Ванадий и его характеристики
Общая характеристика ванадия
Соединения ванадия широко распространены в природе, но они очень распылены и не образуют сколько-нибудь значительных скоплений; общее содержание ванадия в земной коре оценивается в 0,0015% (масс.).
Чистый ванадий – серебристый металл (рис. 1) ковкий металл, плотностью 5,96 г/см 3, плавящийся при температуре 1900oС. Как и у титана, механические свойства ванадия резко ухудшаются при наличии в нем примесей кислорода, азота, водорода.
Рис. 1. Ванадий. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса ванадия
Относительной молекулярная масса вещества (Mr) – это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (Ar) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии кальций существует в виде одноатомных молекул V, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 50,9962.
Изотопы ванадия
Известно, что в природе ванадий может находиться в виде единственного стабильного изотопа 51V. Массовое число равно 51, ядро атома содержит двадцать три протона и двадцать восемь нейтронов.
Существуют искусственные изотопы ванадия с массовыми числами от 40-ка до 65-ти, среди которых наиболее стабильным является 50V с периодом полураспада равным 1,5×1017 лет, а также пять ядерных изотопов.
Ионы ванадия
На внешнем энергетическом уровне атома ванадия имеется пять электронов, которые являются валентными:
1s22s22p63s23p63d24s2.
В результате химического взаимодействия ванадий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Vo -2e → V2+;
Vo -3e → V3+;
Vo -4e → V4+;
Vo -5e → V5+.
Молекула и атом ванадия
В свободном состоянии ванадий существует в виде одноатомных молекул V. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу ванадия:
|
Энергия ионизации атома, эВ |
6,74 |
|
Относительная электроотрицательность |
1,63 |
|
Радиус атома, нм |
0,134 |
Сплавы ванадия
Ванадий в основном используют в качестве добавки к сталям. Сталь, содержащая всего 0,1 – 0,3% ванадия отличается большой прочностью, упругостью и нечувствительностью к толчкам и ударам, что особенно важно, например, для автомобильных осей, которые все время подвергаются сотрясению. Как правило, ванадий вводят в сталь в комбинации с другими легирующими элементами: хромом, никелем, вольфрамом, молибденом.
Примеры решения задач
| Задание | Подберите коэффициенты в схемах следующих окислительно-восстановительных реакций. Укажите, как изменяется степень окисления ванадия.
V + HNO3 = V2O5 + NO2 + H2O; V2O5 + HCl = VOCl2 + Cl2 + H2O. |
| Ответ | Подбирая коэффициенты для уравнения химических реакций, следует помнить о том, что количество атомов каждого из элементов правой части должно равняться количеству атомов элементов из левой части. Таким образом уравнения принимают следующий вид:
2V + 10HNO3 = V2O5 + 10NO2 + 5H2O; V2O5 + 6HCl = 2VOCl2 + Cl2 + 3H2O. В первой реакции степень окисления ванадия изменяется с 0 до +5. Во втором – с +5 до +4. |
| Задание | Напишите формулы всех известных оксидов ванадия. Покажите, как изменяются кислотно-основные свойства этих оксидов с ростом степени окисления ванадия. |
| Ответ | Известны оксиды ванадия (II) (VO), III (V2O3), IV (VO2) и V (V2O5).
Для оксида ванадия (II) характерно проявление сильных основных свойств, в реакции он выступает в роли сильного восстановителя: 3VO = V2O3 + V. Оксид ванадия (III) проявляет основные свойства и также является восстановителем: Оксид ванадия (IV) проявляет амфотерные свойства в ОВР практически не участвует. Оксид ванадия (V) проявляет амфотерные свойства с преобладанием кислотных, в реакциях является сильным окислителем: V2O5 + 6HCl = 2VOCl2 + Cl2 + 3H2O. |
