ванадий и его соединения(реферат). Ванадий и его соединения

• Название: Ванадий и его соединения
• Дата: 10.01.2022
• Размер: 36.24 Kb.
• Имя файла: ванадий и его соединения(реферат).docx
• Тип: Документы; #327631

МИНОБРНАУКИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова»

химико-фармацевтический факультет

кафедра общей, неорганической и аналитической химии
Рефетат на тему:

« Ванадий и его соединения»

Выполнила студентка гр. Х-12-18: Ведяшкина Анастасия Сергеевна

Проверила: к.х.н., доцент Зиновьева Елена Геннадьевна

Чебоксары 2019

Содержание

История октрытия………………………………………………………..…………………..3

Ванадий в природе…...............................................................................................................4

Физические свойства ванадия …............................................................................................5

Получение ванадия ……………………………………………….………..…………….….6

Химические свойства ванадия ……………………………………….……………....…….7

Соединения ванадия ………………………………………………………………......……9

Применение.... ………… …………………………………………………………..…...….13

Биологическая роль и физиологическое действие ………………………..……………..14

Список литературы…………………………………………………………………………15

2

История открытия

Этот элемент (англ. Vanadium, франц. Vanadium, нем. Vanadin) был открыт дважды. В 1801 г. профессор минералогии в г. Мехико дель-Рио, исследуя мексиканскую свинцовую руду, получил окислы и соли неизвестного элемента. Поскольку эти соединения имели различную окраску, он назвал новый элемент панхромием (Panchromium, исп. pancromo) от греч. - всякое (различное) и цвет. Получив затем высший окисел элемента (V₂О₅) и некоторые соли, окрашенные в красный цвет, дель-Рио переменил название на эритроний (Erithronium испанский Eritrono) от греч. - окрашенный в красный цвет. Сообщение дель-Рио об открытии нового элемента вызвало сомнение, химики усомнились в точности его анализов. Ученый повторил свои опыты и пришел к печальному для себя выводу, что он имел дело не с новым элементом, а с нечистым хромом. Парижский химик Коллет-Дескотиль, которому была послана проба новой земли, подтвердил этот вывод, и об эритронии вскоре забыли. Спустя 30 лет шведский химик Сефстрем, работавший у Берцелиуса, открыл тот же элемент в чугуне, полученном из руды рудника Таберг в Швеции. Вместе с Берцелиусом он придумал для элемента новое название ванадин (Vanadin) в честь богини из древней скандинавской мифологии, имевшей два имени, - Ванадис и Фрейя. Позднее во всех странах, кроме Германии, элемент стали называть ванадий. Металлический ванадий был получен путем прокаливания хлорида в атмосфере водорода (1869). В русской химической литературе начала XIX в. ванадий упоминался под названиями ванадь, ванадин; у Гесса - ванадий.

3

Ванадий в природе

Содержание В. в земной коре 0,02% по массе. В природе ванадий встречается в составе титаномагнетитовых руд, редко фосфоритов, а также в ураносодержащих песчаниках и алевролитах, где его концентрация не превышает 2%. Главные рудные минералы ванадия в таких месторождениях – карнотит и ванадиевый мусковит-роскоэлит. Значительные количества ванадия иногда присутствуют также в бокситах, тяжелых нефтях, бурых углях, битуминозных сланцах и песках. Ванадий обычно получают как побочный продукт при извлечении главных компонентов минерального сырья (например, из титановых шлаков при переработке титаномагнетитовых концентратов, или из золы от сжигания нефти, угля и т.д.).

Основные производители ванадия – ЮАР, США, Россия (главным образом Урал) и Финляндия. По учтенным запасам ванадия лидируют ЮАР, Австралия и Россия.

Несмотря на то что земная кора содержит немало ванадия - примерно 0,2% (т. е. в 15 раз больше, чем свинца, и в 2000 раз больше, чем серебра), скопления его встречаются на земле крайне редко (именно поэтому ванадий и относят к редким металлам). Руда, содержащая 1% ванадия, считается чрезвычайно богатой; промышленной переработке подвергают даже те руды, которые содержат всего 0,1% этого ценного и дефицитного элемента.

Содержание ванадия в земной коре 1,6·10^–2 % по массе, в воде океанов 3.10-7%. Важнейшие минералы: патронит V(S₂)₂, ванадинит Pb₅(VO₄)₃Cl и некоторые другие. Основной источник получения ванадия — железные руды, содержащие ванадий как примесь.

