Ванадий
Ванадий — элемент побочной подгруппы пятой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 23. Обозначается символом V (лат. Vanadium). Простое вещество ванадий — пластичный металл серебристо-серого цвета.
1. История открытия
Впервые ванадий был фактически открыт в 1781 г. профессором минералогии из Мехико, Андресом Мануэлем Дель Рио в свинцовых рудах. Он обнаружил новый металл и предложил для него название «панхромий» из-за широкого диапазона цвета его соединений, сменив затем на «эритроний». Дель Рио не имел авторитета в научном мире Европы, и европейские химики усомнились в его результатах. Затем и сам Дель Рио потерял уверенность в своём открытии и заявил, что открыл всего лишь хромат свинца.
В 1830 году ванадий был открыт заново шведским химиком Нильсом Сефстрёмом в железной руде. Новому элементу название дали Берцелиус и Сефстрём.
Шанс открыть ванадий был у Фридриха Вёлера, исследовавшего мексиканскую руду, но он незадолго до открытия Сефстрёма серьёзно отравился фтороводородом и не смог продолжить исследования. Однако Вёлер довёл до конца исследование руды и окончательно доказал, что в ней содержится именно ванадий, а не хром.
2. Нахождение в природе
Ванадий относится к рассеянным элементам и в природе в свободном виде не встречается. Содержание ванадия в земной коре 1,6×10−2% по массе, в воде океанов 3×10−7%. Наиболее высокие средние содержания ванадия в магматических породах отмечаются в габбро и базальтах (230—290г/т). В осадочных породах значительное накопление ванадия происходит в биолитах (асфальтитах, углях, битуминозных фосфатах), битуминозных сланцах, бокситах, а также в оолитовых и кремнисто-железных рудах. Близость ионных радиусов ванадия и широко распространённых в магматических породах железа и титана приводит к тому, что ванадий в гипогенных процессах целиком находится в рассеянном состоянии и не образует собственных минералов. Его носителями являются многочисленные минералы титана (титаномагнетит, сфен, рутил, ильменит), слюды, пироксены и гранаты, обладающие повышенной изоморфной ёмкостью по отношению к ванадию. Важнейшие минералы: патронит V(S2)2, ванадинит Pb5(VO4)3Cl и некоторые другие. Основной источник получения ванадия — железные руды, содержащие ванадий как примесь.
Известны месторождения в Перу, Колорадо, США, ЮАР, Финляндии, Австралии, Армении, России.
3. Получение Ванадия
В промышленности при получении ванадия из железных руд с его примесью сначала готовят концентрат, в котором содержание ванадия достигает 8-16 %. Далее окислительной обработкой ванадий переводят в высшую степень окисления +5 и отделяют легко растворимый в воде ванадат натрия (Na) NaVO3. При подкислении раствора серной кислотой выпадает осадок, который после высушивания содержит более 90 % ванадия.
Первичный концентрат восстанавливают в доменных печах и получают концентрат ванадия, который далее используют при выплавке сплава ванадия и железа — так называемого феррованадия (содержит от 35 до 80 % ванадия). Металлический ванадий можно приготовить восстановлением хлорида ванадия водородом (H), кальцийтермическим восстановлением оксидов ванадия (V2O5 или V2O3), термической диссоциацией VI2 и другими методами
4. Физические свойства
Ванадий — пластичный металл серебристо-серого цвета, по внешнему виду похож на сталь. Кристаллическая решётка кубическая объёмно-центрированная, a=3,024 Å, z=2, пространственная группа Im3m. Температура плавления 1920 °C, температура кипения 3400 °C, плотность 6,11 г/см³. При нагревании на воздухе выше 300 °C ванадий становится хрупким. Примеси кислорода, водорода и азота резко снижают пластичность ванадия и повышают его твёрдость и хрупкость.
5. Химические свойства
Химически ванадий довольно инертен. Он стоек к действию морской воды, разбавленных растворов соляной, азотной и серной кислот, щелочей.
С кислородом ванадий образует несколько оксидов: VO, V2O3, VO2,V2O5. Оранжевый V2O5 — кислотный оксид, темно-синий VO2 — амфотерный, остальные оксиды ванадия — основные. Галогениды ванадия гидролизуются. С галогенами ванадий образует довольно летучие галогениды составов VX2 (X = F, Cl, Br, I), VX3, VX4 (X = F, Cl, Br), VF5 и несколько оксогалогенидов (VOCl, VOCl2, VOF3 и др.).
Соединения ванадия в степенях окисления +2 и +3 — сильные восстановители, в степени окисления +5 проявляют свойства окислителей. Известны тугоплавкий карбид ванадия VC (tпл=2800 °C), нитрид ванадия VN, сульфид ванадия V2S5, силицид ванадия V3Si и другие соединения ванадия.
