Физиологическое значение. Суммируя различные источники, можно сказать, что ванадий - это микроэлемент, участвующий в регулировании углеводного обмена, сердечно-сосудистой деятельности в частности, уменьшает выработку холестерина. Ванадий участвует также в процессах формирования костей и зубов, роста и метаболизма жиров, а также стимулирует рост и репродукцию клеток, действуя при этом как противораковое средство. Ванадий вместе с цирконием, сопутствуя серебру, благотворно действует на функции паренхиматозных органов печень, селезенка, легкие, щитовидной и поджелудочной желез, гипофиза, половых органов, мышечной системы.
Хотя дефицит ванадия у человека - редкое явление, однако у подопытных животных нехватка ванадия приводит к ухудшению роста зубов, костей, хрящей и мускулов, а также ослаблению функции размножения.
Существуют также американские данные о том, что недостаток ванадия связан с развитием диабета. По крайней мере дефицит ванадия, наряду с недостатком хрома и цинка, является одним из важнейших индикаторов симптомов диабета.
Депонируется ванадий в основном в костных и жировых тканях. Уровень суточной потребности организма человека в ванадии не установлен, но по экспертным оценкам составляет около 2 мг в день. I.10. Области применения ванадия Этот элемент получил вполне заслуженно название витамин для стали. Половина легированных сталей всего мирового производства содержит добавки ванадия. Именно на это в виде феррованадия идет 95 от общего добываемого количества этого металла.
Сплав, содержащий ванадий, становится тверже, выдерживает значительные динамические нагрузки и меньше истирается. Ванадий обладает высоким сродством к азоту, кислороду и углероду. Соединяясь с малыми их количествами, он значительно повышает качество стали, делает ее мелкозернистой и более вязкой. Она легче переносит удар и изгиб, лучше противостоит разрыву. Легкость ванадия передается сплавам, и они становятся особенно ценными там, где масса играет решающую роль в авиации и автомобилестроении.
Другая основная область его применения - химическая промышленность. Ванадиевые катализаторы сочетают способность ускорять получение весьма ценных продуктов со стойкостью к большинству контактных ядов. Такие катализаторы сыграли решающую роль по усовершенствованию технологии получения серной кислоты и увеличению мощности установок. Другие важные процессы, где используются соединения ванадия производства анилина, щавелевой кислоты, переработка нафталина и др. Одна массовая часть катализирует превращение 200 тыс. массовых частей соли анилина в краситель - черный анилин.
Из других областей использования ванадия можно указать медицину, где некоторые соединения ванадия применяют как дезинфицирующие и лечебные препараты, а также производство сплавов с алюминием, медью и никелем. Такие сплавы, содержащие добавки ванадия от 0,5 до 20 , улучшают качество бронз и латуней, придают химическую стойкость никелевым сплавам, а золоту сообщают не свойственную ему твердость. Глава II. Характеристика элементов ниобия и тантала По размеру, как атомов, так и ионов ниобий и тантал близки друг к другу, поэтому их свойства как элементов целесообразно рассмотреть одновременно.
Одинаковые объемы атомов объясняются тем, что член VI периода - тантал следует в этом периоде почти сразу же за лантаноидами, у которых происходит заполнение электронами не внешнего, а третьего снаружи слоя. Это приводит к так называемому лантаноидному сжатию - увеличивающееся количество внутренних отрицательно заряженных электронов сильнее притягивается положительно заряженным ядром.
Вследствие этого радиус атома с увеличением порядкового номера элемента не только не увеличивается, но даже несколько уменьшается. По сравнению со свойствами ванадия характер элементов сдвигается заметно в сторону усиления металлических качеств. Степени окисления меняют свой характер и устойчивость. Низшие положительные степени окисления нестабильны, поэтому их соединения малочисленны и плохо изучены.