4

Физические свойства ванадия

Ванадий – серебристо-белый металл, кристаллизуется в объемоцентрированной кубической решетке, имеет металлический тип химической связи с определенной долей ковалентности. Температура плавления 1920°С, температура кипения 3400°С, плотность 6,11 г/см³. Пластичен, при нагревании на воздухе выше 300°С становится хрупким, примеси кислорода, водорода и азота резко снижают пластичность ванадия, придают ему твердость и хрупкость.

На воздухе покрывается прочной оксидной пленкой.

Ванадий имеет объемноцентрированную кубическую решетку с периодом а=3,0282А. В чистом состоянии Ванадий ковок, легко поддается обработке давлением.Удельная теплоемкость (при 20-100°С) 0,120 кал/г·град; термический коэффициент линейного расширения (при 20-1000°С) 10,6·10-6 град-1; удельное электрическое сопротивление при 20°С 24,8·10-8ом·м (24,8·10-6 ом·см); ниже 4,5 К Ванадий переходит в состояние сверхпроводимости. Механические свойства Ванадия высокой чистоты после отжига: модуль упругости 135,25 н/м²(13520 кгс/мм²), предел прочности 120 мн/м²(12 кгс/мм²), относительное удлинение 17%, твердость по Бринеллю 700 мн/м²(70 кгс/мм²). Примеси газов резко снижают пластичность Ванадия, повышают его твердость и хрупкость.

5

Получение

Основное сырье для производства ванадия – ванадийсодержащие железные руды: вначале руду обогащают, затем концентраты перерабатывают до образования оксида ванадия (V). Ванадий получают методом металлотермии:

V₂O₅ + 5Ca   2V + 5CaO.

Ванадий высокой чистоты получают восстановлением хлоридов ванадия водородом:

VCl₄ + 2H₂ = V + 4HCl;

магнийтермическим восстановлением хлорида ванадия (III):

2VCl₃ + 3Mg = 2V + 3MgCl₂;

термической диссоциацией VI₂:

VI₂ = V + I₂;

электролизом расплавов галогенидов ванадия:

VCl₂   V + Cl₂.

6

Химические свойства ванадия

Ванадий отличается высокой химической стойкостью, при нормальных условиях инертен.

1. 
   Взаимодействие с неметаллами
   

При температуре выше 600 °С взаимодействует с кислородом, образуя оксид ванадия (V):

4V + 5O₂ = 2V₂O₅,

при горении ванадия на воздухе образуется оксид ванадия (IV):

V + O₂ = VO₂.

При температуре выше 700°С реагирует с азотом с образованием нитрида:

2V + N₂ = 2VN.

При нагревании до 200–300 °С реагирует с галогенами. С фтором образует фторид ванадия (V), с хлором – хлорид ванадия (IV), с бромом – бромид ванадия (III), с йодом – йодид ванадия (II):

2V + 5F₂ = 2VF₅,

V + 2Cl₂ = VCl₄,

2V + 3Br₂ = 2VBr₃,

V + I₂ = VI₂.

С углеродом при 800 °С образует карбид:

V + C = VC.

При спекании с бором и кремнием при высоких температурах образует борид и силицид:

V + 2B = VB₂,

3V + Si = V₃Si.

Реагирует с серой и фосфором при нагревании:

2V + 3S = V₂S₃, возможно образование VS и VS₂,

V + P = VP, возможно образование VP₂.

С водородом образует твердые растворы.

2. 
   Взаимодействие с кислотами
   

Ванадий находится в ряду напряжений металлов до водорода, но, благодаря своей прочной защитной пленке, довольно инертен, не растворяется в воде и разбавленной соляной кислоте, на холоду не реагирует с разбавленной серной и азотной кислотой.

