Пятая побочная подгруппа Периодической системы элементов Д.И. Менделеева
Пятая побочная подгруппа Периодической системы элементов Д.И. Менделеева
Министерство образования Российской Федерации
Уссурийский Государственный Педагогический Институт
Биолого-химический факультет
Курсовая работа
Пятая побочная подгруппа Переодической системы элементов Д.И. Менделеева
Выполнила:
студентка 2 курса 521 группы
Савенко О.В._________
Научный руководитель:
Ст. преподаватель
Карпенко Н.Н._________
Уссурийск, 2001 г.
Содержание :
Глава I. Ванадий…………………………………………
I.1. История открытия элемента…………………………………………………
I.2. Характеристика элемента……………………………………………..….
I.3. Распространенность в природе………………………………………….
I.4. Химические свойства ванадия…………………………………………….
I.5. Оксиды ванадия…………………………………………………………….
I.6. Ванадиевые кислоты, основания и соли…………………………………
I.7. Органические соединения ванадия………………………………………
I.8. Потенциальная опасность для здоровья…………………………………
I.9. Физиологическое значение………………………………………….
I.10. Области применения ванадия……………………………………………..
Глава II. Характеристика элементов ниобия и
тантала…………………………………………………………………..
II.1. История открытия элементов…………………………………
Глава III. Ниобий…………………………………………………..
III.1. Ниобий в свободном состоянии………………………………………
III.2. Химические свойства ниобия………………………………………….
III.3. Оксиды ниобия, кислоты и их соли…………………………………..
III.4. Соединения ниобия…………………………………………………….
Глава IV. Тантал…………………………………………………………
IV.1. Тантал в свободном состоянии………………………………………….
IV.2. Химические свойства тантала…………………………………………….
IV.3. Химия танталовых соединений…………………………………………….
IV.4. Применение тантала и ниобия………………………………………………
Глава V. Нильсборий…………………………………………………
Литература…………………………………………………………
Глава I. Ванадий
I.1 История открытия элемента
Ванадий назван в честь богини красоты древних скандинавов — легендарной
Фреи Ванадис. Это имя элементу дал в 1831 г. Гавриил Сефстрем, профессор
Горного института в Стокгольме, Он выделил элемент из шлака, получающегося
при плавке руды в доменных печах. Работу Г. Сефстрем осуществил вместе со
своим учеником Иоганном Якобом Берцелиусом.
Объективность требует сказать, что до Г. Сефстрема этот элемент уже был
выделен, и даже не один, а два раза. В 1801 г. мексиканский минералог
Андрес Мигуэль дель Рио обнаружил в бурой свинцовой руде не встречавшийся
прежде элемент и назвал его «эритронием». Однако он усомнился в своих
выводах и решил, что имеет дело с недавно открытым хромом, поэтому не
обнародовал своей находки. Чуть раньше Г. Сефстрема к открытию этого
элемента подошел Фридрих Вёлер, тот самый, с именем которого связывают
первый в истории синтез органического вещества в лаборатории. Ф. Вёлер
исследовал привезенные из Мексики руды (с которыми имел дело и Дель Рио) и
обнаружил в них нечто необычное, но тут он некстати заболел, а когда
возобновил работу и определил, что имеет дело с новым элементом, то было
уже поздно — Г. Сефстрем к этому времени опубликовал известие о своем
открытии. Таким образом, честь открытия ванадия оставалась за Г.
Сефстремом.
Ф. Велер же, «прозевавший» ванадий, так написал другу о своей
неудаче: «Я был настоящим ослом, проглядев новый элемент в бурой свинцовой
руде, и прав был Берцелиус, когда он не без иронии смеялся над тем, как
неудачно и слабо, без упорства, стучался я в дом богини Ванадис» .
Однако на самом деле Сефстрем выделил из шлака не чистый металл, а
твердые и жаростойкие его соединения — карбиды ванадия. Он получил порошок
черного цвета, а в чистом виде ванадий — ковкий металл светло серого цвета.
