1900-luvun puoliväliin mennessä kemian tieteeseen ilmestyi termi - strategisesti tärkeät metallit. Se tarkoitti ryhmää alkuaineita, joiden fysikaalis-kemialliset ominaisuudet mahdollistivat niiden käytön sotilas-teollisen kompleksin tuotannossa. Puhumme metalleista, kuten kromista, tantalista, niobiumista, molybdeenistä ja volframista. Vanadiini, jonka ominaisuuksia tarkastelemme tässä artikkelissa, on myös oikeutetusti yksi keskeisistä paikoista nykyaikaisessa koneenrakennuksessa, rautametallurgiassa, työkalujen ja kemikaalien tuotannossa käytettävien metallien joukossa. Metalli muodostaa hapen kanssa neljä oksidia, joiden valenssi on 2, 3, 4 ja 5. 5 joita tutkimme tarkemmin.
Tapaa vanadiini
Kemiatieteessä on vakiintunut tapasääntö, jonka mukaan kemiallisen alkuaineen luonnehdinnan on aloitettava sen sijainnista D. I.:n jaksollisessa järjestelmässä. Mendelejev. Vanadiinin kemiallinen kaava yksinkertaisena aineena on V, sarjanumero on 23, atomimassa on 50, 9414. Se sijaitsee neljännessä jaksossa, viidennessä ryhmässä ja on yhdessä niobin ja tantaalin kanssa tyypillinen edustaja tulenkestävät metallit. Näytteet puhtaasta aineesta ovat muovia ja niiden väri on hopeanharmaa. Vanadiiniatomi on d-alkuaine, siinä on kaksi s-elektronia viimeisellä energiatasolla, mutta ne negatiiviset hiukkaset, jotka sijaitsevat saman neljännen tason d-alatasolla, ovat myös valenssia.
Mistä metalli löytyy ja mitkä ovat sen fysikaaliset ominaisuudet
Elementtiä itsessään ei löydy luonnosta puhtaassa muodossaan. Mutta se on pakollisena komponenttina polymetalli- ja rautamalmeissa. Aiemmin puhuimme yksinkertaisen aineen plastisuudesta ja muokattavuudesta, nyt lisäämme, että vanadiinin tärkeät fysikaaliset ominaisuudet ovat korkeat kiehumis- ja sulamispisteet, jotka vastaavat 3400 °C ja 1920 °C. Kuten titaani, se heikentää rajusti fysikaalisia ja kemiallisia parametrejaan, kun se on saastunut epäpuhtauksilla, kuten typellä, vedyllä tai hapella. Erityisesti sen sitkeys ja mekaaninen lujuus heikkenevät ja vanadiini haurastuu.
Erityiset kemialliset ominaisuudet
Metalli pystyy passivoimaan, ts. sillä on ainutlaatuinen kyky kestää aggressiivisia kemiallisia ympäristöjä: happojen, alkalien ja suolojen liuoksia, jotka muodostavat suojakalvon sen pinnalle -vanadiinioksidi. Elementin kidehilalla on kuutiorakenne. On myös huomioitava, että elementtiä sisältävien terästen korroosionkestävyys on erittäin korkea, minkä ansiosta niitä voidaan käyttää kantavina kiinnikkeinä siltojen kannattimissa ja offshore-öljynporauslautoissa. Nykyaikaista työkalutuotantoa on mahdotonta kuvitella ilman vanadiinipitoisia teräksiä. Yhdessä niobin, kromin ja titaanin kanssa elementtiä käytetään erikoisseoksien seostamiseen rakettitieteessä ja avaruusteollisuudessa. Väkevät nitraatti- ja sulfaattihapot, fluorivedyn liuos vedessä ja kloridi- ja nitraattihappojen seos, nimeltään aqua regia, ovat kuitenkin helposti vuorovaikutuksessa metallin kanssa. Alkuaine vanadiini voi yksinkertaisena aineena reagoida kloorin, bromin, rikin kanssa, jolloin muodostuu vastaavia suoloja. Hapen kanssa se antaa useita oksideja, jotka eroavat suuresti kemiallisista ominaisuuksistaan. Harkitse niitä tarkemmin.