Отличие от ванадия состоит и в том, что их единственным стабильным состоянием является не 4 как у V , а . .5. Причем характер соединений в этом случае для ниобия и тантала несколько различается например, по кислотным свойствам оксидов. Разница в химических свойствах ниобия и тантала основывается на различной структуре электронных оболочек их атомов. На внешнем слое у ниобия один электрон, а у тантала - два Nb 4d45 s1 Та 5 d3 6 s2 Следовательно, у ниобия наблюдается отклонение от обычной последовательности заполнения электронами энергетических орбиталей.
Один из двух электронов, имевшихся на внешнем слое у идущего перед ниобием элемента циркония, переходит на 4d-орбиталь внутреннего второго снаружи слоя. Связь электронов с ядром в ячейках 4d4 и 5s1 примерно одинакова разница составляет всего около 7 эВ. К тому же расположение электронов позволяет им иметь одинаково направленные спины. Эти особенности облегчают атому ниобия возможность использования всех своих пяти валентных электронов при химических реакциях.
Тантал находится в 5d-группе переходных металлов. Структура его атома такова, что в ней сохраняется два электрона на внешнем уровне. При химических взаимодействиях нужно затратить энергию, чтобы произошел переход одного из двух электронов с 6s2-орбитали на р- или d-орбиталь соответственно внешнего или предвнешнего энергетического слоя. Необходимостью дополнительной энергии и объясняется химическая инертность тантала по сравнению с ниобием. Ниобий и в виде металла химически более активен, и его высший оксид обладает более выраженными кислотными свойствами, чем оксид тантала.
В водных растворах ионы ниобия сравнительно легче восстанавливаются, тогда как у тантала все эти качества обнаруживаются в меньшей степени. В исследованиях по химии этих двух элементов указывается на существование состояний окисления 5, 4, 3, 2 и даже 1. Однако во всех работах отмечается, что соединения ниобия и тантала низших степеней окисления образуются с. трудом и не имеют большого значения в практическом использовании элементов.
II.1. История открытия элементов Элементы, образующие в семействе V группы свою ветвь, похожи друг на друга не только по своим свойствам, но и родственники по названиям ванадии, ниобий, тантал. Во-первых, наименования всех трех относятся к области мифологии. Во-вторых, в названиях указана прямая родственная связь в древнегреческой мифологии Ниобея является дочерью Тантала. Имя ниобий дал элементу немецкий химик Генрих Розе. Тем самым подчеркивалось сходство нового как был уверен Г. Розе элемента с уже известным к 1844 г. танталом.
Как оказалось впоследствии, это было второе рождение элемента, первое произошло в 1801 г. Английский ученый Чарлз Хатчет изучал черный минерал, присланный из недавно образовавшихся Соединенных Штатов Америки. Работая с этим минералом, он выделил оксид неизвестного прежде элемента. Элемент Хатчет назвал колумбием, подчеркивая его заокеанское происхождение. Черный минерал получил название колумбит. Через год в 1802 г. шведский химик Андерс Густав Экеберг обнаружил в одной из финляндских руд новый химический элемент.
А. Экеберг не знал об открытии Ч. Хатчета и поэтому новому элементу дал наименование тантал, а руда стала называться танталитом. Сходство тантал и колумбия и их соединений между собой было так велико с точки зрения тогдашних химиков, что свыше сорока лет подавляющее большинство химиков считало Колумбии и тантал-один и тот же элемент.
За этим элементом прочно закрепилось название тантал. Поводом к такому названию послужило необычное для металлического оксида свойство он не способен насыщаться - образовывать соли с кислотами. Как известно, мифологический герой Тантал был осужден богами на вечный голод и жажду. Муки его усугублялись видом все время ускользающих от его уст водяных струй и сочных плодов. Сильно меняющаяся от образца к образцу плотность оксида тантала заставила предположить присутствие в ней какого-то другого элемента, очень похожего на тантал, а потому трудно отделимого от него. Поэтому, когда в 1844 г. Г. Розе исследовал образцы колумбита, найденные в Баварии, он вновь столкнулся с оксидами не одного, а сразу двух металлов.
Поскольку считалось, что Колумбии и тантал - это один элемент, то Розе счел возможным дать название элементу, образующему второй оксид. Подчеркивая сходство, он назвал этот второй элемент, входящий в минерал, ниобием, по имени Ниобеи, дочери легендарного Тантала.
