Vanadin undergrupp

Vanadinundergrupp  - kemiska element i den 5: e gruppen av det periodiska systemet för kemiska element (enligt den föråldrade klassificeringen  - element i sidoundergruppen i grupp V) [1] . I gruppen ingår vanadin V, niob Nb och tantal Ta [2] . Baserat på den elektroniska konfigurationen av atomen, hör grundämnet dubnium Db till samma grupp, artificiellt syntetiserat i vetenskapsstaden Dubna 1970  av gruppen G. N. Flerov genom att bombardera 243 Am kärnor med 22 Ne- joner [3] och oberoende i Berkeley ( USA ) i reaktionen 249 Cf + 15 N → 260 Db+4n [4] .

Egenskaper

Som med de andra grupperna uppvisar medlemmar av denna familj av element mönster i elektronisk konfiguration , särskilt i yttre skal, även om niob konstigt nog inte följer denna trend. Emellertid visar elementen i denna grupp också liknande fysikaliska egenskaper och kemiskt beteende:

Några egenskaper hos element i den 5:e gruppen

Vanadium

Vanadin är det 20:e vanligaste grundämnet i jordskorpan [5] . Den tillhör spårämnen och förekommer inte i naturen i fri form. Halten vanadin i jordskorpan är 1,6⋅10 −2 viktprocent , i havens vatten 3⋅10 −7 %. De högsta genomsnittliga halterna av vanadin i magmatiska bergarter noteras i gabbro och basalter (230–290 ppm). I sedimentära bergarter sker en betydande ansamling av vanadin i bioliter (asfaltiter, kol, bituminösa fosfater), bituminösa skiffer, bauxiter , såväl som i oolitiska och kiselhaltiga järnmalmer . Närheten till jonradierna av vanadin och järn och titan , som är utbredda i magmatiska bergarter , leder till att vanadin i hypogena processer är helt i ett dispergerat tillstånd och inte bildar sina egna mineraler. Dess bärare är många titanmineraler (titanomagnetit, sphen , rutil , ilmenit ), glimmer , pyroxener och granater , som har en ökad isomorf kapacitet med avseende på vanadin. De viktigaste mineralerna är patronit V(S 2 ) 2 , vanadinite Pb 5 (VO 4 ) 3 Cl och några andra. Den huvudsakliga källan till vanadin är järnmalm som innehåller vanadin som en förorening.

Kemiskt är vanadin ganska inert. Den har god motståndskraft mot korrosion, resistent mot havsvatten, utspädda lösningar av saltsyra, salpetersyra och svavelsyra, alkalier [6] . Med syre bildar vanadin flera oxider : VO, V 2 O 3 , VO 2 , V 2 O 5 . Orange V 2 O 5 är en sur oxid, mörkblå VO 2 är amfoter, resten av vanadinoxiderna är basiska. Vanadyljon (VO 2+ ) finns rikligt i havsvatten, med en medelkoncentration på 30 nMa [7] . Vissa mineralvattenkällor innehåller också jonen i höga koncentrationer. Till exempel innehåller källor nära berget Fuji upp till 54 mikrogram per liter [7] .

Vanadinhalogenider hydrolyseras. Med halogener bildar vanadin ganska flyktiga halogenider av kompositionerna VX 2 (X \ u003d F , Cl , Br , I ), VX 3 , VX 4 (X \ u003d F , Cl , Br ), VF 5 och flera oxohalider (VOCl, VOCI2 , VOF3 och etc. ). Vanadinföreningar i oxidationstillstånd +2 och +3 är starka reduktionsmedel, i oxidationstillstånd +5 uppvisar de egenskaperna hos oxidationsmedel. Känd eldfast vanadinkarbid VC (t pl =2800 °C), vanadinnitrid VN, vanadinsulfid V2S5 , vanadinsilicid V3Si och andra vanadinföreningar . När V 2 O 5 interagerar med basiska oxider bildas vanadater  - salter av vanadinsyra med den troliga sammansättningen HVO 3 .

Niob

Clarke av niob - 18 g/t. Halten av niob ökar från ultramafisk (0,2 g/t Nb) till sura bergarter (24 g/t Nb). Niob åtföljs alltid av tantal. De nära kemiska egenskaperna hos niob och tantal bestämmer deras gemensamma närvaro i samma mineral och deltagande i vanliga geologiska processer. Niob kan ersätta titan i ett antal titanhaltiga mineraler ( sfen , ortit , perovskit , biotit ). Formen för att hitta niob i naturen kan vara olika: spridd (i bergbildande och accessoriska mineraler från magmatiska bergarter) och mineral. Totalt är mer än hundra mineraler som innehåller niob kända. Av dessa är endast ett fåtal av industriell betydelse: kolumbittantalit (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6 , pyroklor (Na, Ca, TR, U) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 ( OH, F) (Nb 2 O 5 0 - 63%), loparit (Na, Ca, Ce) (Ti, Nb) O 3 ((Nb, Ta) 2 O 5 8 - 10%), euxenit, torolite, ilmenorutil används ibland, liksom mineraler som innehåller niob som föroreningar ( ilmenit , kassiterit , wolframit ). I alkaliska - ultrabasiska bergarter är niob dispergerat i mineraler som perovskit och i eudialyt. I exogena processer kan niob- och tantalmineraler, eftersom de är stabila, ackumuleras i deluvial-alluviala placers (columbite placers), ibland i bauxiter av vittringsskorpan. Koncentrationen av niob i havsvatten är 1⋅10 −5 mg/l [8] .

