11. Элементы V группы побочной подгруппы

В побочную подгруппу V группы периодической системы Д. И. Менделеева входят ванадий (V), ниобий (Nb), тантал (Та), дубний (Db).

11.1. Характеристика элементов

Строение атомов. Атомы всех элементов подгруппы на внешнем электронном слое содержат 2 спаренных s-электрона (в атоме ниобия на внешнем слое – 1 s-электрон); d-подуровень предвнешнего слоя – 3 неспаренных электрона (в атоме ниобия – 4).

Изменение некоторых свойств элементов (радиусов атомов и ионов, энергий ионизации, электроотрицательностей, сродства к электрону) с увеличением порядкового номера приведено в табл. 11.1.

Таблица 11.1

Некоторые свойства элементов побочной подгруппы V группы

Элементы Свойства	V	Nb	Ta	Db
Радиус атома, нм	0,134	0,145	0,146	–
Радиус иона Э2+, нм	0,079	–	–	–
Радиус иона Э3+, нм	0,064	0,072	0,072	–
Радиус иона Э4+, нм	0,058	0,068	0,068	–
Радиус иона Э5+, нм	0,040	0,066	0,066
Энергия ионизации I, эВ	6,74	6,88	7,89	–
Сродство к электрону, эВ	0,64	1,13	0,62	–
Электроотрицательность:
Относительная по Полингу	1,63	1,6	1,5	–
Относительная по Оллреду	1,45	1,23	1,33	–
Абсолютная, эВ	3,6	4,0	4,11	–

Степени окисления. Для элементов подгруппы характерны степени окисления +2, +3, +4, +5 (наиболее характерна степень окисления +5); ниобий и тантал проявляет и степень окисления +1.

Распространенность в природе. Содержание элементов в земной коре приведено в табл. 11.2.

Таблица 11.2

Распространенность элементов побочной подгруппы V группы в земной коре

Элементы	V	Nb	Ta	Db
Содержание в земной коре, %	1,510–2	110–3	210–4	–

11.2. Простые вещества

Кристаллическая решетка простых веществ, образованных атомами элементов побочной подгруппы V группы, металлическая (кубическая объемноцентрированная).

Физические свойства. Ванадий в компактном состоянии серебристо-серый, ниобий – серо-стальной, тантал – серо-синеватый металл; в порошкообразном состоянии ванадий темно-серый, ниобий и тантал – черные. Некоторые физические свойства металлов приведены в табл. 11.3.

Таблица 11.3

Некоторые свойства металлов побочной подгруппы V группы

Элементы Свойства	V	Nb	Ta
Плотность, г/см3	6,11	8,57	16,65
Температуры плавления, С	1887	2469	2997
Температуры кипения, С	3377	4742	5425
Электропроводность (относительно ртути (1))	4,4	6,4	6,4

Способы получения. Ванадий, ниобий и тантал обычно переводятся из природных соединений в оксиды Э₂О₅ или в различные галогениды, а затем восстанавливаются (чаще всего металлотермическими методами):

Э₂О₅ + 5Са 2Э + 5СаО;

К₂[ЭF₇] + 5Na → Э + 2KF + 5NaF (в расплаве);

2TaCl₃ + 3H₂ 2Ta + 6HCl

или выделяются путем электролиза расплавов.

Высокочистые металлы получают разложением галогенидов (обычно иодидов) в вакууме: VI₂ V + I₂.

Дубний – также путем ядерного синтеза:

.

Химические свойства. В обычных условиях ванадий и особенно ниобий и тантал отличаются большой химической стойкостью благодаря наличию плотной защитной пленки оксида. При комнатной температуре они растворяются только в плавиковой кислоте и смеси плавиковой и азотной кислот; ванадий, кроме того, – в концентрированной азотной кислоте и царской водке). При нагревании и при измельчении химическая активность металлов сильно увеличивается. Ванадий более реакционноспособен, чем ниобий и тантал. Реакции с простыми веществами:

– с кислородом: 4Э + 5О₂ → 2Э₂О₅ (при нагревании; ванадий образует оксид VО₂);

– с галогенами при 50–500С образуют галогениды: ванадий – VF₅; ниобий и тантал – ЭHal₃, ЭHal₄, ЭHal₅;

– с серой при нагревании – сульфиды переменного состава Э_хS_у;

– с азотом при нагревании – нитриды переменного состава Э_хN_у (кроме Db);

– с водородом при 200–450С образуют твердые растворы;

– с углеродом при температуре ~1800С образуют карбиды переменного состава Э_хС_у.

Реакции со сложными веществами:

– с водой не реагируют;

– при реакции ванадия с плавиковой кислотой образуется фторид VF₃; ниобий и тантал образуют фториды ЭF₅; при реакции со смесью плавиковой и азотной кислот все металлы образуют Н₂[ЭF₇]; ванадий и тантал реагируют при нагревании с соляной кислотой, образуя соответственно VCl₂ и TaCl₅; с разбавленными азотной и серной кислотами металлы подгруппы не реагируют, с концентрированными взаимодействует лишь ванадий, образуя VO₂NO₃ и VOSO₄ соответственно; ванадий реагирует и с царской водкой; металлы подгруппы взаимодействуют со щелочами в расплаве:

4Э + 5О₂ + 12NaOH → 4Na₃ЭО₄ + 6Н₂О (в расплаве);

3Э + 5HNO₃ + 21HF → 3H₂[ЭF₇] + 5NO + 10H₂O;

3V + 12HCl + 4HNO₃ → 3VCl₄ + 4NO + 8H₂O.