Ванадий, его соединения и их свойства.. Ванадий и его соединения. Реферат дисциплина Научные исследования в химии, химической технологии и биотехнологии тема История открытия ванадия. Свойства ванадия и его соединений
 Скачать 119.63 Kb.
|
РЕФЕРАТ дисциплина «Научные исследования в химии, химической технологии и биотехнологии» тема «История открытия ванадия. Свойства ванадия и его соединений»
Москва 2020 ОглавлениеАннотация 3 Вступление 3 1.История открытия ванадия 4 2.Физические свойства ванадия 5 3.Химические свойства ванадия и его соединений 5 3.1Общая характеристика 5 3.2 Свойства металлического ванадия 6 3.3 Оксиды ванадия и их свойства 6 3.4 Химия водных растворов соединений ванадия 7 3.5 Галогениды ванадия 10 3.6 Бинарные соединения ванадия 13 Заключение 13 Список использованной литературы 14 АннотацияВ данном реферате с использованием в качестве источников научной и учебной литературы будет рассмотрена история открытия химического элемента ванадия, а также химические и физические свойства, как самого металла, так и разнообразных соединений, в состав которых он входит. ВступлениеВанадий — металл, имеющий в Периодической системе имени Д. И. Менделеева номер 23 и находящийся в пятой группе, четвертом периоде. Этот химический элемент, относительно распространенный в земной коре, имеет в ней массовую долю 0,014%,занимая среди переходных металлов пятое место по массовой доле в ней. Но почему же он заслуживает отдельного рассмотрения? Дело в том, что ванадий имеет очень важное значение для хозяйственной деятельности человека, и в особенности для поддержания современных требовательных к материалам технологий. Он и его соединения используются в электронике для производства дисплеев, переключателей; в качестве катализаторов в химической промышленности и составной части анода в литий-ионных аккумуляторах. Но основное применения ванадия - это применение в металлургии в качестве легирующей добавки, которые придают сплавам очень ценные свойства, такие как устойчивость к механическим нагрузкам, высоким температурам, коррозии и другим неблагоприятным для сплавов воздействиям. Именно поэтому он нашел широкое применение в экономике. Но для того чтобы применять его в технике, выделять из руд, перерабатывать необходимо изучить физико-химические свойства ванадия и его соединений. Не имея о них представления, не может быть и речи об эффективном и безопасном применении ванадия и его соединений. И именно они будут рассмотрены в основной части реферата. 1.История открытия ванадияВ Швеции в самом начале XIX веке были найдены новые залежи железных руд. Это дало толчок к развитию металлургии, однако железо из этих месторождений в доменных печах получалось разным по свойствам: в одних оно было более ковкое (лучше по свойствам), а в других менее. Металлурги пытали наладить производство более высококачественного металла, но все их попытки оказались провальными. Они были вынуждены обратить за помощью к ученым-химикам, которые и нашли, в чем заключается тайна неизвестного сплава. После долгой работы Нильсу Сефстрему в 1830 удалось получить из образцов сплава железа с лучшими свойствами черный порошок. Шведский химик предположил, что именно это неизвестное вещество в сплаве с железом придает ему улучшенные характеристики. Новый элемент был назван «ванадий» в честь богини древнегерманской мифологии по имени Ванадис. Однако первооткрывателем стоит считать не Сефстрема. Еще в 1801 году мексиканский исследователь дель Рио выделил ванадий из свинцовой руды. Он назвал полученное вещество эритронием из-за красного цвета солей, однако он засомневался в том, что это новый химический элемент и решил, что столкнулся с недавно открытым хромом. Только в 1831 году Велеру удалось доказать, что Сефстрему и дель Рио пришлось иметь дело с одним и тем же веществом. Ванадий не встречается в самородном виде в природе, потому первооткрыватели имели дело с его соединениями с другими элементами. Лишь в 1869 году английский химик Роско восстановлением хлорида железа получил чистое вещество. Он отметил высокую устойчивость ванадия к окислению на воздухе и в тоже время на относительно невысокую плотность. 