ГлавнаяХимия5(Vb) группа

Химия - это просто

Популярно о химии
Что такое химия
Периодическая таблица:
· · Металлы
· · Неметаллы
· · Атомы 1(Ia) группы
· · Атомы 2(IIa) группы
· · Атомы 4(IVb) группы
· · Атомы 5(Vb) группы
· · Атомы 6(VIb) группы
· · Атомы 13(IIIa) группы
· · Атомы 14(IVa) группы
· · Атомы 15(Va) группы
· · Атомы 16(VIa) группы
· · Атомы 17(VIIa) группы
· · Атомы 18(0) группы
· · Переходные металлы
ОБЩАЯ ХИМИЯ
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Окислительно-восстановительные реакции

Атомы элементов 5(Vb) группы


Элемент V Nb Ta Db
Порядковый номер 23 41 73 105
Атомная масса (относительная) 50,9415 92,9064 180,9479 268
Плотность (н.у.), г/см3 6,11 8,57 16,65  
tпл, °C 1920 2470 3000  
tкип, °C 3400 4760 5500  
Энергия ионизации, кДж/моль:
I
II
III
IV
V
 
651,3
1418,3
2827,0
4505,8
6300,5
 
652,2
1379,7
2412,1
3695,4
4872,5
 
728,5
1563,1
2123
3184
4342
 
Электронная формула [Ar]3d34s2 [Kr]4d45s1 [Xe]4f145d36s2 [Rn]5f146d37s2
Электроотрицательность (по Поллингу) 1,63 1,60 1,50  

Электронные формулы инертных газов:



В 5 группу (Vb группу по старой классификации) периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева входят 4 элемента: ванадий, ниобий, тантал, дубний (см. таблицу выше). Это металлы, имеющие по 5 валентных электронов.

Самым распространенным в природе элементом 5-й группы является ванадий (0,014% по массе), занимающий 5-е место среди переходных элементов (после железа, титана, марганца, циркония); далее идут ниобий (0,002%) и тантал (0,0017%). Дубний получен искусственным путем в количестве нескольких микрограмм.

Ванадий, ниобий и тантал относятся к рассеянным элементам, поэтому, в природе в чистом виде практически не встречаются, но присутствуют в виде примесей к рудам других металлов.

Ванадий присутствует в титаномагнетитовых, осадочных железных рудах, бокситах, в которых он замещает железо и алюминий вследствие близости ионных радиусов (Fe=0,064 нм; V=0,065 нм). Современной науке известны порядка 90 различных минералов ванадия, важнейшими из которых являются ванадинит (Pb5(VO4)3Cl) и патронит VS4.

Тантал и ниобий содержатся в пегматитах (щелочных изверженных породах), образуя сложные оксиды с желзом, кальцием, марганцем, титаном. Основными тантал- и ниобий-содержащими рудами являются ферротанталит, манганоколумбит, лопарит.

Примечательно, что ванадий, ниобий и тантал были открыты примерно в одно и то же время. Первым ванадий в мексиканской бурой свинцовой руде открыл ученый-минералог А.М. дель Рио (1801 год), который назвал новый элемент панхромий, позже ванадий получил другое название - эритроний, и только в 1830 году с "легкой руки" шведа Н. Г. Сефстрёма ванадий получил современное название, в честь богини красоты Древней Скандинавии - Ванадис. В виде простого вещества ванадий впервые был получен англичанином Г. Роско в 1869 году - реакция восстановления хлорида водородом.

Примерно в этом же время, в 1801 году англичанин Ч. Хатчет в минерале, найденном в Колумбии, открывает новый элемент, который получает название колумбит. Год спустя, швед А.Г. Экеберг открывает в минералах из Скандинавии элемент, свойства которого очень схожи со свойствами колумбита. Открытый элемент, который было чрезвычайно трудно выделить в чистом виде, получает название тантал в честь героя древнегреческой мифологии Тантала - царя Сипила во Фригии, который был осужден на вечные муки.

Тот факт, что колумбит и тантал являются разными элементами доказал в 1844 году немец Г. Розе, который и назвал колумбит ниобием в честь Ниобы - дочери Тантала.

Дубний был впервые синтезирован в 1967 году советскими учеными из Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Через три года этот же элемент был получен американскими исследователями в Беркли. Изначально советские ученые предложили назвать новый элемент нильсборием в честь Нильса Бора, американцы настаивали на названии ганий, и только летом 1997 года комиссия IUPAC дала название 105-му элементу Периодической таблицы, назвав его дубний.

Ниобий и тантал имеют много общего с цирконием и гафнием по причине близости их ионных и атомных радиусов. У этих элементов близкие значения электроотрицательности, сходные химические свойства, их соединения обладают практически одной и той же растворимостью - все эти факты становятся серьезной проблемой при разделении элементов, в то же время, химия ниобия и тантала очень сильно отличается от химии ванадия. В высших степенях окисления свойства тантала и ниобия сходны со свойствами циркония и гафния, а в низших - с молибдена и вольфрама.

