Характеристика ванадия. В каких продуктах содержится ванадий. Основные признаки избыточного количества ванадия в организме

Ванадий (vanadium), v, химический элемент v группы периодической системы Менделеева; атомный номер 23, атомная масса 50,942; металл серо-стального цвета. Природный В. состоит из двух изотопов: 51 v (99,75%) и 50 v (0,25%); последний слабо радиоактивен (период полураспада Т 1/2 = 10 14 лет). В. был открыт в 1801 мексиканским минералогом А. М. дель Рио в мексиканской бурой свинцовой руде и назван по красивому красному цвету нагретых солей эритронием (от греч. erythr o s - красный). В 1830 шведский химик Н. Г. Сефстрём обнаружил новый элемент в железной руде из Таберга (Швеция) и назвал его В. в честь древнескандинавской богини красоты Ванадис. Английский химик Г. Роско в 1869 получил порошкообразный металлический В. восстановлением vcl 2 водородом. В промышленном масштабе В. добывается с начала 20 в.

Содержание В. в земной коре составляет 1,5-10 -2 % по массе, это довольно распространённый, но рассеянный в породах и минералах элемент. Из большого числа минералов В. промышленное значение имеют патронит, роскоэлит, деклуазит, карнотит, ванадинит и некоторые др. Важным источником В. служат титаномагнетитовые и осадочные (фосфористые) железные руды, а также окисленные медно-свинцово-цинковые руды. В. извлекают как побочный продукт при переработке уранового сырья, фосфоритов, бокситов и различных органических отложений (асфальтиты, горючие сланцы).

Физические и химические свойства. В. имеет объёмноцентрированную кубическую решётку с периодом a = 3,0282 å. В чистом состоянии В. ковок, легко поддаётся обработке давлением. Плотность 6,11 г / см 3 , t пл 1900 ± 25°С, t кип 3400°С; удельная теплоёмкость (при 20-100°С) 0,120 кал / гград ; термический коэффициент линейного расширения (при 20-1000°С) 10,6·10 -6 град -1 , удельное электрическое сопротивление при 20 °С 24,8·10 -8 ом · м (24,8·10 -6 ом · см ), ниже 4,5 К В. переходит в состояние сверхпроводимости. Механические свойства В. высокой чистоты после отжига: модуль упругости 135,25 н / м 2 (13520 кгс / мм 2), предел прочности 120 нм / м 2 (12 кгс / мм 2), относительное удлинение 17%, твердость по Бринеллю 700 мн / м 2 (70 кгс / мм 2). Примеси газов резко снижают пластичность В., повышают его твёрдость и хрупкость.

При обычной температуре В. не подвержен действию воздуха, морской воды и растворов щелочей; устойчив к неокисляющим кислотам, за исключением плавиковой. По коррозионной стойкости в соляной и серной кислотах В. значительно превосходит титан и нержавеющую сталь. При нагревании на воздухе выше 300°С В. поглощает кислород и становится хрупким. При 600-700°С В. интенсивно окисляется с образованием пятиокиси v 2 o 5 , а также и низших окислов. При нагревании В. выше 700°С в токе азота образуется нитрид vn (t пл 2050°С), устойчивый в воде и кислотах. С углеродом В. взаимодействует при высокой температуре, давая тугоплавкий карбид vc (t пл 2800°С), обладающий высокой твёрдостью.

В. даёт соединения, отвечающие валентностям 2, 3, 4 и 5; соответственно этому известны окислы: vo и v 2 o 3 (имеющие основной характер), vo 2 (амфотерный) и v 2 o 5 (кислотный). Соединения 2- и 3-валентного В. неустойчивы и являются сильными восстановителями. Практическое значение имеют соединения высших валентностей. Склонность В. к образованию соединений различной валентности используется в аналитической химии, а также обусловливает каталитические свойства v 2 o 5 . Пятиокись В. растворяется в щелочах с образованием ванадатов .

Получение и применение. Для извлечения В. применяют: непосредственное выщелачивание руды или рудного концентрата растворами кислот и щелочей; обжиг исходного сырья (часто с добавками nacl) с последующим выщелачиванием продукта обжига водой или разбавленными кислотами. Из растворов методом гидролиза (при рН = 1-3) выделяют гидратированную пятиокись В. При плавке ванадийсодержащих железных руд в домне В. переходит в чугун, при переработке которого в сталь получают шлаки, содержащие 10-16% v 2 o 5 . Ванадиевые шлаки подвергают обжигу с поваренной солью. Обожжённый материал выщелачивают водой, а затем разбавленной серной кислотой. Из растворов выделяют v 2 o 5 . Последняя служит для выплавки феррованадия (сплавы железа с 35-70% В.) и получения металлического В. и его соединений. Ковкий металлический В. получают кальциетермическим восстановлением чистой v 2 o 5 или v 2 o 3 ; восстановлением v 2 o 5 алюминием; вакуумным углетермическим восстановлением v 2 o 3 ; магниетермическим восстановлением vc1 3 ; термической диссоциацией йодида В. Плавят В. в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом и в электроннолучевых печах.