2.Физические свойства ванадияВанадий в чистом виде - очень твердый (но пластичный и поддающийся шлифованию), светло-серый металл, имеющий плотность 6,11 г/см3, с температурой плавления 1920оС и температурой кипения 3400оС при нормальном давлении. Находится в 5 группе и имеет порядковый номер 23.Электронная конфигурация [Аr40]3d34s2.Таким образом, ванадий имеет пять валентных электронов. Ванадий с введением порядка 10% углерода повышает свою температуру плавления примерно до 2000оС. При длительном нахождении ванадия в горячей атмосфере, содержащей кислород, он становится хрупким из-за растворения кислорода в металле. 3.Химические свойства ванадия и его соединений3.1Общая характеристикаВанадий может существовать во всех возможных степенях окисления от -3 до +5. Однако самый устойчивые степени окисления и стало быть наиболее распространенные - это +4(в кислых средах) и +5(в щелочных). Степени окисления 0,-1 ванадий имеет в комплексах с угарным газом (карбонилы), а +2,+3 в комплексах с галогенид – ионами. Комплексные соединения стабилизируют неустойчивые степени окисления. У соединений ванадия с увеличением степени окисления в связях падает ионность и растет ковалентность химических связей. Это проявляется в понижении температуры плавления. Оксид ванадия(II) имеет температуру плавления 1820оС, а оксид ванадия(V)-685o C. Кроме того, фторид ванадия(II) при комнатной температуре представляет собой тугоплавкое соединение, в то же время фторид ванадия(V) находится в жидком агрегатном состоянии. Так же с ростом степени окисления вначале проявляются основные свойства, затем амфотерные и в оксидах с высшей степенью окисления - кислотные. От степени окисления зависят и окислительно - восстановительные способности соединений ванадия. С ее ростом снижаются восстановительные свойства и повышаются окислительные. Так например, пара V+2/V имеет стандартный электродный потенциал -1,18В, а пара V+3/V обладает стандартным электродным потенциалом -0,87В. 3.2 Свойства металлического ванадияИз кислот - неокислителей ванадий взаимодействует только со фтороводородной кислотой, так как с ней образует устойчивый комплекс H3[VF6]-гексафторованадат(III) водорода. С горячей концентрированной серной кислотой ванадий образует ванадил VOSO4, где металл имеет устойчивую в кислой среде степень окисления +4. До высшей степени окисления ванадий могут окислить сильные кислоты-окислители, такие как хлорная HClO4 или пероксосерная H2S2O6(O2). Для перевода в раствор также можно использовать царскую водку, в результате воздействия которой образуются комплексные соединения - ванадаты. Ванадий при комнатной температуре не реагирует с кислородом и растворами органических кислот. В этом проявляется одно из важнейших свойств этого металла - устойчивость к коррозии. Оксиды образуются только при сильном нагревании порошка ванадия. Лучше всего из числа простых веществ, взаимодействие происходит с галогенами, при этом образуется тетрахлорид ванадияVCl4 или дийодид ванадия VI2,однако эти реакции также протекают при повышенной температуре. 3.3 Оксиды ванадия и их свойства
Оксид ванадия(II) представляет собой черный порошок, хорошо проводящий электрический ток. Проявляет основные свойства, не реагируя с щелочами и водой, но растворяясь в кислотах. Оксид ванадия(III) тоже существует в виде черного порошка, но ток не проводит. При нагревании в присутствии кислорода окисляется до высшего оксида ванадия. Проявляет амфотерность с преобладанием основных свойств, реагируя с кислотами с образованием солей, но не реагируя с щелочами. В реакциях с оксидами металлов этот оксид образует соли, например с Li2O образует ванадат(III) лития LiVO2. Может быть получен восстановлением оксида