Στα μέσα του 20ου αιώνα, εμφανίστηκε ένας όρος στη χημική επιστήμη - μέταλλα στρατηγικής σημασίας. Σήμαινε μια ομάδα στοιχείων των οποίων οι φυσικοχημικές ιδιότητες επέτρεπαν τη χρήση τους στην παραγωγή του στρατιωτικού-βιομηχανικού συγκροτήματος. Μιλάμε για μέταλλα όπως το χρώμιο, το ταντάλιο, το νιόβιο, το μολυβδαίνιο και το βολφράμιο. Το βανάδιο, του οποίου τις ιδιότητες θα εξετάσουμε σε αυτό το άρθρο, καταλαμβάνει επίσης δικαίως μια από τις κεντρικές θέσεις μεταξύ των μετάλλων που χρησιμοποιούνται στη σύγχρονη μηχανολογία, τη σιδηρούχα μεταλλουργία, την παραγωγή εργαλείων και χημικών. Το μέταλλο σχηματίζει τέσσερα οξείδια με το οξυγόνο, δείχνοντας σθένος 2, 3, 4 και 5. 5 το οποίο θα μελετήσουμε λεπτομερέστερα.
Γνωρίστε το βανάδιο
Στη χημική επιστήμη, υπάρχει μια μακροχρόνια καθιερωμένηο κανόνας που αναφέρει ότι ο χαρακτηρισμός ενός χημικού στοιχείου πρέπει να ξεκινά από τη θέση του στο περιοδικό σύστημα του Δ. Ι. Μεντελέεφ. Ο χημικός τύπος του βαναδίου ως απλής ουσίας είναι V, ο σειριακός αριθμός είναι 23, η ατομική μάζα είναι 50, 9414. Βρίσκεται στην τέταρτη περίοδο, την πέμπτη ομάδα και, μαζί με το νιόβιο και το ταντάλιο, είναι τυπικός εκπρόσωπος του πυρίμαχα μέταλλα. Τα δείγματα μιας καθαρής ουσίας είναι πλαστικά και έχουν ασημί-γκρι χρώμα. Το άτομο βαναδίου είναι στοιχείο d, έχει δύο ηλεκτρόνια s στο τελευταίο ενεργειακό επίπεδο, ωστόσο, εκείνα τα αρνητικά σωματίδια που βρίσκονται στο υποεπίπεδο d του ίδιου τέταρτου επιπέδου θα είναι επίσης σθένος.
Πού βρίσκεται το μέταλλο και ποιες είναι οι φυσικές του ιδιότητες
Το ίδιο το στοιχείο δεν μπορεί να βρεθεί στην καθαρή του μορφή στη φύση. Υπάρχει όμως ως υποχρεωτικό συστατικό σε πολυμεταλλικά και σιδηρομεταλλεύματα. Προηγουμένως μιλήσαμε για την πλαστικότητα και την ελατότητα μιας απλής ουσίας, τώρα θα προσθέσουμε ότι οι σημαντικές φυσικές ιδιότητες του βαναδίου είναι τα υψηλά σημεία βρασμού και τήξης, ίσα με 3400 ° C και 1920 ° C, αντίστοιχα. Όπως και το τιτάνιο, επιδεινώνει δραστικά τις φυσικές και χημικές του παραμέτρους όταν μολύνεται με ακαθαρσίες όπως άζωτο, υδρογόνο ή οξυγόνο. Συγκεκριμένα, η ολκιμότητα και η μηχανική του αντοχή μειώνονται και το βανάδιο γίνεται εύθραυστο.
Ειδικές χημικές ιδιότητες
Το μέταλλο είναι ικανό για παθητικοποίηση, δηλ. έχει μια μοναδική ικανότητα να αντέχει τη δράση επιθετικών χημικών περιβαλλόντων: διαλύματα οξέων, αλκαλίων και αλάτων, σχηματίζοντας ένα προστατευτικό φιλμ στην επιφάνειά του -οξείδιο του βαναδίου. Το κρυσταλλικό πλέγμα του στοιχείου έχει κυβική δομή. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι η αντίσταση στη διάβρωση των χάλυβων που περιέχουν το στοιχείο είναι πολύ υψηλή, γεγονός που τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται ως φέροντες συνδετήρες για στηρίγματα γεφυρών και υπεράκτιες εξέδρες γεώτρησης πετρελαίου. Είναι αδύνατο να φανταστεί κανείς τη σύγχρονη παραγωγή εργαλείων χωρίς χάλυβες που περιέχουν βανάδιο. Μαζί με το νιόβιο, το χρώμιο και το τιτάνιο, το στοιχείο χρησιμοποιείται για την κράμα ειδικών κραμάτων που χρησιμοποιούνται στην πυραυλική επιστήμη και τη διαστημική βιομηχανία. Ωστόσο, τα συμπυκνωμένα νιτρικά και θειικά οξέα, ένα διάλυμα υδροφθορίου στο νερό και ένα μείγμα χλωριούχων και νιτρικών οξέων, που ονομάζονται aqua regia, αλληλεπιδρούν εύκολα με το μέταλλο. Το στοιχείο βανάδιο ως απλή ουσία μπορεί να αντιδράσει με χλώριο, βρώμιο, θείο και σχηματίζονται τα αντίστοιχα άλατα. Με το οξυγόνο, δίνει πολλά οξείδια που διαφέρουν πολύ στις χημικές τους ιδιότητες. Εξετάστε τα περαιτέρω.
