Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение ванадий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 134 pm — это 0,134 нм, поэтому около 3,73 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Ванадий находится в жидком состоянии в диапазоне 1497 K — от 2183 K до 3680 K.
Положение
История
Ванадий — секретный ингредиент, который превращает обычную сталь в сверхпрочную. Этот серебристо-серый переходный металл может быть сравнительно малоизвестен, но он абсолютно необходим для современной инфраструктуры. Добавление всего 0,1% ванадия в сталь повышает её прочность до 100%, сохраняя гибкость — это словно наделить металл сверхспособностями. Открытый в 1801 году испано-мексиканским учёным Andrés Manuel del Río, ванадий имеет одну из самых красочных историй в химии периодической таблицы. Изначально del Río назвал его «эритронием» (от греческого слова, означающего «красный»), потому что его соединения при нагревании становились красными. Однако другие химики убедили его, что на самом деле он открыл хром, и del Río отказался от своего утверждения. Тридцать лет спустя, в 1831 году, шведский химик Nils Gabriel Sefström вновь открыл элемент и назвал его ванадием в честь Vanadis, скандинавской богини красоты, из-за его прекрасных разноцветных соединений. Что делает ванадий особенно захватывающим, так это его невероятная универсальность в образовании соединений. Он может существовать в степенях окисления от -1 до +5, создавая радугу цветов: фиолетовый (V²⁺), зелёный (V³⁺), синий (V⁴⁺) и жёлтый (V⁵⁺). Благодаря этому соединения ванадия применяются в качестве катализаторов химических реакций и пигментов для керамики и стекла. Ванадий также обладает замечательными биологическими свойствами. Он необходим некоторым морским организмам, например асцидиям, которые концентрируют ванадий в крови в количествах, в 10 миллионов раз превышающих его содержание в морской воде. Некоторые исследования показывают, что ванадий может помогать регулировать уровень сахара в крови человека, что привело к изучению его применения в лечении диабета. Элемент также перспективен для хранения энергии. Ванадиевые проточные окислительно-восстановительные батареи способны хранить огромные объёмы энергии для систем возобновляемой энергетики и служить более 20 лет при минимальной деградации — идеально подходя для хранения солнечной и ветровой энергии.
Открытие ванадия связано с несколькими исследователями, ошибочными попытками и окончательным подтверждением с помощью передовых аналитических методов, что иллюстрирует трудности идентификации новых элементов в сложных минеральных матрицах.
Andrés Manuel del Río (1764–1849), испано-мексиканский минералог, впервые открыл ванадий в 1801 году при анализе свинцовых руд из Сима́пана, Мексика. Del Río заметил, что образцы минерала давали разноцветные растворы — красные, жёлтые, зелёные и синие — в зависимости от условий химической обработки.
Изначально del Río назвал своё открытие «панхромием» (что означает «все цвета») из-за его разноцветных соединений. Позднее, заметив красный цвет некоторых растворов, он переименовал его в «эритроний» (от греческого «эритрос», означающего «красный»).
Когда del Río отправил образцы европейским химикам для подтверждения, они ошибочно определили его элемент как нечистый хром. Эта ошибка заставила del Río усомниться в собственном открытии, и он с сожалением отозвал своё утверждение. Научное сообщество приняло эту ошибочную оценку, лишив del Río заслуженного признания на 30 лет.
Nils Gabriel Sefström (1787–1845), шведский химик, работавший на железоделательных заводах Фалуна, вновь открыл ванадий в 1830 году при анализе железорудных шлаков. Его систематический химический анализ выявил неизвестный элемент, образующий те же разноцветные соединения, которые del Río наблюдал десятилетиями ранее.
Sefström назвал элемент «ванадием» в честь Vanadis, скандинавской богини красоты, любви и плодородия (также известной как Freyja). Это название отражало прекрасные цвета соединений ванадия — от глубокого красного до яркого жёлтого и зелёного.
Когда работа Sefström стала известна, приоритет del Río наконец признали. Научное сообщество подтвердило, что именно del Río первым открыл ванадий, хотя название Sefström осталось общепринятым. Это признание восстановило место del Río в истории химии и подчеркнуло важность тщательного аналитического подтверждения.