Чёрная металлургия - основной потребитель В. (до 95% всего производимого металла). В. входит в состав быстрорежущей стали, её заменителей, малолегированных инструментальных и некоторых конструкционных сталей. При введении 0,15-0,25% В. резко повышаются прочность, вязкость, сопротивление усталости и износоустойчивость стали. В., введённый в сталь, является одновременно раскисляющим и карбидообразующим элементом. Карбиды В., распределяясь в виде дисперсных включений, препятствуют росту зерна при нагреве стали. В. в сталь вводят в форме лигатурного сплава - феррованадия. Применяют В. и для легирования чугуна. Новым потребителем В. выступает быстро развивающаяся промышленность титановых сплавов; некоторые титановые сплавы содержат до 13% В. В авиационной, ракетной и др. областях техники нашли применение сплавы на основе ниобия, хрома и тантала, содержащие присадки В. Разрабатываются различные по составу жаропрочные и коррозионностойкие сплавы на основе В. с добавлением ti, nb, w, zr и al, применение которых ожидается в авиационной, ракетной и атомной технике. Интересны сверхпроводящие сплавы и соединения В. с ga, si и ti.

Чистый металлический В. используют в атомной энергетике (оболочки для тепловыделяющих элементов, трубы) и в производстве электронных приборов.

Соединения В. применяют в химической промышленности как катализаторы, в сельском хозяйстве и медицине, в текстильной, лакокрасочной, резиновой, керамической, стекольной, фото и кинопромышленности.

Соединения В. ядовиты. Отравление возможно при вдыхании пыли, содержащей соединения В. Они вызывают раздражение дыхательных путей, лёгочные кровотечения, головокружения, нарушения деятельности сердца, почек и т.п.

В. в организме. В. - постоянная составная часть растительных и животных организмов. Источником В. служат изверженные породы и сланцы (содержат около 0,013% В.), а также песчаники и известняки (около 0,002% В.). В почвах В. около 0,01% (в основном в гумусе); в пресных и морских водах 1·10 7 -2·10 7 %. В наземных и водных растениях содержание В. значительно выше (0,16-0,2%), чем в наземных и морских животных (1,5·10 -5 -2·10 -4 %). Концентраторами В. являются: мшанка plumatella, моллюск pleurobranchus plumula, голотурия stichopus mobii, некоторые асцидии, из плесеней - чёрный аспергилл, из грибов - поганка (amanita muscaria). Биологическая роль В. изучена на асцидиях, в кровяных клетках которых В. находится в 3- и 4-валентном состоянии, то есть существует динамическое равновесие.

Физиологическая роль В. у асцидии связана не с дыхательным переносом кислорода и углекислого газа, а с окислительно-восстановительными процессами - переносом электронов при помощи так называемой ванадиевой системы, вероятно имеющей физиологическое значение и у др. организмов.

Лит.: Меерсон Г. А., Зеликман А. Н., Металлургия редких металлов, М., 1955; Поляков А. Ю., Основы металлургии ванадия, М., 1959; Ростокер У., Металлургия ванадия, пер. с англ., М., 1959; Киффер p., Браун Х., Ванадий, ниобий, тантал, пер. с нем., М., 1968; Справочник по редким металлам, [пер. с англ.], М., 1965, с. 98-121; Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справочник, М., 1967, с. 47-55, 130-32; Ковальский В. В., Резаева Л. Т., Биологическая роль ванадия у асцидии, «Успехи современной биологии», 1965, т. 60, в. 1(4); Воwen Н. j. М., trace elements in biochemistry, l. - n. y., 1966.

И. Романьков. В. В. Ковальский.

Химический элемент с «божественным» названием Ванадий (от древнескандинавской Vanadis, дочери Ванов, которая была богиней любви и красота у скандинавских народов) был открыт дважды. В самом начале XIX столетия новый металл открыл Андрес Мануэль Дель Рио, профессор минералогии из Мехико в свинцовых рудах мексиканских горных пород. Но для химиков из Европы это открытие показалось сомнительным.

