Что такое Ванадий — описание химического элемента, свойства, характеристики, применение

Утвердительный ответ на вопрос о том, ванадий это металл или неметалл, дал Менделеев, включив элемент в V группу при создании своей периодической таблицы. Ванадий — это металл, обладающий привлекательной серо-серебристой окраской. Оригинальное название он получил в честь богини любви Ванадис, почитаемой древними скандинавами.

Примечательно, что открытие данного элемента состоялось дважды. Но в первом случае мексиканскому ученому А. Мануэлю не удалось убедительно доказать свое открытие. Поэтому право первооткрывателя досталось шведу Н. Сефстрему.

Свойства ванадия

Химический элемент ванадий имеет символ обозначения V (vanadium). Температура плавления ванадия составляет 1920 градусов, поэтому его относят к категории тугоплавких металлов. Металл устойчив к деформации ползучести до достижения температуры в 675 градусов. Это свойство определяет пятиокись ванадия, которая формируется на поверхности в процессе окисления. Прочная связь поверхностной пленки с материалом сохраняется до указанного температурного уровня.

• Кристаллическая структура элемента представляет собой объемно-центрированную кубическую решетку. Плотность ванадия составляет 6,11 г/см3.
• Ванадиум обладает высокой твердостью, при этом он прекрасно поддается ковке и механической обработке под давлением.
• Ванадий считается достаточно распространенным элементом, но при этом он не имеет сгруппированных залежей или минералов. По этой причине его относят к категории рассеянных металлов. Обнаружить ванадий несложно в его сульфидах (ванадите, патроните) и в других породах.

Характеристика ванадия

Ванадий представляет собой достаточно простое вещество с большим запасом химических и физических свойств. Он устойчив к воздействию воды, щелочей и кислот.

В перечень физических характеристик неизменно включают:

• твердость, пластичность и хорошую ковкость;
• серо-серебристый оттенок, близкий к стали;
• заметное снижение показателя пластичности при добавлении компонентов (N, O, H) с параллельным увеличением хрупкости и твердости.
• Металл становится хрупким при нагреве до температуры в 300 градусов.
• С химической точки зрения ванадий характеризуют как инертный элемент, устойчивый к обработке соляной и серной кислотой. По своим коррозионным свойствам металл опережает титан и различные марки стали.
• Ванадий активно реагирует на галоген, образуя в итоге летучий галогенид. Обработка кислородом позволяет получить разные по цвету оксиды.
• При добавлении в сталь ванадий повышает ее эластичность и упругость, а в комплекте с иными элементами увеличивает ползучесть.
• Ванадий, цена за грамм которого ниже, чем у металлов со схожими характеристиками, имеет один недостаток. Он отсутствует в природе в чистом виде.

Соединения ванадия

Электронная формула ванадия обуславливает степень его окисления, которая колеблется в пределах от +2 до +5. Самым ценным из окислов металла является пятиокись ванадия, которая востребована при изготовлении литиевых аккумуляторов. В виде порошка ярко-оранжевого цвета соединение выполняет роль анода.

Другие соединения ванадия применяются в виде:

• сульфидов;
• фторидов;
• хлоридов.

В промышленном производстве востребованы окислы ванадия.

Добыча ванадия

К основным источникам ванадия относят:

• земную кору;
• различные минералы, содержащие этот элемент в качестве примеси;
• металлы и различную руду (уголь, нефть, свинец, уран, цинк, медь, сланец).

Чаще всего данный элемент встречается в металлах и различных видах руды. До 10% ванадия содержится в золе, полученной при сжигании нефти.

Месторождения руды, которую используют для добычи ванадия, обнаружены в Перу (патронит), Чили, Америке, Аргентине, Мексике, Австралии, России, Казахстане, Киргизстане.

Получение ванадия

В перечень основных источников, на которых основано производство ванадия, входят три разновидности ископаемых:

• железная;
• титаномагнетитовая;
• медно-свинцово-цинковая руда.

При переработке уранового сырья и горючих сланцев ванадий является побочным продуктом.

В современном производстве используют несколько технологий получения металла, точнее, его окислов.

1. Первый вариант предполагает воздействие на ископаемую руду водных растворов или кислот. Перед началом выщелачивания руду подвергают отжигу. Последним шагом обработки служит отделение гидратированного оксида из рабочего раствора путем гидролиза.
2. Другая технология производства предполагает плавку железной (или другой, содержащей ванадий) руды в доменных печах. На первом этапе ванадий переходит в полученный в результате плавления исходного сырья чугун. Последующий этап переработки чугуна в сталь сопровождается формированием шлаков, содержание в которых пентоксида ванадия может достигать 16%. Шлаки обжигают, смешав их предварительно с поваренной солью. Затем этот переходный продукт подвергают поэтапному выщелачиванию при помощи водного раствора и разбавленной серной кислоты.

Конечный продукт V 205 применяют для получения сплавов ванадия с железом или металлического ванадия. Для феррованадия характерен большой разброс по процентному содержанию ванадия.

Производство чистого металла

Конечный продукт при производстве ванадия без примесей может иметь вид порошка или слитков (кусков).

Ванадий в виде металлического порошка выпускают методом электролитического рафинирования. Сырьём в этом производстве выступает алюминотермический ванадий. Конечный продукт в зависимости от степени его чистоты разделяют на три марки:

• Вэл-1 (чистотой 99,9%);
• Вэл-2 (99,7%);
• Вэл-3 (99,5%).

Технология изготовления кускового металла требует применения особых электроннолучевых печей. Установка для выплавки слитков снабжена пушками двух типов: термоэлектронными и ВТР-устройствами. Рабочий процесс основан на методе капельной выплавки в кристаллизатор, которых непрерывно охлаждается при помощи воды. Кристаллизатор размещен вертикально, а для его изготовления применяется медь.

