Содержание :

Глава I. Ванадий

I.1. История открытия элемента

I.2. Характеристика элемента

I.3. Распространенность в природе

I.4. Химические свойства ванадия

I.5. Оксиды ванадия

I.6. Ванадиевые кислоты, основания и соли

I.7. Органические соединения ванадия

I.8. Потенциальная опасность для здоровья

I.9. Физиологическое значение

I.10. Области применения ванадия

Глава II. Характеристика элементов ниобия и

тантала

II.1. История открытия элементов

Глава III. Ниобий

III.1. Ниобий в свободном состоянии

III.2. Химические свойства ниобия

III.3. Оксиды ниобия, кислоты и их соли

III.4. Соединения ниобия

Глава IV. Тантал

IV.1. Тантал в свободном состоянии

IV.2. Химические свойства тантала

IV.3. Химия танталовых соединений

IV.4. Применение тантала и ниобия

Глава V. Нильсборий

Литература

Глава I. Ванадий

I.1 История открытия элемента

Ванадий назван в честь богини красоты древних скандинавов — легендарной Фреи Ванадис. Это имя элементу дал в 1831 г. Гавриил Сефстрем, профессор Горного института в Стокгольме, Он выделил элемент из шлака, получающегося при плавке руды в доменных печах. Работу Г. Сефстрем осуществил вместе со своим учеником Иоганном Якобом Берцелиусом.

Объективность требует сказать, что до Г. Сефстрема этот элемент уже был выделен, и даже не один, а два раза. В 1801 г. мексиканский минералог Андрес Мигуэль дель Рио обнаружил в бурой свинцовой руде не встречавшийся прежде элемент и назвал его «эритронием». Однако он усомнился в своих выводах и решил, что имеет дело с недавно открытым хромом, поэтому не обнародовал своей находки. Чуть раньше Г. Сефстрема к открытию этого элемента подошел Фридрих Вёлер, тот самый, с именем которого связывают первый в истории синтез органического вещества в лаборатории. Ф. Вёлер исследовал привезенные из Мексики руды (с которыми имел дело и Дель Рио) и обнаружил в них нечто необычное, но тут он некстати заболел, а когда возобновил работу и определил, что имеет дело с новым элементом, то было уже поздно — Г. Сефстрем к этому времени опубликовал известие о своем открытии. Таким образом, честь открытия ванадия оставалась за Г. Сефстремом.

Ф. Велер же, «прозевавший» ванадий, так написал другу о своей неудаче: «Я был настоящим ослом, проглядев новый элемент в бурой свинцовой руде, и прав был Берцелиус, когда он не без иронии смеялся над тем, как неудачно и слабо, без упорства, стучался я в дом богини Ванадис» .

Однако на самом деле Сефстрем выделил из шлака не чистый металл, а твердые и жаростойкие его соединения — карбиды ванадия. Он получил порошок черного цвета, а в чистом виде ванадий — ковкий металл светло серого цвета. Но это выяснилось лишь после 1667 г. (т. е. более тридцати лет спустя после открытия Г. Сефстрема), когда ванадий и его соединения как следует изучили Генри Энфильд Роско и Эдуард Горне. В 1869 г. Г. Роско удалось впервые получить ванадий 96-процентной чистоты. Металл оказался хрупким и твердым, но только, что несколькими строчками выше говорилось, что ванадий — ковкий, а не хрупкий. Противоречия здесь нет. По мере удаления оставшихся 4% примесей ванадий становится все более пластичным и ковким. Впервые чистый ванадий получен в 1927 г.

I.2. Характеристика элемента

Ванадий считают как бы связующим между элементами первой и побочной подгрупп V группы. Его химия напоминает химию подгруппы азота тем, что в степени окисления +5 ванадию соответствует кислота НVО3, гораздо более устойчивая, чем кислоты сурьмы и висмута — членов главной подгруппы. В то же время этот элемент образует простое вещество, которое, подобно другим членам побочной подгруппы, является типичным устойчивым тугоплавким металлом.

По количеству степеней окисления ванадий напоминает азот. Ни у кого из его аналогов (ни у ниобия, ни у тантала) нет такого количества степеней окисления, как у ванадия. Точно известны четыре его состояния: +2, +3, +4 и +5. У азота есть еще два других: +1 и -3. Относительно недавно появилось сообщение о том, что при содержании кислорода 14,5—15,5 % происходит образование σ-фазы, близкой по составу к V2O. Наличие степени окисления +4 и +1 подтверждается органическими производными ванадия. Что же касается соединений с водородом, когда формально степень окисления соответствует -3, то ванадий обладает способностью растворять водород и при этом образовывать с ним гидрид.

По стабильности валентные состояния ванадия неравноценны. В обычных условиях самым устойчивым со­стоянием будет +4. В это состояние он может быть пе­реведен из +3 даже молекулярным кислородом, а из +5 восстановлен мягкими восстановителями. На этом основана, кстати сказать, ванадатометрия -определение при помощи соединений ванадия присутствия, например, ионов Fe2+, Os4+, Mo+5.

I.3. Распространенность в природе

На его долю приходится пять из каждых ста тысяч атомов земной коры. Однако число богатых месторожде­ний невелико. Первое из них было обнаружено в 1902г. в Испании - ванадий сопутствовал свинцу. Исключитель­ной по своему содержанию является руда, добываемая на высоте 4700 м в Перу: она состоит из сульфида вана­дия – V2S5. При обжиге получается одновременно два нужных экономике продукта: оксид серы (IV), необходи­мый для получения серной кислоты, и ванадий - для оборонной промышленности. Ведь ванадий - стратеги­ческое сырье, без него не обходится производство спе­циальных сортов стали.

Всего известно бо­лее 65 минералов, включающих ванадий. Интересной особенностью распространения этого элемента является его содержание в ископаемых растительного происхож­дения: углях, нефти, горючих сланцах и др. Вода морей содержит 0,3 г ванадия на 1000 т, и некоторые обитатели морей (морские ежи, голотурии) включают его в состав своего организма.

Долгое время не получали чистый ванадий, а когда это произошло, то оказалось, что свойства даже 96% ванадия резко отличаются от свойств 100 %. Это ме­талл серебристо-серого цвета, ковкий и пластичный. При температуре, близкой к абсолютному нулю (4,3 К), обладает сверхпроводимостью. Однако даже небольшие примеси кислорода, азота или водорода делают металл твердым и хрупким, как бы переводя его из типичного металла в нетипичный. В таком изменении свойств есть своя логика: по мере того как он все более насыщает­ся кислородом и переходит от VO к V2O5, его металли­ческий характер меняется на неметаллический.

Процесс получения чистого ванадия довольно слож­ный. Сначала стремятся получить его оксид (V2O5 или V2O3) или галогенид (VС13 или VI3), а затем применяют либо металлотермию:

V2O5 + 5Ca = 5CaO+2V;

2VCl3 + 3Mg== 3MgCl2+2V,

либо восстановление углем в вакууме:

V2О3 + 3C = 3CO+2V,

либо термическую диссоциацию в вакууме на горячей проволоке:

2VI3 = 2V+3I2

Последним способом получают металл высокой чистоты.