Пятая побочная подгруппа Периодической системы элементов Д.И. Менделеева

и способны к изменению цвета в зависимости от условий процесса и характера

среды. Все же следует сказать, что химия органических соединений ванадия

еще ждет своих исследователей.

I.8. Потенциальная опасность для здоровья

Наибольшему воздействию при вдыхании содержащей ванадий пыли подвержены

легкие, бронхи, глаза. Рабочие, вдыхавшие такую пыль даже непродолжительное

время жалуются на раздражение и хрипы в легких, кашель, боли в груди,

насморк и першение в горле. Иногда наблюдается удушье, зеленоватый налет на

языке и побледнение кожных покровов. Правда, эти признаки исчезают уже

вскоре после прекращения вдыхания загрязненного воздуха. Аналогичные

результаты были получены и на животных. По данным Агентства по учету

токсических веществ и болезней США. Других типов воздействия ванадия на

организм человека не наблюдается. Данные об отрицательном влиянии ванадии

при его поступлении с пищей или при кожном контакте отсутствуют. Тем не

менее, опыты, проводившиеся на животных показали, что воздействие

сверхвысоких доз ванадия приводит к смертельному исходу. У беременных

животных, подвергавшихся воздействию несколько меньших доз наблюдались

дефекты у новорожденных. У животных, долгое время вдыхавших или получавших

с пищей значительные количества ванадия появлялись незначительные проблемы

с печенью и почками. Следует отметить, что те дозы ванадия, которые

использовались в опытах многократно превышают концентрации, имеющие место в

природе.

Департамент здравоохранения США, Агентство по исследованию рака и

Агентство по охране окружающей среды США не относят ванадий к числу

канцерогенов. При исследовании животных, длительное время получавших

повышенные дозы ванадия с водой, рост числа опухолевых заболеваний не

выявлен.

I.9. Физиологическое значение

Суммируя различные источники, можно сказать, что ванадий - это

микроэлемент, участвующий в регулировании углеводного обмена, сердечно-

сосудистой деятельности (в частности, уменьшает выработку холестерина).

Ванадий участвует также в процессах формирования костей и зубов, роста и

метаболизма жиров, а также стимулирует рост и репродукцию клеток, действуя

при этом как противораковое средство. Ванадий вместе с цирконием,

сопутствуя серебру, благотворно действует на функции паренхиматозных

органов (печень, селезенка, легкие), щитовидной и поджелудочной желез,

гипофиза, половых органов, мышечной системы.

Хотя дефицит ванадия у человека - редкое явление, однако у подопытных

животных нехватка ванадия приводит к ухудшению роста зубов, костей, хрящей

и мускулов, а также ослаблению функции размножения. Существуют также

американские данные о том, что недостаток ванадия связан с развитием

диабета. По крайней мере дефицит ванадия, наряду с недостатком хрома и

цинка, является одним из важнейших индикаторов симптомов диабета.

Депонируется ванадий в основном в костных и жировых тканях.

Уровень суточной потребности организма человека в ванадии не

установлен, но по экспертным оценкам составляет около 2 мг в день.

I.10. Области применения ванадия

Этот элемент получил вполне заслуженно название «витамин для стали».

Половина легированных сталей всего мирового производства содержит добавки

ванадия. Именно на это в виде феррованадия идет 95% от общего добываемого

количества этого металла. Сплав, содержащий ванадий, становится тверже,

выдерживает значительные динамические нагрузки и меньше истирается. Ванадий

обладает высоким сродством к азоту, кислороду и углероду. Соединяясь с

малыми их количествами, он значительно повышает качество стали, делает ее

мелкозернистой и более вязкой. Она легче переносит удар и изгиб, лучше

противостоит разрыву. Легкость ванадия передается сплавам, и они становятся

особенно ценными там, где масса играет решающую роль, — в авиации и

автомобилестроении.

Другая основная область его применения — химическая промышленность.

Ванадиевые катализаторы сочетают способность ускорять получение весьма

ценных продуктов со стойкостью к большинству контактных ядов. Такие

катализаторы сыграли решающую роль по усовершенствованию технологии

получения серной кислоты и увеличению мощности установок. Другие важные

процессы, где используются соединения ванадия: производства анилина,

щавелевой кислоты, переработка нафталина и др. Одна массовая часть

катализирует превращение 200 тыс. массовых частей соли анилина в краситель

— черный анилин.

Из других областей использования ванадия можно указать медицину, где

некоторые соединения ванадия применяют как дезинфицирующие и лечебные

препараты, а также производство сплавов с алюминием, медью и никелем. Такие

сплавы, содержащие добавки ванадия от 0,5 до 20%, улучшают качество бронз и

латуней, придают химическую стойкость никелевым сплавам, а золоту сообщают

не свойственную ему твердость.

