Vanadin

Vanadin
←  Titan | Chrome  →
23 V

Obs
Periodiska system av element23V _
Utseendet av en enkel substans
Vanadinprover
Atomegenskaper
Namn, symbol, nummer Vanadin / Vanadin (V), 23
Grupp , punkt , block 15 (föråldrad 5), 4,
d-element
Atommassa
( molmassa )
50.9415(1) [1]  a. e. m.  ( g / mol )
Elektronisk konfiguration [Ar] 3d 3 4s 2
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 3 4s 2
Atomradie 134 pm
Kemiska egenskaper
kovalent radie 122  pm
Jonradie (+5e)59 (+3e)74  pm
Elektronnegativitet 1,63 (Pauling-skala)
Elektrodpotential 0
Oxidationstillstånd 0, +2, +3, +4, +5
Joniseringsenergi
(första elektron)
650,1 (6,74)  kJ / mol  ( eV )
Termodynamiska egenskaper hos ett enkelt ämne
Densitet (vid ej ) 6,11 [2]  g/cm³
Smält temperatur 2160 K (1887 °C)
Koktemperatur 3650 K (3377 °C)
Oud. fusionsvärme 17,5 kJ/mol
Oud. avdunstningsvärme 460 kJ/mol
Molär värmekapacitet 24,95 [2]  J/(K mol)
Molar volym 8,35  cm³ / mol
Kristallgittret av en enkel substans
Gallerstruktur Kubisk
kropp centrerad
Gitterparametrar 3.024 Å [2]
Debye temperatur 390K  _
Andra egenskaper
Värmeledningsförmåga (300 K) 30,7 W/(m K)
CAS-nummer 7440-62-2
längst levande isotoper
Isotop Prevalens
_
Halva livet Decay kanal Förfallande produkt
48V _ synth. 16 dagar β + 48 Ti
49V _ synth. 330 dagar EZ 49 Ti
50V _ 0,25 % 1,5⋅10 17  år EZ 50 Ti
β − 50Cr _
51V _ 99,75 % stabil - -
23 Vanadin
V50,9415
3d 3 4s 2

Vanadin ( kemisk symbol  - V, från lat .  Vanadin ) - ett kemiskt element av den 15: e gruppen (enligt den föråldrade klassificeringen  - en sidoundergrupp av den femte gruppen, VB), den fjärde perioden av det periodiska systemet av kemiska element av D. I. Mendelejev , med atomnummer 23 och atommassa 50,9415(1) [1] . Elementet är en övergångsmetall .

Det enkla ämnet vanadin  är en seg silvergrå metall , täckt av luft med en vacker film av vanadinoxider , vars olika färger beror på oxidskiktets olika tjocklek [3] .

Historik

Vanadin upptäcktes 1801 av Andres Manuel Del Rio , professor i mineralogi från Mexico City , i blymalm. Han upptäckte en ny metall och föreslog namnet "panchromium" för det på grund av det breda utbudet av färger på dess föreningar, och ändrade sedan namnet till "erythronium". Del Rio hade ingen auktoritet i den vetenskapliga världen i Europa, och europeiska kemister ifrågasatte hans resultat. Sedan tappade Del Rio själv förtroendet för sin upptäckt och förklarade att han bara hade upptäckt blykromat.

1830 återupptäcktes vanadin av den svenske kemisten Nils Sefström i järnmalm. Namnet fick det nya elementet av Berzelius och Sefström.

Friedrich Wöhler , som undersökte mexikansk malm, hade en chans att upptäcka vanadin , men han förgiftades allvarligt av vätefluorid strax innan Sefströms upptäckt och kunde inte fortsätta sin forskning. Wöhler avslutade dock studien av malmen och bevisade slutligen att den innehöll vanadin och inte krom .

Namn

Detta grundämne bildar sammansättningar med en vacker färg, därav namnet på grundämnet, förknippat med namnet på den skandinaviska kärleks- och skönhetsgudinnan Freya ( Old Scandinavian Vanadís  - Vans dotter; Vanadis ) [4] . År 1831 föreslog geologen George William Featherstonhaugh att döpa om vanadin till "rionium" (för att hedra Del Rio), men detta förslag stöddes inte [5] .

Att vara i naturen

Vanadin är det 20:e vanligaste grundämnet i jordskorpan [6] . 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 VS 4 , vanadinit Pb 5 (VO 4 ) 3 Cl och några andra. Den huvudsakliga källan till vanadin är järnmalm som innehåller vanadin som en förorening.

Vanadyljon (VO 2+ ) finns i överflöd 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 vanadin per liter [7] .