Henry Roscoe получил первый чистый металлический ванадий в 1867 году восстановлением дихлорида ванадия водородом, хотя его продукт содержал значительные примеси. John Wesley Marden и Malcolm Rich получили ванадий высокой чистоты в 1927 году восстановлением пентаоксида ванадия кальцием, что позволило систематически изучать замечательные свойства ванадия.
Применение
Ванадий превращает обычную сталь в выдающиеся сплавы, обеспечивая создание всего — от гоночных автомобилей Formula 1 до корпусов ядерных реакторов. Уникальная способность этого переходного металла упрочнять сталь при минимальных концентрациях делает его незаменимым для современной инфраструктуры и передовых инженерных применений.
Высокопрочные низколегированные (HSLA) стали приобретают выдающиеся свойства благодаря добавлению всего 0,01–0,15% ванадия. Ванадий образует карбиды и нитриды, фиксирующие границы зёрен, препятствующие движению дислокаций и создающие стали с пределом текучести более 700 MPa при сохранении отличной свариваемости. Применение в автомобилестроении включает компоненты шасси, системы подвески и элементы защитных каркасов, где критически важны снижение массы и безопасность при столкновениях.
Быстрорежущие инструментальные стали, содержащие 1–5% ванадия, сохраняют остроту режущей кромки при температурах красного каления (600°C), обеспечивая высокоскоростную обработку, невозможную для обычных сталей. Карбиды ванадия (VC) образуют самые твёрдые карбиды в инструментальных сталях, обеспечивая исключительную износостойкость режущих инструментов, штампов и производственного оборудования.
Ванадиевые проточные окислительно-восстановительные батареи (VRFB) обеспечивают крупномасштабное хранение энергии для интеграции возобновляемой электроэнергии. Эти системы используют четыре стабильные степени окисления ванадия (V²⁺, V³⁺, VO²⁺, VO₂⁺) для хранения энергии в жидких электролитах, обеспечивая более 10 000 циклов заряда при минимальной деградации. Крупные установки в Японии, Австралии и Китае демонстрируют применение технологии VRFB для хранения энергии ветра и солнца в масштабах энергосетей.
Пентаоксид ванадия (V₂O₅) катализирует производство серной кислоты контактным способом, обеспечивая выпуск этого важнейшего промышленного химического вещества. Катализатор работает при температуре 400–500°C, превращая диоксид серы в триоксид серы с эффективностью 99%. В системах селективного каталитического восстановления (SCR) используются катализаторы на основе ванадия для снижения выбросов оксидов азота электростанциями и дизельными двигателями.
Титано-ванадиевые сплавы, такие как Ti-6Al-4V, содержат 4% ванадия для повышения прочности и технологичности конструкционных компонентов летательных аппаратов. Компоненты реактивных двигателей используют способность ванадия сохранять прочность при повышенных температурах, одновременно противостоя окислению и усталости от термических циклов.
Откуда он происходит
120 мг/кг земной коры · более распространён, чем 84% элементов
Космическое образование ванадия происходит в результате процессов горения кремния в массивных звёздах, где температура превышает 3 миллиарда K, что позволяет ядерным реакциям формировать элементы тяжелее железа. Процессы захвата нейтронов во время взрывов сверхновых дополнительно способствуют образованию изотопов ванадия, рассеивая этот переходный металл по Вселенной, когда из звёздных обломков формируются новые планетные системы.
Земная кора содержит примерно 120 частей на миллион ванадия, что ставит его на 22-е место по распространённости среди элементов. Такая умеренная концентрация отражает геохимическое поведение ванадия: в минералах, образующих породы, он замещает железо и алюминий, а не образует отдельные минералы ванадия в большинстве геологических условий.
Магнетитовые железные руды обеспечивают 71% мирового производства ванадия, особенно в слоистых мафитовых интрузиях, где ванадий концентрируется в результате магматических процессов. Южноафриканский Бушвельдский комплекс содержит крупнейшие в мире ресурсы ванадия: слои магнетита содержат 1–2% V₂O₅, образовавшиеся в результате фракционной кристаллизации богатых ванадием магм.