В 1830 году Нильс Сефстрём (химик из Швеции) открыл ванадий в железной руде. За необыкновенную красоту соединений, образуемых новым металлом, его назвали Ванадий.

Ванадий - химический элемент с атомным номером 23, занимает место в побочной подгруппе V группы IV периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Пластичный ковкий металл серебристо-стального цвета,

Нахождение ванадия в природе

Ванадий является рассеянным элементом, встречается в осадочных и магматических породах, сланцах и железных рудах. Месторождения ванадия имеются в Австралии, Перу, Турции, Англии, ЮАР и США (calorizator). На территории России ванадий добывают в Ферганской долине, на Урале, в Киргизии, центральном Казахстане, Красноярском крае и Оренбургской области.

В организме человека ванадий присутствует в жировой ткани, костях и подкожных иммунных клетках.

Физические и химические свойства ванадия

Внешний вид ванадия больше всего напоминает сталь, это пластичный металл с температурой плавления 1920˚С. Не подвержен действию воздуха, морской воды и щелочных растворов при нормальной температуре.

Суточная потребность в ванадии

Суточная потребность 6-63 мкг/сутки (ВОЗ, 2000). Всего 1% поступающего извне ванадия всасывается в организме, остальное выводится с мочой.

Полезные свойства ванадия и его влияние на организм

Ванадий играет заметную роль в регулировании липидного и углеводного обмена, принимает участие в активной выработке энергии. Медики отмечают, что уменьшение уровня холестерина связано с количеством поступающего в организм ванадия. Является стимулирующим фактором для движения кровяных клеток, которые поглощают болезнетворные микробы (фаоцитов).

Взаимодействие ванадия с другими

Токсичность ванадия снижается при его взаимодействии с и белками. Обратный эффект дают соединения и алюминия, а также .

Признаки нехватки ванадия

Дефицит ванадия представлен единичными случаями ванадийдефицитной шизофрении, а также связан с патологией углеводного обмена.

Признаки избытка ванадия

Избыток ванадия значительно более распространен и связан с производством асфальта, стекла, топливной продукции (мазут, бензин, и т.д.). Обладает гипертензивным действием (ВОЗ, 1997). Установлена связь генеза маниакально-депрессивных состояний и невротической реактивной депрессии с повышением уровня ванадия в крови. Описана ванадиевая природа эндемичного рассеянного склероза - жирорастворимые комплексы ванадия техногенного происхождения кумулируются в миелиновых оболочках и в коре мозга, приводя к развитию рассеянного склероза.

Основным потребителем ванадия является металлургическая промышленность. Введение ванадия в состав сплавов нержавеющей, быстрорежущей и инструментальной стали увеличивается прочность и износоустойчивость стали.

Также ванадий применяется в атомно-водородной энергетике, в производстве серной кислоты, как химический источник тока.

Ванадий – вещество серебристо-серого цвета (см. фото), относится к группе металлов. Обладает химической инертностью и устойчив к действию серной, азотной и соляной кислот.

Элемент имеет довольно долгую историю открытия, начиная с 1801 года. Его обнаруживали несколько ученых в различных источниках. Однако именно ученый швед по фамилии Берцелиус дал ему нынешнее название в честь древнескандинавской богини красоты Ванадис.

В природе его обнаруживают в земной коре и воде, но в очень малых количествах и в виде соединений.

Основными потребителями ванадия являются черная металлургия, титановая промышленность, авиационная и ракетная область технологии. В чистом виде элемент активно используется в атомной энергетике и при производстве химических приборов, а в виде соединений в сельском хозяйстве, медицине, в кино- и фотопромышленности, лакокрасочной, текстильной, резиновой и стекольной промышленности.

Действие ванадия и его биологическая роль в организме человека

Действие макроэлемента распространено на все органы человеческого тела: костная ткань, сердце, мышцы, почки, легкие, щитовидная железа. И это, несмотря на то, что общее содержание элемента в организме составляет приблизительно 1 мкг, т.е. миллионная часть грамма. Ученые долго спорили о том, необходим ли ванадий нашему организму и только во второй половине 20 века его роль в биохимических реакциях была признана положительной, а соответственно необходимой для здоровья.

Биологическая роль элемента очень важна, а его участие в функциях организма довольно разнообразно:

Как говорится, маленький, да удаленький элемент.