Insättningar

Under 1900-talets första decennium bröts det mesta av vanadinmalmen av det amerikanska företaget Vanadium från Minas Ragra i Peru. Senare ledde en ökad efterfrågan på uran till en ökad utvinning av malm av denna metall. En av de viktigaste uranmalmerna var karnotit , som också innehåller vanadin. Därmed blev vanadin tillgänglig som en biprodukt av uranproduktion. Med tiden började uranbrytning ge en stor del av efterfrågan på vanadin [8] [9] .

Inlåning är kända i Peru, USA, Sydafrika, Finland, Australien, Armenien, Turkiet, England, Ryssland [10] . En av de största fyndigheterna av vanadin kallas Chineyskoye-fyndigheten i Trans-Baikal-territoriet [11] .

Fysiska egenskaper

Vanadin är en seg silvergrå metall , som till utseendet liknar stål. Bildar kristaller av kubiskt system (kroppscentrerat gitter), rymdgrupp Im 3 m ,  cellparametrar a = 0,3024 nm , Z = 2 . Smältpunkt 1920 °C, kokpunkt 3400 °C, densitet 6,11 g/cm³ . Vid upphettning i luft över 300 °C blir vanadin sprött. Föroreningar av syre , väte och kväve minskar kraftigt plasticiteten hos vanadin och ökar dess hårdhet och sprödhet [2] .

Isotoper

Naturligt vanadin består av två isotoper : svagt radioaktivt 50 V (isotopmängd 0,250%) och stabilt 51 V (99,750%). Halveringstiden för vanadin-50 är 1,5⋅10 17 år , det vill säga för alla praktiska ändamål kan den anses vara stabil; denna isotop i 83% av fallen omvandlas till 50 Ti genom elektronfångning , och i 17% av fallen genomgår den beta-minus sönderfall , förvandlas till 50 Cr .

Det finns 24 kända konstgjorda radioaktiva isotoper av vanadin med massatal som sträcker sig från 40 till 65 (liksom 5 metastabila tillstånd ). Av dessa är 49 V ( T 1/2 = 337 dagar) och 48 V ( T 1/2 = 15,974 dagar) de mest stabila.

Kemiska egenskaper

Kemiskt är vanadin ganska inert. Den har god motståndskraft mot korrosion, mot inverkan av havsvatten, utspädda lösningar av saltsyra, salpetersyra och svavelsyra, alkalier [12] .

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.

Följande vanadinoxider är kända:

Systematisk

namn

Chem. formel Densitet , g/cm³ Smältpunkt , °C Kokpunkt , °C Molmassa , g/ mol Färg
Vanadin(II)oxid VO 5,76 1830 3100 66,94 Den svarta
Vanadin(III)oxid V2O3 _ _ _ 4,87 1967 3000 149,88 Den svarta
Vanadin(IV)oxid VO2 _ 4,571 g/cm³ 1542 2700 82,94 mörkblå
Vanadin(V)oxid V2O5 _ _ _ 3,357 670 2030 181,88 röd gul

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 .

Reagerar med syror .

Får

Inom industrin, när vanadin erhålls från järnmalm med dess inblandning, bereds först ett koncentrat, i vilket vanadinhalten når 8–16 %. Vidare, genom oxidativ behandling, överförs vanadin till det högsta oxidationstillståndet på +5 och det lätt vattenlösliga natriumvanadatet NaVO 3 separeras . När lösningen surgörs med svavelsyra bildas en fällning, som efter torkning innehåller mer än 90 % vanadin.

Primärkoncentratet reduceras i masugnar och ett vanadinkoncentrat erhålls, som sedan används vid smältning av en legering av vanadin och järn - det så kallade ferrovanadiumet (innehåller från 35 till 80 % vanadin). Vanadinmetall kan framställas genom reduktion av vanadinklorid med väte, termisk reduktion av vanadinoxider (V 2 O 5 eller V 2 O 3 ) med kalcium, termisk dissociation av VI 2 och andra metoder.

Några av sorterna av ascidianer har en unik egenskap: de innehåller vanadin i blodet. Ascidians absorberar det från vattnet. I Japan har det föreslagits att föda upp ascidianer på undervattensplantager, skörda dem, bränna dem och erhålla aska, som innehåller vanadin i en högre koncentration än i malmen i många av dess fyndigheter [13] .

Applikation

Vätgasenergi

Vanadinklorid används vid den termokemiska nedbrytningen av vatten i kärnkraftsenergi (vanadinkloridcykeln "General Motors", USA).

Kemiska strömkällor

Vanadinpentoxid används ofta som en positiv elektrod (anod) i högeffekts litiumbatterier och -ackumulatorer [14] .