ванадия(V) аммиаком. Степени окисления +4 соответствует оксид VO2. Его получают восстановлением, используя мягкие восстановители, такие как угарный газ, высшего оксида ванадия. Проявляет амфотерность, взаимодействуя с кислотами с образованием ванадилов и щелочами, образуя ванадаты (IV). Высший оксид ванадия со степенью окисления +5 проявляет амфотерность с преобладанием кислотных свойств. Растворяется в кислотах с образованием иона ванадина VO2+. В реакциях с щелочами образует ванадаты(V). Проявляет слабые окислительные свойства, восстанавливая соляную кислоту до молекулярного хлора. 3.4 Химия водных растворов соединений ванадияВ водных растворах соединения ванадия(II) получают восстановлением, используя при этом цинк или электрический ток, оксидов в более высоких степенях окисления Zn+V2O5+5H2SO4=2VSO4+3ZnSO4+5H2SO4 В растворах V2+ ванадий(II) подвергается слабому гидролизу V2++H2O=VOH++H3O+ Ванадий(II) окисляется на воздухе до ионов со степенью окисления +3 или +4. Для повышения устойчивости степени окисления используют комплексные соединения. При добавлении кислот ванадий(II) окисляется до +3, а при добавлении щелочи выпадает коричневатый осадок V(OH)2, который вскоре окисляется водой до V(OH)3. Для усиления восстановительных свойств используют фториды для связывания ионов ванадия(III). В результате V2+ может восстанавливать, например Сd2+ или Cu2+ до Cd и Cu. Если провести эти реакции без комплексообразования (лиганд фторид-ион) с ванадием(III), то реакция пойдет в сторону восстановления V3+ до V2+, то есть в сторону реагентов. Соединения ванадия(III) могут быть получены, например сопропорционированием соединений ванадия в разных степенях окисления в подкисленных растворах V+3V2O5+30H+=7V3++15H2O Водный раствор ванадия(III) имеет насыщенный зеленый цвет. Постепенно V3+ гидролизуется с образованием в итоге полиядерных ионов, придающих водному раствору коричневатый цвет. Гидролиз подавляется в сильно кислых растворах. Ванадий(III) подвержен окислению кислородом воздуха, для того чтобы предотвратить этот нежелательный процесс используют кислоты, кислотные остатки которых образуют устойчивые комплексы с ванадием(III).Для этих целей обычно используют фосфорную или щавелевую кислоту. Гидрооксид ванадия(III) V(OH)3 может быть выделен при pH=5 в виде зеленого осадка при добавлении щелочей или аммиака в водный раствор V3+.Он проявляет сильные основные свойства и является сильным восстановителем, окисляясь на воздухе до VO(OH)2. Несмотря на основные свойства, с оксидами щелочных металлов может образовывать ванадаты при спекании, например KVO2,имеющие структуру шпинели, то есть являющимися смешанными оксидами. Ванадий(III) имеет большое количество устойчивых комплексов. При дальнейшем повышении степени окисления ванадий присутствует в водных растворах только в виде кислородсодержащих солей из-за малого радиуса иона и большого заряда. Поэтому ванадий(IV) образует катион ванадила VO2+, который в составе аквакомплексов придает раствору голубой цвет. Соли ванадила образуются при восстановлении оксида ванадия(V) сернистым газом, этиловым спиртом или некоторыми другими соединениями в кислой среде. При окислении ванадил переходит в высший оксид ванадия или в соли - ванадаты(V), а при действии восстановителей, таких как гидразин или гидроксиламин, восстанавливается до более низких степеней окисления. При добавлении щелочи ванадил выпадает в виде коричневого гидрооксида ванадила. Гидролиз ванадила незначителен. Для соединений ванадия(IV) характерно комплексообразование с кислороддонорными и азотдонорными лигандами. Ванадий в высшей степени окисления +5 образует различные оксоанионы в зависимости от кислотности раствора. В сильно щелочной-это ортованадат(IV)- ионы VO43-, имеющие тетраэдрическую форму и образующие малорастворимые соли. При понижении pH происходит их объединение с образованием димеров V2O74-, затем в циклические или линейные оксоанионы