Суточная норма

Суточная норма макроэлемента в среднем составляет 2 мкг (по другим источникам 10-25 мкг). Это количество вполне обеспечивается с пищей. Из этого количества организм усваивает около 1%, все остальное выводится почками.

Недостаток ванадия

Недостаток макроэлемента довольно редкое явление и вызвать его могут сахарный диабет и атеросклероз. Это своего рода замкнутый круг, т.к. дефицит элемента способен вызывать развитие этих заболеваний.

Обычным явлением при дефиците ванадия является сниженный уровень холестерина, и повышенный – триглецеридов и фосфолипидов при рассмотрении биохимического состава крови. Самым сложным осложнением при нехватке элемента может быть проявление шизофрении, но такие случаи были единичными.

На данный момент существуют данные о возможных последствиях лишь у животных. Недостаток сказывался на состоянии костей, щитовидной железы и ходе беременности.

Избыток ванадия

Переизбыток макроэлемента чаще всего можно встретить у сотрудников производства стекла, топлива и асфальта. Их профессиональным заболеванием является астма, экзема, воспаления кожи органов дыхания и зрения.

Токсичной считают прием дозы элемента в пределах 0,25 мг, а 2-4 мг делают ее летальной. В первом случае может происходить острая интоксикация с аллергическими проявлениями, снижается уровень лейкоцитов и гемоглобина в крови. Увеличивается риск раковых заболеваний, болезней органов дыхания.

При нахождении в группе риска стоит больше употреблять белковой пищи, а также повышать уровень хрома в организме.

Сложная экологическая обстановка способствует накоплению ванадия в организме. Замечаются последствия в виде высокого кровяного давления, нарушения работы нервной системы.

В каких источниках содержится?

Продукты, в которых содержится ванадий – это основной источник получения элемента организмом. Больше всего содержание его в морепродуктах и грибах, как ни странно лидером среди грибов является бледная поганка. Также много его в петрушке, шпинате, черном перце, печени, мясе, растительном масле, сое, злаках (особенно в неочищенном рисе).

Мед считается наиболее оптимальным источником среди всех ранее перечисленных. А вот в овощах и фруктах его практически нет. Также не стоит особо рассчитывать на животные жиры, сливочное масло, шоколад, макароны и творог.

Усвоению способствуют аскорбиновая кислота, железо и алюминий.

Показания к назначению

Показания к назначению макроэлемента носят в основном гомеопатический характер. Его назначают в качестве противовоспалительного, спазмолитического и ангиопротекторного препарата.

Применяют ванадий при атеросклерозе, при повышенном уровне холестерина и нарушении обмена веществ из-за «зашлакованных» сосудов.

Ванадий имеет объемноцентрированную кубическую решетку с периодом а=3,0282А. В чистом состоянии Ванадий ковок, легко поддается обработке давлением. Плотность 6,11 г/см3; t пл 1900°С, t кип 3400°С; удельная теплоемкость (при 20-100°С) 0,120 кал/г·град; термический коэффициент линейного расширения (при 20-1000°С) 10,6·10-6 град-1; удельное электрическое сопротивление при 20°С 24,8·10-8ом·м (24,8·10-6 ом·см); ниже 4,5 К Ванадий переходит в состояние сверхпроводимости. Механические свойства Ванадия высокой чистоты после отжига: модуль упругости 135,25 н/м 2 (13520 кгс/мм 2), предел прочности 120 мн/м 2 (12 кгс/мм 2), относительное удлинение 17%, твердость по Бринеллю 700 мн/м 2 (70 кгс/мм 2). Примеси газов резко снижают пластичность Ванадия, повышают его твердость и хрупкость.

1. Химические свойства Ванадия

На воздухе Ванадий не изменяется, устойчив он к во­де, к растворам минеральных солей и щелочей. Кислоты на него действуют только такие, которые одновременно являются окислителями. На холоде на него не действу­ют разбавленные азотная и серная кислоты. По-видимо­му, на поверхности металла образуется тончайшая плен­ка оксида, препятствующая дальнейшему окислению металла. Для того что­бы заставить Ванадий интенсивно реа­гировать, его нужно нагреть. При 600-700°С происхо­дит интенсивное окисление компактного металла, а в мелкораздробленном состоянии он вступает в реакции при более низкой температуре .

Прямым взаимодействием элементов при нагрева­нии могут быть получены сульфиды, карбиды, нитриды, арсениды, силициды. Для техники важны желто-бронзо­вый нитрид VN (t пл = 2050°С), устойчивый к воде и кислотам, а также обладающий высокой твердостью карбид VC (t пл = 2800 °С).