Vid tillverkning av svavelsyra

Vanadin(V)oxid används som katalysator [15] vid omvandlingen av svaveldioxid till svaveldioxid [16] .

Metallurgi

Över 90 % [17] av all vanadin som produceras används som en legeringstillsats i stål , främst höghållfasta låglegerade, i mindre utsträckning, rostfria stål och verktygsstål, samt vid tillverkning av höghållfasta titanlegeringar [ 18] baserat på Ti-6Al-4V (i den ryska klassificeringen - BT6, innehåller cirka 4% vanadin). I stål bildar vanadin finfördelade VC-karbider, vilket ökar de mekaniska egenskaperna och strukturstabiliteten. Dess användning är särskilt effektiv i kombination med volfram, molybden och nickel. I konstruktionsstål överstiger vanadinhalten som regel inte 0,25%, i verktygs- och höghastighetsskärande stål når den 4%. I den ryska nomenklaturen för stål betecknas vanadin med bokstaven F.

Bilindustrin

Vanadin används i delar som kräver mycket hög hållfasthet, såsom bilmotorkolvar. Den amerikanske industrimannen Henry Ford noterade vanadinets viktiga roll i bilindustrin. "Om det inte fanns något vanadin skulle det inte finnas någon bil." Ford [19] sa . Vanadinstål gjorde det möjligt att minska vikten samtidigt som draghållfastheten ökade [20] .

Oljeproduktion

Vanadinstål används för att skapa nedsänkbara borrplattformar för borrning av oljekällor [21] .

Souvenirprodukter

Privata företag i USA producerar medaljer och samlarsymboler av rent vanadin. En av vanadinmedaljerna kom ut 2011 [22] .

Elektronik

Halvledarmaterial baserat på vanadindioxid används för termistorer , minnesomkopplare och displayer [23] .

Produktion

Biologisk roll och påverkan

Vanadin och många av dess föreningar är giftiga (för människor ) vid höga koncentrationer. Föreningar av femvärt vanadin är de mest giftiga. Dess oxid (V) V 2 O 5 är giftig (giftig vid förtäring och inandning påverkar andningsorganen). Den semi-dödliga dosen av LD50 av vanadin(V)oxid för råttor oralt är 10 mg/kg .

Vanadin och dess föreningar är mycket giftiga för vattenlevande organismer (miljö).

Det har fastställts att vanadin kan hämma syntesen av fettsyror och hämma bildningen av kolesterol . Vanadin hämmar ett antal enzymsystem hämmar fosforylering och ATP -syntes , minskar nivån av koenzymer A och Q , stimulerar monoaminoxidasaktivitet och oxidativ fosforylering.

Överdrivet intag av vanadin i kroppen är vanligtvis förknippat med miljö- och produktionsfaktorer. Under akut exponering för toxiska doser av vanadin upplever arbetare lokala inflammatoriska reaktioner i huden och slemhinnorna i ögonen, övre luftvägarna, ansamling av slem i bronkerna och alveolerna. Det finns också systemiska allergiska reaktioner som astma och eksem ; såväl som leukopeni och anemi , som åtföljs av kränkningar av kroppens viktigaste biokemiska parametrar.

När vanadin administreras till djur (vid doser på 25–50 μg/kg) noteras tillväxthämning, diarré och en ökning av dödligheten.

Totalt innehåller kroppen hos en genomsnittlig person (kroppsvikt 70 kg) 0,11 mg vanadin. Den toxiska dosen för människor är 0,25 mg, den dödliga dosen är 2-4 mg.

Det ökade innehållet av proteiner och krom i kosten minskar den toxiska effekten av vanadin. Normer för konsumtion för detta mineralämne är inte fastställda.

Dessutom hittades en hög halt av vanadin i vissa marina ryggradslösa djur ( holothurianer och ascidianer ), där det ingår i proteinkomplexen av plasma och blodkroppar och coelomisk vätska. I ascidians blodkroppar kan massfraktionen av vanadin nå upp till 8,75 % [13] . Funktionen av elementet i kroppen är inte helt klart , olika forskare anser att det är ansvarigt antingen för överföringen av syre i kroppen hos dessa djur eller för överföringen av näringsämnen. Ur praktisk användningssynpunkt - det är möjligt att extrahera vanadin från dessa organismer, den ekonomiska återbetalningen av sådana "havsplantager" är inte klar för tillfället, men det finns försöksalternativ i Japan.

