Populyarnaya biblioteka himicheskih elementov<< Titan | Oglavlenie | Hrom >>
Vanadii
Izdatel'stvo "Nauka", 1977
Elektronnaya versiya: "Nauka i Tehnika", 2002
V nachale XIXv. v Shvecii byli naideny novye bogatye mestorozhdeniya zheleznoi rudy. Odna za drugoi sooruzhalis' domennye pechi. No chto primechatel'no: pri odinakovyh usloviyah nekotorye iz nih davali zhelezo udivitel'noi kovkosti, v to vremya kak iz drugih poluchalsya bolee hrupkii metall. Posle mnogih bezuspeshnyh popytok naladit' process vyplavki vysokokachestvennogo metalla v "plohih" domnah metallurgi obratilis' za pomosh'yu k himikam, i v 1830 g. Nil'su Sefstremu udalos' vydelit' iz shlaka "luchshih" domen neizvestnyi chernyi poroshok. Sefstrem sdelal vyvod, chto izumitel'nuyu kovkost' metallu pridaet prisutstvie v rude kakogo-to neizvestnogo elementa, soderzhashegosya v chernom poroshke.
Etot novyi element Sefstrem nazval vanadiem v chest' legendarnoi Vanadis - bogini krasoty drevnih skandinavov.
Otkrytie novogo elementa vsegda bylo bol'shoi chest'yu dlya uchenogo. Poetomu mozhno predstavit' sebe ogorchenie meksikanskogo mineraloga Andresa Manuelya del' Rio, kotoryi eshe v 1801 g. obnaruzhil v svincovoi rude nikogda ne vstrechavshiisya prezhde element i nazval ego eritroniem. No, usomnivshis' v sobstvennyh vyvodah, del' Rio otkazalsya ot svoego otkrytiya, reshiv, chto vstretilsya s nedavno otkrytym hromom.
Eshe bol'shee razocharovanie postiglo blestyashego nemeckogo himika Fridriha Velera. V te zhe gody, chto i Sefstremu, emu dovelos' issledovat' zheleznye rudy, privezennye iz Meksiki L.Gumbol'dtom. Te samye, chto issledoval del' Rio. Veler tozhe nashel v nih chto-to neobychnoe, no ego issledovaniya prervala bolezn'. Kogda on vozobnovil rabotu, bylo uzhe pozdno - Sefstrem obnarodoval svoe otkrytie. Svoistva novogo elementa sovpadali s temi, chto byli zaneseny v odin iz laboratornyh zhurnalov Velera.
I tol'ko v 1869 g., spustya 39 let posle otkrytiya Sefstrem a, element N 23 vpervye byl vydelen v otnositel'no chistom vide. Angliiskii himik G.Rosko, deistvuya vodorodom na hloristyi vanadii, poluchil elementarnyi vanadii chistotoi okolo 96%.
V chistom vide vanadii - kovkii metall svetlo-serogo cveta. On pochti v poltora raza legche zheleza, plavitsya pri temperature 1900
25oC, a temperatura ego kipeniya 3400oC. Pri komnatnoi temperature v suhom vozduhe on dovol'no passiven himicheski, no pri vysokih temperaturah legko soedinyaetsya s kislorodom, azotom i drugimi elementami.
V soedineniyah vanadii proyavlyaet chetyre valentnosti. Izvestny soedineniya dvuh-, treh-, chetyreh- i pyativalentnogo vanadiya.
