Какие свойства проявляет оксиды ванадия

К середине XX века в химической науке появился термин – металлы стратегического значения. Под ним подразумевали группу элементов, физико-химические свойства которых позволяли их использовать в производствах военно-промышленного комплекса. Речь идет о таких металлах, как хром, тантал, ниобий, молибден и вольфрам. Ванадий, свойства которого мы рассмотрим в данной статье, также по праву занимает одно из центральных мест среди металлов, применяемых в современном машиностроении, черной металлургии, инструментальном и химическом производстве. Металл образует с кислородом четыре оксида, проявляя в них валентность, равную 2, 3, 4 и 5. Наибольший практический интерес представляет соединение с наивысшей степенью окисления металла – V2O5, которое мы изучим более подробно.

Знакомимся с ванадием

В химической науке существует давно устоявшееся правило, гласящее, что характеристику химического элемента нужно начинать с его положения в периодической системе Д.И. Менделеева. Химическая формула ванадия как простого вещества – V, порядковый номер – 23, атомная масса – 50,9414. Он располагается в четвертом периоде, пятой группе и, вместе с ниобием и танталом, является типичным представителем тугоплавких металлов. Образцы чистого вещества пластичны и имеют серебристо-серый цвет. Атом ванадия является d-элементом, имеет на последнем энергетическом уровне два s-электрона, однако валентными будут также и те отрицательные частицы, которые расположены на d-подуровне этого же четвертого уровня.

Где встречается металл и каковы его физические свойства

Сам элемент в чистом виде в природе не найти. Зато он присутствует в качестве обязательного компонента в полиметаллических и железных рудах. Ранее мы говорили о пластичности и ковкости простого вещества, теперь добавим, что важные физические свойства ванадия – это высокие температуры кипения и плавления, равные, соответственно, 3400 °С и 1920 °С. Подобно титану он резко ухудшает свои физико-химические параметры при загрязнении такими примесями, как азот, водород или кислород. В частности, снижаются его пластичность и механическая прочность, и ванадий становится хрупким.

Особенные химические свойства

Металл способен к пассивации, т.е. имеет уникальную способность противостоять действию агрессивных химических сред: растворам кислот, щелочей и солей, образуя на своей поверхности защитную пленку – оксид ванадия. Кристаллическая решетка элемента имеет кубическую структуру. Отметим также, что антикоррозионная стойкость сталей, содержащих элемент, очень высока, что позволяет использовать их в качестве несущих креплений опор мостов и морских нефтяных буровых установок. Нельзя представить без ванадийсодержащих сталей и современное инструментальное производство. Вместе с ниобием, хромом и титаном элемент применяют для легирования специальных сплавов, применяемых в ракетостроении и космической промышленности. Однако концентрированная нитратная и сульфатная кислоты, раствор фтороводорода в воде и смесь хлоридной и нитратной кислот, называемая царской водкой, легко взаимодействуют с металлом. Элемент ванадий как простое вещество может реагировать с хлором, бромом, серой, при этом образуются соответствующие соли. С кислородом дает несколько оксидов, сильно отличающихся между собой своими химическими свойствами. Рассмотрим их далее.

Основные и амфотерные оксиды

Металл образует два оксида – VO и V2O3, которые проявляют типичные основные свойства. В лаборатории монооксид добывают реакцией восстановления V2O5 мелкодисперсным порошком ванадия. Основные оксиды реагируют с растворами кислот, образуя соответствующие соли. А уже из них можно получить гидроксиды, проводя реакцию обмена со щелочами. Оксид ванадия (III) обнаруживается в качестве компонента минерала карелианита, а получают его в лабораторных условиях при нагревании V2O5 с серой, углем или водородом. Оба основных оксида имеют сильно выраженные восстановительные свойства. Оксид VO2 – это типичное амфотерное соединение, вступающее в реакцию как с кислотами, так и со щелочами. В растворе, pH которого меньше 7, обнаруживаются положительно заряженные ионы ванадила VO2+, придающие раствору светло-синий цвет, а в щелочной среде образуются соли поливанадиевой кислоты. Оксид ванадия (IV) притягивает воду, т.е. является гигроскопичным веществом, в реакциях ведет себя, как восстановитель.

