Хімічний елемент ванадій

На початку XIX ст. в Швеції були знайдені нові багаті родовища залізної руди. Одна за одною споруджувалися доменні печі. Але що примітно: при однакових умовах деякі з них давали залізо дивовижною ковкості, в той час як з інших виходив більш крихкий метал. Після багатьох безуспішних спроб налагодити процес виплавки високоякісного металу в «поганих» домнах металурги звернулися за допомогою до хімікам, і в 1830 р Нільса Сефстрем вдалося виділити з шлаку «кращих» домен невідомий чорний порошок. Сефстрем зробив висновок, що дивну гнучкість металу надає присутність в руді якогось невідомого елемента, що міститься в чорному порошку.

Цей новий елемент Сефстрем назвав ванадієм на честь легендарної Ванадис - богині краси древніх скандинавів.

Відкриття нового елемента завжди було великою честю для вченого. Тому можна уявити собі прикрість мексиканського минералога Андреса Мануеля дель Ріо, який ще в 1801 р виявив в свинцевим руді ніколи не зустрічався раніше елемент і назвав його ЕРИТРОНУ. Але, засумнівавшись у власних висновках, дель Ріо відмовився від свого відкриття, вирішивши, що зустрівся з нещодавно відкритим хромом.

Ще більше розчарування спіткало блискучого німецького хіміка Фрідріха Велера. У ті ж роки, що і Сефстрем, йому довелося досліджувати залізні руди, привезені з Мексики Л. Гумбольдтом. Ті самі, що досліджував дель Ріо. Велер теж знайшов в них щось незвичайне, але його дослідження перервала хвороба. Коли він відновив роботу, було вже пізно - Сефстрем оприлюднив своє відкриття. Властивості нового елемента збігалися з тими, що були занесені в один з лабораторних журналів Велера.

І тільки в 1869 р через 39 років після відкриття Сефстрем а, елемент №23 вперше був виділений в досить чистому вигляді. Англійський хімік Г. Роско, діючи воднем на хлористий ванадій, отримав елементарний ванадій чистотою близько 96%.

У чистому вигляді ванадій - ковкий метал світло-сірого кольору. Він майже в півтора рази легше заліза, плавиться при температурі +1900 ± 25 ° C, а температура його кипіння 3400 ° C. При кімнатній температурі в сухому повітрі він досить пасивний хімічно, але при високих температурах легко з'єднується з киснем, азотом та іншими елементами.

У з'єднаннях ванадій проявляє чотири валентності. Відомі сполуки двох-, трьох-, чотирьох- і пятивалентного ванадію.

Ванадій і хімічна промисловість

Промисловість потребувала ванадии і його з'єднаннях, але руд, багатих цим елементом, було небагато. Інженери французької сталеливарної фірми «Крезо», мабуть, звернули увагу на те, що перші сполуки ванадію Сефстрем отримав не з руди, а з металургійних шлаків, і в 1882 р налагодили їх виробництво на тій же основі. Протягом 10 років завод «Крезо» щорічно викидав на світовий ринок за 60 т пятиокиси ванадію V2 O5. Однак незабаром попит на з'єднання ванадію для отримання чорного аніліну різко впав, і виробництво їх значно скоротилося.

Але на початку першої світової війни хімікам знову довелося звернутися до елементу №23. У ці роки борцям країнам потрібні були величезні кількості сірчаної кислоти. Адже без неї неможливо отримати нітроклітковини основу бойових порохів. Відомо, що сірчана кислота виходить окисленням сірчистого ангідриду SO2 сірчаний ангідрид SO3 з наступним приєднанням води. Однак SO2 безпосередньо з киснем реагує вкрай повільно. Окислення сірчистого ангідриду може відбуватися при відновленні двоокису азоту (на цій реакції заснований нітрозні спосіб виробництва сірчаної кислоти), але чистіша і концентрована кислота виходить, якщо реакцію окислення SO2 в SO3. проводити в присутності деяких твердих каталізаторів (контактний метод виробництва).

Першим каталізатором сірчанокислотного контактного виробництва була дорога платина. Її, звичайно, не вистачало, були потрібні замінники. Ними виявилися пятиокись ванадію V2 O5 і деякі солі ванадієвих кислот, наприклад Ag3 VO4. Вони майже з таким же успіхом, як і платина, прискорюють окислення SO2. в SO3. але обходяться значно дешевше, та й потрібно їх менше. І головне, вони не бояться контактних отрут, які виводять з ладу платинові каталізатори. Каталізатори на основі ванадію відіграють велику роль і в сучасній хімії. Їх як і раніше можна зустріти в більшості цехів по виробництву сірчаної кислоти, не обходяться без них і такі важливі процеси, як крекінг нафти, отримання оцтової кислоти шляхом окислення спирту багато інших.

Ванадій і сталь

Якщо хімічна промисловість потребує, перш за все, в з'єднаннях ванадію, то металургії необхідні сам метал і його сплави. Ванадій - один з головних легуючих елементів.