Нефть и нефтеносные пески являются нетрадиционными источниками ванадия: органические соединения концентрировали ванадий из древней морской воды. Тяжёлые нефти Венесуэлы содержат до 1 400 ppm ванадия, который извлекают в виде пентаоксида ванадия из остатков переработки нефти.
Карнотит (K₂(UO₂)₂(VO₄)₂·3H₂O) встречается в урановых месторождениях песчаника на плато Колорадо, обеспечивая получение урана и ванадия методом подземного выщелачивания. Ванадинит (Pb₅(VO₄)₃Cl) образует великолепные красные кристаллы в окисленных свинцовых месторождениях, но вносит минимальный вклад в промышленное производство ванадия.
Китай доминирует в производстве ванадия (57% в мире), перерабатывая сталеплавильные шлаки и месторождения каменного угля, характерные для провинций Шэньси и Хунань. Далее следуют Россия (17%) и Южная Африка (16%); при этом Южная Африка располагает 35% мировых запасов ванадия в Бушвельдском комплексе.
Производство стали образует богатые ванадием шлаки и золу-унос, содержащие 15–25% V₂O₅, которые перерабатывают обжигом и выщелачиванием. На это вторичное производство приходится 22% мировых поставок ванадия, что демонстрирует эффективную переработку ресурсов из промышленных отходов.
Обращение
Соединения ванадия обладают умеренной токсичностью и требуют соответствующих мер безопасности, особенно при вдыхании пыли и работе с некоторыми солями ванадия. Понимание путей воздействия и внедрение надлежащих мер контроля обеспечивают безопасное обращение с ванадием в промышленных условиях.
Пентаоксид ванадия (V₂O₅) представляет основную профессиональную опасность, вызывая раздражение дыхательных путей, кашель и возможное повреждение лёгких при длительном воздействии. Острые симптомы включают зелёное окрашивание языка, металлический привкус и раздражение желудочно-кишечного тракта. Хроническое воздействие может привести к бронхиту и снижению функции лёгких, хотя эти эффекты обычно обратимы после прекращения воздействия.
Вдыхание представляет наибольший риск при производстве стали, обращении с катализаторами и переработке ванадия. Контакт с кожей соединений ванадия может вызвать раздражение кожи и потенциальное всасывание. Проглатывание возможно через загрязнённую пищу или при несоблюдении правил гигиены на рабочем месте.
Местная вытяжная вентиляция в местах образования пыли эффективно контролирует содержание ванадия в воздухе. Закрытые процессы обращения с соединениями ванадия сводят к минимуму контакт работников с ними. Влажное подавление пыли во время дробления и шлифования значительно снижает её образование.
Вдыхание: немедленно удалить пострадавшего из зоны воздействия; обеспечить свежий воздух и при необходимости кислород; при появлении симптомов со стороны дыхательной системы обратиться за медицинской помощью. Контакт с кожей: промывать водой в течение 15 минут; снять загрязнённую одежду; при сохраняющемся раздражении обратиться за медицинской помощью. Попадание в глаза: промывать чистой водой в течение 15 минут; немедленно обратиться за медицинской помощью. Проглатывание: прополоскать рот водой; не вызывать рвоту; немедленно обратиться за медицинской помощью.
Краткие ответы
Ванадий (символ V) — элемент 23 в периодической таблице, представитель семейства Переходный металл в 4 периоде, 5 группе. Переходный металл, который окрашивает раствор в четыре разных цвета в зависимости от степени окисления. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Ar] 3d³ 4s²; она включает 4 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 11, 2.Ванадий плавится при 2183 K (1909.9 °C) и кипит при 3680 K (3406.9 °C). Это относит его к самым тугоплавким элементам — он остаётся твёрдым при температурах, при которых большинство металлов испаряется.
Стандартная атомная масса Ванадий составляет 50.942 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Ванадий составляет 6.11 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Ванадий примерно в 6.1× тяжелее.
Электроотрицательность Ванадий по шкале Полинга составляет 1.63. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Ванадий был открыт в 1801 году Andres Manuel del Rio. Назван в честь ванадис, скандинавская богиня красоты.
На долю Ванадий приходится около 120 мг/кг земной коры — его достаточно много, чтобы добывать его в промышленных масштабах.