Vào giữa thế kỷ 20, một thuật ngữ xuất hiện trong khoa học hóa học - kim loại có tầm quan trọng chiến lược. Nó có nghĩa là một nhóm các nguyên tố có các đặc tính hóa lý giúp chúng ta có thể sử dụng chúng trong quá trình sản xuất khu liên hợp công nghiệp-quân sự. Chúng ta đang nói về các kim loại như crom, tantali, niobi, molypden và vonfram. Vanadi, có đặc tính mà chúng ta sẽ xem xét trong bài viết này, cũng chiếm một cách hợp pháp một trong những vị trí trung tâm trong số các kim loại được sử dụng trong kỹ thuật cơ khí hiện đại, luyện kim màu, công cụ và sản xuất hóa chất. Kim loại tạo thành bốn oxit với oxi, thể hiện hóa trị 2, 3, 4 và 5. 5mà chúng ta sẽ nghiên cứu chi tiết hơn.
Gặp vanadium
Trong khoa học hóa học, có mộtQuy tắc nêu rõ đặc điểm của một nguyên tố hóa học phải bắt đầu bằng vị trí của nó trong hệ thống tuần hoàn D. I. Mendeleev. Công thức hóa học của vanadi như một chất đơn giản là V, số thứ tự là 23, khối lượng nguyên tử là 50, 9414. Nó nằm ở chu kỳ thứ tư, nhóm thứ năm và cùng với niobi và tantali, là đại diện tiêu biểu của kim loại chịu lửa. Mẫu chất nguyên chất là chất dẻo và có màu xám bạc. Nguyên tử vanadi là một nguyên tố d, nó có hai electron s ở mức năng lượng cuối cùng, tuy nhiên, những hạt âm nằm ở mức năng lượng d của cùng mức thứ tư cũng sẽ có hóa trị.
Kim loại được tìm thấy ở đâu và tính chất vật lý của nó là gì
Bản thân nguyên tố này không thể được tìm thấy ở dạng nguyên chất trong tự nhiên. Nhưng nó có mặt như một thành phần bắt buộc trong quặng đa kim và sắt. Trước đó chúng ta đã nói về tính dẻo và tính dễ uốn của một chất đơn giản, bây giờ chúng ta sẽ nói thêm rằng các tính chất vật lý quan trọng của vanadi là nhiệt độ sôi và điểm nóng chảy cao, tương ứng bằng 3400 ° C và 1920 ° C. Giống như titan, nó bị suy giảm nghiêm trọng các thông số vật lý và hóa học khi bị nhiễm các tạp chất như nitơ, hydro hoặc oxy. Đặc biệt, độ dẻo và độ bền cơ học của nó bị giảm, và vanadi trở nên giòn.
Tính chất hóa học đặc biệt
Kim loại có khả năng thụ động hóa, tức là có một khả năng độc đáo để chịu được tác động của môi trường hóa học mạnh: dung dịch axit, kiềm và muối, tạo thành một lớp màng bảo vệ trên bề mặt của nó -vanadi oxit. Mạng tinh thể của nguyên tố có cấu trúc lập phương. Cũng cần lưu ý rằng khả năng chống ăn mòn của thép có chứa nguyên tố là rất cao, điều này cho phép chúng được sử dụng làm dây buộc chịu lực cho các trụ đỡ cầu và giàn khoan dầu ngoài khơi. Không thể tưởng tượng việc sản xuất công cụ hiện đại mà không có thép chứa vanadi. Cùng với niobi, crom và titan, nguyên tố này được sử dụng để tạo ra các hợp kim đặc biệt được sử dụng trong khoa học tên lửa và công nghiệp vũ trụ. Tuy nhiên, axit nitrat và sunfat đậm đặc, dung dịch hydro florua trong nước và hỗn hợp axit clorua và nitrat, được gọi là nước cường toan, dễ dàng tương tác với kim loại. Nguyên tố vanadi là một chất đơn giản có thể phản ứng với clo, brom, lưu huỳnh và các muối tương ứng được tạo thành. Với oxy, nó tạo ra một số oxit khác nhau rất nhiều về tính chất hóa học của chúng. Hãy xem xét chúng thêm.