Впрочем, как Г. Розе, так и Ч. Хатчет не сумели получить ниобий в свободном состоянии. Металлическнй ниобий был впервые получен лишь в 1866 г. шведским ученым Бломстрадом при восстановлении хлорида ниобия водородом. Приключения же с названием элемента ниобия кончились лишь в 1950 г. До этого в разных странах его называли по-разному. Если металл колумбии как его назвали в Америке попадал из США в Англию, то он продолжал называться колумбием. Если металл попадал в другие страны, то становился ниобием.
Конец этой разноголосице положил Международный союз по теоретической и прикладной химии IUPAC . Было решено, узаконить повсюду название элемента ниобий, а за основным минералом состава Fе, Мn Nb, Та 2О6 закрепить название колумбит Глава III. Ниобий Ниобий - это химический элемент XX в. в прямом и переносном смысле. Хотя как элемент его открыли в самом начале XIX в. 1801 г но как металл был получен лишь век спустя 1907 г а сейчас без него не может обойтись техника двадцатого столетия.
Получение коррозионноустойчивых и сверхжаропрочных сталей, конструирование аппаратуры для атомных реакторов, ракетная и космическая техника - вот далеко не полный перечень отраслей современной Промышленности, которые не могут обходиться без этого металла. В свободном виде ниобий в природе не встречается, а в минералах почти всегда находится с танталом. Ниобиево-танталовых минералов сейчас насчитывается более семидесяти. Основные-это колумбит-танталит Fe, Мn Та, Мn 2O6, в нем 85 - высших оксидов ниобия и тантала лопарит Na, Се, Са, Sr Nb, Ti O3 содержит 8-10 ниобия Nb, Та 2 O5 в пирохлор Na, Ca 2 Nb, Ti 2 O6 F, ОН входит до 65 оксида ниобия V . III.1. Ниобий в свободном состоянии Он настолько красив, что одно время пытались из него делать ювелирные изделия своим светло-серым цветом ниобий напоминает платину.
Несмотря на высокие температуры плавления 2500 С и кипения 4840 C , из него легко можно сделать любое изделие. Металл настолько пластичен, что его можно обрабатывать на холоду.
Очень важно, что ниобий сохраняет свои механические свойства при высоких температурах. Правда, как и в случае ванадия, даже небольшие примеси водорода, азота, углерода и кислорода сильно уменьшают пластичность и повышают твердость. Ниобий становится хрупким при температуре от - 100 до - 200 С. Получение ниобия в сверхчистом и компактном виде стало возможным с привлечением техники последних лет. Весь технологический процесс сложен и трудоемок. В принципе он делится на 4 этапа 1 получение концентрата феррониобия или ферротанталониобия 2 вскрытие концентрата - перевод ниобия и тантала в какие-либо нерастворимые соединения, чтобы отделить от основной массы концентрата 3 разделение ниобия и тантала и получение их индивидуальных соединений 4 получение и рафинирование металлов.
Первые два этапа довольно просты и обычны, хотя и трудоемки. Степень разделения ниобия и тантала определяется третьим этапом. Стремление получить как можно больше ниобия и особенно тантала заставило изыскать новейшие методы разделения избирательной экстракции, ионного обмена, ректификации соединений этих элементов с галогенами.
В результате получают либо оксид, либо пятихлориды тантала и ниобия в отдельности. На последнем этапе применяют восстановление углем сажей в токе водорода при 1800 С, а затем температуру повышают до 1900 С и понижают давление. Получившийся при взаимодействии с углем карбид вступает в реакцию с Nb2O5 2Nb2O5 5NbC 9Nb 5CO3, и появляется порошок ниобия.
Если в результате отделения ниобия от тантала получен не оксид, а соль, то ее обрабатывают металлическим натрием при 1000 С и также получают порошкообразный ниобий. Поэтому при дальнейшем превращении порошка в компактный монолит проводят переплавку в дуговой печи, а для получения монокристаллов особо чистого ниобия используют электроннолучевую и зонную плавку. III.2.