Vanadii i himicheskaya promyshlennost'
V osnovnuyu himicheskuyu promyshlennost' vanadii prishel ne srazu. Ego sluzhba chelovechestvu nachalas' v proizvodstve cvetnogo stekla, krasok i keramiki. Izdeliya iz farfora i produkciyu goncharnyh masterov s pomosh'yu soedinenii vanadiya pokryvali zolotistoi glazur'yu, a steklo okrashivali solyami vanadiya v goluboi ili zelenyi cvet. V krasil'nom dele vanadii poyavilsya vskore posle opublikovaniya v 1842 g. soobsheniya vydayushegosya russkogo himika N.N.Zinina o poluchenii im anilina iz nitrobenzola. Reakciya Zinina otkryvala novye vozmozhnosti dlya razvitiya proizvodstva sinteticheskih krasitelei. Soedineniya vanadiya nashli primenenie v etoi otrasli himii i prinesli ei znachitel'nuyu pol'zu. Ved' dostatochno vsego odnoi vesovoi chasti V2O5, chtoby perevesti 200tys. vesovyh chastei bescvetnoi soli anilina v krasyashee veshestvo - chernyi anilin. Stol' zhe effektivnym okazalos' primenenie soedinenii vanadiya v indigovom krashenii. Tak element N 23 prishel v sitcepechatanie, v proizvodstvo cvetnyh hlopchatobumazhnyh i shelkovyh tkanei.
Promyshlennost' nuzhdalas' v vanadii i ego soedineniyah, no rud, bogatyh etim elementom, bylo nemnogo. Inzhenery francuzskoi staleliteinoi firmy "Krezo", vidimo, obratili vnimanie na to, chto pervye soedineniya vanadiya Sefstrem poluchil ne iz rudy, a iz metallurgicheskih shlakov, i v 1882 g. naladili ih proizvodstvo na toi zhe osnove. Na protyazhenii 10 let zavod "Krezo" ezhegodno vybrasyval na mirovoi rynok po 60t pyatiokisi vanadiya V2O5. Odnako vskore spros na soedineniya vanadiya dlya polucheniya chernogo anilina rezko upal, i proizvodstvo ih znachitel'no sokratilos'.
No v nachale pervoi mirovoi voiny himikam vnov' prishlos' obratit'sya k elementu N 23. V eti gody srazhayushimsya stranam potrebovalis' gromadnye kolichestva sernoi kisloty. Ved' bez nee nevozmozhno poluchit' nitrokletchatku osnovu boevyh porohov. Izvestno, chto sernaya kislota poluchaetsya okisleniem sernistogo angidrida SO2 sernyi angidrid SO3 s posleduyushim prisoedineniem vody. Odnako SO2 neposredstvenno s kislorodom reagiruet kraine medlenno. Okislenie sernistogo angidrida mozhet proishodit' pri vosstanovlenii dvuokisi azota (na etoi reakcii osnovan nitroznyi sposob proizvodstva sernoi kisloty), no bolee chistaya i koncentrirovannaya kislota poluchaetsya, esli reakciyu okisleniya SO2 v SO3, provodit' v prisutstvii nekotoryh tverdyh katalizatorov (kontaktnyi metod proizvodstva).
Pervym katalizatorom sernokislotnogo kontaktnogo proizvodstva byla dorogostoyashaya platina. Ee, estestvenno, ne hvatalo, trebovalis' zameniteli. Imi okazalis' pyatiokis' vanadiya V2O5 i nekotorye soli vanadievyh kislot, naprimer Ag3VO4. Oni pochti s takim zhe uspehom, kak i platina, uskoryayut okislenie SO2, v SO3, no obhodyatsya znachitel'no deshevle, da i trebuetsya ih men'she. I glavnoe, oni ne boyatsya kontaktnyh yadov, vyvodyashih iz stroya platinovye katalizatory.
Katalizatory na osnove vanadiya igrayut bol'shuyu rol' i v sovremennoi himii. Ih po-prezhnemu mozhno vstretit' v bol'shinstve cehov po proizvodstvu sernoi kisloty, ne obhodyatsya bez nih i takie vazhnye processy, kak kreking nefti, poluchenie uksusnoi kisloty putem okisleniya spirta mnogie drugie.
Vanadii i stal'
Esli himicheskaya promyshlennost' nuzhdaetsya, prezhde vsego, v soedineniyah vanadiya, to metallurgii neobhodimy sam metall i ego splavy. Vanadii - odin iz glavnyh legiruyushih elementov.
Pouchitel'nyi, no, v obshem-to, sluchainyi opyt shvedskih metallurgov s "plohimi" i "horoshimi" donami ne stal osnovnoi dlya shirokogo vnedreniya vanadiya v metallurgiyu. Proizoshlo eto znachitel'no pozzhe.
V 1905 g., na zare avtomobilestroeniya, vo vremya gonok v Anglii odna iz francuzskih mashin razbilas' vdrebezgi. Odin iz oblomkov dvigatelya etoi mashiny popal v ruki Genri Forda, prisutstvovavshego na sostyazaniyah. Oblomok udivil budushego "avtomobil'nogo korolya": metall, iz kotorogo on byl izgotovlen, sochetal isklyuchitel'nuyu tverdost' s vyazkost'yu i legkost'yu. Vskore laboratoriya Forda ustanovila, chto etot metall - stal' s dobavkami vanadiya.
Ne schitayas' s zatratami, Ford organizoval issledovaniya. Posle neskol'kih neudach iz ego laboratorii vyshla vanadievaya stal' neobhodimogo kachestva. Ona srazu dala vozmozhnost' oblegchit' avtomobili, sdelat' novye mashiny prochnee, uluchshit' ih hodovye kachestva. Sniziv ceny na avtomobili blagodarya ekonomii metalla, Ford smog privlech' massu pokupatelei. Eto dalo emu povod skazat': "Esli by ne bylo vanadiya, to ne bylo by i moego avtomobilya".
Odnako eshe za 10 let do togo, kak Ford uznal o sushestvovanii vanadievoi stali, francuzskie inzhenery vyplavlyali ee i poluchali vysokokachestvennye bronevye plity. Iz etoi stali byli sdelany i pervye pushki, ustanovlennye na samoletah.
Neobhodimost' bronevoi zashity dlya pehoty i artilleriiskih raschetov stala osobenno ochevidnoi v hode pervoi mirovoi voiny, kogda prishlos' stolknut'sya s orudiinym i pulemetno-ruzheinym ognem nevidannoi prezhde intensivnosti. Pervonachal'no dlya izgotovleniya kasok i shitov orudii primenyali stal' s bol'shim soderzhaniem kremniya i nikelya, no ispytaniya na poligone pokazali ee neprigodnost'. Stal', soderzhashaya vsego 0,2% vanadiya, okazalas' bolee prochnoi i vyazkoi. K tomu zhe ona byla legche. Hromovanadievaya stal' eshe prochnee. Ona horosho soprotivlyaetsya udaru i istiraniyu. Krome togo, ona obladaet dostatochno vysokoi ustalostnoi prochnost'yu. Poetomu so stali shiroko primenyat' v voennoi tehnike: dlya izgotovleniya kolenchatyh valov korabel'nyh dvigatelei, otdel'nyh detalei torped, aviamotorov, broneboinyh snaryadov.
Stali, soderzhashie vanadii, ne utratili svoego znacheniya i ponyne. Element N 23 pridaet stali takie kachestva kak prochnost', legkost', ustoichivost' k vozdeistviyu vysokih temperatur, gibkost'. Chem ob'yasnit' stol' shirokii diapazon poleznyh svoistv? Otvetit' na etot vopros pomogaet sam vanadii. On - odin iz "otkrovennyh" metallov. Kak eto ponimat'?
Izvestno, chto nailuchshuyu prokalivaemost' stali pridaet molibden, naibol'shuyu vyazkost' stal' priobretaet ot vvedeniya nikelya, a ee magnitnye svoistva usilivayutsya prisutstviem kobal'ta. Daleko ne vsegda mozhno tochno skazat', pochemu ta ili inaya legiruyushaya dobavka pridaet stali opredelennye kachestva. A vot o prichinah uluchsheniya svoistv stali vanadiem mnogoe izvestno dostatochno polno i dostoverno.