При взаимодействии V2O5 с основными оксидами образуются ванадаты — соли ванадиевой кислоты вероятного состава HVO3.
6. Применение
80 % всего производимого ванадия находит применение в сплавах, в основном для нержавеющих и инструментальных сталей.
Ванадиевую сталь используют для обшивки корпусов судов. Возрастающая конкуренция в судостроении интенсифицирует внедрение сталей, позволяющих осуществлять скоростную сварку во влажной среде. Расширяется использование ванадия в производстве сплавов на основе титана и других тугоплавких металлов, предназначенных для новой техники (авиационной, ракетной, ядерной энергетики). Содержание ванадия в этих сплавах составляет 0,8-6,0 %. Ванадий в сочетании с алюминием используют с целью придания требуемой прочности в сплавах титана, идущего на создание специальных батисфер для исследования океана на глубине 10 000 м. Добавление ванадия в алюминиевые сплавы улучшает их жаропрочность и свариваемость.
Хлорид ванадия применяется при термохимическом разложении воды в атомно-водородной энергетике (ванадий-хлоридный цикл «Дженерал Моторс», США). В металлургии ванадий обозначается буквой Ф.
Пентаоксид ванадия широко применяется в качестве положительного электрода (анода) в мощных литиевых батареях и аккумуляторах. Ванадат серебра в резервных батареях в качестве катода.
7. Биологическая роль и воздействие
Установлено, что ванадий может тормозить синтез жирных кислот, подавлять образование холестерина. Ванадий ингибирует ряд ферментных систем, тормозит фосфорилирование и синтез АТФ, снижает уровень коферментов А и Q, стимулирует активность моноаминоксидазы и окислительное фосфорилирование. Известно также, что при шизофрении содержание ванадия в крови значительно повышается.
Избыточное поступление ванадия в организм обычно связано с экологическими и производственными факторами. При остром воздействии токсических доз ванадия у рабочих отмечаются местные воспалительные реакции кожи и слизистых оболочек глаз, верхних дыхательных путей, скопление слизи в бронхах и альвеолах. Возникают и системные аллергические реакции типа астмы и экземы; а также лейкопения и анемия, которые сопровождаются нарушениями основных биохимических параметров организма.
При введении ванадия животным (в дозах 25-50 мкг/кг), отмечается замедление роста, диарея и увеличение смертности.
Всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) 0,11 мг ванадия. Ванадий и его соединения токсичны. Токсическая доза для человека 0,25 мг, летальная доза — 2-4 мг.
Повышенное содержание белков и хрома в рационе снижает токсическое действие ванадия. Нормы потребления для этого минерального вещества не установлены.
Кроме того ванадий у некоторых организмов, например, у морских жителей дна голотурий и асцидий концентрируется в целомической жидкости/крови, причем его концентрации достигают 10 %! То есть эти животные являются биологическим концентратором ванадия. Его функция в организме голотурий до конца не ясна, разные ученые считают его отвечающим либо за перенос кислорода в организме этих животных, либо за перенос питательных веществ. С точки зрения практического использования — возможна добыча ванадия из этих организмов, экономическая окупаемость таких «морских плантаций» на данный момент не ясна, но в Японии имеются пробные варианты.
8. Изотопы
Природный ванадий состоит из двух изотопов: слаборадиоактивного 50V (изотопная распространённость 0,250 %) и стабильного 51V (99,750 %). Период полураспада ванадия-50 равен 1,5×1017 лет, т. е. для всех практических целей его можно считать стабильным; этот изотоп в 83 % случаев посредством электронного захвата превращается в 50Ti, а в 17 % случаев испытывает бета-минус-распад, превращаясь в 50Cr. Известны 24 искусственных радиоактивных изотопа ванадия с массовым числом от 40 до 65 (а также 5метастабильных состояний). Из них наиболее стабильны 49V (T1/2=337 дней) и 48V (T1/2=15,974 дня).
Литий
Литий (лат. Lithium; обозначается символом Li) — элемент главной подгруппы первой группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 3. Простое вещество литий — мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.
1. История открытия
Литий был открыт в 1817 году шведским химиком и минералогом А. Арфведсоном сначала в минерале петалите (Li, Na)[Si4AlO10], а затем в сподумене LiAl[Si2O6] и в лепидолите KLi1.5Al1.5[Si3AlO10](F,OH)2. Металлический литий впервые получил Гемфри Дэви в 1825 году.
Своё название литий получил из-за того, что был обнаружен в «камнях» (греч. λίθος — камень). Первоначально назывался «литион», современное название было предложено Берцелиусом.