tlenek wanadu 5 wytrąca się w składzie żużla, gdzie jego zawartość może sięgać 16%. Dodając do tegosoli kuchennej i prażenia mieszanki w piecach, otrzymuje się produkt, który następnie rozpuszcza się w wodzie. Powstały koncentrat wodny traktuje się kwasem siarczanowym i wyodrębnia z niego V2O5. Do wyizolowania czystego wanadu z tlenku można zastosować metodę wapniatermiczną – redukcję metali za pomocą wapnia metalicznego. Aby obniżyć koszty technologiczne w reakcji z pięciotlenkiem wanadu, zamiast wapnia często stosuje się aluminium. Metal można również otrzymać przez redukcję trójwartościowego tlenku wanadu węglem.
Rola biologiczna
Wanad jest obecny w żywych organizmach jako pierwiastek śladowy, który jest częścią płynu międzykomórkowego morskich szkarłupni. U holoturian i jeżowców wiąże się z białkami pełniącymi funkcję transportu tlenu do komórek i usuwania dwutlenku węgla. Zawartość pierwiastka jest nieznaczna w organizmach zwierząt stałocieplnych i ludzi, gdzie znajduje się w składzie enzymów trzustkowych, w neurogleju i nefronach. W roślinach pierwiastek śladowy bierze udział jako enzym w ciemnej fazie fotosyntezy i wpływa na poziom barwnika chlorofilowego znajdującego się w chloroplastach. Występuje również w bakteriach brodawkowych, które są łącznikami azotu, w tkankach grzybów wyższych. Jako część czarnoziemu, wraz ze związkami boru, miedzi, cynku i manganu, tlenek wanadu wpływa na żyzność gleby.
W naszym artykule zbadaliśmy podstawowe właściwości wanadu i jego tlenków, a także rozważyliśmy zastosowanie jego związków wbranża.