Davno ustanovleno, chto rasplavlennaya stal' pogloshaet mnogo gazov, prezhde vsego kisloroda i azota. Kogda metall ostyvaet, gazy ostayutsya v slitkah v vide mel'chaishih puzyr'kov. Pri kovke puzyr'ki vytyagivayutsya v niti (volosoviny) i prochnost' slitka v raznyh napravleniyah stanovitsya neodinakovoi. Vanadii, vvedennyi v stal', aktivno reagiruet s kislorodom i azotom, produkty etih reakcii vsplyvayut na poverhnost' metalla zhidkim shlakom, kotoryi udalyaetsya v processe plavki. Tem samym povyshaetsya prochnost' otlivok, ostavshiisya vanadii ran'she drugih elementov vzaimodeistvuet s rastvorennym v stali uglerodom, obrazuya tverdye i zharostoikie soedineniya - karbidy. Karbidy vanadiya ploho rastvoryayutsya v zheleze i neravnomerno raspredelyayutsya v nem, prepyatstvuya obrazovaniyu krupnyh kristallov. Stal' poluchaetsya melkozernistoi, tverdoi i kovkoi. Struktura vanadievoi stali sohranyaetsya i pri vysokih temperaturah. Poetomu rezcy iz nee men'she podverzheny deformaciyam v processe obrabotki detali na bol'shih skorostyah, a shtampy nezamenimy dlya goryachei shtampovki. Melkokristallicheskaya struktura obuslovlivaet takzhe vysokuyu udarnuyu vyazkost' i bol'shuyu ustalostnuyu prochnost' vanadievoi stali. Prakticheski vazhno eshe odno ee kachestvo - ustoichivost' k istiraniyu. Eto kachestvo mozhno naglyadno proillyustrirovat' takim primerom: za tysyachu chasov raboty stenki cilindrov dizel'-motorov, izgotovlennyh iz uglerodistoi stali, iznashivayutsya na 0,35...0,40mm, a stenki cilindrov iz vanadievoi stali, rabotavshih v teh zhe usloviyah, - lish' na 0,1mm.
"Vaviliom" i drugie...
No ne tol'ko stal' oblagorazhivaetsya vanadiem. Svoistva drugih metallov takzhe uluchshayutsya pri vvedenii v nih elementa N 23. Stoit dobavit' 3% vanadiya v alyuminii, kak etot metall stanovitsya ochen' tverdym. "Vaviliom" - tak nazyvaetsya etot splav - horosho protivostoit razrushayushemu deistviyu vlazhnogo vozduha i solenoi vody.
Iz podobnogo zhe splava (no s 2% vanadiya) izgotovlyayut duhovye muzykal'nye instrumenty. Horosho izvesten splav medi s 8% vanadiya. On ispol'zuetsya kak ishodnoe syr'e dlya polucheniya splavov medi s drugimi metallami. Bronzy i latuni, soderzhashie 0,5% vanadiya, ne ustupayut po mehanicheskim svoistvam stali i poetomu idut na izgotovlenie otvetstvennyh uzlov i detalei slozhnogo profilya. Himicheskaya stoikost' splava nikelya s 18...20% vanadiya soizmerima s inertnost'yu blagorodnyh metallov, poetomu iz nego delayut laboratornuyu posudu. Dobavki vanadiya v zoloto pridayut poslednemu nesvoistvennuyu emu tverdost'. V poslednee vremya dovol'no mnogo vanadiya idet v splavy na osnove titana.
Splavy vanadiya legche rastvoryayutsya v metallah, chem chistyi vanadii, i plavyatsya pri bolee nizkoi temperature. Eti dve osobennosti ispol'zuyutsya v chernoi metallurgii: dlya legirovaniya chuguna i stali obychno primenyayut ferrovanadii - splav vanadiya s zhelezom.
I tol'ko v rasplavlennom serebre vanadii ne rastvoryaetsya.
