Ванадій, ніобій, танатал (побічна підгрупа V групи)

Побічну підгрупу V групи Періодичної системи Д. І. Менделєєва складають ванадій V, ніобій Nb і тантал Ta. В цю ж підгрупу входить елемент №105 – нільсборій Ns. Однак ця назва не є загальноприйнятою. Вперше ізотопи нільсборія було отримано штучним шляхом в 1970 р. незалежно радянськими та американськими вченими. Встановлено, що нільсборій за хімічними властивостями аналогічний танталу, однак властивості нільсборія та його сполук вивчені ще мало.

Будова електронних оболонок атомів ванадію, ніобію і танталу може бути виражена наступними формулами:

V 3d³4s²; Nb 4d⁴5s¹, Ta 5d³6s²

У атома ніобію спостерігається "проскок" електрона, один електрон з зовнішнього енергетичного рівня переходить на d-підрівень передостаннього рівня, але, як можна побачити з приведених електронних формул, у всіх атомів елементів цієї підгрупи загальну кількість валентних електронів дорівнює п'яти. Відповідно з електронною будовою атомів ванадій, ніобій та тантал можуть проявляти ступені окиснення від +1 до +5.

Загальна характеристика елементів цієї підгрупи приведена в таблиці нижче.

	V	Nb	Ta
Порядковий номер Відносна атомна маса Природні ізотопи Електрони зовнішнього енергетичного рівня та d-підрівня передостаннього рівня Характерні ступені окиснення	23 50,9415 50V, 51V 3d34s2 +4, +5	41 92,9064 93Nb 4d45s1 +5	73 180,9479 180Ta, 181Ta 5d36s2 +5

Ванадій. Кількість ванадію в земній корі достатньо велика, його масова частка складає 0,015%. Однак руд багатих на ванадій мало (він є розсіяним елементом). Звичайно ванадій є супутником руд заліза, титана та інших металів.

Ванадій являє собою сріблясто-білий метал, густина якого 5,96 г/см³, плавиться за температури 1920°С. Ванадій пластичний метал, але його пластичність погіршується при наявності в ньому домішок неметалів (оксигену, нітрогену).

При звичайних умовах ванадій – хімічно малоактивний метал через утворення на його поверхні захисної плівки. При нагріванні ванадій може взаємодіяти з деякими неметалами (киснем, галогенами, азотом), наприклад:

4V + 5O₂ = 2V₂O₅; 2V + 5F₂ = 2VF₅

За кімнатної температури він розчиняється тільки в фторидній кислоті та "царській горілці". При нагріванні взаємодіє також з концентрованими сульфатною та нітратною кислотами, наприклад:

2V+10HNO₃=V₂O₅+10NO₂+5H₂O

Найбільше розповсюдження мають сполуки ванадію, в яких він проявляє ступінь окиснення +4 та +5.

Ванадій (V) оксид V₂O₅ – червона кристалічна речовина, отруйна. Він є кислотним оксидом але може проявляти і слабкі основні властивості, реагуючи з сильними кислотами. При взаємодії ванадій (V) оксиду з лугами утворюються солі ванадієвих кислот:

V₂O₅+2KOH=2KVO₃+H₂O

метаванадат калію

V₂O₅+4KOH=K₄V₂O₇+2H₂O

пірованадат калію

V₂O₅+6KOH=2K₃VO₄+3H₂O

ортованадат калію

Сполуки ванадію (V) проявляють властивості окисників, наприклад:

V₂⁺⁵O₅ + 6HCl(конц.) = 2(V⁺⁴O)Cl₂ + Cl₂ + 3H₂O

Сіль (VO)Cl₂ називається хлорид ванаділа.

Ванадій (IV) оксид VO₂ є амфотерним. Взаємодіє з кислотами:

VO₂ + H₂SO₄ = (VO)SO₄ + H₂O

сульфат ванаділа

Реагує також з лугами:

4VO₂ + 2NaOH = Na₂V₄O₉ + H₂O

При отриманні метала із руд, які містять ванадій, виділяється ванадій (V) оксид V₂O₅, який відновлюють металотермічним методом (кальцієм чи алюмінієм):

3V₂O₅ + 10Al = 6V + 5Al₂O₃

Ванадій є компонентом багатьох сплавів. Так, легована ним сталь має більшу механічну міцність та пружність.

Ванадій додають і в сплави кольорових металів. Сплав з алюмінієм (масова частка ванадію 2 – 3%) має високу твердість. Сплав нікелю з ванадієм хімічно стійкий.