Реагирует с плавиковой кислотой с образованием фторидного комплекса:

2V + 12HF = 2H₃[VF₆] + 3H₂;

7

с концентрированной азотной кислотой с образованием соединения ванадия (V) – нитрата ванадина:

V + 6HNO₃ = VO₂NO₃ + 5NO₂ + 3H₂O;

с концентрированной серной кислотой с образованием соединения ванадия (IV) – сульфата ванадила:

V + 3H₂SO₄ = VOSO₄ + 2SO₂ + 3H₂O

и царской водкой с образованием соединения ванадия (V) – хлорида ванадина:

3V + 5HNO₃ + 3HCl = 3VO₂Cl + 5NO + 4H₂O;

растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот:

3V + 21HF + 5HNO₃ = 3H₂[VF₇] + 5NO + 10H₂O,

плавиковая кислота растворяет пассивирующую пленку оксида:

V₂O₅ + 14HF = 2H₂[VF₇] + 5H₂O,

а азотная кислота окисляет поверхность металла:

6V + 10HNO₃ = 3V₂O₅ + 10NO + 5H₂O

3. 
   Взаимодействие со щелочами
   

Ванадий не взаимодействует с растворами щелочей, в расплавах в присутствии воздуха окисляется с образованием ванадатов:

4V + 12KOH + 5O₂ = 4K₃VO₄ +6H₂O.

С металлами образует сплавы и интерметаллиды.

8

Соединения ванадия

В соединения ванадия (II) металл входит в виде катиона V²⁺.

Оксид ванадия (II) VO – вещество серого цвета, обладает металлическим блеском и довольно высокой электрической проводимостью, кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке типа хлорида натрия.

Проявляет основные свойства, с водой и щелочами не взаимодействует, реагирует с кислотами:

VO + 2HCl = VCl₂ + H₂O;

при этом образуется бледно-голубого или фиолетового цвета раствор соли ванадия (II).

Получается при восстановлении оксида ванадия (V) водородом при 1700 °С:

V₂O₅ + 3H₂ = 2VO + 3H₂O.

Гидроксид ванадия (II) V(OH)₂ – вещество серо-фиолетового цвета, образуется при взаимодействии солей ванадия (II) со щелочами:

VCl₂ + 2NaOH = V(OH)₂ + 2NaCl.

Проявляет основные свойства, растворяется в кислотах:

V(OH)₂ + H₂SO₄ = VSO₄ + 2H₂O;

в свободном состоянии не выделен.

Соли ванадия (II). Ванадий (II) образует соли фиолетового цвета: сульфат ванадия (II) VSO₄ · 7H₂O, хлорид ванадия (II) VCl₂ · 6H₂O.

Соединения ванадия (II) – сильные восстановители, уже на воздухе растворы солей окисляются с образованием соединений ванадия (III).

В отсутствии окислителей растворы соединений ванадия (II) разлагают даже воду с выделением водорода:

2VCl₂ + 2H₂O = 2VOCl + 2HCl + H₂.

Основными формами существования ванадия (III) являются V³⁺, VO⁺, VO₃^3-, комплексные ионы, в которых ванадий имеет координационное число, равное 6.

Оксид ванадия (III) V₂O₃ – вещество черного цвета, кристаллизуется в виде двух полиморфных модификаций.

Проявляет амфотерные свойства с преобладанием основных, растворяется только в кислотах:

V₂O₃ + 6HCl = 2VCl₃ + 3H₂O.

Получается восстановлением оксида ванадия (V) оксидом углерода (II) или водородом при нагревании:

V₂O₅ + 2H₂ = V₂O₃ + 2H₂O.

9

Гидроксид ванадия (III) V(OH)₃– вещество зеленого цвета, проявляет амфотерные свойства с преобладанием основных. Образуется при действии щелочей или водного раствора аммиака на растворы солей ванадия (III) без доступа воздуха:

VCl₃ + 3NaOH = V(OH)₃ + 3NaCl.

Соли ванадия (III). Ванадий (III) образует соли зеленого цвета: хлорид ванадия (III) VCl₃ · 6H₂O, йодид ванадия VI₃ · 6H₂O. Фиолетовую окраску имеют ванадиевые квасцы M⁺[V(SO₄)₂] · 12H₂O, которые при растворении образуют зеленые растворы.

Соединения ванадия (III) – сильные восстановители, в растворах окисляются кислородом воздуха до производных ванадия (IV).

Тригалогениды при нагревании диспропорционируют:

2VCl₃ = VCl₂ + VCl₄.

Получаются при восстановлении солей ванадия (V) в кислой среде:

2NaVO₃ + 2NaNO₂ + 4H₂SO₄ = V₂(SO₄)₃ + 2NaNO₃ + Na₂SO₄ + 4H₂O.

При обычных условиях степень окисления +4 является для ванадия наиболее характерной. Ванадий (IV) существует в следующих формах: VO²⁺(ванадин-ион), VO₃^2-, V₄O₉^2- (ванадат (IV)-ионы). В комплексных ионах имеет координационное число, равное 6, а также 4 и 5.