Kemiskt är niob ganska stabilt, men sämre i detta avseende än tantal . Det påverkas praktiskt taget inte av saltsyra , ortofosforsyra , utspädd svavelsyra , salpetersyra . Metallen löses i fluorvätesyra HF , en blandning av HF och HNO 3 , koncentrerade lösningar av kaustikalkali samt i koncentrerad svavelsyra vid upphettning över 150 ° C. När det bränns i luft oxideras det till Nb 2 O 5 . Cirka 10 kristallina modifikationer har beskrivits för denna oxid . Vid vanligt tryck är β-formen av Nb 2 O 5 stabil .

Tantal

Tantal är en sällsynt metall, i jordskorpan står den för 0,0002%. Cirka 20 inhemska tantalmineraler är kända - en serie av columbite-tantalite , wojinite , loparite , manganotantalite och andra, såväl som mer än 60 mineraler som innehåller tantal. Alla är förknippade med endogen mineralbildning . I mineraler finns tantal alltid tillsammans med niob på grund av likheten mellan deras fysikaliska och kemiska egenskaper. Tantal är ett typiskt dispergerat grundämne, eftersom det är isomorft med många kemiska grundämnen. Avlagringar av tantal är begränsade till granitiska pegmatiter, karbonater och alkaliska skiktade intrång.

Tantal har en hög smältpunkt  - 3290  K ( 3017 ° C ); kokar vid 5731  K ( 5458 °C ). Densiteten av tantal är 16,65 g/cm³ . Trots sin hårdhet är den plast som guld . Ren tantal lämpar sig väl för bearbetning, stämplas lätt, rullas till tråd och de tunnaste arken med en tjocklek på hundradels millimeter. Tantal är en utmärkt getter (gasgetter), vid 800 °C kan den absorbera 740 volymer gas. Kristallgittret  är kubiskt, kroppscentrerat. Den har paramagnetiska egenskaper. Vid temperaturer under 4,45 K övergår den till supraledande tillstånd.

Under normala förhållanden är tantal inaktivt, det oxiderar i luften endast vid temperaturer över 280 ° C och blir täckt av en oxidfilm av Ta 2 O 5 ; reagerar med halogener vid temperaturer över 250 °C . När den upphettas reagerar den med C, B, Si, P, Se, Te, H 2 O, CO, CO 2 , NO, HCl, H 2 S. Kemiskt ren tantal är exceptionellt resistent mot flytande alkalimetaller , de flesta oorganiska och organiska syror, liksom många andra aggressiva miljöer (med undantag för smälta alkalier).

När det gäller kemisk resistens mot reagens liknar tantal glas. Tantal är olösligt i syror och deras blandningar, förutom en blandning av fluorvätesyra och salpetersyra ; inte ens regenvatten löser det . Reaktionen med fluorvätesyra sker endast med metalldamm och åtföljs av en explosion . Den är mycket resistent mot svavelsyra oavsett koncentration och temperatur (vid 200 °C korroderar metallen i syra med endast 0,006 millimeter per år) [9] , stabil i deoxygenerade smälta alkalimetaller och deras överhettade ångor (litium, natrium, kalium ) rubidium, cesium).

Dubnium

Dubnium är ett konstgjort radioaktivt kemiskt grundämne, tillhör transaktinoiden, förmodligen en silvervit metall. Den har inga stabila isotoper, den har inte erhållits i viktmängder. Radioisotoper med massnummer 255-268 är kända, den längsta livslängden är 268Db (T1/2 16 h, spontan fission). Konfigurationen (beräknad) för atomens yttre elektronskal är 5f 14 6d 3 7s 2 , oxidationstillståndet är +5 [10] .

Historik

Upptäckten av element i grupp 5 är förknippad med betydande motsägelser och svårigheter för kemister. Verifiering av de nyupptäckta grundämnena var svår på grund av likheterna mellan vanadin och grundämne 6 i kromgruppen, de kemiska likheterna mellan niob och tantal och komplexiteten hos de anläggningar som behövdes för att producera några dubniumatomer.

Element i den 5: e gruppen liknar varandra inte bara i sina egenskaper, utan också "släktingar" i namn. För det första hör namnen på alla tre till mytologiområdet. För det andra indikerar namnen ett direkt familjeförhållande: i antik grekisk mytologi är Niobe dotter till Tantalus.

Vanadium är uppkallat efter de gamla skandinavernas skönhetsgudinna - den legendariska Freya Vanadis. Detta namn gavs till grundämnet 1831 av Gabriel Sefström, professor vid Bergsinstitutet i Stockholm.

Tantal upptäcktes 1802 av den svenske kemisten Ekeberg i två mineraler som finns i Finland och Sverige.