Гемипентоксид ванадия

Соединение, формула которого V2O5, – наиболее важный оксид металла. Это водоростворимое кристаллическое вещество оранжевого цвета, реагирующее со щелочами с образованием ванадатов – солей метаванадиевой кислоты HVO3. Широко применяется в качестве катализатора в реакции окисления двуокиси серы до серного ангидрида в промышленном производстве сульфатной кислоты. Пятиокись ванадия имеет ромбическую кристаллическую решетку и признаки амфотерности с преобладанием свойств кислотного оксида. В реакциях ведет себя как сильный окислитель. Соединение применяют в технологиях стекловарения, медицине и в органическом синтезе.

Способы извлечения ванадия из его соединений

Ранее мы упоминали о том, что металл является компонентом железной руды. В доменном производстве элемент вместе с примесями углерода и фосфора переходит в чугун. При выплавке стали оксид ванадия 5 осаждается в составе шлака, где его содержание может достигать 16 %. Добавляя к нему поваренную соль и проводя обжиг смеси в печах, получают продукт, который в дальнейшем растворяют в воде. Полученный водный концентрат обрабатывают сульфатной кислотой и выделяют из него V2O5. Чтобы выделить из оксида чистый ванадий, можно воспользоваться методом кальциетермии – восстановлением металлов с помощью металлического кальция. Для снижения технологических затрат в реакции с пятиокисью ванадия вместо кальция часто используют алюминий. Металл можно получить и восстановлением оксида трехвалентного ванадия углем.

Биологическая роль

Ванадий присутствует в живых организмах как микроэлемент, входящий в состав межклеточной жидкости морских иглокожих. У голотурий и морских ежей он связан с белками, которые выполняют функцию транспортировки к клеткам кислорода и удаления углекислого газа. Незначительно содержание элемента в организмах теплокровных животных и человека, где он находится в составе ферментов поджелудочной железы, в нейроглии и нефронах. В растениях микроэлемент участвует в качестве фермента темновой фазы фотосинтеза и влияет на уровень пигмента хлорофилла, находящегося в хлоропластах. Он также обнаруживается в клубеньковых бактериях, являющихся азотофиксаторами, в тканях высших грибов. В составе чернозема, наряду с соединениями бора, меди, цинка и марганца, оксид ванадия влияет на плодородие почвы.

В нашей статье мы изучили основные свойства ванадия и его оксидов, а также рассмотрели применение его соединений в промышленности.

Ванадий взаимодействует с кислородом, образуя достаточно большое разнообразие оксидов, важнейшими из которых являются VO, V2O3, VO2, V2O5.

Между оксидами V2O5 и VO2 имеются промежуточные оксиды состава VnO2n+1 (наиболее изучены V3O7, V4O9, V6O13).

Между оксидами VO2 и V2O3 имеются промежуточные оксиды состава VnO2n-1, со структурой, близкой к структуре рутила: V3O5 и фазы Магнели (V4O7, V5O9, V6O11, V8O15), представляющие собой темные порошки, обладающие парамагнитными свойствами, которые можно менять путем введения различных примесей.

Оксид ванадия VO(II)

• твердое и хрупкое порошкообразное вещество черного цвета, обладающее металлической проводимостью;
• температура плавления = 1830°C;
• структура кристаллической решетки аналогична хлориду натрия;
• проявляет свойства оснОвного оксида;
• не реагирует с водой и щелочами;
• медленно растворяется с кислотами, за исключением азотной, с которой хорошо взаимодействует;
• при нагревании на воздухе окисляется до высших оксидов.

