Подгруппа ванадия

К подгруппе ванадия относятся элементы побочной подгруппы пятой группы: ванадий, ниобий и тантал.

Эти элементы отличаются от элементов главной подгруппы (азота, фосфора и др.) преобладанием металлических свойств и отсутствием водородных соединений.

Но производные элементов обеих подгрупп в высшей степени окисленности имеют значительное сходство.

Для ванадия и его аналогов наиболее типичны соединения, в которых их степень окисленности равна +5.

Их высшие оксиды проявляют свойства кислотных оксидов и образуют, соответственно, ванадиевую, ниобиевую и танталовую кислоты, которым отвечает ряд солей.

Низшие оксиды обладают основными свойствами.

Подгруппа ванадия

В свободном состоянии ванадий, ниобий и тантал

весьма стойки к химическим воздействиям и

обладают высокими температурами плавления.

Эти металлы, вместе с хромом, молибденом,

вольфрамом, рением, а также рутением, родием,

осмием и иридием относятся к тугоплавким металлам.

Под последними условно понимают металлы,

температура плавления которых превышает температуру плавления хрома (1890°С).

Тугоплавкие металлы в чистом виде и в виде сплавов

получили в последнее время исключительное значение в ряде отраслей новой техники.

Ванадий

Соединения ванадия широко распространены в природе, но они очень распылены и не образуют

сколько-нибудь значительных скоплений.

Общее содержание ванадия в земной коре оценивается в 0,0015% (масс).

Главным источником получения ванадия служат железные и полиметаллические руды, содержащие

небольшие количества ванадия.

Обычно из руд получают или сплав ванадия с железом, так называемый феррованадий, или ванадиевый ангидрид V2O5.

Чистый металл получают из его соединений:

кальцийтермическим восстановлением V2O5,

магнийтермическим восстановлением VCl3,

термической диссоциацией VI2.

Ванадий

Чистый ванадий – серебристый ковкий металл, плотностью 5,96 г/см3, плавящийся при

температуре около 1900°С.

Как и у титана, механические свойства ванадия резко ухудшаются при наличии в нем примесей

кислорода, азота, водорода.

Ванадий отличается высокой химической устойчивостью в воде, в морской воде, в

растворах щелочей.

Он растворяется в плавиковой кислоте, в концентрированных азотной и серной кислотах,

в царской водке.

Ванадий

Ванадий в основном используют в качестве добавки к сталям.

Сталь, содержащая всего 0,1 – 0,3% ванадия, отличается большой прочностью, упругостью и

нечувствительностью к толчкам и ударам.

Это особенно важно для автомобильных осей,

которые все время подвергаются сотрясению.

Как правило, ванадий вводят в сталь в комбинации с другими легирующими элементами:

хромом, никелем, вольфрамом, молибденом.

Наиболее широкое применение ванадий нашел в

производстве инструментальных и

конструкционных сталей.

Он применяется также для легирования чугуна.

Ванадий

Ванадий образует четыре оксида: VO, V2О3, VO2 и V2O5.

Высший оксид V2O5 – обладает ярко выраженным кислотным характером.

Диоксид VO2 амфотерен.

Оба низших оксида проявляют только основные свойства.

Оксид ванадия (V), или ванадиевый ангидрид, V2O5 – вещество оранжевого цвета, легко растворимое в щелочах с

образованием солей метаванадиевой кислоты НVО3,

называемых ванадатами.

Ванадиевый ангидрид и ванадаты применяются в химической промышленности в качестве катализаторов при контактном способе получения серной кислоты и при некоторых

органических синтезах.

Соединения ванадия используются также в стекольной промышленности, в медицине, в фотографии.

Ниобий. Тантал

В земной коре ниобия содержится 0,002, а тантала

0,0002% (масс).

Оба элемента во многом сходны с ванадием.

В свободном состоянии они представляют собой тугоплавкие металлы, твердые, но не хрупкие, хорошо

поддающиеся механической обработке.

Плотность ниобия 8,57 г/см3, тантала 16,6 г/см3.

Температуры плавления, соответственно, 2500 °С и

3000 °С.

Оба металла, в особенности тантал, устойчивы во многих агрессивных средах.

На них не действуют соляная, серная, азотная, хлорная кислоты и царская водка, так как на

поверхности этих металлов образуется тонкая, но очень прочная и химически стойкая оксидная пленка.

Ниобий. Тантал

У тантала, например, эта пленка представляет собой оксид тантала (V) Ta2O5.

Поэтому на тантал действуют только такие реагенты, которые способны взаимодействовать с этим оксидом

или проникать сквозь него.

К подобным реагентам относятся фтор,

фтороводород и плавиковая кислота, расплавы щелочей.

Ниобий – один из основных компонентов многих

жаропрочных и коррозионностойких сплавов.

Особенно большое значение имеют жаропрочные

сплавы ниобия, которые применяются в производстве

газовых турбин, реактивных двигателей, ракет.

Ниобий вводят также в нержавеющие стали.

Ниобий. Тантал

Он резко улучшает их механические свойства и

сопротивляемость коррозии.

Стали, содержащие от 1 до 4% ниобия, отличаются

высокой жаропрочностью и используются как материал

для изготовления котлов высокого давления.

Сталь с добавкой ниобия – превосходный материал

для электросварки стальных конструкций.

Ее применение обеспечивает необычайную прочность сварных швов.

Наиболее важные области применения тантала –

электронная техника и машиностроение.

Ниобий. Тантал

В электронике он применяется для изготовления

электролитических конденсаторов, анодов мощных ламп, сеток.

В химическом аппаратостроении из него изготовляют детали аппаратов, применяемых в производстве

кислот.

В танталовых тиглях плавят металлы, например,

редкоземельные.

Из него изготовляют нагреватели высокотемпературных печей.

Благодаря тому, что тантал не взаимодействует с

живыми тканями организма человека и не вредит

им, он применяется в хирургии для скрепления

костей при переломах.

Ниобий. Тантал

Во многих областях применения тантала с ним конкурируют его сплавы с ниобием.

Это дает большой экономический эффект, потому

что ниобий дешевле тантала.

Карбиды ниобия и тантала отличаются исключительной твердостью и применяются в металлообрабатывающей промышленности для изготовления режущего инструмента.