Ванадий может принимать степени окисления от -3 до +5, при этом, наиболее устойчивыми степенями окисления для ванадия являются +4 (кислая среда) и +5 (нейтральная или щелочная среда). Для тантала и ниобия наиболее устойчивыми степенями окисления являются +5.

В ряду ванадий-ниобий-тантал происходит ослабление химической активности элементов, возрастание твердости, температур плавления и кипения, что объясняется увеличением размера d-орбиталей, приводящих к упрочнению d-d перекрывания и упрочнением ковалентной составляющей в металлической связи.

По мере роста степени окисления ванадия его оксиды постепенно меняют оснОвные свойства на амфотерные, а затем - кислотные, при этом их температура плавления снижается - VO является оснОвным оксидом (1830°C), а высший оксид ванадия V2O5 (685°C) проявляет кислотные свойства; VF2 - тугоплавкие кристаллы, а VF5 - легколетучая жидкость.

В высших степенях окисления в ряду ванадий-ниобий-тантал наблюдается ослабление окислительных свойств соединений металлов - ванадий восстанавливается водородом до степени окисления +2; ниобий - до степени окисления +3; тантал в реакцию не вступает.

Примеры ионов и соединений ванадия, ниобия, тантала в различных степенях окисления:

Физические свойства V, Nb, Ta

Ванадий:

Ниобий и тантал:

Применение V, Nb, Ta:

Химические свойства V, Nb, Ta

Ванадий является более активным металлом, чем ниобий и тантал, но менее, чем титан. Из кислот-неокислителей, ванадий вступает в реакцию только с плавиковой кислотой:

2V+12HF = 2H3[VF6]+3H2

С горячим раствором концентрированной серной кислоты ванадий окисляется до соединений ванадила:

2V+12HF = 2H3[VF6]+3H2

Азотная кислота с плотностью выше 1,35 г/см3 окисляет и растворяет ванадий:

V+3H2SO4 = VOSO4+2SO2↑+3H2O

Полностью окисляют ванадий до высших степеней окисления хлорная, хлорноватая, бромноватая, йодноватая и пероксодисерная кислоты: HClO4, HClO3, HBrO3, HIO3, H2S2O8. Лучше всего ванадий растворяют царская водка и смесь азотной и плавиковой кислоты. При н.у. ванадий практически не окисляется на воздухе, не реагирует с растворами органических кислот и щелочей.

Реакционная активность ванадия повышается по мере роста температуры - порошок ванадия при нагревании на воздухе воспламеняется. С азотом при температуре 1000°C ванадий образует нитрид VN, с водородом - гидрид VH (500-900°C). Легче всего ванадий реагирует с галогенами, образуя при нагревании фториды (VF5), тетрахлориды (VCl4), трибромиды (VBr3), дииодиды (VI2).

Ниобий, и в большей степени тантал, еще менее склонны вступать в реакции с другими веществами, что объясняется наличием прочной защитной оксидной пленки на их поверхности. При н.у. ниобий медленно реагирует только со смесью азотной и плавиковой кислот, а тантал вообще с кислотами не реагирует. Даже при нагревании до температуры красного каления на воздухе слитки ниобия и тантала только тускнеют с поверхности. Измельченные в порошок ниобий и тантал при нагревании до 900°C сгорают в кислороде, мелкоизмельченный ниобий воспламеняется в расплавленной селитре. С галогенами ниобий и тантал взаимодействуют при нагревании до высоких температур. Также при значительном нагревании тантал и ниобий реагируют с серой, углеродом, аммиаком, азотом, сероводородом, водородом (реакция обратима).

Получение ванадия, ниобия, тантала

Примерно половину всего производимого ванадия получают переработкой железных ванадийсодержащих руд. На первом этапе производства, в домне ванадий из руды переходит в чугун, а при выплавке стали - в шлаки в форме оксида ванадия (III) и железа (II). Такие шлаки и являются основным сырьем при производстве ванадия.

Шлак смешивают с хлоридом натрия, после чего прокаливают при температуре 800°C на воздухе:

4FeV2O4+8NaCl+7O2 → 8NaVO3+2Fe2O3+4Cl2

Выделяющийся в ходе реакции хлор реагирует со шлаком:

2FeV2O4+9Cl2 = 4VOCl3+2FeCl3+2O2

Образующийся в ходе реакции плав, затем выщелачивается содой, и на последнем этапе - раствором серной кислоты осаждается оксид ванадия (V).

Металлический ванадий получают восстановлением из оксида кальцием:

V2O5+5Ca = 2V+5CaO

Поскольку ниобий и тантал в рудах содержатся в очень малых количествах (сотые доли процента), перед их промышленным использованием, такие руды предварительно обогащают при помощи различных методов (магнитных, химических, флотационных, гравитационных). Полученные, в ходе обогащения руд, концентраты (ниобаты и танталаты металлов) разлагают в горячей плавиковой кислоте, а затем спекают с содой или хлорируют. Самым сложным этапом является разделение соединений ниобия и тантала, посколкьу эти металлы обладают очень схожими свойствами.

В начало страницы