Оксид ванадия (IV) VO₂– вещество синего цвета, имеет кристаллическую решетку типа рутила. Амфотерное соединение, с преобладанием кислотных свойств. В воде не растворяется, реагирует с кислотами с образованием производных ванадила светло-синего цвета:

VO₂ + 2HCl = VOCl₂ + H₂O;

взаимодействует со щелочами, при этом образуются оксованадаты (IV) бурого цвета:

4VO₂ + 2KOH = K₂[V₄O₉] + H₂O.

Проявляет восстановительные свойства.

Получается сплавлением оксида ванадия (V) со щавелевой кислотой:

V₂O₅ + H₂C₂O₄ = 2VO₂ + 2CO₂ + H₂O

или нагреванием без доступа воздуха смеси оксидов ванадия (III) и (V):

V₂O₃ + V₂O₅ = 4VO₂.

Оксогидроксид ванадия (IV) VO(OH)₂ – вещество розового цвета, проявляет амфотерные свойства, образуется при взаимодействии солей ванадия (IV) со щелочами:

VOSO₄ + 2NaOH = VO(OH)₂ + Na₂SO₄.

Обладает амфотерными свойствами, реагирует с кислотами с образованием ванадил-иона:

VO(OH)₂ + H₂SO₄ = VOSO₄ + 2H₂O

и щелочами с образованием ванадатов (IV) различного состава, например:

4VO(OH)₂ + 2KOH = K₂[V₄O₉] + 5H₂O.

10

Соли ванадия (IV). Известны соли ванадила: VOCl₂, VOSO₄, VO(NO₃)₂ – светло-синего цвета, в растворе гидролизуют:

VOSO₄ + H₂O = VO₂ + H₂SO₄.

Соединения V(IV) проявляют восстановительные и окислительные свойства:

VOSO₄ + KMnO₄ + 4KOH = KVO₃ + K₂MnO₄ + K₂SO₄ + 2H₂O

(VO²⁺ – восстановитель).

Степень окисления +5 для ванадия реализуется в оксокатионах VO₂⁺, VO³⁺ (ванадил-ионы) и оксоанионах VO₄^3-, V₂O₇^4-, V₃O₉^3- и др. (ванадат (V)-ионы).

Оксид ванадия (V) V₂O₅ – тугоплавкое кристаллическое вещество красно-бурого цвета, обладает полупроводниковыми свойствами.

Проявляет кислотные свойства. Плохо растворяется в воде, образуя раствор светло-желтого цвета. Легко растворяется в щелочах, с образованием ванадатов:

V₂O₅ + 2KOH = 2KVO₃ + H₂O.

Растворяется в кислотах, в разбавленной соляной кислоте проявляет амфотерность:

V₂O₅ + 2HCl = 2VO₂Cl + H₂O;

при взаимодействии с концентрированной соляной кислотой проявляет окислительные свойства:

V₂O₅ + 6HCl = 2VOCl₂ + Cl₂ + 3H₂O.

Характерной особенностью ванадат-ионов является способность образовывать изополисоединения. В кислых растворах более вероятно существование ионов VO₂⁺, VO³⁺, в щелочном – VO₄^3-, в кислых средах происходит усложнение состава:

2VO₄^3- + 2H⁺ = V₂O₇^4- + H₂O,

3V₂O₇^4- + 6H⁺ = 2V₃O₉^3- + 3H₂O,

4V₂O₇^4- + 8H⁺ = 2V₄O₁₂^4- + 4H₂O

5V₄O₁₂^4- + 8H⁺ = 2V₁₀O₂₈^6- + 4H₂O.

Ванадат-ионы в растворе находятся в равновесии, но в определенном интервале рН преобладает та или иная форма. Процесс полимеризации ионов ванадия (V) в кислых растворах сопровождается усилением окраски: от бледно-желтой окраски раствора, содержащего VO₄^3-, до оранжево-красной, обусловленной присутствием декаванадат-ионов V₁₀O₂₈^6-.

Чистый оксид ванадия (V) получают при разложении ванадата аммония при 400–500 °С:

2NH₄VO₃ = V₂O₅ + 2NH₃ + H₂O.

