Ванадий. Свойства ванадия. Применение ванадия

Описание и свойства ванадия

Ванадий первоначально был обнаружен мексиканцем А.М. Дель Рио в рудах бурого цвета, содержащих свинец, которые при нагревании давали красноватый цвет.

Ванадий-Свойства-ванадия-Применение-ванадия-1

Но официальное признание элемент получил позднее, когда его обнаружил химик из Швеции Н.Г.Сефстрем при исследовании железной руды из местного месторождения и дал ему название Ванадий созвучное с именем Ванадис, которое носила древнегреческая богиня красоты.

По внешнему виду металл напоминает сталь своим серебристо-серым цветом. Но на этом сходство заканчивается. Строение ванадия: кубическая объемноцентрированная решетка с параметрами a=3,024A и z=2. Плотность составляет 6,11 г/ см3.

Плавится он при температуре 1920о С, а кипеть начинает при 3400оС. А вот нагревание на открытом воздухе до температуры выше 300оС снижает пластические свойства металла и делает его хрупким, повышая при этом твердость. Понять такое поведение помогает строение атома металла.

Ванадий элемент, имеющий атомный номер 23 и атомную массу 50,942, он относится к V группе четвертого периода системы Д. Менделеева. А это означает, что атом ванадия состоит из 23-х протонов, 23-х электронов и 28-ми нейтронов.  

Ванадий-Свойства-ванадия-Применение-ванадия-2

Несмотря на то что это элемент V группы, валентность ванадия не всегда равна 5. Она бывает 2, 3. 4 и 5 с положительным знаком. Разные значения валентности объясняются разными вариантами заполнения электронных оболочек, при которых они приходят в стабильное состояние.

Известно, что положительное значение валентности определяется числом отданных атомом химического элемента электронов, а отрицательное – числом электронов, присоединенных к внешнему энергетическому уровню для формирования его стабильности. Электронная формула ванадия — 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d3

Он может легко отдать два электрона с 4-го подуровня, при этом его степень окисления обусловлена 2-х валентным положительным проявлением. Но атом этого элемента способен отдавать еще 3 электрона с предшествующей внешнему подуровню орбиты и проявить максимальную степень окисления, равную +5.

Оксиды этого элемента с валентностью от 2-х до 5 различны по своему химическому проявлению. Оксиды VO и V2O3 имеют основной характер, VO2 – амфотерный и V2O5 – кислотный.

Ванадий-Свойства-ванадия-Применение-ванадия-3

Чистый металл отличается своей пластичностью и поэтому хорошо обрабатывается ковкой, штамповкой, прессованием и прокаткой. Обработка сваркой и резкой должны проходить в инертной среде, т. к. при нагревании теряется пластичность.

При обработке металл практически не подвержен наклепу и может выдержать большие нагрузки при обжатии в холодном виде без промежуточного отжига. Он устойчив к коррозии и не изменяется под влиянием воды, в том числе и морской, а также слабых растворах некоторых кислот, солей и щелочей.

Месторождения и добыча ванадия

Ванадий химический элемент, достаточно распространенный в земных породах, но в чистом виде не встречается, присутствуя в минералах в рассеянном состоянии. Скопления его в породах присутствуют очень редко. Это редкий металл. Руда с содержанием 1% чистого вещества относится к категории богатой.

В промышленности не пренебрегают даже рудами с содержанием 0,1% дефицитного элемента. В малых концентрациях он встречается более чем в сорока минералах. Значимыми для промышленности можно назвать роскоэлит, называемый ванадиевой слюдкой, в котором содержится до 29% пятиокиси V2O5, карнотит (урановая слюдка), содержащий 20% V2O5, и ванадинит с содержанием 19% V2O5.

Ванадий-Свойства-ванадия-Применение-ванадия-4

Крупные месторождения руд, содержащие металл, находятся в Америке, ЮАР, России, Финляндии и Австралии. Большое месторождение есть в горах Перу, где он представлен патронитом V2S5, содержащим серу. При его обжиге образуется концентрат, содержащий до 30% V2O5.

Найден минерал в Киргизии и Казахстане. Знаменитое Кызылординское месторождение является одним из крупнейших. В России его добывают в основном в Краснодарском крае (Керченское месторождение) и на Урале (Гусевогорское месторождение титаномагнетитов).

Технология извлечения металла зависит от требований к его чистоте и области использования. Основные методы, применяемые в технологии его получения – это йодидный, кальцетермический, алюминотермический, углетермический в вакууме, хлоридный.

В основе технологии йодидного метода лежит термическая диссоциация йодида ванадия. Распространенным является получение металла восстановлением V2O5 термическим методом с применением кальция или алюминия.

При этом происходит реакция по формуле: V2O5+5Ca = 2V+5CaC+1460 кДж с выделением тепла, которого достаточно для расплавления образовавшегося V, что позволяет ему стекать и собираться в твердом виде. Чистота металла, полученного таким способом, достигает 99,5%.

Современный способ извлечения V — это восстановление оксидов в условиях вакуума углеродом при температуре от 1250о С до 1700о С. Метод хлоридной добычи заключается в восстановлении VCl3 жидким магнием.

Применение ванадия

Одно из основных применений металл нашел в качестве легирующей добавки — феррованадия для улучшения качества сталей. Добавление ванадиевой лигатуры повышает прочностные параметры сталей, а также ее вязкость, износостойкость и другие характеристики.

Ванадий-Свойства-ванадия-Применение-ванадия-5

При этом добавка выполняет функцию как раскислителя, так и карбидообразующего компонента. Карбиды равномерно располагаются в сплаве, предотвращая структурный рост зерен стали при нагревании. Легированный ванадием чугун также способствует улучшению его качеств.

Применяется ванадий для улучшения сплавов на основе титана. Есть сплавы титана, в составе которых содержится до 13% этой легирующей добавки. Присутствует ванадий также в сплавах ниобия, тантала и хрома, используемых в авиационной промышленности, а также алюминиевых, титановых и других материалах авиации и ракетостроения.

Уникальность элемента позволяет использовать его в атомной отрасли при производстве канальных труб ТВЭЛов для атомных станций, т. к. он, как и цирконий, обладает свойством малого поперечного захвата тепловых нейтронов, что важно при протекании ядерных реакций. В атомно-водородной технологии используют хлорид ванадия для термохимического взаимодействия с водой.

Используют ванадий в химической и сельскохозяйственной отрасли, медицине, стекольном производстве, текстильной области, лакокрасочном производстве и изготовлении аккумуляторов. Широко распространены ручные инструменты и оснастка из сплава хром ванадий, отличающиеся своей прочностью.

Одно из последних направлений — это электроника. Особенно интересным и перспективным является материал на основе диоксидов титана и ванадия. Соединенные определенным образом, они создают систему, обладающую способностью значительно увеличивать память и скорость компьютеров и других электронных устройств.

Цена ванадия

В качестве готового сырья ванадий выпускают в виде слитков, прутков, кругов, а также оксидов. В ассортименте многих предприятий, занимающихся производством этого тугоплавкого металла, представлены сплавы различных марок. Цена во многом зависит от назначения, чистоты металла, способа производства, а также вида продукции.

Ванадий-Свойства-ванадия-Применение-ванадия-6

Например, Екатеринбургское предприятие НПК «Специальная металлургия» реализует слитки по цене 7 тыс. за кг, лом — по цене от 440 до 500 тыс. за тонну, слитки марки ВНМ-1 по цене 500 тыс.за тонну. Цена может меняться также в зависимости от рыночных условий и спроса на продукцию.

Загрузка...

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *