Биология на ванадия
Ванадийът е представен в няколко стъпки. На първо място, ванадиевият (V) оксид трябва да бъде получен от различни изходни материали. След това това може да бъде намалено до елементарен метал и почистено, ако е необходимо.
Възможни изходни материали, от които може да се извлече ванадий, са ванадиеви руди като карнотит или патронит, ванадий-съдържащи титаниево-магнетитови руди и нефт. Ванадиевите руди са били важни за производството в миналото, но вече не играят важна роля и са заменени главно от титаниево-магнетитови руди.
Ако железните руди, съдържащи ванадий, се редуцират до желязо в процеса на доменната пещ, първоначално ванадийът остава в чугуна. За да се преработи чугунът по-нататък в стомана, по време на процеса на рафиниране се вдухва кислород. Ванадийът отива в шлаката. Той съдържа до 25% ванадиев (V) оксид и е най-важният източник за извличане на метала. За да се получи чистият ванадиев (V) оксид, фино смлената шлака се изпича по оксидиращ начин, като се използват натриеви соли като натриев хлорид или натриев карбонат. В процеса се образува водоразтворим натриев метаванадат, който се отделя от останалата шлака чрез излугване. Полученият неразтворим амониев поливанадат се утаява от разтвора чрез добавяне на киселина и амониеви соли. Това може да се превърне във ванадиев (V) оксид чрез печене. Оксидът може да бъде получен и от други руди, съдържащи ванадий, по идентичен начин. Ванадийът може да бъде извлечен от петрола чрез образуване на емулсия с добавяне на вода и магнезиев нитрат. По-нататъшната обработка се извършва както при добива от железни руди. [13]
Реалното производство на ванадий се осъществява чрез намаляване на ванадиевия (V) оксид с други метали. Като редуциращи агенти могат да се използват алуминий, калций, феросилиций или въглерод; с последните обаче в реакцията се образуват карбиди, които трудно се отделят от метала.
За да се получи чист ванадий, като редуциращ агент се използва скъп калций или алуминий, тъй като по-евтиният феросилиций не може да постигне висока чистота. Докато чистият ванадий се получава директно с калций, ванадий-алуминиева сплав първоначално се образува с алуминий, от който чистият ванадий се получава чрез сублимация във вакуум.
Голяма част от ванадия обаче не се предлага като чист метал, а под формата на сплав желязо-ванадий Ферованадий, съдържащ най-малко 50% ванадий [13]. За да се получи това, не е необходимо предварително да се извлича чистият ванадий. Вместо това, съдържащият ванадий и желязо шлака се редуцира до ферованадий с феросилиций и вар. Тази сплав е достатъчна за повечето технически приложения.
Най-чистият ванадий може да бъде произведен или електрохимично, или по метода на Van-Arkel-de-Boer. За тази цел чистият ванадий се разтопява заедно с йод в празна стъклена ампула. Образуваният в нагрятата ампула ванадиев (III) йодид се разлага върху гореща волфрамова тел, образувайки ванадий и йод с висока чистота.
характеристики
Физически свойства
Ванадийът е немагнетичен, жилав, ковък и ясно стоманеносин тежък метал с плътност 6,11 g/cm 3. [13] Чистият ванадий е относително мек, но когато се добавят други елементи, той става по-твърд и след това има висока механична якост. По повечето си свойства той е подобен на съседа си в периодичната таблица - титан. Точката на топене на чистия ванадий е 1910 ° C, но това значително се увеличава от примеси като въглерод. Със съдържание на въглерод 10% е около 2700 ° C. [17] Ванадийът кристализира като хром или ниобий в телесно-центрирана кубична кристална структура с пространствената група $ Im \ barm $ и параметъра на решетката a = 302,4 pm, както и две формулни единици на единица клетка. [19]
Ванадийът става свръхпроводник под температура на преход от 5,13 К. [20] Подобно на чистия ванадий, ванадиевите сплави с галий, ниобий и цирконий са свръхпроводящи. При температури под 5,13 К, ванадийът, подобно на металите на ванадиевата група, ниобий и тантал, показва необяснена досега спонтанна електрическа поляризация в малки бучки до 200 атома, която иначе се проявява само от неметални вещества. [21] [22]
Химични свойства
Ванадийът е неблагороден метал и е в състояние да реагира с много неметали. Във въздуха остава лъскав метален в продължение на седмици. Когато се гледа за по-дълги периоди от време, се забелязва ясно видима зелена ръжда. За да се запази ванадий, той трябва да се съхранява под аргон. В горещината се атакува от кислород и се окислява до ванадиев (V) оксид. Докато въглеродът и азотът реагират с ванадий само когато той е с нажежаема жичка, реакцията с флуор и хлор протича в студа.
Ванадийът е устойчив предимно на киселини и основи при стайна температура поради тънък, пасивиращ оксиден слой; атакува се само от флуороводородна киселина и силно окисляващи киселини като гореща азотна киселина, концентрирана сярна киселина и акварегия.
Ванадийът е способен да абсорбира водород до температура от 500 ° C. Металът става крехък и може лесно да се напудри. Водородът може да бъде отстранен при 700 ° С във вакуум. [13]
Изотопи
Известни са общо 25 изотопа и още 6 ядра изомери на ванадия. [23] От тях две се срещат естествено. Това са изотопите 50 V с естествена честота 0,25% и 51 V с честота 99,75%. 50 V е слабо радиоактивен, с полуживот 1,5 · 10 17 години, той се разпада 83% с улавяне на електроните до 50 Ti, 17% с β - разпад до 50 Cr. [23] И двете ядра могат да се използват за изследвания с ЯМР спектроскопия.
Най-стабилните изкуствени изотопи са 48 V с полуживот 16 дни и 49 V с полуживот 330 дни. Те се използват като маркери. [17] Всички останали изотопи и изомери на сърцевината са много нестабилни и се разпадат за минути или секунди.
→ Списък на ванадиевите изотопи
използване
Само малък процент чист ванадий се използва като материал за облицовка на ядрени горива поради неговото малко напречно сечение за улавяне на неутрони. [24] Въпреки това могат да се използват и по-устойчиви ванадиеви сплави. Над 90% от продукцията се използва в различни сплави, най-вече с металите желязо, титан, никел, хром, алуминий или манган. Само малка част се използва в съединения, най-вече като ванадиев (V) оксид.
С 85% от произведения ванадий, най-голямата част се консумира в стоманодобивната промишленост. Тъй като това не изисква високи чистоти, ферованадий се използва като суровина. Дори в малки количества, ванадийът увеличава якостта и издръжливостта на стоманите и по този начин значително износоустойчивостта. Това се дължи на образуването на твърд ванадиев карбид. В зависимост от приложението се добавят различни количества ванадий. Конструкционните стомани и инструменталните стомани съдържат само малки количества (0,2 до 0,5%) ванадий, а високоскоростната стомана до 5%. [15] Стоманите, съдържащи ванадий, се използват главно за инструменти и пружини, които са подложени на механично напрежение. Стоманите, които освен желязо и ванадий съдържат кобалт, са магнитни.
Титановите сплави, които съдържат ванадий и най-вече алуминий, са особено стабилни и устойчиви на топлина и се използват в самолетостроенето за носещи части и лопатки на турбини на самолетни двигатели. [13]
Ванадий се използва като основен електролит в един вид така наречена редокс поточна клетка; пример за такова приложение е ванадиевият редокс акумулатор.
доказателство
Предварителна проба се осигурява от гранули с фосфорна сол, при които ванадийът изглежда характерно зелен в редукционния пламък. Окислителният пламък е бледожълт и следователно твърде неспецифичен. [25]
Качествените доказателства за ванадий се основават на образуването на пероксованадиеви йони. За целта киселинен разтвор, съдържащ ванадий в +5 степен на окисление, се смесва с малко водороден прекис. Образува се червеникаво-кафявият [V (O2)] 3+ катион. Това реагира с по-големи количества водороден пероксид, за да образува бледожълтата пероксованатова киселина H3 [VO2 (O2) 2]. [25]
Ванадийът може да бъде количествено определен чрез титруване. За тази цел разтвор на сярна киселина, съдържащ ванадий, се окислява с калиев перманганат до петивалентен ванадий и след това се титрува обратно с разтвор на железен (II) сулфат и дифениламин като индикатор. Възможно е също така намаляване на петнавалентния ванадий, присъстващ с железен (II) сулфат, до степента на четиривалентно окисление и последващо потенциометрично титруване с разтвор на калиев перманганат. [13]
В съвременната аналитика ванадий може да бъде открит чрез няколко метода. Това са например атомно-абсорбционна спектрометрия при 318,5 nm и спектрофотометрия с N-бензоил-N-фенилхидроксиламин като цветен реагент при 546 nm. [15]
Биологично значение
Ванадиевите съединения имат различни биологични значения. Характерно за ванадия е, че се среща както анионно като ванадат, така и катионно като VO2 +, VO 2+ или V 3+. Ванадатите са много сходни с фосфатите и съответно имат сходни ефекти. Тъй като ванадатът се свързва по-силно с подходящи ензими от фосфата, той е в състояние да блокира и по този начин да контролира ензимите на фосфорилиране. Това се отнася например до натриево-калиевата-ATPase, която контролира транспорта на натрий и калий в клетките. Това запушване може бързо да се отстрани с десфериоксамин В, който образува стабилен комплекс с ванадат. [14] Ванадийът също влияе върху усвояването на глюкозата. Той е в състояние да стимулира гликолизата в черния дроб и да инхибира конкурентния процес на глюконеогенеза. Това води до намаляване на нивото на глюкозата в кръвта. [15] Следователно се изследва дали ванадиевите съединения са подходящи за лечение на захарен диабет тип 2. Все още обаче не са намерени ясни резултати. [26] В допълнение, ванадий също стимулира окисляването на фосфолипидите и потиска синтеза на холестерол чрез инхибиране на сквален синтаза, микрозомална ензимна система в черния дроб. Следователно, дефицитът причинява повишени нива на холестерол и триглицериди в кръвната плазма. [27]
Ванадийът играе роля при фотосинтезата в растенията. Той е в състояние да катализира реакцията, за да образува 5-аминолевулинова киселина без ензим. Това е важен предшественик на образуването на хлорофил. [14]
В някои организми има ванадий-съдържащи ензими, така че някои видове бактерии имат ванадий-съдържащи нитрогенази за фиксиране на азот. Това са например видове от рода Азотобактер както и цианобактерията Anabaena variabilis. [14] Тези нитрогенази обаче не са толкова ефективни, колкото по-често срещаните молибденови нитрогенази и следователно се активират само когато има дефицит на молибден. [28] Други ванадий-съдържащи ензими могат да бъдат намерени в кафяви водорасли и лишеи. Те имат халопероксидази, съдържащи ванадий, с които изграждат хлорорганични, бромисти или йодни съединения.
Функцията на ванадия, който присъства в големи количества в морските пръски като металопротеин ванабин, все още не е известна. Първоначално се предполагаше, че ванадий, подобен на хемоглобина, служи като кислороден транспортер; обаче се установи, че това е погрешно. [28]
Опасности
Подобно на други метални прахове, ванадиевият прах е запалим. Доказано е, че ванадий и неговите неорганични съединения са канцерогенни при опити с животни. Следователно те са класифицирани в канцерогенна категория 2. [29] Ако ванадиевият прах се вдишва дълго време от работниците при топене на метал, може да възникне така наречения ванадизъм. Това признато професионално заболяване може да се прояви в дразнене на лигавиците, зелено-черно обезцветяване на езика, както и хронични бронхиални, белодробни и чревни заболявания. [15]
връзки
Ванадий може да присъства в съединения в различни степени на окисление. Често нивата са +5, +4, +3 и +2, по-рядко са +1, 0, −1 и −3. Най-важните и най-стабилните степени на окисление са +5 и +4.
Воден разтвор
Ванадийът може лесно да се превърне във различни степени на окисление във воден разтвор. Тъй като различните ванадиеви йони имат характерни цветове, настъпват цветови промени.
В кисел разтвор петивалентният ванадий образува безцветни VO2 + йони, които първоначално се редуцират до сини четиривалентни VO 2+ йони. Тривалентното ниво с V 3+ йони е зелено на цвят, най-ниското ниво, което може да се постигне във воден разтвор, двувалентният V 2+ йон е сиво-виолетов.
Кислородни съединения
Най-важното и най-стабилно ванадиево-кислородно съединение е ванадиевият (V) оксид V2O5. Това съединение с оранжев цвят се използва в големи количества като катализатор за производството на сярна киселина. Там той действа като кислороден носител и се редуцира до друг ванадиев оксид, ванадиев (IV) оксид VO2 по време на реакцията. Допълнително известни ванадиеви оксиди са ванадиев (III) оксид V2O3 и ванадиев (II) оксид VO.
В алкален разтвор ванадиевият (V) оксид образува ванадати, соли с аниона VO4 3−. За разлика от аналогичните фосфати обаче, ванадатният йон е най-стабилната форма; Водородът и дихидроген ванадатите, както и свободната ванадиева киселина са нестабилни и са известни само в разредени водни разтвори. Ако основните ванадатни разтвори се подкисляват, вместо водородни ванадати се образуват поливанадати, в които се натрупват до десет ванадатни единици. Ванадатите могат да бъдат намерени в различни минерали, примери за това са ванадинит, десклоицит и карнотит.
Халогенни съединения
Ванадийът образува голям брой съединения с халогените флуор, хлор, бром и йод. Известно е, че само едно съединение, ванадиев (V) флуорид, е в +5 степен на окисление. В окислителните състояния +4, +3 и +2 има съединения с всички халогени, само с йод са известни само съединения в състоянията +2 и +3. От тези халогениди обаче само хлоридите ванадиев (IV) хлорид и ванадиев (III) хлорид са технически значими. Освен всичко друго, те служат като катализатор за производството на етилен-пропилен-диенов каучук. [13]
Хлориди на ванадиев оксид
Ванадийът също така образува смесени соли с кислород и хлор, т.нар Хлориди на ванадиев оксид. Ванадиевият (III) оксихлорид, VOCl, е жълто-кафяв, водоразтворим прах. Ванадиевият (IV) оксихлорид, VOCl2, използван във фотографията и като текстилно петно, се състои от зелени, хигроскопични кристални таблетки, които се разтварят във вода със син цвят. И накрая, ванадиевият (V) оксихлорид, VOCl3 е жълта течност, която много лесно се хидролизира от водата. VOCl3 се използва като катализаторен компонент при полимеризация на етилен с ниско налягане. [30]
Повече ванадиеви съединения
В органичните ванадиеви съединения ванадийът достига най-ниските си степени на окисление 0, -I и -III. Тук особено важни са металоцените, така наречените ванадоцени. Те се използват като катализатори за полимеризация на алкини. [31]
Ванадиевият карбид VC се използва под формата на прах за плазмено пръскане или заваряване с плазмен прах, наред с други неща. [32] Освен това, ванадиев карбид се добавя към твърди метали, за да се намали растежа на зърната. [13] Произвеждат се така наречените металокерамики, които са особено твърди и устойчиви на износване.