Элементы V б подгруппы

1. Общая характеристика элементов

2. Природные формы и методы получения металлов

3. Простые вещества и соединения элементов

4. Области применения

1. Общая характеристика элементов

Ванадий, ниобий, и тантал – твёрдые тугоплавкие металлы серого цвета, хорошо поддающиеся механической обработке. Свойства дубния практически не изучены.

Наличие пяти валентных электронов обусловливает большой набор степеней окисления ванадия, ниобия и тантала в соединениях: (+2), (+3), (+4) и (+5). Как и в случае других d-элементов устойчивость производных в низших степенях окисления уменьшается в ряду V–Nb–Ta. Валентные возможности этих элементов также широки – максимальная валентность достигает семи, например во фторидных комплексах К₂[TaF₇]. Ионы металлов, будучи жёсткими кислотами, образуют наиболее прочные соединения с такими жёсткими основаниями как фторид-, гидроксид- и пероксид-ионы.

Таблица 1.

Основные характеристики элементов V Б подгруппы

Основные характеристики	V	Nb	Ta
Атомный радиус, нм	0,136	0,147	0,149
Ионный радиус Э4+, нм	0,040	0,069	0,068
Потенциал ионизации, эВ	6,74	6,88	7,89
Электроотрицательность	1,63	1,6	1,5
Плотность, г/см3	5,96	8,58	16,69
Температура кипения, °C	3450	4950	5425
Температура плавления, °C	1710	2487	2997
Стандартный ОВ потенциал, эВ	–0,105	–0,65	–0,81
Содержание в земной коре, % (масс.)	1,5·10-2	2 ·10-5	2,4 ·10-5

2. Природные формы и методы получения металлов

Содержание ванадия в земной коре превышает содержание меди, цинка, свинца, однако самостоятельные минералы ванадия встречаются крайне редко, поэтому его относят к рассеянным элементам. Основной источник ванадия – железные и титановые руды (магнетиты и титаномагнетиты), а также ванадит 3Pb₃(VO₄)₂·PbCl₂.

Ниобий и тантал являются редкими элементами, близость химических свойств обуславливает их совместное нахождение в одних и тех же минералах – тантало-ниобатах (колумбите Fe(NbO₃)₂, танталите Fe(TaO₃)₂) и титано-тантало-ниобатах (лопарите, пирохлоре, ильмено-рутиле).

Методы получения

Руды, содержащие ванадий или ниобий и тантал, обогащают, получая концентраты. Рудные концентраты разлагают различными методами: сплавлением со щелочами или гидросульфатом калия, растворением в плавиковой или серной кислотах, хлорированием. После разделения образующихся соединений и очистки от примесей в зависимости от типа исходных концентратов получают оксиды, хлориды или фторидные комплексы К₂[MF₇]. Большое практическое значение имеют продукты, непосредственно получаемые из рудных концентратов – феррованадий и феррониобий, применяющиеся в качестве добавок при варке специальных сталей.

Технология получения металлов подгруппы ванадия в конечном итоге сводится к восстановлению их высших оксидов и галогенидов методом металлотермии:

V₂O₅ + 5Ca = 2V + 5CaO

3V₂O₅ + 10Al = 6V + 5Al₂O₃

K₂[NbF₇] + 5Na = Nb + 5NaF + 2KF

NbCl₅ + 5Na = Nb + 5NaCl

K₂[TaF₇] + 5Na = Ta + 5NaF + 2KF

TaCl₅ + 5Na = Ta + 5NaCl

Для получения ниобия или его сплава с танталом используется карботермическое восстановление пентаоксида ниобия при температуре 1600 °C в вакууме:

Nb₂O₅ + 5NbC = 7Nb + 5CO

Кроме того, для получения ниобия и тантала применяется электролиз расплавов K₂[TaF₇] или Ta₂O₅ в смеси с KCl и KF.