Глава II. Характеристика элементов ниобия и тантала

По размеру, как атомов, так и ионов ниобий и тантал близки друг к

другу, поэтому их свойства как элементов целесообразно рассмотреть

одновременно. Одинаковые объемы атомов объясняются тем, что член VI периода

— тантал следует в этом периоде почти сразу же за лантаноидами, у которых

происходит заполнение электронами не внешнего, а третьего снаружи слоя. Это

приводит к так называемому лантаноидному сжатию — увеличивающееся

количество внутренних отрицательно заряженных электронов сильнее

притягивается положительно заряженным ядром. Вследствие этого радиус атома

с увеличением порядкового номера элемента не только не увеличивается, но

даже несколько уменьшается.

По сравнению со свойствами ванадия характер элементов сдвигается

заметно в сторону усиления металлических качеств. Степени окисления меняют

свой характер и устойчивость. Низшие положительные степени окисления

нестабильны, поэтому их соединения малочисленны и плохо изучены. Отличие от

ванадия состоит и в том, что их единственным стабильным состоянием является

не +4 (как у V), а .+.5. Причем характер соединений в этом случае для

ниобия и тантала несколько различается (например, по кислотным свойствам

оксидов).

Разница в химических свойствах ниобия и тантала основывается на

различной структуре электронных оболочек их атомов. На внешнем слое у

ниобия один электрон, а у тантала — два:

Nb 4d45 s1 Та 5 d3 6 s2

Следовательно, у ниобия наблюдается отклонение от обычной

последовательности заполнения электронами энергетических орбиталей. Один из

двух электронов, имевшихся на внешнем слое у идущего перед ниобием элемента

(циркония), переходит на 4d-орбиталь внутреннего второго снаружи слоя.

Связь электронов с ядром в ячейках 4d4 и 5s1 примерно одинакова: разница

составляет всего около 7 эВ. К тому же расположение электронов позволяет им

иметь одинаково направленные спины. Эти особенности облегчают атому ниобия

возможность использования всех своих пяти валентных электронов при

химических реакциях.

Тантал находится в 5d-группе переходных металлов. Структура его атома

такова, что в ней сохраняется два электрона на внешнем уровне. При

химических взаимодействиях нужно затратить энергию, чтобы произошел переход

одного из двух электронов с 6s2-орбитали на р- или d-орбиталь

соответственно внешнего или предвнешнего энергетического слоя.

Необходимостью дополнительной энергии и объясняется химическая инертность

тантала по сравнению с ниобием. Ниобий и в виде металла химически более

активен, и его высший оксид обладает более выраженными кислотными

свойствами, чем оксид тантала. В водных растворах ионы ниобия сравнительно

легче восстанавливаются, тогда как у тантала все эти качества

обнаруживаются в меньшей степени.

В исследованиях по химии этих двух элементов указывается на

существование состояний окисления +5, +4, +3, +2 и даже +1. Однако во всех

работах отмечается, что соединения ниобия и тантала низших степеней

окисления образуются с. трудом и не имеют большого значения в практическом

использовании элементов.

II.1. История открытия элементов

Элементы, образующие в семействе V группы свою «ветвь», похожи друг

на друга не только по своим свойствам, но и «родственники» по названиям:

ванадии, ниобий, тантал. Во-первых, наименования всех трех относятся к

области мифологии. Во-вторых, в названиях указана прямая родственная связь:

в древнегреческой мифологии Ниобея является дочерью Тантала.

Имя «ниобий» дал элементу немецкий химик Генрих Розе. Тем самым

подчеркивалось сходство нового (как был уверен Г. Розе) элемента с уже

известным к 1844 г. танталом. Как оказалось впоследствии, это было второе

рождение элемента, первое произошло в 1801 г. Английский ученый Чарлз

Хатчет изучал черный минерал, присланный из недавно образовавшихся

Соединенных Штатов Америки. Работая с этим минералом, он выделил оксид

неизвестного прежде элемента. Элемент Хатчет назвал колумбием, подчеркивая

его заокеанское происхождение. Черный минерал получил название «колумбит».

Через год в 1802 г. шведский химик Андерс Густав Экеберг обнаружил в

одной из финляндских руд новый химический элемент. А. Экеберг не знал об

открытии Ч. Хатчета и поэтому новому элементу дал наименование «тантал», а

руда стала называться танталитом. Сходство тантал и колумбия и их

соединений между собой было так велико (с точки зрения тогдашних химиков),

что свыше сорока лет подавляющее большинство химиков считало: Колумбии и

тантал—один и тот же элемент.

За этим элементом прочно закрепилось название «тантал». Поводом к

такому названию послужило необычное для металлического оксида свойство: он

не способен «насыщаться» — образовывать соли с кислотами.

Как известно, мифологический герой Тантал был осужден богами на вечный

голод и жажду. Муки его усугублялись видом все время ускользающих от его

уст водяных струй и сочных плодов.

Сильно меняющаяся от образца к образцу плотность оксида тантала

заставила предположить присутствие в ней какого-то другого элемента, очень

похожего на тантал, а потому трудно отделимого от него. Поэтому, когда в

1844 г. Г. Розе исследовал образцы колумбита, найденные в Баварии, он вновь

столкнулся с оксидами не одного, а сразу двух металлов. Поскольку

считалось, что Колумбии и тантал — это один элемент, то Розе счел возможным

дать название элементу, образующему второй оксид. Подчеркивая сходство, он

назвал этот второй элемент, входящий в минерал, ниобием, по имени Ниобеи,

дочери легендарного Тантала. Впрочем, как Г. Розе, так и Ч. Хатчет не

сумели получить ниобий в свободном состоянии. Металлическнй ниобий был

впервые получен лишь в 1866 г. шведским ученым Бломстрадом при

восстановлении хлорида ниобия водородом.

