V Б топша элементтері. Ванадий оның қосылыстары, химиялық қасиеттері, қолданылуы.

Ванадий - элементтердің периодтық жүйесінің 5 топ элементі. 1801 жылы алғаш рет Мексика минерологы А.М. дель Рио ашқан, 1830 жылы швед химигі Н.Г.Сефстрем темір рудаларынан жаңа элемент алып, оны скандинавия мифологиясындағы сұлулық құдайы Ванадистің құрметіне ванадий деп атаған. 1869 жылы ағылшын химигі Г.Роско хлорлы ванадиді (VCL2) сутекпен әрекеттестіріп, таза 95%- дық ванадий бөліп алады. Ванадий – ашық сұр түсті металл. Қалыпты жағдайда химиялық активтігі өте нашар, ал жоғары температурада ұнтақ күйіндегі ванадий оттек, азот, хлор, күкірт т.б. элементтер мен оңай әрекеттеседі, болатқа қосқанда оның мықтылығы артады. Ол көбіне автомашиналар өндірісінде мотор, цилиндр, білік т.б. жасауға жұмсалады. Ванадийдің темірмен қоспасы – феррованадий түрінде өндіріледі. Өндірісте Ванадий қосылыстарының маңыздысы Ванадий ангидриті V2O5 –қызғылт түсті, суда, сілтілерде жақсы еритін қатты зат. Бұл күкірт қышқылын понтан әдісімен өндіргенде катализатор ретінде кең түрде пайдананылады. Ванадий Қазақстанда Тараз қаласының маңындағы Қаратауда бар. Ванадийдің басқа қосылыстары мұнайдан бензин алуда, спиртті тотықтырып, сірке қышқылын және резина, шыны, керамика бояу, сурет материалдарын өндіруде, медицинада қолданылады. Ванадий топшасына ванадий, ниобий және тантал кіреді. Скандий және титан топшасы сияқты ванадий топшасындағы металдар үлкен периодтардың жұп қатарларының элементтері.

Бұл қосымша (V-B) топтағы металдардың негізгі топтағы элементтермен ұқсастығы жоғарғы валентті қосылыстарында, бұлардың сыртқы қабатындағы электрон саны (1-2) болғандықтан металдық қасиеттері басым. Бұлардың төмен валентті қосылыстары негіздік қасиеті болады да, жоғары валентті қосылыстары, мысалы, оксидтері қышқылдық, өйткені оларға сәйкес қышқылдар және тұздар бар. Топ бойымен жоғарыдан төмен қарай, қышқылдықтан амфотерліге қарай өзгереді, демек металдық қасиет күшейеді.

Бұл үш металдың үшеуі де өте маңызды металл болғандықтан алу технологиясы қиын болғанымен, оларды бос жеке күйде алуға тырысады. Үшеуін де таза түрде алюминотермия жолымен алуға болады:

3Э2O5 + 10 Al=5Al2O3+6Э

алюминийдің орнына кальций, не магний алса тотықсыздану процесі жақсырақ өтеді.

Ванадий, ниобий және тантал жылтыраған сұр түсті металдар. Таза күйінде түрлі химиялық әрекеттерге берік, әсіресе ниобий мен тантал қышқылдарда да және олардың қоспаларында да ерімейді. Бұл металдардың атомдық және иондық радиустарына қарасақ ниобий мен танталдікі бірдей, ол әрине лантаноидтық жиырылудың салдары. Бұл металдардың физика-химтялық қасиеттері олардың таза болуына өте тәуелді. Айталық сутек, диоттек, азот, көміртек араласса, олардың беріктігін, иілгіштігін төмендетеді, қаттылығын өсіреді.

Ванадий, ниобий және тантал диоттек, галогендер, азот, көміртек, сутек және басқалармен реакцияласады. Бірақ бұлардың белсендігі – жоғары температурада ғана білінеді, өйткені мұндай жағдайда, бұларды пассивтендіріп тұрған, сыртын қаптаушы оксид қабыршағы бұзылады. Диоттекпен қыздырғанда реакцияласып оксид (Ме2О5) түзеді, кіші валентті оксидтері де (Ме2О4, Ме2О3, Ме2О2) белгілі.

Галогендермен де қыздырғанда реакцияласып VF5-түссіз кристалдық зат түзеді, Nb мен Ta ұшқыш галогенидтер түзеді. Галогенидтері гидролизденгіш:

NbCl5+4H2O→ H3NbO4+5HCl

Ванадий топшасы металдарымен сутек тікелей реакцияласпай, металдардың бойына көп мөлшерде сіңіп кетеді. Бірақ сутек осы сіңіп еруде көп жылу бөліп шығарады, демек ол химиялық қосылыс түзгендігінің белгісі. Азотпен 1000-1100ºС жоғары құрамы MeN типтес нитридтер түзіледі. Таза нитридті термиялық диссоциацияланған аммиак буында алуға болады:

V2O2+3H2+N2→2VN+2H2O+H2↑
2NH3

бұл нитридтер, қатты, балқуы қиын тұрақты қосылыстар Nb2N, NbN «патша сұйығында» да айрылмайды.

Ванадий, ниобий және тантал балқыған күйде көмірсутекпен тікелей әрекеттесуінен карбидтер түзіледі: V5C, V2C, V4C3 және VC, Nb2C, NbC, Ta2C, TaC. Карбидтер электр өткізгіш заттар, өздері басқа металдарда ериді.

Кремниймен де балқыған күйде реакцияласып, силицидтер MeSi2 түзеді. Бұлар қатты, балқуы қиынотқа берік заттар өндірісінде үлкен роль атқарады. Химиялық өте тұрақты заттар.

Борид, сульфид, фосфид қосылыстары да бар.

Сумен бұл металдар, қорғауыш қабыршағы болғандықтан реакцияласпайды.

Қышқылдарға қатынасына келсек, азот қышқылында ванадий тотығады.

3V+5HNO3→3HVO3+5NO↑+H2O

осы реакциямен қатар

V+3H2SO4→(VO)SO4+2SO2↑+3H2O

V+6HNO3→(VO2)NO3+5NO2↑+3H2O жүруі мүмкін.

Nb мен Ta «патша сұйығында», не HF HNO3-те ериді:

3Nb+5HNO3(HF) → 3HNbO3+5NO↑+H2O
Осымен қабат:

3Nb+5HNO3+21HF→3H2[NbF7]+ 5NO↑+10H2O

Ванадий «патша сұйығында» ериді:

3V+4HNO3+12HC→3VCl4+4NO↑+8H2O

Ванадий (IV) тетрахлориді – қызыл-қоңыр түсті полюссіз сұйықтық, сумен жартылай ванадий дихлоридіне дейін гидролизденеді.

Сілті ерітінділерімен V, Nb, Ta реакцияласпайды. Балқыған сілтілерде, бетіндегі оксид қабыршақтарда реакцияласу есебінен, металдар біртіндеп күйрейді:

Me2O5+2KOH→2KMeO3+H2O

Диоттек қатынасында былай реакцияласады:

4Me+5O2+12KOH→4K3[ЭO4]+6H2O

Қолданылуы

80 % всего производимого ванадия находит применение в сплавах, в основном для нержавеющих и инструментальных сталей.

Атомно-водородная энергетика

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

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.