Технические требования к кускам чистого ванадия регламентированы ТУ 48-4-272-73. Слитки должны иметь форму цилиндров, их масса ограничена пределами от 8 до 80 кг. Длина колеблется от 20 до 80 см, а диаметр может быть 80, 100, 120 и 150 мм.

в зависимости от наличия сторонних примесей различают три марки кускового ванадия:

• ВнМ-0 (максимальная чистота 99,99%);
• ВнМ-1 (99,9%);
• ВнМ-2 (99,5%).

Ванадий в виде проката

Современные технологии позволяют получить ванадий в виде проката, а именно:

• листом;
• прутком;
• проволокой;
• трубчатым профилем.

Основным регламентирующим производство прокатного ванадия документом служит ТУ 48-4-373-76. В основе маркировки по чистоте лежит тот же принцип деления на три сорта, что применяется для слитков.

Листы ванадия могут иметь разную ширину и толщину, края их закруглены на основании требований безопасности. С учетом конечного назначения прокатной продукции листы нередко снабжают защитным покрытием для повышения стойкости к агрессивному воздействию внешней среды.

Применение ванадия

Металл активно применяют в самых разных отраслях промышленности. Однако, наиболее востребован он в химической отрасли и металлургии.

Если проанализировать потребности различных промышленных отраслей в процентном соотношении, то основным потребителем металла станет металлургическая промышленность. На нее приходится около 875 от мирового объема потребления ванадия. Из них 7% расходуются в сфере выпуска цветных металлов и их сплавов, а остальной металл применяется в черной металлургии.

Чаще всего данный материал используют для легирования при литье высококачественных сталей конструкционного назначения. Это позволяет повысить эксплуатационные показатели стали (эластичность, прочность, ударную вязкость, твердость). На сегодняшний день именно ванадий служит самым лучшим и востребованным легирующим компонентом.

Ванадий необходим и для улучшения качества инструментальной и нержавеющей стали. Материал с высоким содержанием ванадия предназначен для производства велосипедных рам, различных осей, коленчатых валов, рабочих органов погружных буровых установок.

Автомобильная промышленность нуждается в ванадии для изготовления деталей, подвергающихся сильной эксплуатационной нагрузке. Ярким примером служат поршни в двигателях внутреннего сгорания. Ванадий добавляют в сталь, из которой они изготовлены.

• Из ванадия делают стандартные изделия, которые находят свое применение в самых разных сферах производства (проволоку, лист, пруток, трубку, порошок).
• Металл добавляют в сплавы на основе титана, которые предназначены для изготовления зубных имплантов, производства корпусных элементов самолетов, деталей реактивных двигателей.
• Для выпуска специальных строгальных ножей, к прочности которых предъявляют особые требования, используется сплав ванадия с хромом.

В качестве катализатора ванадий востребован в различных химических реакциях. Пентоксид ванадия используют в литиевых аккумуляторах и мощных батареях, при производстве концентрированной серной кислоты, малеинового ангидрида. Последний служит базовым компонентом практически во всех химических производствах.

• Диоксид ванадия необходим для создания стеклянных покрытий, способных блокировать в определенных условиях инфракрасные лучи.
• В чистом виде металл требуется в атомной промышленности. Из него производят трубы и оболочку для тепловыделяющих компонентов. Кроме того, ванадий в чистом виде необходим для изготовления различных электронных приборов.
• Хлорид ванадия участвует в термохимическом разложении воды в сфере атомно-водородной энергетики.

Заметно расширить сферу использования ванадия в промышленности позволили исследования ученого-химика Н. Зинина. Опробованный ученым процесс синтеза анилина из нитробензола открыл новые горизонты в сфере изготовления искусственных красителей. Соединения ванадия в этой отрасли особенно популярны благодаря разнообразию их ярких оттенков. В итоге ванадий начали использовать при выпуске цветного стекла, керамики, различных красок.

Применение ванадия в качестве красителя эффективно с экономической точки зрения. Небольшого количества пятиокиси металла хватает для производства 220 000 порций красителя путем преобразования анилиновой бесцветной соли. Благодаря этой технологии возможно получение тканей глубокого и близкого к натуральному цвета индиго.

В начале прошлого века на фоне подготовки в первой мировой войне возросла потребность в производстве серной кислоты как исходного сырья для пороха. В этом плане ванадий (его пятиокись) вытеснил за счет своей низкой стоимости платину, которую прежде использовали в качестве основного катализатора. Кроме того, для запуска реакции ванадия требуется заметно меньше, чем платины.

• Современные технологии позволили расширить сферу использования ванадия. Его применяют как катализатор при крекинге нефти, изготовлении уксусной кислоты, во многих других химических производствах.
• Ванадий востребован в сельском хозяйстве в качестве активной добавки к ядохимикатам и некоторым микроудобрениям.
• Полезно знать, что металл востребован и в бытовой сфере. Примером служит гаечный ключ с меткой хром/ванадий. Эти марки стали используют для изготовления режущего и иного инструмента для металлообработки.

Спрос на ванадий

Стоимость ванадия на мировом рынке определяет Китай, лидирующий по производству данного металла. С учетом потребности мирового производства в этом виде металла, его стоимость непрерывно растет.

• Цена за килограмм определяется видом конечной продукции. К самым дорогим позициям относят полосу и проволоку, а замыкает список пятиокись ванадия.
• При сортировке металлического лома в чистом виде ванадий обнаружить невозможно. Но следует знать, что он входит в состав сталей, имеющих в маркировке «Ф».
• Кроме того, ванадий входит в состав различных отходов, деталей и узлов, при производстве которых использованы сплавы и различные соединения на базе металла.