Повчальний, але, в общем-то, випадковий досвід шведських металургів з «поганими» і «хорошими» донами не став основною для широкого впровадження ванадію в металургію. Сталося це значно пізніше.

У 1905 р на зорі автомобілебудування, під час гонок в Англії одна з французьких машин розбилася вщент. Один з уламків двигуна цієї машини потрапив в руки Генрі Форда. присутнього на змаганнях. Уламок здивував майбутнього «автомобільного короля»: метал, з якого він був виготовлений, поєднував виняткову твердість з в'язкістю і легкістю. Незабаром лабораторія Форда встановила, що цей метал - сталь з добавками ванадію.

Не зважаючи на витрати, Форд організував дослідження. Після кількох невдач з його лабораторії вийшла ванадиевая сталь необхідної якості. Вона відразу дала можливість полегшити автомобілі, зробити нові машини міцніше, поліпшити їх ходові якості. Знизивши ціни на автомобілі завдяки економії металу, Форд зміг залучити масу покупців. Це дало йому привід сказати: «Якби не було ванадію, то не було б і мого автомобіля».

Однак ще за 10 років до того, як Форд дізнався про існування ванадієвої сталі, французькі інженери виплавляли її і отримували високоякісні броньовані плити. З цієї стали були зроблені і перші гармати, встановлені на літаках.

Стали, що містять ванадій, не втратили свого значення і понині. Елемент №23 надає стали такі якості як міцність, легкість, стійкість до впливу високих температур, гнучкість. Чим пояснити такий широкий діапазон корисних властивостей? Відповісти на це питання допомагає сам ванадій. Він - один з «відвертих» металів. Як це розуміти?

Відомо, що найкращу прокаліваемость стали надає молібден, найбільшу в'язкість сталь набуває від введення нікелю, а її магнітні властивості посилюються присутністю кобальту. Далеко не завжди можна точно сказати, чому та чи інша легирующая добавка надає стали певні якості. А ось про причини поліпшення властивостей стали ванадієм багато відомо досить повно і достовірно.

Давно встановлено, що розплавлена ​​сталь поглинає багато газів, перш за все кисню та азоту. Коли метал остигає, гази залишаються в злитках у вигляді найдрібніших бульбашок. При куванні бульбашки витягуються в нитки (волосовини) і міцність злитка в різних напрямках стає неоднаковою. Ванадій, введений в сталь, активно реагує з киснем і азотом, продукти цих реакцій спливають на поверхню металу рідким шлаком, який видаляється в процесі плавки. Тим самим підвищується міцність виливків, що залишився ванадій раніше інших елементів взаємодіє з розчиненим у стали вуглецем, утворюючи тверді і жаростійкі з'єднання - карбіди. Карбіди ванадію погано розчиняються в залозі і нерівномірно розподіляються в ньому, перешкоджаючи утворенню великих кристалів. Сталь виходить дрібнозернистим, твердої і куванням. Структура ванадієвої сталі зберігається і при високих температурах. Тому різці з неї менше схильні до деформацій в процесі обробки деталі на великих швидкостях, а штампи незамінні для гарячого штампування. Дрібнокристалічна структура обумовлює також високу ударну в'язкість і велику міцність від утоми ванадієвої сталі. Практично важливо ще одне її якість - стійкість до стирання. Це якість можна наочно проілюструвати таким прикладом: за тисячу годин роботи стінки циліндрів дизель-моторів, виготовлених з вуглецевої сталі, зношуються на 0,35. 0,40 мм, а стінки циліндрів з ванадієвої сталі, які працювали в тих же умовах, - лише на 0,1 мм.

«Вавілов» та інші.

Але не тільки сталь ушляхетнюється ванадієм. Властивості інших металів також поліпшуються при введенні в них елемента №23. Варто додати 3% ванадію в алюміній, як цей метал стає дуже твердим. «Вавілов» - так називається цей сплав - добре протистоїть руйнівній дії вологого повітря і солоної води.

З подібного ж сплаву (але з 2% ванадію) виготовляють духові музичні інструменти. Добре відомий сплав міді з 8% ванадію. Він використовується як вихідна сировина для отримання сплавів міді з іншими металами. Бронзи і латуні, що містять 0,5% ванадію, не поступаються за механічними властивостями стали і тому йдуть на виготовлення відповідальних вузлів і деталей складного профілю. Хімічна стійкість сплаву нікелю з 18. 20% ванадію порівнянна з інертністю благородних металів, тому з нього роблять лабораторний посуд. Добавки ванадію в золото надають останньому невластиву йому твердість. Останнім часом досить багато ванадію йде в сплави на основі титану.

Сплави ванадію легше розчиняються в металах, ніж чистий ванадій, і плавляться при більш низькій температурі. Ці дві особливості використовуються в чорній металургії: для легування чавуну і сталі зазвичай застосовують феррованадий - сплав ванадію із залізом.

