11.3. Соединения

Бинарные соединения

В бинарных соединениях элементы подгруппы проявляют все степени окисления от +1 до +5. Соединения с высшими степенями окисления атомов элементов наиболее устойчивы, причем эта устойчивость возрастает от ванадия к танталу, поэтому V⁺⁵ гораздо легче (по сравнению с Nb⁺⁵ и Та⁺⁵) восстанавливается до более низких степеней окисления. Соединения с низшими степенями окисления атомов элементов, наоборот, менее стабильны и легко окисляются, причем тенденция к окислению в ряду V – Nb – Ta усиливается.

Соединения с водородом. Ванадий, ниобий и тантал не дают стехиометрических соединений с водородом, но очень легко образуют твердые растворы, причем растворимость водорода с ростом температуры уменьшается.

Известны твердые гидриды переменного состава (ЭН–ЭН₂) – хрупкие металлоподобные порошки серо-черного цвета, химически устойчивые.

Оксиды. Оксиды ванадия, ниобия, тантала – твердые, тугоплавкие вещества, практически нерастворимые в воде. Непосредственно при окислении металлов образуются только высшие оксиды – Э₂О₅ (у ванадия – VO₂). Остальные оксиды могут быть получены последовательным восстановлением Э₂О₅ или других соответствующих соединений.

Большинство оксидов проявляет основной характер, VO₂, Nb₂O₅ и Та₂О₅ амфотерны, и лишь V₂O₅ проявляет слабокислотные свойства.

Наиболее характерные реакции оксидов ванадия:

V₂O₅ + 6KOH → 2K₃VO₄ + 3H₂O; V₂O₅ + 6HCl ⇄ 2VOCl₂ + Cl₂ + 3H₂O;

4VO₂ + 2KOH → K₂V₄O₉ + H₂O; VO₂ + 2HCl → VOCl₂ + H₂O;

V₂O₃ + 6HCl → 2VCl₃ + 3H₂O; VO + 2HCl → VCl₂ + H₂O.

Гидроксиды. Низшим степеням окисления (+2, +3) соответствуют основания типа Э(ОН)₂ и Э(ОН)₃, получающиеся обработкой щелочами солей этих элементов.

Характерная особенность кислородсодержащих соединений этих элементов со степенью окисления +4 – их амфотерный характер. Так, оксид VO₂, нерастворимый в воде, легко взаимодействует со щелочами, образуя ванадиты состава Ме₂⁺[V₄O₉]. Они являются солями не выделенной в свободном виде кислоты H₂V₄O₉. Также легко VO₂ взаимодействует с кислотами, образуя производные оксованадила VO²⁺ – очень прочной группы, входящей в состав многих солей в виде катиона, а также содержащейся в ряде анионных комплексов:

VO₂ + H₂SO₄ → VOSO₄ + H₂O.

сульфат ванадила

Степени окисления +5 соответствуют несколько кислот, как правило, неустойчивых в свободном состоянии. Они обычно представляют собой гидратированные оксиды типа nЭ₂О₅хН₂О. Наиболее известны мета- и ортокислоты – НЭО₃ и Н₃ЭО₄, которым соответствуют соли: мета- и ортованадаты, мета- и ортониобаты и мета- и ортотанталаты. Ванадаты могут быть получены обработкой щелочами коллоидных растворов V₂O₅, причем и состав сильно зависит от рН растворов.

Ниобаты и танталаты, плохо растворимые в воде, обычно получаются сплавлением оксидов этих элементов с гидроксидами, карбонатами или оксидами других элементов.

11.4. Применение

Ванадий, ниобий, тантал – важные материалы современной техники. Сплавы на их основе обладают высокими антикоррозионными свойствами, механической прочностью, высокими температурами плавления. Они широко используются в реактивной и космической технике, при создании атомных реакторов, являются перспективными материалами в химическом машиностроении.

Сверхпроводящие сплавы, катализаторы, радиоэлектроника, медицинская техника – дополнительные области применения элементов подгруппы. Уникальной особенностью обладает чистый тантал, который не раздражает живую ткань и поэтому используется в костной хирургии.