Но это выяснилось лишь после 1667 г. (т. е. более тридцати лет спустя после
открытия Г. Сефстрема), когда ванадий и его соединения как следует изучили
Генри Энфильд Роско и Эдуард Горне. В 1869 г. Г. Роско удалось впервые
получить ванадий 96-процентной чистоты. Металл оказался хрупким и твердым,
но только, что несколькими строчками выше говорилось, что ванадий — ковкий,
а не хрупкий. Противоречия здесь нет. По мере
удаления оставшихся 4% примесей ванадий становится
все более пластичным и ковким. Впервые чистый ванадий получен в 1927 г.
I.2. Характеристика элемента
Ванадий считают как бы связующим между элементами первой и побочной
подгрупп V группы. Его химия напоминает химию подгруппы азота тем, что в
степени окисления +5 ванадию соответствует кислота НVО3, гораздо более
устойчивая, чем кислоты сурьмы и висмута — членов главной подгруппы. В то
же время этот элемент образует простое вещество, которое, подобно другим
членам побочной подгруппы, является типичным устойчивым тугоплавким
металлом.
По количеству степеней окисления ванадий напоминает азот. Ни у кого из
его аналогов (ни у ниобия, ни у тантала) нет такого количества степеней
окисления, как у ванадия. Точно известны четыре его состояния: +2, +3, +4 и
+5. У азота есть еще два других: +1 и -3. Относительно недавно появилось
сообщение о том, что при содержании кислорода 14,5—15,5 % происходит
образование ?-фазы, близкой по составу к V2O. Наличие степени окисления +4
и +1 подтверждается органическими производными ванадия. Что же касается
соединений с водородом, когда формально степень окисления соответствует -3,
то ванадий обладает способностью растворять водород и при этом образовывать
с ним гидрид.
По стабильности валентные состояния ванадия неравноценны. В обычных
условиях самым устойчивым состоянием будет +4. В это состояние он может
быть переведен из +3 даже молекулярным кислородом, а из +5 восстановлен
мягкими восстановителями. На этом основана, кстати сказать, ванадатометрия
-определение при помощи соединений ванадия присутствия, например, ионов
Fe2+, Os4+, Mo+5.
I.3. Распространенность в природе
На его долю приходится пять из каждых ста тысяч атомов земной коры.
Однако число богатых месторождений невелико. Первое из них было обнаружено
в 1902г. в Испании - ванадий сопутствовал свинцу. Исключительной по своему
содержанию является руда, добываемая на высоте 4700 м в Перу: она состоит
из сульфида ванадия – V2S5. При обжиге получается одновременно два нужных
экономике продукта: оксид серы (IV), необходимый для получения серной
кислоты, и ванадий - для оборонной промышленности. Ведь ванадий -
стратегическое сырье, без него не обходится производство специальных сортов
стали.
Всего известно более 65 минералов, включающих ванадий. Интересной
особенностью распространения этого элемента является его содержание в
ископаемых растительного происхождения: углях, нефти, горючих сланцах и др.
Вода морей содержит 0,3 г ванадия на 1000 т, и некоторые обитатели морей
(морские ежи, голотурии) включают его в состав своего организма.
Долгое время не получали чистый ванадий, а когда это произошло, то
оказалось, что свойства даже 96% ванадия резко отличаются от свойств 100 %.
Это металл серебристо-серого цвета, ковкий и пластичный. При температуре,
близкой к абсолютному нулю (4,3 К), обладает сверхпроводимостью. Однако
даже небольшие примеси кислорода, азота или водорода делают металл твердым
и хрупким, как бы переводя его из типичного металла в нетипичный. В таком
изменении свойств есть своя логика: по мере того как он все более
насыщается кислородом и переходит от VO к V2O5, его металлический характер
меняется на неметаллический.
Процесс получения чистого ванадия довольно сложный. Сначала стремятся
получить его оксид (V2O5 или V2O3) или галогенид (VС13 или VI3), а затем
применяют либо металлотермию:
V2O5 + 5Ca = 5CaO+2V;
2VCl3 + 3Mg== 3MgCl2+2V,
либо восстановление углем в вакууме:
V2О3 + 3C = 3CO+2V,
либо термическую диссоциацию в вакууме на горячей проволоке:
2VI3 = 2V+3I2
Последним способом получают металл высокой чистоты.