Твердые оксованадаты различного состава получают следующим образом:

V₂O₅ + 3Na₂CO₃ = 2Na₃VO₄ + 3CO₂

11

2Na₂HVO₄ = Na₄V₂O₇ + H₂O;

3Na₃VO₄ + 3NH₄Cl + 3H₂O = (NH₄)₃V₃O₉ + 6NaOH + 3NaCl.

Переход ванадия от высшей степени окисления +5 к низшей +2 через все промежуточные степени окисления наблюдается при взаимодействии раствора метаванадата натрия в сернокислой среде с цинком:

NaV⁺⁵O₃   (V⁺⁵O₂)SO₄ (желтый)   V⁺⁴OSO₄ (синий)   V⁺³₂(SO₄)₃ (зеленый)   V⁺²SO₄ (фиолетовый).

Суммарное уравнение реакции:

2NaVO₃ + 3Zn + 6H₂SO₄ = 2VSO₄ + 3ZnSO₄ + Na₂SO₄ + 6H₂O.

13

Применение ванадия

Водородная энергетика

Хлорид ванадия применяется при термохимическом разложении воды в атомно-водородной энергетике (ванадий-хлоридный цикл «Дженерал Моторс», США).

Химические источники тока

Пентаоксид ванадия широко применяется в качестве положительного электрода (анода) в мощных литиевых батареях и аккумуляторах. Ванадат серебра в резервных батареях в качестве катода.

В производстве серной кислоты

Оксид ванадия(V) используется как катализатор на стадии превращения сернистого ангидрида в серный.

Металлургия

Свыше 90 % всего производимого ванадия находит применение в качестве легирующей добавки в сталях, главным образом, высокопрочных низколегированных, в меньшей степени, нержавеющих и инструментальных, а также в производстве высокопрочных титановых сплавов, основанных на системе Ti-6Al-4V (англ.)русск. (в российской классификации — ВТ6, содержит около 4% ванадия). В сталях ванадий образует мелкодисперсные карбиды VC, что повышает механические свойства и стабильность структуры. Его применение его особенно эффективно совместно с вольфрамом, молибденом и никелем. В конструкционных сталях содержание ванадия не превышает, как правило, 0,25%, в инструментальных и быстрорежущих доходит до 4%. В российской номенклатуре сталей ванадий обозначается буквой Ф.

Автомобильная промышленность

Ванадий используется в деталях, требующих очень высокой прочности, таких как поршни автомобильных двигателей. Американский промышленник Генри Форд отмечал важную роль ванадия в автомобильной промышленности. «Если бы не было ванадия — не было бы автомобиля». — Говорил Форд.

Электроника

Материал на основе диоксидов ванадия и титана используют при создании компьютеров и другой электроники.

Нефтедобыча

Ванадиевая сталь используется при создании погружных буровых платформ для бурения нефтяных скважин.

Сувенирная продукция

Частные компании США выпускают медали и коллекционные жетоны из чистого ванадия. Одна из ванадиевых медалей вышла в 2011 году.

13

Биологическая роль и воздействие

Ванадий и все его соединения токсичны. Наиболее токсичны соединения пятивалентного ванадия. Чрезвычайно ядовит его оксид(V) (ядовит при попадании внутрь организма и при вдыхании, поражает дыхательную систему). Смертельная доза ЛД50 оксида ванадия(V) для крыс орально составляет 10 мг/кг.

Ванадий и его соединения очень токсичны для водных организмов (окружающей среды).

Установлено, что ванадий может тормозить синтез жирных кислот, подавлять образование холестерина. Ванадий ингибирует ряд ферментных систем[источник не указан 1350 дней], 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. 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, высокое содержание выявлено у некоторых морских беспозвоночных (голотурий и асцидий), у которых ванадий входит в состав белковых комплексов плазмы и форменных элементах крови и целомической жидкости. В клетках крови асцидий массовая доля ванадия может доходить до 8,75 %. Функция элемента в организме до конца не ясна, разные учёные 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.

14

Список литературы

1. 
   https://ru.wikipedia.org/wiki/Ванадий#Применение
   
2. 
   https://ido.tsu.ru/schools/chem/data/res/neorg/uchpos/text/g4_9_8.html
   
3. 
   https://ido.tsu.ru/schools/chem/data/res/neorg/uchpos/text/g4_9_4.html
   
4. 
   https://www.allmetals.ru/metals/vanadium/index.php?p=apply
   
5. 
   http://xlom.ru/spravochnik/vanadij-opisanie-primenenie-cena-vanadiya-za-kg/#5
   

(03.06.19)

15