Медленно, но верно мы продолжаем наше путешествие по периодической таблице Дмитрия Ивановича Менделеева. Элемент, который интересует нас сегодня, является переходным металлом. У него 23 протона. И, когда он не ионизирован, 23 электрона. Это гораздо менее известный и часто встречающийся металл, чем, например, титан. Хотя он также очень полезен для человечества. В природе ванадий представлен двумя изотопами. Один из них, 51V , стабилен. Его доля составляет 99,75 процента. Второй, 50V, нестабилен. Период его полураспада составляет 1,4⋅10^17 лет. Что значительно превышает возраст Вселенной. Всего известно 27 изотопов ванадия, период полураспада которых измеряется миллисекундами и меньше.
По распространённости в земной коре ванадий среди других химических элементов находится на 20 месте. Его содержание по массе не превышает 0,009%.
Как и многие другие элементы, которые мы обсуждали раньше, ванадий не встречается в природе в чистом виде. Его можно найти только в составе каких-нибудь горных пород.
Кто открыл ванадий?
Первооткрыватель ванадия – очаровательный персонаж, заслуживающий отдельной статьи. И он, что неожиданно, в данном случае не швед. Этим человеком был мексиканец испанского происхождения Андрес Мануэль Дель Рио.
В 1801 году Дель Рио анализировал образцы горных пород, добытых в одной из шахт, расположенных близ города Зимапан, штат Идальго, Мексика. И обнаружил что-то, что не соответствовало ни одному известному элементу. Хотя и напоминало соединения некоторых переходных металлов. В породах, которые изучал Дель Рио, был минерал, который мы знаем сегодня как ванадинит.
Дель Рио заметил, что у нового элемента есть интересная особенность: он образует большое количество различных соединений, и эти соединения имеют очень разнообразные и яркие цвета. Причина этого (хотя Дель Рио и не знал) заключается в том, что загадочный элемент чрезвычайно универсален: он способен действовать со степенями окисления +2, +3, +4 или +5. То есть отдавать два, три, четыре или пять электронов в зависимости от того, с кем он взаимодействует. Множество красивых цветов соединений вновь открытого элемента побудили учёного назвать его «панхромом». Но позже исследователь заметил, что при нагревании все эти соединения приобретали красноватый цвет. Поэтому он решил всё переиграть. И назвал элемент «эритроний». Что означает «красный» на греческом языке.
Через год немецкий исследователь и учёный Александр фон Гумбольдт проездом посетил Мексику. И Дель Рио передал ему образец соединения нового элемента. Фон Гумбольдт отправил его французскому химику Ипполиту Виктору Колле-Дескотилсу. Который пришел к выводу, что мексиканский испанец «открыл» давно всем известный металл – хром. То есть просто ошибся.
После вердикта Колле-Дескотилса фон Гумбольдт и остальная часть научного сообщества отвергла открытие эритрония. И официально постановила, что это ошибка. И Андрес Мануэль Дель Рио признал эту ошибку.
Этот эпизод был забыт почти три десятилетия.
Второе рождение
В 1830 году швед (ну слава Богу!) Нильс Габриэль Сефстрём изучал свойства стали. Его интересовал такой вопрос: как повысить её прочность путём легирования различными элементами. И тогда он нашёл один материал, который не соответствовал ни одному из известных на тот момент. Сефстрём для начала полностью убедился, что действительно открыл новый элемент. И он назвал его ванадием. В честь соседского мальчишки Ваньки (шутка). Конечно же в честь скандинавской богини Фрейи, одно из имён которой звучало как «Ванадис».
Немецкий химик Фридрих Вёлер, которому был всего один год, когда Дель Рио открыл эритроний, повторно проанализировал образец, прибывший в Европу из Мексики двадцать девятью годами ранее. И у него не осталось никаких сомнений: элемент, открытый Сефстрёмом, был тем же самым элементом, который дель Рио идентифицировал в 1801 году!
Да, образец мексиканца действительно содержал хром, как указал Колле-Дескотилс. Но в нём содержался также и ванадий. Дель Рио был прав! Мало того, мексиканец смог узнать об этом, так как был еще жив в то время (он умер в 1849 году).
К сожалению, именно название ванадий закрепилось за обнаруженным элементом. Хотя на самом деле это был не такой уж и «новый» элемент. Американский геолог Джордж Уильям Фезерстонхау предложил назвать элемент «риониум», в честь Дель Рио. Однако это предложение не было принято. Что, конечно же, несправедливо.
Наука рассудила по-другому. Её апологеты заявили, что и Дель Рио, и Сефстрём смогли определить присутствие нового элемента в своих соединениях, но не сумели выделить чистый металлический ванадий.
Пришлось ждать еще три десятилетия, до 1867 года, пока англичанин сэр Генри Энфилд Роско не смог восстановить хлорид ванадия водородом, и таким образом получить чистый ванадий. Он имел серебристый цвет, как и практически все металлы.
Красивые породы
После того, как ванадий был идентифицирован, его стали обнаруживать в самых разных породах. И оказалось, что он присутствует в некоторых из них в немалом количестве. Хотя как правило его было в них всё же негусто.
Многие породы, содержащие ванадий, имеют красивые цвета, как в случае с ванадинитом. Это именно тот минерал, в котором дель Рио впервые обнаружил свой эритроний.