Оксид ванадия V2O3(III)

• черный тугоплавкий порошок;
• температура плавления = 1970°C;
• структура кристаллической решетки сходна со структурой корунда α-Al2O3;
• при охлаждении до -105°C появляется металлическая проводимость;
• при нагревании на воздухе окисляется до высших оксидов (IV – 350°C; V – 500°C);
• при нагревании до 1300°C восстанавливается углеродом до металла;
• с щелочными металлами вступает в реакцию при нагревании выше 1000°C;
• при температуре 900-1350°C расплавленным кальцием восстанавливается до ванадия;
• является амфотерным оксидом с преобладанием оснОвных свойств;
• реагирует с кислотами, образуя соли зеленого цвета;
• с растворами щелочей не взаимодействует;
• в кислой и нейтральной среде водными растворами KClO3, KIO3, NaIO4 окисляется до V2O5;
• с оксидами различных металлов при нагревании образует ванадаты (LiVO2, NaVO2) и смешанные оксиды (AlVO3, MgVO4);
• получают восстановлением ванадиевого ангидрида водородом или аммиаком при температуре 450°C:
  3V2O5+4NH3 → 3V2O3+2N2+6H2O

Оксид ванадия VO2(IV)

• кристаллы черно-синего цвета, нерастворимые в воде;
• температура плавления = 1545°C;
• существует в двух модификациях, с обратимым фазовым переходом:
  • низкотемпературная α-модификация (до 70°C) имеет моноклинную искаженную структуру кристаллической решетки;
  • высокотемпературная β-модификация представляет тетрагональную структуру по типу рутила, обладает хорошей электрической проводимостью и магнитной восприимчивостью.
• проявляет амфотерные свойства;
• с кислотами реагирует с образованием солей диоксованадия (IV);
• с щелочами образует ванадаты (IV);
• получают спеканием эквимолярной смеси V2O3 и V2O5 при температуре 800°C;
• диоксид ванадия также получают восстановлением высшего оксида сернистым газом (350-580°C) или раствором водной глюкозы.

Оксид ванадия V2O5(V)

• ядовитый порошок желто-оранжевого цвета, является основным продуктом химической технологии ванадия;
• слаборастворим в воде, хорошо растворяется в спирте;
• температура плавления 680°C;
• в лабораторных условиях получают разложением на воздухе метаванадата аммония при температуре 350°C:
  2NH4VO3 → V2O5+2NH3+H2O
• является амфотерным оксидом, но проявляет кислотные свойства, поэтому, его еще называют ванадиевым ангидридом;
• легко реагирует с кислотами, образуя растворы желтого цвета;
• взаимодействует с щелочами с образованием ванадатов бесцветного или оранжево-желтую окраску (в зависимости от концентрации щелочи);
• в водных растворах восстанавливается, например, галогеноводородными кислотами до ванадия(IV):
  V2O5+6HCl = 2VOCl2+Cl2↑+3H2O
• с фтором и хлором образует оксогалогениды (450°C);
• восстанавливается серой до VO2 (300°C) и V2O3 (448°C);
• в среде угарного и углекислого газа при температуре 600°C восстанавливается до V2O3;
• с углеродом реагирует с образованием различных веществ:
  • 600°C – V6O13
  • 750°C – смесь V6O13, VO2, V3O5
  • 800°C – смесь V2O3 и оксокарбонатов
  • 1000°C – V2O3

Оксиды ниобия и тантала

Оксиды ниобия и тантала не так хорошо изучены, как оксиды ванадия.

• высшие оксиды Nb и Ta – белые инертные порошки;
• температура плавления = 1490°C (Nb2O5), 1870°C (Ta2O5);
• практически не проявляют окислительных свойств;
• реагируют со щелочами при 500°C с образованием ниобатов и танталатов:
  Nb2O5+2NaOH → 2NaNbO3+H2O
• растворяются в концентрированных растворах щавелевой кислоты с образованием оксооксалатных комплексов;
• температура плавления высших оксидов возрастает сверх-вниз в группе, что объясняется увеличением степени ионности связи;
• при 1000°C оксид Nb2O5 восстанавливается водородом до NbO2 – порошка черного цвета со структурой рутила;
• при дальнейшем нагревании (1700°C) NbO восстанавливается водородом или ниобием до NbO – вещества серого цвета с кубической структурой кристаллической решетки и металлическим типом проводимости;
• тантал не склонен к образованию низших оксидов, в литературе описаны TaO2, Ta2O3, TaO, Ta2O.