ВАНА́ДИЙ

ВАНА́ДИЙ (лат. Vanadium), $\ce{V}$, хи­мич. эле­мент $\ce{V}$ груп­пы ко­рот­кой фор­мы (5-й груп­пы длин­ной фор­мы) пе­рио­дич. сис­те­мы; ат. н. 23, ат. м. 50,9415. При­род­ный В. со­дер­жит 99,76% ста­биль­но­го изо­топа $\ce{^{51}V}$ и 0,24% сла­бо­ра­дио­ак­тив­ного $\ce{^{50}V}$ ($\ce{K}$-за­хват, $\ce{T_{1 / 2}}$ 3,25·10 ¹⁴ лет); искус­ст­вен­но по­лу­че­ны ра­дио­ак­тив­ные изо­то­пы с мас­со­вы­ми чис­ла­ми 40–64, важ­ней­ший из ко­то­рых $\ce{^{48}V}$ ($\ce{K}$-за­хват и $\ce{\beta}$-рас­пад, $\ce{T_{1 / 2}}$ 16 сут).   

Историческая справка

В. был от­крыт в 1801 мекс. ми­не­ра­ло­гом А. дель Рио, ко­то­рый по­лу­чил ок­ра­шен­ные ок­си­ды и со­ли не­из­вест­но­го эле­мен­та, и на­зван по кра­си­во­му крас­но­му цве­ту не­ко­то­рых со­лей эри­тро­ни­ем (от греч. ἐρυτρός – крас­ный). В 1830 швед. хи­мик Н. Сеф­ст­рём по­втор­но от­крыл эле­мент и на­звал его В. в честь др.-сканд. бо­ги­ни кра­со­ты Ва­на­дис. В 1867 англ. хи­мик Г. Рос­ко по­лу­чил ме­тал­лич. В. вос­ста­нов­ле­ни­ем $\ce{VCl2}$ во­до­ро­дом.

Распространённость в природе

Со­дер­жа­ние В. в зем­ной ко­ре 0,02% по мас­се. В сво­бод­ном ви­де в при­ро­де не встре­ча­ет­ся. По­сколь­ку раз­ме­ры ато­мов В. и са­мых рас­про­стра­нён­ных ме­тал­лов ($\ce{Fe}$, $\ce{Ti}$, $\ce{Mn}$), а так­же раз­ме­ры ва­на­дат- и фос­фат-ио­нов близ­ки, В. вхо­дит в со­став мн. ми­не­ра­лов и ком­плекс­ных руд др. ме­тал­лов (маг­не­ти­то­вых, ти­та­но­маг­не­ти­то­вых, оса­доч­ных же­лез­ных, фос­фо­ри­тов, апа­ти­тов и пр.). Осн. ми­не­ра­лы В.: па­тро­нит, дек­луа­зит, кар­но­тит, ва­на­ди­нит, рос­ко­элит (см. Ва­на­дие­вые ру­ды). В. со­дер­жит­ся в ве­ще­ст­вах ор­га­нич. про­ис­хо­ж­де­ния: неф­ти, уг­лях, би­ту­мах и пр., мор­ской во­де.

Свойства

Кон­фи­гу­ра­ция внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ки ато­ма В. $3d^34s^2$; в со­еди­не­ни­ях про­яв­ля­ет сте­пе­ни окис­ле­ния +5, +4 (ме­нее ус­той­чи­ва); ред­ко +3 и +2; элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу 1,63; атом­ный ра­ди­ус 132,1 пм; ра­ди­ус ио­на $\ce{V^{5+}}$ 68 пм (ко­ор­ди­нац. чис­ло 6).

В. – се­реб­ри­сто-се­рый ме­талл; кри­стал­лич. ре­шёт­ка ку­бич. объ­ём­но­цен­три­ро­ван­ная; t_пл 1920 °C, t_кип 3400 °C; при 292 К плот­ность 6110 кг/м³, удель­ное элек­трич. со­про­тив­ле­ние 24,8·10^–8 Ом·м; те­п­ло­про­вод­ность 30,7 Вт/(м·К) (при 300 К). В. па­ра­маг­ни­тен, удель­ная маг­нит­ная вос­при­им­чи­вость 6,286 10^–8 м³/кг; ни­же 5,4 К пе­ре­хо­дит в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние. В чис­том со­стоя­нии В. ко­вок, лег­ко под­да­ёт­ся об­ра­бот­ке дав­ле­ни­ем; ус­той­чив к кор­ро­зии бла­го­да­ря об­ра­зо­ва­нию за­щит­ной ок­сид­ной плён­ки.

В. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся вы­со­кой хи­мич. инерт­но­стью. Рас­тво­ря­ет­ся в $\ce{HF}$, кон­цен­трир. $\ce{HNO3}$ и $\ce{H2SO4}$, цар­ской вод­ке. В. не взаи­мо­дей­ст­ву­ет с рас­тво­ра­ми ще­ло­чей; с рас­пла­ва­ми ще­ло­чей в при­сут­ст­вии окис­ли­те­лей об­ра­зу­ет ва­на­да­ты. При спе­ка­нии $\ce{V2O5}$ с кар­бо­на­та­ми ще­лоч­ных и щё­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов об­ра­зу­ют­ся ва­на­дие­вые брон­зы (см. Брон­зы ок­сид­ные). С ме­тал­ла­ми В. об­ра­зу­ет спла­вы (напр., фер­ро­ва­на­дий) и ин­тер­ме­тал­лич. со­еди­не­ния. В. спо­со­бен по­гло­щать зна­чит. ко­ли­че­ст­во во­до­ро­да, азо­та. При на­гре­ва­нии на воз­ду­хе вы­ше 300 °C В. по­гло­ща­ет ки­сло­род и ста­но­вит­ся хруп­ким.