V4O74-. В зависимости от pH будут осаждаться ванадаты(V) разного состава. Все эти ионы и соли с их участием не имеют цвета. Ортованадаты в своей кристаллической решетке содержат отдельные ортованадат-ионы. Диванадаты содержат в своем составе два тетраэдра ортованадата, имеющих общую вершину с атомом кислорода в ней. Ни в одном безводном соединении не обнаружен VO-3 , вместо него там бесконечные цепи из [VO4], имеющие форму тетраэдра с общим кислородом в одной из четырех вершин. Для ванадия в водных растворах свойственно координационное число шесть, поэтому при определенных условиях связи между тетраэдрами [VO4] рвутся и они преобразуются в полиядерные оксоанионы. Наиболее изучен из них декаваданат - ион [H2V10O28]4- устойчивый в нейтральных и слабокислотных растворах. Этот ион придает своим растворам оранжевый цвет. При понижении кислотности водного раствора этого иона он присоединяют протоны, образуя в своем составе OH группы. Это приводит к уменьшению устойчивости декаваданат-ионов, в результате чего они взаимодействую между собой, и образуют бесконечные ленты из октаэдров [VO6] c общими ребрами. При внедрении между ядрами этого соедиения воды происходит отщепление протона V-OH+H2O=V-O-+H3O+ Полученное соединение называют ванадиевой кислотой. В сильнокислых растворах декаваданат преобразуется в ионы ванадина VO2+, находящиеся в растворе в гидратированном виде и окрашивающие его в желтый цвет. Таким образом, при понижении кислотности раствор меняет окрас с бесцветного (ортованадаты, метаванадаты) до оранжевого (декаванадаты и другие полиядерные анионы), оранжево-красного (коллоидный раствор гидратированного V2O5) и желтого - характерного для катионных кислородосодержащих соединений ванадия(V). 3.5 Галогениды ванадияПентагалогениды. Ванадий со степенью окисления +5 существует только в пентафториде ванадия(V) , который можно синтезировать воздействием фтора на горячий ванадий или его низшие галогениды. В газовом агрегатном состоянии пентафторид ванадия существует в виде мономерной молекулы, которая по форме представляет собой тригональную бипирамиду. Сконденсированный VF5 состоит из октаэдров [VF6], которые образуют длинную цепочку, объединенную обобщенными вершинами. При комнатной температуре пентафторид ванадия находится в виде токопроводящей желтоватой жидкости. Причиной проводимости жидкого VF5 является процесс самоионизации, в результате которого образуются заряженные частицы - носители электрических зарядов 2VF5= VF4+ + VF6- VF5 активно вбирает молекулы воды из воздуха, образуя оксофториды, а при реакции с щелочами — ванадаты: VF5 + 6 0Н-= VO3-+ 5F- +3 H2O Пентафторид ванадия отличный окислителей и фторирующий агент: он окисляет большое количество органических соединений до фторметана, даже при обычной температуре постепенно разрушает стеклянную химическую посуду. Ванадий со степенью окисления +3 образует галогениды со всеми галогенами за исключением йода. Все галогениды ванадия(III) кроме фторида ванадия (III) синтезируют галогенированием ванадия при температурах, при которой галогенениды в степени окисления +4 и +5 разлагаются под действием высокой температуры. Хлорид ванадия(III) образуется при нагревании V2O5 с SCl4 , реакции ванадия с жидким хлором, кипячении VOCl3 с порошком серы, разложении VOC1 при нагревании. Он имеет высокую растворимость в воде и этиловом спирте, кристаллизуется в виде салатового гексагидрата VC13*H2O . При нагревании в присутствии молекулярного кислорода гидрат превращается в оксохлорида VOC1 и оксида ванадия(V): 3VC13*6Н20 + О2= VOC1 +V2O5 + 8 НС1 + H2O Трифторид ванадия образуется при взаимодействии V2O3 c фтороводородной кислотой. Из водных растворов выпадает в виде зеленого тригидрата трифторид ванадия. Безводный трифторид ванадия синтезируют путем реакции высшего оксида ванадия с кристаллиеским NH4F при нагревании. Бромид ванадия(III)и йодид ванадия(III) менее устойчивы по сравнению с фторидом и