Dobycha vanadiya
V zemnoi kore vanadiya namnogo bol'she, chem hroma, nikelya, svinca, cinka i dazhe medi. Odnako mineraly, bogatye elementom N 23, vstrechayutsya redko. Soedineniya vanadiya rasseivayutsya v zemnoi kore vodoi; oni bolee rastvorimy, chem prirodnye soedineniya drugih metallov, raspolozhennyh v pravoi polovine mendeleevskoi tablicy, i peremeshayutsya v gornyh porodah na znachitel'nye rasstoyaniya. Vanadii nakaplivaetsya v nekotoryh rudah i drugih metallov - svinca, medi, cinka, urana, a takzhe v ugle, nefti, slancah. Odin iz nemeckih zavodov, naprimer, poluchal ot szhiganiya venesuel'skoi nefti zolu, kotoraya soderzhala do 10% vanadiya. Nekotoroe vremya zola iz topok, szhigavshih etu neft', byla ishodnym syr'em dlya polucheniya vanadiya.
V 1902 g. v Ispanii bylo otkryto pervoe mestorozhdenie vanadinita Rb5(VO4)3Sl. V 1925 g. vanadinit obnaruzhili v Yuzhnoi Afrike. On vstrechaetsya takzhe v Chili, Argentine, Meksike, Avstralii, SShA. Isklyuchitel'ny po svoemu znacheniyu mestorozhdeniya vanadiya v Peru. Oni nahodyatsya v gorah, na vysote 4700 metrov nad urovnem morya. Glavnoe bogatstvo peruanskih mestorozhdenii - mineral patronit - prostoe soedinenie vanadiya s seroi V2S5. Pri obzhige patronita poluchayutsya koncentraty s ochen' vysokim soderzhaniem pyatiokisi vanadiya - do 20...30%.
Socialisticheskie strany raspolagayut sobstvennymi zapasami etogo cennogo metalla i polnost'yu obespechivayut im svoyu promyshlennost'.
Otechestvennyi vanadii
V Rossii vanadii vpervye byl naiden v Ferganskoi doline u perevala Tyuya-Muyun (v perevode s kirgizskogo - Verblyuzhii gorb). Iz etih rud "Ferganskoe obshestvo po dobyche redkih metallov" izvlekalo v nebol'shih kolichestvah soedineniya vanadiya i urana i prodavalo ih za granicu. Bol'shuyu zhe chast' cennyh komponentov rudy, v tom chisle radii, izvlekat' ne umeli. Tol'ko posle ustanovleniya Sovetskoi vlasti bogatstva Tyuya-Muyuna stali ispol'zovat'sya kompleksno.
Pozdnee vanadii obnaruzhili v kerchenskih zheleznyh rudah, i bylo nalazheno proizvodstvo otechestvennogo ferrovanadiya. Bogateishimi istochnikami vanadiya okazalis' ural'skie titanomagnetity. Vmeste s kerchenskoi rudoi oni osvobodili nashu promyshlennost' ot neobhodimosti vvoza vanadiya iz-za rubezha. V 1927 g. vanadii byl obnaruzhen v Suleiman-Sae, okolo nyneshnego g. Dzhambula. V nashi dni postavshikami vanadiya stali takzhe mestorozhdeniya central'nogo Kazahstana, Kirgizii, Krasnoyarskogo kraya, Orenburgskoi oblasti. V gore Kachkanar na Urale zaklyucheno 8mlrdt zheleznoi rudy, i razrabotka ee nachalas' lish' v 60-e gody. Ruda eta bednee, i... cennee rud vsemirno izvestnyh zheleznyh gor - Vysokoi i Blagodati, potomu chto iz nedr Kachkanara dobyvaetsya ne tol'ko zhelezo, no i vanadii.
Vanadii i zhizn'
Eshe v proshlom veke vanadii byl vpervye obnaruzhen v sostave nekotoryh rastenii, posle chego prisutstvie elementa N 23 v uglyah, torfe i slancah perestalo kazat'sya strannym. Odin iz rastitel'nyh "sobiratelei" vanadiya horosho znakom kazhdomu - eto yadovityi grib blednaya poganka.