Βασικά και αμφοτερικά οξείδια
Το μέταλλο σχηματίζει δύο οξείδια, VO και V2O3, τα οποία παρουσιάζουν τυπικές βασικές ιδιότητες. Στο εργαστήριο, το μονοξείδιο εξορύσσεται με την αντίδραση αναγωγής V2O5 λεπτή σκόνη βαναδίου. Τα βασικά οξείδια αντιδρούν με διαλύματα οξέος για να σχηματίσουν τα αντίστοιχα άλατα. Και ήδη υδροξείδια μπορούν να ληφθούν από αυτά πραγματοποιώντας μια αντίδραση ανταλλαγής με αλκάλια. Το οξείδιο του βαναδίου (III) βρίσκεται ως συστατικό του ορυκτού καρελιανίτη και λαμβάνεται στο εργαστήριο με θέρμανση V2O5 με θείο, άνθρακα ή υδρογόνο. Και τα δύο βασικά οξείδια έχουν έντονες αναγωγικές ιδιότητες. Το οξείδιο VO2 είναι μια τυπική αμφοτερική ένωση που αντιδρά τόσο με οξέα όσο και με αλκάλια. Σε ένα διάλυμα του οποίου το pH είναι μικρότερο από 7, βρίσκονται θετικά φορτισμένα ιόντα βαναδυλίου VO2+, δίνοντας στο διάλυμα ένα ανοιχτό μπλε χρώμα και άλατα πολυβαναδικού οξέος σχηματίζονται σε αλκαλικό μέσο. Το οξείδιο του βαναδίου (IV) έλκει το νερό, δηλ. είναι υγροσκοπική ουσία, στις αντιδράσεις συμπεριφέρεται σαν αναγωγικός παράγοντας.
Ημιπεντατοξείδιο του βαναδίου
Ένωση της οποίας ο τύπος είναι V2O5, είναι το πιο σημαντικό οξείδιο μετάλλου. Είναι μια υδατοδιαλυτή πορτοκαλί κρυσταλλική ουσία που αντιδρά με αλκάλια σχηματίζοντας βαναδικά άλατα - άλατα μεταβαναδικού οξέος HVO3. Χρησιμοποιείται ευρέως ως καταλύτης στην οξείδωση του διοξειδίου του θείου σε θειικό ανυδρίτη στη βιομηχανική παραγωγή θειικού οξέος. Το πεντοξείδιο του βαναδίου έχει ένα ρομβικό κρυσταλλικό πλέγμα και σημάδια αμφοτερικότητας με υπεροχή των ιδιοτήτων όξινου οξειδίου. Στις αντιδράσεις συμπεριφέρεται ως ισχυρός οξειδωτικός παράγοντας. Η ένωση χρησιμοποιείται στην τεχνολογία γυαλιού, την ιατρική και την οργανική σύνθεση.
Μέθοδοι εξαγωγής βαναδίου από τις ενώσεις του
Αναφέραμε νωρίτερα ότι το μέταλλο είναι συστατικό του σιδηρομεταλλεύματος. Στην παραγωγή υψικαμίνων, το στοιχείο, μαζί με ακαθαρσίες άνθρακα και φωσφόρου, περνά στον χυτοσίδηρο. Όταν τήκεται ο χάλυβας, το οξείδιο του βαναδίου 5 κατακρημνίζεται στη σύνθεση της σκωρίας, όπου η περιεκτικότητά του μπορεί να φτάσει το 16%. Προσθέτοντας σε αυτόεπιτραπέζιο αλάτι και ψήσιμο του μείγματος σε φούρνους, λαμβάνεται ένα προϊόν, το οποίο περαιτέρω διαλύεται σε νερό. Το προκύπτον υδατικό συμπύκνωμα επεξεργάζεται με θειικό οξύ και V2O5 απομονώνεται από αυτό. Για να απομονώσετε το καθαρό βανάδιο από το οξείδιο, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τη μέθοδο ασβεστοθερμίας - την αναγωγή μετάλλων χρησιμοποιώντας μεταλλικό ασβέστιο. Για τη μείωση του τεχνολογικού κόστους στην αντίδραση με το πεντοξείδιο του βαναδίου, χρησιμοποιείται συχνά αλουμίνιο αντί για ασβέστιο. Το μέταλλο μπορεί επίσης να ληφθεί με αναγωγή του τρισθενούς οξειδίου του βαναδίου με άνθρακα.
Βιολογικός ρόλος
Το βανάδιο υπάρχει στους ζωντανούς οργανισμούς ως ιχνοστοιχείο, το οποίο αποτελεί μέρος του μεσοκυττάριου υγρού των θαλάσσιων εχινόδερμων. Στους ολοθούριους και τους αχινούς, σχετίζεται με πρωτεΐνες που επιτελούν τη λειτουργία της μεταφοράς οξυγόνου στα κύτταρα και της απομάκρυνσης του διοξειδίου του άνθρακα. Η περιεκτικότητα του στοιχείου είναι ασήμαντη στους οργανισμούς των θερμόαιμων ζώων και των ανθρώπων, όπου βρίσκεται στη σύνθεση των παγκρεατικών ενζύμων, στη νευρογλοία και στους νεφρώνες. Στα φυτά, το ιχνοστοιχείο εμπλέκεται ως ένζυμο στη σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης και επηρεάζει το επίπεδο της χρωστικής χλωροφύλλης που βρίσκεται στους χλωροπλάστες. Βρίσκεται επίσης σε βακτήρια οζιδίων, τα οποία είναι σταθεροποιητές αζώτου, στους ιστούς ανώτερων μυκήτων. Ως μέρος του chernozem, μαζί με ενώσεις βορίου, χαλκού, ψευδαργύρου και μαγγανίου, το οξείδιο του βαναδίου επηρεάζει τη γονιμότητα του εδάφους.
Στο άρθρο μας, μελετήσαμε τις βασικές ιδιότητες του βαναδίου και των οξειδίων του και εξετάσαμε επίσης τη χρήση των ενώσεων του σεβιομηχανία.