Niob upptäcktes 1801 av den engelske vetenskapsmannen C. Hatchet i ett mineral ( columbite ) som hittades i flodens bassäng. Colombia, och fick därför namnet "Columbia". År 1844 döpte den tyske kemisten Heinrich Rose om det till "niobium" för att hedra Tantalus dotter Niobe , och därigenom framhävde likheterna mellan niob och tantal . Men i vissa länder (USA, England) behölls grundämnets ursprungliga namn, columbium, under lång tid, och först 1950, genom beslut av International Union of Pure and Applied Chemistry ( IUPAC ), var grundämnet äntligen fått namnet niob.

Utbredning i naturen och biosfären

Vanadin är ganska utbrett i naturen och utgör cirka 0,005 % av det totala antalet atomer i jordskorpan. Men rika avlagringar av dess mineraler är mycket sällsynta. Förutom sådana avlagringar är vissa järnmalmer som innehåller föroreningar av föreningar av detta element en viktig källa till råmaterial för industriell produktion av vanadin.

Innehållet av niob (2⋅10 −4  %) och tantal (2⋅10 −5  %) i jordskorpan är mycket mindre än i vanadin. De förekommer huvudsakligen i form av mineralerna columbite Fe 2+ Nb 2 O 6 och tantalit Fe 2+ Ta 2 O 6 , som vanligtvis blandas med varandra.

Av element i grupp 5 har endast vanadin identifierats som spelar en roll i biokemin i levande system: det är involverat i vissa enzymer från högre organismer, och också, ovanligt, i biokemin hos vissa marina manteldjur .

Foton

• Rent vanadin (stav till höger och kub) och två av dess oxider (staplar till vänster). Duktil silvergrå metall.

• Niob kristaller. Glänsande grå metall täckt med en gulaktig oxidfilm.

• tantalkristaller. Tung solid grå metall.

Anteckningar

1. ↑ Periodiska systemet Arkiverad 17 maj 2008. på IUPAC :s webbplats
2. ↑ [www.xumuk.ru/nekrasov/ix-06.html Vanadin undergrupp]
3. ↑ G.N. Flerov et al. Om syntesen av element 105  // Kärnfysik A . - 1970. - T. 160 , nr 1 . - S. 181-192 .
4. ↑ Albert Ghiorso et al. New Element Hahnium, Atomic Number 105  // Physical Review Letters . - 1970. - T. 24 , nr 26 . - S. 1498-1503 .
5. ↑ Förfaranden  _ _ — National Cotton Council of America, 1991.
6. ↑ Holleman, Arnold F.; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils. Vanadium // Lehrbuch der Anorganischen Chemie  (tyska) . — 91–100. - Walter de Gruyter , 1985. - S. 1071-1075. - ISBN 978-3-11-007511-3 .
7. ↑ 1 2 Rehder, Dieter. Biooorganisk vanadinkemi  (neopr.) . — 1:a. - Hamburg, Tyskland: John Wiley & Sons, Ltd , 2008. - P. 5 & 9-10. - (Oorganisk kemi). — ISBN 9780470065099 . - doi : 10.1002/9780470994429 .
8. ↑ JP Riley och Skirrow G. Chemical Oceanography V.I, 1965
9. ↑ Venetsky S. I. Born in pain // Sagor om metaller. - M . : Metallurgi, 1979. - S. 167. - 240 sid. — 60 000 exemplar.
10. ↑ Dubniy  / Myasoedov B.F. // Atmosfärisk dynamik - Järnvägsknut. - M  .: Great Russian Encyclopedia, 2007. - S. 385. - ( Great Russian Encyclopedia  : [i 35 volymer]  / chefredaktör Yu. S. Osipov  ; 2004-2017, v. 9). - ISBN 978-5-85270-339-2 .

Litteratur

• Akhmetov N. S. Allmän och oorganisk kemi. - M . : Högre skola, 2001. - ISBN 5-06-003363-5 .
• Lidin R. A. Handbok i allmän och oorganisk kemi. - M. : KolosS, 2008. - ISBN 978-5-9532-0465-1 .
• Nekrasov BV Grunderna i allmän kemi. - M. : Lan, 2004. - ISBN 5-8114-0501-4 .
• Spitsyn V.I. , Martynenko L.I. Oorganisk kemi. - M. : MGU, 1991, 1994.
• Turova N. Ya Oorganisk kemi i tabeller. Handledning. - M .: CheRo, 2002. - ISBN 5-88711-168-2 .
• Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan. (1997), Chemistry of the Elements (2:a upplagan), Oxford: Butterworth-Heinemann, ISBN 0-08-037941-9
• F. Albert Cotton, Carlos A. Murillo och Manfred Bochmann, (1999), Advanced inorganic chemistry. (6:e upplagan), New York: Wiley-Interscience, ISBN 0-471-19957-5
• Housecroft, C.E. Sharpe, A.G. (2008). Inorganic Chemistry (3:e upplagan). Prentice Hall, ISBN 978-0-13-175553-6

Länkar

I bibliografiska kataloger	GND : 4377655-3