V krovi nekotoryh obitatelei morei i okeanov - morskih ezhei i goloturii soderzhanie vanadiya dostigaet 10%. Predpolagaetsya, chto vanadii igraet zdes' tu zhe rol', chto zhelezo v gemoglobine. No eto utverzhdenie - gipoteticheskoe. Drugie uchenye priderzhivayutsya mneniya, chto rol' vanadiya v etom sluchae sravnima s rol'yu magniya v hlorofille, inymi slovami, vanadii, soderzhashiisya v krovi goloturii, uchastvuet prezhde vsego v processah pitaniya, a ne dyhaniya.
V Argentine provodilis' opyty s vvedeniem soedinenii vanadiya v pishu bykov i svinei. Pri etom u zhivotnyh uluchshalsya appetit, i oni bystro pribavlyali v vese. Izvestno takzhe, chto plesen' "chernyi aspergil" razvivaetsya normal'no tol'ko v prisutstvii solei vanadiya. Vse fakty govoryat o tom, chto vanadii igraet opredelennuyu rol' v zhiznennyh processah, no kakuyu imenno - eto eshe predstoit utochnit'.
Vprochem, dazhe metallurgam, kotorye v poznanii elementa N 23 poshli dal'she uchenyh drugih special'nostei, predstoit uznat' o vanadii eshe mnogoe. A himikam, osobenno tem, kotorye izuchayut mehanizm kataliticheskogo deistviya razlichnyh veshestv, - eshe bol'she.
Cennyi poputchik
Mnogie zheleznye rudy nashei strany soderzhat ot 0,1 do 0,65% vanadiya.
Pri domennoi plavke on pochti polnost'yu perehodit v chugun. V processe prevrasheniya chuguna v stal' bol'shaya chast' vanadiya perehodit v shlak, kotoryi ispol'zuetsya dlya proizvodstva ferrovanadiya.
Ferrovanadii obychno soderzhit ne menee 35% V.
V poltora raza
Nichtozhnye dobavki vanadiya povyshayut uprugost' i prochnost' stali primerno na 50%. Mnogie sovremennye marki pruzhinnyh stalei soderzhat do 0,25% vanadiya.
Oh, uzh eti primesi
Mehanicheskie svoistva chistogo vanadiya izucheny daleko ne polnost'yu iz-za slozhnosti polucheniya vanadiya vysokoi chistoty. Odnako izvestno, chto primesi okazyvayut na svoistva vanadiya ochen' sil'noe vliyanie. 96%-nyi vanadii, vpervye poluchennyi G.Rosko bolee 100 let nazad, hrupok i tverd. Po mere dal'neishei ochistki vanadii stanovitsya vse bolee plastichnym i kovkim. Vpervye kovkii vanadii byl poluchen lish' v 1927 g. Osobenno sil'no uhudshayut mehanicheskie svoistva vanadiya primesi vodoroda, kisloroda i azota.
Veler vinil tol'ko sebya
Izvestnyi nemeckii himik Yustus Libih, podobno Fridrihu Veleru, "proglyadel" otkrytie novogo elementa - broma. Slava pervootkryvatelya v etom sluchae dostalas' maloizvestnomu do togo francuzskomu uchenomu Antuanu Balaru. Razdosadovannyi Libih ne uderzhalsya ot edkogo zamechaniya, chto ne Balar otkryl brom, a brom otkryl Balara. Veler zhe, "prozevavshii" vanadii, byl bolee ob'ektivnym i nikogo, krome sebya, v etom ne vinil. "Ya byl nastoyashim oslom, - pisal on svoemu drugu - proglyadev novyi element v buroi svincovoi rude, i prav byl Bercelius, kogda on ne bez ironii smeyalsya nad tem, kak neudachno i slabo, bez uporstva, stuchalsya ya v dom bogini Vanadis".
<< Titan | Oglavlenie | Hrom >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
himicheskie elementy - atomy - periodicheskaya tablica Mendeleeva
Publikacii so slovami: himicheskie elementy - atomy - periodicheskaya tablica Mendeleeva | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