Perus- ja amfoteeriset oksidit
Metalli muodostaa kaksi oksidia, VO ja V2O3, joilla on tyypillisiä perusominaisuuksia. Laboratoriossa monooksidia louhitaan pelkistysreaktiolla V2O5 hienoa vanadiinijauhetta. Emäksiset oksidit reagoivat happoliuosten kanssa muodostaen vastaavia suoloja. Ja jo hydroksideja voidaan saada niistä suorittamalla vaihtoreaktio alkalien kanssa. Vanadiini(III)oksidia löytyy karelianiitin mineraalikomponenttina, ja sitä saadaan laboratoriossa kuumentamalla V2O5 rikillä, hiiltä tai vetyä. Molemmilla emäksisilla oksideilla on vahvasti korostuneet pelkistävät ominaisuudet. Oksidi VO2 on tyypillinen amfoteerinen yhdiste, joka reagoi sekä happojen että alkalien kanssa. Liuoksessa, jonka pH on alle 7, löytyy positiivisesti varautuneita vanadyyli-ioneja VO2+, mikä antaa liuokselle vaaleansinisen värin ja polyvanadiinihapposuoloja muodostuu emäksisessä väliaineessa. Vanadiini(IV)oksidi vetää puoleensa vettä, ts. on hygroskooppinen aine, se käyttäytyy reaktioissa pelkistimenä.
Vanadiumhemipentoksidi
Yhdiste, jonka kaava on V2O5, on tärkein metallioksidi. Se on vesiliukoinen oranssi kiteinen aine, joka reagoi alkalien kanssa muodostaen vanadaatteja - metavanadiinihapon suoloja HVO3. Sitä käytetään laaj alti katalyyttinä rikkidioksidin hapetuksessa rikkihapon anhydridiksi sulfaattihapon teollisessa tuotannossa. Vanadiinipentoksidilla on rombinen kidehila ja merkkejä amfoteerisuudesta, jossa vallitsevat happamat oksidiominaisuudet. Reaktioissa se käyttäytyy voimakkaana hapettavana aineena. Yhdistettä käytetään lasiteknologiassa, lääketieteessä ja orgaanisessa synteesissä.
Menetelmät vanadiinin uuttamiseksi sen yhdisteistä
Mainimme aiemmin, että metalli on rautamalmin komponentti. Masuunituotannossa elementti siirtyy yhdessä hiilen ja fosforin epäpuhtauksien kanssa valuraudaan. Kun terästä sulatetaan, vanadiinioksidi 5 saostuu kuonan koostumukseen, jossa sen pitoisuus voi olla 16%. Lisätään siihenpöytäsuolaa ja seosta paahdettaessa uuneissa saadaan tuote, joka liuotetaan edelleen veteen. Saatu vesipitoinen konsentraatti käsitellään sulfaattihapolla ja V2O5 eristetään siitä. Puhtaan vanadiinin eristämiseksi oksidista voit käyttää kalsiumtermimenetelmää - metallien pelkistämistä metallisen kalsiumin avulla. Teknologisten kustannusten vähentämiseksi reaktiossa vanadiinipentoksidin kanssa käytetään usein alumiinia kalsiumin sijasta. Metallia voidaan saada myös pelkistämällä kolmiarvoista vanadiinioksidia hiilellä.
Biologinen rooli
Vanadium esiintyy elävissä organismeissa hivenaineena, joka on osa meren piikkinahkaisten solujen välistä nestettä. Holothurioissa ja merisiileissä se liittyy proteiineihin, jotka kuljettavat happea soluihin ja poistavat hiilidioksidia. Alkuaineen pitoisuus on merkityksetön lämminveristen eläinten ja ihmisten organismeissa, missä sitä on haiman entsyymien koostumuksessa, neurogliassa ja nefroneissa. Kasveissa hivenaine osallistuu entsyyminä fotosynteesin pimeään vaiheeseen ja vaikuttaa kloroplasteissa sijaitsevan klorofyllipigmentin tasoon. Sitä löytyy myös kyhmybakteereista, jotka ovat typen kiinnittäjiä, korkeampien sienten kudoksissa. Osana tsernozemia, boorin, kuparin, sinkin ja mangaanin yhdisteiden ohella vanadiinioksidi vaikuttaa maaperän hedelmällisyyteen.
Artikkelissamme tutkimme vanadiinin ja sen oksidien perusominaisuuksia ja pohdimme myös sen yhdisteiden käyttöäteollisuus.