Ванадій (V) оксид V₂O₅ використовують у виробництві спеціального скла і в якості каталізатора окиснення SO₂ в SO₃ в виробництві сульфатної кислоти.

Ніобій і тантал. Ніобій і тантал є рідкими розсіяними хімічними елементами, їх масові частки в земній корі дорівнюють відповідно 1х10^-3 і 2х10^-4%. В природі ніобій і тантал звичайно зустрічаються разом, і є супутниками мінералів інших металів.

Ніобій і тантал являють собою метали сірого кольору. Вони пластичні, тугоплавкі (температури їх плавлення дорівнюють відповідно 2470 та 3010°С). Мають високу хімічну стійкість, при звичайній температурі розчиняються лише в суміші фторидної та нітратної кислот.

Для виробництва ніобію і танталу існують два шляхи: ректифікація і екстракція.

Ніобій і тантал використовуються для легування сталей: вони входять до складу жаростійких та магнітних сталей з підвищеною стійкістю корозії.

З ніобію і танталу виготовляють деталі хімічної апаратури, конденсатори і радіолампи для електронних і радіотехнічних приладів.

Миш'як, сурма та вісмут.

Розповсюдженість в природі. В земній корі небагато миш'яка сурми та вісмуту, масові частки складають відповідно 5х10^-4, 4х10^-5 та 2х10^-5%. Вони як правило зустрічаються в природі в сполуках із сіркою.

Властивості. Миш'як утворює декілька алотропних модифікацій, найбільш стійкий є сірий чи металічний, миш'як – сріблясто-біла кристалічна речовина з металічним блиском. Сурма – сріблясто-білий метал, а вісмут – сріблястий метал з червоним відтінком.

В ряду As – Sb – Bi відбувається збільшення металічних та послаблення неметалічних властивостей. Так, миш'як є неметалом, сурма займає проміжне значення між металами і неметалами, хоч звичайно її відносять до металів; вісмут проявляє металічні властивості. При взаємодії миш'яка, сурми і вісмуту з киснем при нагріванні утворюються оксиди зі ступенем окиснення +3: As₂O₃ – кислотний оксид, Sb₂O₃ – амфотерний оксид, Bi₂O₃ – основний оксид.

Арсен (ІІІ) оксид розчиняється у воді з утворенням арсенітної кислоти:

As₂O₃+3H₂O=2H₃AsO₃

Оксиди Sb₂O₃ та Bi₂O₃ в воді не розчиняються.

Окрім названих оксидів миш'як, сурма та вісмут утворюють оксиди в ступені окиснення +5. Арсен (V) оксид As₂O₅ проявляє кислотні властивості. Він розчиняється у воді з утворенням арсенатної кислоти:

As₂O₅+H₂O=H₃AsO₄

Стибій (V) оксид та особливо бісмут (V) оксид – нестійкі. Сполуки арсена, стибію та бісмута в ступені окиснення +5 проявляють окисні властивості. Сильними окисниками є бісмутати, наприклад натрія бісмутат NaBiO₃:

2Mn(NO₃)₂ + 5NaBi⁺⁵O₃ + 16HNO₃ = 2HMnO₄ + 5Bi⁺³(NO₃)₃ + 5NaNO₃ + 7H₂O

При відновленні сполук бісмута (V) утворюються більш стійкі сполуки бісмута (ІІІ), наприклад солі Bi(NO₃)₂, оксосолі BiONO₃.

Отримання та використання. Миш'як, сурму та вісмут отримують обжигом сульфідів та відновлюючи оксиди, які утворилися вугіллям, наприклад:

2As₂S₃ + 9O₂ = 2As₂O₃ + 6SO₂; As₂O₃ + 3C = 2As + 3CO

Вісмут, як правило, виділяють в якості побічного продукту при переробці свинцевих руд.

Миш'як, сурму і вісмут використовують для виробництва сплавів. Так, металічна сурма входить до складу сплаву зі свинцем та оловом, який використовується в типографській справі і в виробництві підшипників. Вісмут використовують для отримання легкоплавких сплавів, сплавів з магнітними властивостями. Деякі сполуки миш'яка, сурми і бісмута є напівпровідниками, і їх використовують в електронній техніці.

Сполуки сурми, бісмута та особливо миш'яка – отруйні. Деякі сполуки миш'яка використовують в якості пестицидів – речовин, які використовують для захисту сільськогосподарських рослин. Кальцієві та натрієві солі кислот миш'яка є інсектицидами (різновидом пестицидів), які використовуються для боротьби з шкідливими комахами.