Se även

Vanadinföreningar

Anteckningar

  1. 1 2 Meija J. et al. Grundämnenas atomvikter 2013 (IUPAC Technical Report  )  // Pure and Applied Chemistry . - 2016. - Vol. 88 , nr. 3 . - S. 265-291 . - doi : 10.1515/pac-2015-0305 .
  2. 1 2 3 4 Korshunov B. G. Vanadium // Chemical Encyclopedia  : i 5 volymer / Kap. ed. I. L. Knunyants . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: A - Darzana. - S. 349. - 623 sid. — 100 000 exemplar.  - ISBN 5-85270-008-8 .
  3. Pergament A., Khanin S. ELEKTRONISK OMSTÄLLNING I TUNA OXIDLAGER I ÖVERGÅNGSMETALLER  (ryska)  ? . "Grundläggande forskning och högre utbildning" och "Utveckling av den vetenskapliga potentialen för högre utbildning", med stöd av Ryska federationens utbildnings- och vetenskapsministerium och American Civil Research and Development Foundation (CRDF), anslag nr. RUX0-000013-PZ-06) (13 maj 2009). Hämtad: 22 januari 2022.
  4. Sefström, NG Ueber das Vanadin, ein neues Metall, gefunden im Stangeneisen von Eckersholm, einer Eisenhütte, die ihr Erz von Taberg in Småland bezieht  (Tyska)  // Annalen der Physik und Chemie  : magazin. - 1831. - Bd. 97 , nr. 1 . - S. 43-49 . - doi : 10.1002/andp.18310970103 . — .
  5. Featherstonhaugh, George William. New Metal, provisoriskt kallad Vanadium  (neopr.)  // The Monthly American Journal of Geology and Natural Science. - 1831. - S. 69 .
  6. Förfaranden  _ _ — National Cotton Council of America, 1991.
  7. 1 2 Rehder D. Bioinorganisk  vanadinkemi . — 1:a uppl. - Hamburg, Tyskland: John Wiley & Sons, Ltd , 2008. - P. 5 & 9-10. - (Oorganisk kemi). — ISBN 9780470065099 . - doi : 10.1002/9780470994429 .
  8. Busch P.M. Vanadium : En materialundersökning  . - USA:s inrikesdepartement, Bureau of Mines, 1961.
  9. Wise, James M. Anmärkningsvärda vikta dacitiska vallar vid Mina Ragra, Peru (maj 2018).
  10. Elektroniskt bibliotek OIL-GAS (otillgänglig länk) . Hämtad 19 september 2010. Arkiverad från originalet 5 april 2015. 
  11. "Basel" startade . www.kommersant.ru (15 februari 2005). Hämtad: 20 januari 2022.
  12. Holleman AF, Wiberg E., Wiberg N. Das Vanadium // Lehrbuch der Anorganischen Chemie  (tyska) . - Walter de Gruyter , 1985. - S. 1071-1075. - ISBN 978-3-11-007511-3 . - doi : 10.1002/ange.19870990634 .
  13. 1 2 Michibata H., Hirose H., Sugiyama K., Ookubo Y., Kanamori K. Extraktion av ett vanadinbindande ämne (vanadobin) från blodkropparna hos flera ascidianarter  // Biological Bulletin. - 1990. - Vol. 179. - S. 140-147.
  14. Alla metaller. Vanadin. Ansökan. .
  15. Langeslay RR et al. Katalytiska tillämpningar av vanadin: ett mekanistiskt perspektiv   // Kemiska recensioner. - 2018. - Vol. 119 , iss. 4 . - doi : 10.1021/acs.chemrev.8b00245 . — PMID 30296048 .
  16. Eriksen KM, Karydis DA, Boghosian S., Fehrmann R. Deaktivering och föreningsbildning i svavelsyrakatalysatorer och modellsystem  //  Journal of Catalysis. - 1995. - Vol. 155 , nr. 1 . - S. 32-42 . - doi : 10.1006/jcat.1995.1185 .
  17. Vanadin. Outlook till 2028, 17:e upplagan . Roskill . Roskill Information Services (5 mars 2019).
  18. Titanlegeringar. Metallografi av titanlegeringar / Ed. N.F. Anoshkin. - M . : Metallurgi, 1980. - S. 11. - 464 sid.
  19. Metatorg. Vanadin .
  20. Betz F. Hantering av teknisk innovation : Konkurrensfördel från förändring  . - Wiley-IEEE, 2003. - S. 158-159. - ISBN 978-0-471-22563-8 .
  21. Mynt- och bullionsidor. Vanadin .
  22. Omnicoin .
  23. Slotvinsky-Sidak N.P. Vanadium oxides // Chemical Encyclopedia  : i 5 volymer / Kap. ed. I. L. Knunyants . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: A - Darzana. - S. 351-352. — 623 sid. — 100 000 exemplar.  - ISBN 5-85270-008-8 .
  24. Företag EVRAZ Vanadium . Tillträdesdatum: 13 april 2019.

Länkar