Большая часть ванадия, который производится в мире, извлекается из магнетита со следовыми количествами ванадия. Этот металл присутствует даже в угле и нефти. Годовое промышленное производство ванадия во всем мире составляет свыше 100 000 тонн. Интересно, что когда мы сжигаем нефть и уголь (на заводах, в автомобилях и т. д.), мы высвобождаем присутствующий в топливе ванадий. Общей массой 110 000 тонн в год! Что сравнимо с количеством металла, производимого в коммерческих целях.
Ванадий в чистом виде не очень полезен, потому что это довольно мягкий металл. И хотя он хорошо противостоит коррозии, из него нельзя построить ничего прочного. Мало того, он еще и достаточно дорог, учитывая его малую концентрацию практически во всех породах. Поэтому использовать ванадий вместо других более дешёвых и стойких металлов не имеет смысла. По сути, сегодня его применяют в двух фундаментальных случаях. О них мы поговорим чуть ниже.
Два основных применения ванадия
В начале 20 века было обнаружено, что небольшое количество ванадия в качестве добавки к стали делает её значительно более прочной. Металл часто добавляют в сталь в виде феррованадия (FeV), сплава железа и ванадия. Сталь такого типа используется для изготовления деталей двигателей, каких-то высокопрочных осей и т. д.
В кузове знаменитого Ford T содержалось довольно много ванадия. Что для тех времён было техническим достижением высокого уровня. Сегодня ванадий используется в сплаве с титаном, особенно в авиапромышленности. Около 85% мирового годового производства ванадия предназначено именно для включения его в различные сплавы, всегда в небольшом, но решающем количестве.
Феррованадий особенно полезен, потому что для его получения даже не нужно выделять ванадий. Большая его часть изготовляется из магнетита, и ванадий уже находится в нем вместе с железом. Поэтому феррованадий производится напрямую, без прохождения промежуточной и дорогостоящей стадии выделения металлического ванадия.
Когда нужен чистый ванадий, его обычно добывают другим и более сложным способом, чем тот, который использовал Роско. Для этого нагревают руду, содержащую ванадий, до высоких температур (около 850 °C) вместе с некоторыми солями, такими как хлорид натрия или карбонат натрия, чтобы они «крали» атомы ванадия из минерала. А затем эти соли восстанавливают кальцием, чтобы получить чистый металл.
Оставшиеся 15% ванадия тоже очень важны. Большая часть этого процента используется в виде пентаоксида диванадия – V₂O₅.
Дело в том, что в течение многих лет в качестве катализатора при производстве серной кислоты использовалась платина. Но как внезапно выяснилось, пентаоксид диванадия справляется с этим ничуть не хуже. А учитывая серьёзное значение серной кислоты в промышленности можно сказать, что ванадий тоже теперь имеет серьёзное промышленное значение.
Не исключено, что более перспективно именно второе применение ванадия – в качестве катализатора в виде соединения. Оно, возможно, станет для металла основным. Поскольку другие более-менее «редкие» металлы, например ниобий, через несколько лет могут превзойти его в качестве добавок к сталям.
И другие
Ванадий также используется для:
1 Производства электрохимических окислительно-восстановительных батарей. В основном они используются для хранения энергии в больших электросетях для поддержания их стабильности.
2 Порошкообразные сплавы ванадия используются в аддитивном производстве (3D-печати) для создания сложных деталей с уникальными свойствами.
3 Ванадиевые пигменты используются в производстве красок и пластиков для создания интенсивных жёлтых цветов.
4 Ванадийсодержащие препараты применяются для лечения различных заболеваний, таких как диабет, некоторые из них имеют противоопухолевые и противовоспалительные свойства.
5 Электроника. Ванадий используется при производстве различных электронных компонентов и полупроводников, таких как транзисторы, датчики, микрочипы и другие.
Опасность ванадия и гемованадин
Соединения ванадия, кстати, довольно опасны. Большинство токсикологических исследований предостерегают от воздействий высокой концентрации ванадиевой пыли или её оксидов, которые могут находиться в воздухе. Считается, что металл может оказывать неблагоприятное воздействие на дыхательную систему даже в небольших количествах.
Это, впрочем, не должно вызывать всеобщей паники. Проблемы возможны у тех людей, которые работает в местах, где могут содержаться пары оксида ванадия, ванадиевая пыль, возникающая при резке деталей, содержащих его, или при производстве стали. Но когда ванадий входит в состав какого-то стального металлического законченного изделия, например, он совершенно стабилен в нем. И нет никакой опасности при вождении автомобиля, при путешествии в самолёте или проживания в зданиях, построенных с использованием сталей, содержащих ванадий.
Удивительно, но ванадий используют для своей жизнедеятельности морские обитатели – асцидии. Немецкий химик Мартин Хенце обнаружил металл в крови этих животных в 1911 году. Наверняка Вы знакомы с гемоглобином, пигментом в нашей крови, придающим ей красный цвет и содержащим железо. Так вот. У некоторых асцидий в крови есть пигмент под названием гемованадин, который имеет зеленоватый цвет и содержит не железо, а ванадий. Гемованадин, в отличие от гемоглобина, не переносит кислород. Наука пока до конца не понимает, какова функция этого пигмента. И какую пользу он несёт для асцидий.
Учитывая не сильную распространённость ванадия в природе, очень любопытно, для чего именно он понадобился живым организмам.
Всем добра!
Интересуетесь металлами? Вы можете найти прекрасную книгу про металлы по этой ссылке.
«Реклама». ООО Яндекс, ИНН 7736207543