Приключения же с названием элемента ниобия кончились лишь в 1950 г.

До этого в разных странах его называли по-разному. Если металл колумбии

(как его назвали в Америке) попадал из США в Англию, то он продолжал

называться колумбием. Если металл попадал в другие страны, то становился

ниобием. Конец этой разноголосице положил Международный союз по

теоретической и прикладной химии (IUPAC). Было решено, узаконить повсюду

название элемента «ниобий», а за основным минералом состава (Fе, Мn)(Nb,

Та)2О6 закрепить название «колумбит»

Глава III. Ниобий

Ниобий — это химический элемент XX в. в прямом и переносном смысле.

Хотя как элемент его открыли в самом начале XIX в. (1801 г.), но как металл

был получен лишь век спустя (1907 г.), а сейчас без него не может обойтись

техника двадцатого столетия. Получение коррозионноустойчивых и

сверхжаропрочных сталей, конструирование аппаратуры для атомных реакторов,

ракетная и космическая техника — вот далеко не полный перечень отраслей

современной Промышленности, которые не могут обходиться без этого металла.

В свободном виде ниобий в природе не встречается, а в минералах почти

всегда находится с танталом. Ниобиево-танталовых минералов сейчас

насчитывается более семидесяти. Основные—это колумбит-танталит (Fe, Мn)

(Та, Мn)2O6, в нем 85% - высших оксидов ниобия и тантала; лопарит (Na, Се,

Са, Sr) (Nb, Ti) O3 содержит 8—10% ниобия; (Nb, Та)2 O5; в пирохлор (Na,

Ca)2(Nb, Ti) 2 O6(F, ОН) входит до 65% оксида ниобия (V).

III.1. Ниобий в свободном состоянии

Он настолько красив, что одно время пытались из него делать ювелирные

изделия: своим светло-серым цветом ниобий напоминает платину. Несмотря на

высокие температуры плавления (2500°С) и кипения (4840°C), из него легко

можно сделать любое изделие. Металл настолько пластичен, что его можно

обрабатывать на холоду. Очень важно, что ниобий сохраняет свои механические

свойства при высоких температурах. Правда, как и в случае ванадия, даже

небольшие примеси водорода, азота, углерода и кислорода сильно уменьшают

пластичность и повышают твердость. Ниобий становится хрупким при

температуре от — 100 до — 200 °С.

Получение ниобия в сверхчистом и компактном виде стало возможным с

привлечением техники последних лет. Весь технологический процесс сложен и

трудоемок. В принципе он делится на 4 этапа:

1) получение концентрата: феррониобия или ферротанталониобия;

2) вскрытие концентрата — перевод ниобия (и тантала) в какие-либо

нерастворимые соединения, чтобы отделить от основной массы концентрата;

3) разделение ниобия и тантала и получение их индивидуальных соединений;

4) получение и рафинирование металлов.

Первые два этапа довольно просты и обычны, хотя и трудоемки. Степень

разделения ниобия и тантала определяется третьим этапом. Стремление

получить как можно больше ниобия и особенно тантала заставило изыскать

новейшие методы разделения: избирательной экстракции, ионного обмена,

ректификации соединений этих элементов с галогенами. В результате получают

либо оксид, либо пятихлориды тантала и ниобия в отдельности. На последнем

этапе применяют восстановление углем (сажей) в токе водорода при 1800°С, а

затем температуру повышают до 1900°С и понижают давление. Получившийся при

взаимодействии с углем карбид вступает в реакцию с Nb2O5:

2Nb2O5 + 5NbC = 9Nb + 5CO3,

и появляется порошок ниобия. Если в результате отделения ниобия от

тантала получен не оксид, а соль, то ее обрабатывают металлическим натрием

при 1000°С и также получают порошкообразный ниобий. Поэтому при дальнейшем

превращении порошка в компактный монолит проводят переплавку в дуговой

печи, а для получения монокристаллов особо чистого ниобия используют

электроннолучевую и зонную плавку.

III.2. Химические свойства ниобия

Ниобий особенно ценится за его устойчивость к действию неорганических и

органических веществ.

Есть разница в химическом поведении порошкообразного и кускового

металла. Последний более устойчив. Металлы на него не действуют, даже если

нагреть их до высоких температур. Жидкие щелочные металлы и их сплавы,

висмут, свинец, ртуть, олово могут находиться в контакте с ниобием долго,

не меняя его свойств. С ним ничего не могут поделать даже такие сильные

окислители, как хлорная кислота, «царская водка», не говоря уж об азотной,

серной, соляной и всех прочих. Растворы щелочей на ниобий тоже не

действуют.

Существует, однако, три реагента, которые могут переводить

металлический ниобий в химические соединения. Одним из них является расплав

гидроксида какого-либо щелочного металла:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5