I.3.1. Источники
Основным источником поступления ванадия в подземные воды являются
железные и полиметаллические руды, содержащие небольшую примесь ванадия, а
также экологические факторы: сточные воды предприятий черной и цветной
металлургии, добыча и переработка нефти, сжигание углеводородного топлива
(например, выбросы автомобилей). Ванадий имеет свойство связываться с
другими элементами и частицами и поэтому в основном задерживается в почве,
где и остается длительное время. В растениях обнаруживаются только
незначительные следы ванадия, что свидетельствует о его слабом накоплении в
растительных тканях.
I.3.2. Влияние на качество воды
В воде ванадий образует устойчивые анионные комплексы (V4O12)4- и
(V10O26)6-. В миграции ванадия существенна роль его растворенных
комплексных соединений с органическими веществами, особенно с гумусовыми
кислотами. Концентрация ванадия в природных водах ничтожна - сотые и тыс.
доли мг/л. В таких количествах ванадий не оказывает сколько-нибудь
значительного влияния на качество воды. Очевидно, этот факт и является
причиной того, что ни ВОЗ, ни USEPA, ни ЕС содержание ванадия в воде не
нормируют. По российским нормам предельно допустимая концентрация ванадия
для питьевой воды составляет 0,1 мг/л. Практически такие концентрации
могут встречаться только при проникновении в подземные воды
ванадийсодержащих сточных вод. Технология удаления из воды: обратный осмос,
ионный обмен, дистилляция.
I.4. 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 («пассивированное состояние»). Для того чтобы заставить
пассивированный 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:
2V +5O2[pic]2V2O5[pic]2VO2 + O2;
2V +5F[pic]2VF5;
2V +2Cl2 в токе хлора t VCl4
Прямым взаимодействием элементов при нагревании могут быть получены
сульфиды, карбиды, нитриды, арсениды, силициды. Для техники важны желто-
бронзовый нитрид VN (tпл = 2050°С), устойчивый к воде и кислотам, а также
обладающий высокой твердостью карбид VC (tпл = 2800 °С).
Ванадий очень чувствителен к примесям газов (O2, N2, H2), 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 VF5, 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.
Действуют на него лишь расплавленные щелочи:
4V + 12NaOH + 5O2 = 4Na3VО4 + 6H2О
Из кислот на него действуют концентрированная серная и азотная кислоты,
плавиковая и их смеси:
V + 4H2SО4 = V(SО4)2 + 2H2О + 2SО2
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 = V3С + 3Fе
Известен целый ряд соединений ванадия с углеродом:
V3С; V2C; VC; VзС2; V4С3
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 + 2NН3 = 2V3N + 3Н2
V2О2 + 2NH3 = 2VN + 2H2О + H2
Для, полупроводниковой техники интерес представляют фосфиды V3Р, V2P,
VP, VP2 и арсениды V3As, VAs.
Комплексообразующие свойства ванадия проявляются в образовании
соединений сложного состава типа фосфорно-ванадиевой кислоты H7PV12O36 или
Н7[Р(V2O6)6].
I.5. Оксиды ванадия
В системе ванадий - кислород взаимодействие начинается при нагревании
до температуры примерно 300°С. Получено большое количество оксидов ванадия,
характер которых постепенно меняется при переходе от низших оксидов к
высшим. Относительно недавно обнаружен низший оксид V2О. Он нестоек и по
своему характеру близок к металлическому состоянию. Его светло-серые
кристаллы отливают металлическим блеском, хорошо проводят электрический
ток.
Оксид VO более стоек, нерастворим в воде, но растворяется в
разбавленных кислотах с образованием двухзарядного катиона V2+.
VO + H2SО4 = VSО4 + H2О
Водные растворы ванадия в такой степени окисления окрашены в
фиолетовый, или в бледно-голубой цвет. Растворы солей иона V2+ неустойчивы
и настолько сильные как восстановители, что при стоянии выделяют водород
прямо из воды, а ион ванадия переходит в более устойчивые высшие степени
окисления. При добавлении к растворам любого даже слабого основания
образуется бурый аморфный осадок V(OH)2. В чистом виде, однако, выделить
его нельзя, так как на воздухе он быстро превращается в серо-зеленый
гидроксид V(ОН)3.
Из особенностей оксида можно отметить существование при определенных
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|