І тільки в розплавленому сріблі ванадій розчиняється.

У земній корі ванадію набагато більше, ніж хрому, нікелю, свинцю, цинку і навіть міді. Однак мінерали, багаті елементом №23, зустрічаються рідко. З'єднання ванадію розсіюються в земній корі водою; вони більш розчинні, ніж природні сполуки інших металів, розташованих в правій половині менделєєвської таблиці, і переміщаються в гірських породах на значні відстані. Ванадій накопичується в деяких рудах і інших металів - свинцю, міді, цинку, урану, а також в вугіллі, нафті, сланцях. Один з німецьких заводів, наприклад, отримував від спалювання венесуельської нафти золу, яка містила до 10% ванадію. Деякий час зола з топок, спалювали цю нафту, була вихідною сировиною для отримання ванадію.

Соціалістичні країни мають у своєму розпорядженні власні запаси цього цінного металу і повністю забезпечують їм свою промисловість.

ВУкаіни ванадій вперше був знайдений в Ферганській долині біля перевалу Тюя-Муюн (в перекладі з киргизького - Верблюжий горб). З цих руд «Ферганська суспільство з видобутку рідкісних металів» извлекало в невеликих кількостях сполуки ванадію і урану і продавало їх за кордон. Більшу ж частину цінних компонентів руди, в тому числі радій, використовувати не вміли. Тільки після встановлення Радянської влади багатства Тюя-Муюн стали використовуватися комплексно.

Пізніше ванадій виявили в керченських залізних рудах, і було налагоджено виробництво вітчизняного феррованадия. Найбагатшими джерелами ванадію виявилися уральські титаномагнетиту. Разом з керченської рудою вони звільнили нашу промисловість від необхідності ввезення ванадію з-за кордону. У 1927 р ванадій був виявлений в Сулейман-Сае, близько нинішнього м Джамбула. В наші дні постачальниками ванадію стали також родовища центрального Казахстану, Киргизії, Горловкаого краю, Мелітопольської області. В горі Качканар на Уралі укладено 8 млрд т залізної руди, і розробка її почалася лише в 60-і роки. Руда ця біднішими, і. цінніше руд всесвітньо відомих залізних гір - Високої і Благодаті, тому що з надр Качканара видобувається не тільки залізо, але і ванадій.

Ванадій і життя

Ще в минулому столітті ванадии був вперше виявлений в складі деяких рослин, після чого присутність елемента №23 в вугіллі, торфі і сланцях перестало здаватися дивним. Один з рослинних «збирачів» ванадію добре знайомий кожному - це отруйний гриб бліда поганка.

В Аргентині проводилися досліди з введенням сполук ванадію в їжу биків і свиней. При цьому у тварин поліпшувався апетит, і вони швидко додавали у вазі. Відомо також, що цвіль «чорний аспергіл» розвивається нормально тільки в присутності солей ванадію. Всі факти говорять про те, що ванадій грає певну роль в життєвих процесах, але яку саме - це ще належить уточнити.

Втім, навіть металургам, які в пізнанні елемента №23 пішли далі вчених інших спеціальностей, належить дізнатися про ванадии ще багато. А хімікам, особливо тим, які вивчають механізм каталітичної дії різних речовин, - ще більше.

Багато залізні руди нашої країни містять від 0,1 до 0,65% ванадію.

При доменній плавці він майже повністю переходить в чавун. В процесі перетворення чавуну в сталь велика частина ванадію переходить в шлак, який використовується для виробництва феррованадия.

Феррованадий зазвичай містить не менше 35% V.

Нікчемні добавки ванадію підвищують пружність і міцність стали приблизно на 50%. Багато сучасні марки пружинних сталей містять до 0,25% ванадію.

Механічні властивості чистого ванадію вивчені далеко не повністю через складність отримання ванадію високої чистоти. Однак відомо, що домішки надають на властивості ванадію дуже сильний вплив. 96% -ний ванадій, вперше отриманий Г. Роско понад 100 років тому, крихкий і твердий. У міру подальшого очищення ванадій стає все більш пластичним і ковким. Вперше ковкий ванадій був отриманий лише в 1927 р Особливо сильно погіршують механічні властивості ванадію домішки водню, кисню та азоту.

Відомий німецький хімік Юстус Лібіх, як Фрідріх Велер, «прогледів» відкриття нового елемента - брому. Слава першовідкривача в цьому випадку дісталася маловідомому до того французькому вченому Антуану Баларом. Розсерджений Лібіх не втримався від їдкого зауваження, що ні Балар відкрив бром, а бром відкрив Балара. Велер ж, «прогавив» ванадій, був більш об'єктивним і нікого, крім себе, в цьому не звинувачував. «Я був справжнім ослом, - писав він своєму другові - прогледівши новий елемент в бурої свинцевим руді, і мав рацію Берцеліус, коли він не без іронії сміявся над тим, як невдало і слабо, без завзятості, стукав я в будинок богині Ванадис».