При 600–700 °C на воз­ду­хе про­ис­хо­дит ин­тен­сив­ное окис­ле­ние В. до $\ce{V2O5}$. Вы­ше 700 °C в ат­мо­сфе­ре азо­та В. об­ра­зу­ет нит­рид $\ce{VN}$ (жёл­тые кри­стал­лы, t_пл 2360 °C), с уг­ле­ро­дом и уг­ле­род­со­дер­жа­щи­ми га­за­ми вы­ше 800 °C – кар­бид $\ce{VC}$ (чёр­ные кри­стал­лы, t_пл ок. 2830 °C). Си­ли­цид три­ва­на­дия $\ce{V3Si}$ (свет­ло-се­рые кри­стал­лы, t_пл ок. 1910 °C) по­лу­ча­ют из $\ce{V}$ и $\ce{Si}$ кон­ден­са­ци­ей па­ров в ва­куу­ме. Ди­бо­рид $\ce{VB2}$ (се­рые кри­стал­лы, t_пл ок. 2400 °C) по­лу­ча­ют вос­ста­нов­ле­ни­ем ок­си­дов В. бо­ром или $\ce{B4C}$ в ва­куу­ме при 1500–1600 °C. В. об­ра­зу­ет суль­фи­ды: $\ce{VS}$ (тём­но-ко­рич­не­вые кри­стал­лы), $\ce{V2S3}$ (чёр­ные), $\ce{V2S5}$ (чёр­ные). Гал­лид три­ва­на­дия $\ce{V3Ga}$ име­ет срав­нитель­но вы­со­кую темп-ру пе­ре­хо­да в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние (14,5 К). В. об­ра­зу­ет ком­плекс­ные, а так­же ва­на­дий­ор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния.

В. от­но­сит­ся к мик­ро­эле­мен­там, его со­дер­жа­ние в тка­нях рас­те­ний до 0,2%, жи­вот­ных – ок. 2·10^–7%. Не­ко­то­рые ор­га­низ­мы, напр. ас­ци­дии, ли­шай­ни­ки, из­би­ра­тель­но кон­цен­три­ру­ют В. Мн. со­еди­не­ния В. ток­сич­ны: мо­гут по­ра­жать нерв­ную, ды­ха­тель­ную, пи­ще­ва­ри­тель­ную и кро­ве­нос­ную сис­те­мы, вы­зы­вать за­бо­ле­ва­ния ко­жи.

Получение

Осн. ис­точ­ник В. – ва­на­дий­со­дер­жа­щие ти­та­но­маг­не­ти­ты. При их плав­ке В. пе­ре­хо­дит в чу­гун, при пе­ре­ра­бот­ке ко­то­ро­го в сталь по­лу­ча­ют шла­ки, со­дер­жа­щие 10–16% $\ce{V2O5}$. Шла­ки об­жи­га­ют с $\ce{NaCl}$, $\ce{KCl}$, $\ce{Na2CO3}$; обож­жён­ный ма­те­ри­ал вы­ще­ла­чи­ва­ют во­дой и раз­бав­лен­ной $\ce{H2SO4}$. Из рас­тво­ров вы­де­ля­ют $\ce{V2O5}$. Вос­ста­нов­ле­ни­ем $\ce{V2O5}$ фер­ро­си­ли­ци­ем или $\ce{Al}$ по­лу­ча­ют фер­ро­ва­на­дий (35–80% $\ce{V}$). Ков­кий ме­тал­лич. В. по­лу­ча­ют каль­цие­тер­мич. вос­ста­нов­ле­ни­ем $\ce{V2O5}$ или $\ce{V2O3}$, вос­ста­нов­ле­ни­ем $\ce{V2O5}$ алю­ми­ни­ем, ва­ку­ум­ной кар­бо­тер­ми­ей $\ce{V2O3}$, маг­ние­тер­ми­ей $\ce{VCl3}$. В. наи­бо­лее вы­со­кой чис­то­ты по­лу­ча­ют тер­мич. дис­со­циа­ци­ей $\ce{VI2}$. Пла­вят В. в ва­ку­ум­ных ду­го­вых пе­чах с рас­хо­дуе­мым элек­тро­дом. Ми­ро­вое про­из-во В. ок. 25 тыс. т/год.

Применение

В. в осн. ис­поль­зу­ют как ле­ги­рую­щий ком­по­нент спец. кон­ст­рук­ци­он­ных ва­на­дий­со­дер­жа­щих ста­лей, об­ла­даю­щих хо­ро­шей ков­ко­стью, проч­но­стью, со­про­тив­ле­ни­ем ус­та­ло­сти и из­но­со­устой­чи­во­стью. В ста­лях В. взаи­мо­дей­ст­ву­ет с рас­тво­рён­ным уг­ле­ро­дом, об­ра­зуя твёр­дые и жа­ро­стой­кие кар­би­ды, ко­то­рые спо­соб­ст­ву­ют об­ра­зо­ва­нию мел­ко­кри­стал­лич. струк­ту­ры. В. ис­поль­зу­ют так­же для ле­ги­ро­ва­ния чу­гу­на, как ком­по­нент спла­вов для по­сто­ян­ных маг­ни­тов, жа­ро­проч­ных, твёр­дых и кор­ро­зи­он­но­стой­ких спла­вов, в атом­ной энер­ге­ти­ке – для из­го­тов­ле­ния обо­ло­чек топ­лив­ных эле­мен­тов и ядер­ных ре­ак­то­ров; в хи­мич. пром-сти со­еди­не­ния В. при­ме­ня­ют как ка­та­ли­за­то­ры. $\ce{^48V}$ – ра­дио­ак­тив­ный ин­ди­ка­тор.