Ванадий очень чувствителен к примесям газов (O 2 , N 2 , H 2), которые резко меняют его свойства, даже если присутствуют в самых незначительных количествам. Поэтому и сейчас можно в разных справочниках встре­тить различную температуру плавления Ванадия. За­грязненный Ванадий, в зависимости от чистоты и спосо­ба получения металла, может плавиться в интервале от 1700 до 1900°С. При чистоте 99,8 - 99,9 % его плот­ность равна 6,11 г/см3 при 20°С, температура плавле­ния составляет 1919°С, а температура кипения 3400 °С.

Металл исключительно стоек как в органических, так и в большинстве неорганических агрессивных средах. По стойкости к действию НС1, НВr и холодной серной кислоты он значительно превосходит титан и нержавею­щую сталь. С галогенами, за исключением самого агрес­сивного из них - фтора, соединений не образует. С фто­ром же дает кристаллы VF 5 , бесцветные, возгоняющиеся без превращения в жидкость при 111°С. Атмосфера из углекислого газа на металлический Ванадий действует значительно слабее, чем на его аналоги - ниобий и тан­тал. Он обладает высокой стойкостью к расплавленным металлам, поэтому может применяться в конструкциях атомных реакторов, где расплавленные металлы исполь­зуются как теплоносители. Ванадий не ржавеет ни в пресной, ни в морской воде, ни в растворах щелочей .

Из кислот на него действуют концентрированная сер­ная и азотная кислоты, плавиковая и их смеси.

Особенностью Ванадия считается высокая раствори­мость в нем водорода. В результате такого взаимодейст­вия образуются твердые растворы и гидриды. Наиболее вероятная форма существования гидридов - металлооб­разные соединения с электронной проводимостью. Они способны довольно легко переходить в состояние сверх­проводимости. Гидриды Ванадия могут с некоторыми твердыми или жидкими металлами образовывать рас­творы, в которых повышается растворимость водорода.

Самостоятельный интерес представляют карбиды Ва­надия, так как по своим качествам дают для современной техники материал с весьма ценными свойствами. Они ис­ключительно тверды, тугоплавки и обладают хорошей электрической проводимостью. Ванадий способен для образования своих карбидов даже вытеснить другие ме­таллы из их карбидов:

3V + Fе3С = V 3 С + 3Fе

Известен целый ряд соединений ванадия с углеродом :

V 3 С; V 2 C; VC; V 3 С 2 ; V 4 С 3

С большинством членов главной подгруппы Ванадий дает соединения как бинарные (т.е. состоящие только из двух элементов.), так и более сложного состава. Нит­риды образуются при взаимодействии порошка металла или его оксидов с газообразным аммиаком:

6V + 2NН 3 = 2V 3 N + 3Н 2

V 2 О 2 + 2NH 3 = 2VN + 2H 2 О + H 2

Для, полупроводниковой техники интерес представляют фосфиды V 3 Р, V 2 P, VP, VP 2 и арсениды V 3 As, VAs.

Комплексообразующие свойства Ванадия проявляются в об­разовании соединений сложного состава типа фосфорно-ванадиевой кислоты H 7 PV 12 O 36 или Н 7 [Р(V 2 O 6) 6 ].

ВАНАДИЙ (Vanadium), V (а. vanadium; н. Vanadin; ф. vanadium; и. vanadio), — химический элемент V группы периодической системы Менделеева, атомный номер 23, атомная масса 50,94. В природе известны два стабильных изотопа ванадия 50 V (0,25%) и 51 V (99,75%). Открыт мексиканским минерологом А. М. дель Рио в 1801.

Получение и применение ванадия

Металлический ванадий (95-99% V) получают карбо-, кальцие- и магниетермическим восстановлением технической V 2 О 5 или термической диссоциацией иодида ванадия. Для получения ванадия высокой чистоты применяется его рафинирование: электролиз расплавленных галогенидов ванадия, простая и зонная индукционная, дуговая и электроннолучевая плавка в вакууме. Около 90% ванадия потребляет чёрная металлургия, где он используется в качестве легирующей добавки к стали и чугуну. На основе ванадия создаются также различные сплавы, которые наряду с металлическим ванадием применяются как конструкционный материал в ядерных реакторах, а сплавы на основе Ti с присадками ванадия — в авиационной и ракетной технике. В химической промышленности соединения ванадия используются как катализаторы при контактном производстве серной кислоты; применяются в лакокрасочном, резиновом, текстильном, керамическом и других производствах.