Oxit bazơ và lưỡng tính
Kim loại tạo thành hai oxit, VO và V2O3, thể hiện các tính chất cơ bản điển hình. Trong phòng thí nghiệm, monoxit được khai thác bằng phản ứng khử V2O5bột vanadi mịn. Oxit bazơ phản ứng với dung dịch axit tạo thành muối tương ứng. Và các hydroxit đã có sẵn có thể thu được từ chúng bằng cách thực hiện phản ứng trao đổi với kiềm. Vanadi (III) oxit được tìm thấy như một thành phần của khoáng karelianite, và thu được trong phòng thí nghiệm bằng cách nung nóng V2O5với lưu huỳnh, than đá hoặc hydro. Cả hai oxit bazơ đều có tính khử mạnh. Oxit VO2là một hợp chất lưỡng tính điển hình phản ứng với cả axit và kiềm. Trong dung dịch có pH nhỏ hơn 7, các ion vanadyl tích điện dương VO2 +được tìm thấy, làm cho dung dịch có màu xanh lam nhạt và các muối axit polyvanadic được tạo thành trong môi trường kiềm. Vanadi (IV) oxit hút nước, tức là là một chất hút ẩm, trong các phản ứng, nó hoạt động như một chất khử.
Vanadium hemipentoxide
Hợp chất có công thức là V2O5,là oxit kim loại quan trọng nhất. Nó là một chất tinh thể màu da cam tan trong nước, phản ứng với kiềm tạo thành vanadat - muối của axit metavanadic HVO3. Nó được sử dụng rộng rãi như một chất xúc tác trong quá trình oxy hóa lưu huỳnh đioxit thành anhydrit sunfuaric trong sản xuất axit sunfat trong công nghiệp. Vanadi pentoxit có mạng tinh thể hình thoi và các dấu hiệu của tính lưỡng tính với tính chất oxit axit chiếm ưu thế. Trong các phản ứng, nó hoạt động như một chất oxi hóa mạnh. Hợp chất này được sử dụng trong công nghệ thủy tinh, y học và tổng hợp hữu cơ.
Phương pháp chiết xuất vanadi từ các hợp chất của nó
Chúng tôi đã đề cập trước đó rằng kim loại này là một thành phần của quặng sắt. Trong sản xuất lò cao, nguyên tố cùng với các tạp chất của cacbon và phốt pho đi vào gang. Khi thép được nấu chảy, vanadi oxit 5 kết tủa trong thành phần của xỉ, nơi hàm lượng của nó có thể lên tới 16%. Thêm vào nómuối ăn và rang hỗn hợp trong lò, một sản phẩm thu được, sau đó được hòa tan trong nước. Dung dịch nước cô đặc thu được được xử lý bằng axit sunfat và V2O5được phân lập từ nó. Để tách vanadi tinh khiết khỏi oxit, bạn có thể sử dụng phương pháp nhiệt luyện - khử kim loại bằng cách sử dụng canxi kim loại. Để giảm chi phí công nghệ trong phản ứng với vanadi pentoxit, người ta thường sử dụng nhôm thay cho canxi. Kim loại này cũng có thể thu được bằng cách khử vanadi oxit hóa trị ba bằng than đá.
Vai trò sinh học
Vanadium có trong cơ thể sống như một nguyên tố vi lượng, là một phần của chất lỏng gian bào của động vật da gai biển. Ở loài holothurians và nhím biển, nó liên kết với các protein thực hiện chức năng vận chuyển oxy đến các tế bào và loại bỏ carbon dioxide. Hàm lượng của nguyên tố này là không đáng kể trong các sinh vật của động vật máu nóng và con người, nó có trong thành phần của các enzym tuyến tụy, trong tế bào thần kinh và nephron. Ở thực vật, nguyên tố vi lượng tham gia như một loại enzim trong pha tối của quá trình quang hợp và ảnh hưởng đến mức độ của sắc tố diệp lục nằm trong lục lạp. Nó cũng được tìm thấy trong vi khuẩn nốt sần, là chất cố định nitơ, trong các mô của nấm bậc cao. Là một phần của chernozem, cùng với các hợp chất của bo, đồng, kẽm và mangan, ôxít vanadi ảnh hưởng đến độ phì nhiêu của đất.
Trong bài viết của chúng tôi, chúng tôi đã nghiên cứu các tính chất cơ bản của vanadi và các oxit của nó, đồng thời cũng xem xét việc sử dụng các hợp chất của nó trongngành.