хлоридом. Болотного цвета кристаллы VBr3 диспропорционировать при температуре 320 °С. Из водного раствора, имеющего зеленую окраску, кристаллизуется гексагидрат бромида ванадия(III). С жидким и газообразным аммиаком VBr3 реагирует с образованием коричневатого аммиаката [V(NH3)6]Br3. Черный йодид ванадия(III) синтезируют взаимодействием оксида ванадия(III) или(V) с расплавом А1I3 в вакууме при температуре 230 °С. Йодид быстро вбирает в себя влагу из воздуха или влажного вещества, то есть проявляет высокую гигроскопичность, легко растворяется в воде, из раствора выпадает в форме гексагидрата йодида ванадия(III). VI3 окисляется кислородом воздуха при температуре 125 o C, теряя при этом йод. С хлором взаимодействует уже при комнатной температуре. Ванадий в степени окисления 4+ имеет стабильные соединения со всеми галогенами, кроме йода. Фторид ванадия(IV) получают путем взаимодействия VCl4 c плавиковой кислотой. Окрашивает водные растворы в синий цвет из-за образования ванадил-иона. VF4 уже при небольшом нагревании, примерно до 100o C, диспропорционирует на фториды ванадия(III) и (IV). Тетрахлорид ванадия при комнатной температуре представляет собой медленно разлагающуюся красную жидкость. Его получают хлорированием металлического ванадия или трихлорида ванадия. В воде гидролизуется с образованием хлорида ванадила. VBr3 еще менее устойчив и разлагается уже при температуре -230C. Дигалогениды ванадий образует со всеми галогенами. Отличительной их особенностью от остальных галогенидов ванадия является высокая степень ионности в химических связях. Это подтверждает их высокая температура плавления порядка 1000oC. Дигалогениды синтезируют путем реакции восстановления трибромида ванадия водородом при нагревании. В воде хорошо расворяюся и не гидролизуются. При выделение из водного раствора образуют кристаллогидраты. 3.6 Бинарные соединения ванадияУже при комнатной температуре ванадий реагирует с водородом, образуя моногидрид VH в виде серого порошка. Этот гидрид тугоплавкий и разлагается только при температуре 1000o C. Разрушается в реакциях с кислотами - окислителями. С углеродом ванадий образует карбиды VC и VC2. Они чрезвычайно твердые и тугоплавкие, не разрушаются кислотами-окислителями. С азотом ванадий реагирует с образованием нитрида и динитрида. Нитрид ванадия(II) получают с помощью реакции очень горячего внадия с аммиаком. Нитрид ванадия VN разрушается только в горячих щелочах и кислотах. ЗаключениеВ данном реферате были рассмотрены основные химические и физические свойства ванадия и его соединений с другими элементами. Кроме того, читатель узнал об истории открытия этого важного металла. Были изучено разнообразие оксидов и галогенидов ванадия, дано представление о поведении его соединений (полиядерных анионов, комплексных соединений, оксосолей, ионов ванадия) в водных растворах. Рассмотрены некоторые особо ценные и интересные бинарные соединения. Описано разнообразие степеней окисления ванадия, окислительно - восстановительные свойств ванадия и его соединений. Также описаны способы получения некоторых соединений. Изучив реферат, читатель получит основные сведенья о химии ванадия и основных соединений, в которые он входит. Список использованной литературы1 Неорганическая химия : в 3 т. / под ред. Ю. Д. Третьякова. Т. 3: Химия переходных элементов. Кн. 1 : учебник для студ. высш. учеб. заведений / [А. А. Дроздов, В. П. Зломанов, Г. Н. Мазо, Ф. М.Спиридонов]. — М.: Издательский центр «Академия», 2007. — 352 с. 2 https://specmetal.ru/spravochnaya-informatsiya/primenenie-vanadiya/-(16.12.2020) 3 Диогенов Г.Г. История открытия химических элементов.- Москва.- Государственное учебно-педагогическое издательство Министерства просвещения РСФСР, 1960.- 221 с. 4 Лидин, Р.А. Химические свойства неорганических веществ [Текст]: учебное пособие для вузов / Р.Н. Лидин, В.А. Молочко, Л.Л. Андреева; под ред. Р.А. Лидина. - М.: Химия, 1996. - 480 с.: ил. |
