V polovině 20. století se v chemické vědě objevil termín – kovy strategického významu. Znamenalo to skupinu prvků, jejichž fyzikálně-chemické vlastnosti umožnily jejich použití při výrobě vojensko-průmyslového komplexu. Řeč je o kovech jako je chrom, tantal, niob, molybden a wolfram. Vanad, jehož vlastnosti se budeme v tomto článku zabývat, také právem zaujímá jedno z centrálních míst mezi kovy používanými v moderním strojírenství, metalurgii železa, nástrojářské a chemické výrobě. Kov tvoří s kyslíkem čtyři oxidy, které vykazují mocenství 2, 3, 4 a 5. 5, které budeme studovat podrobněji.
Seznamte se s vanadem
V chemické vědě existuje dlouho zavedenépravidlo uvádějící, že charakterizace chemického prvku musí začínat jeho polohou v periodickém systému D. I. Mendělejev. Chemický vzorec vanadu jako jednoduché látky je V, pořadové číslo 23, atomová hmotnost 50, 9414. Nachází se ve čtvrté periodě, páté skupině a spolu s niobem a tantalem je typickým představitelem tzv. žáruvzdorné kovy. Vzorky čisté látky jsou plastické a mají stříbřitě šedou barvu. Atom vanadu je d-element, má dva S-elektrony na poslední energetické úrovni, nicméně ty negativní částice, které se nacházejí na d-podúrovni téže čtvrté úrovně, budou také valenční.
Kde se kov nachází a jaké jsou jeho fyzikální vlastnosti
Prvek samotný nelze v přírodě nalézt v čisté formě. Ale je přítomen jako povinná složka v polymetalických a železných rudách. Dříve jsme mluvili o plasticitě a kujnosti jednoduché látky, nyní doplníme, že důležitými fyzikálními vlastnostmi vanadu jsou vysoké teploty varu a tání, rovné 3400 °C, respektive 1920 °C. Stejně jako titan drasticky zhoršuje své fyzikální a chemické parametry, když je kontaminován nečistotami, jako je dusík, vodík nebo kyslík. Zejména se snižuje jeho tažnost a mechanická pevnost a vanad se stává křehkým.
Speciální chemické vlastnosti
Kov je schopen pasivace, tzn. má jedinečnou schopnost odolávat působení agresivního chemického prostředí: roztoky kyselin, zásad a solí, vytvářející na svém povrchu ochranný film -oxid vanadičitý. Krystalová mřížka prvku má krychlovou strukturu. Je třeba také poznamenat, že odolnost ocelí obsahujících prvek proti korozi je velmi vysoká, což umožňuje jejich použití jako nosné spojovací prvky pro mostní podpěry a vrtné plošiny pro těžbu ropy na moři. Moderní výrobu nástrojů si nelze představit bez ocelí obsahujících vanad. Spolu s niobem, chromem a titanem se prvek používá k legování speciálních slitin používaných v raketové vědě a kosmickém průmyslu. Koncentrované dusičnanové a síranové kyseliny, roztok fluorovodíku ve vodě a směs chloridových a dusičnanových kyselin zvaná aqua regia však s kovem snadno interagují. Prvek vanad jako jednoduchá látka může reagovat s chlorem, bromem, sírou a vznikají odpovídající soli. S kyslíkem poskytuje několik oxidů, které se značně liší svými chemickými vlastnostmi. Zvažte je dále.
Bazické a amfoterní oxidy
Kov tvoří dva oxidy, VO a V2O3, které vykazují typické základní vlastnosti. V laboratoři se monoxid těží redukční reakcí V2O5 jemný vanadový prášek. Bazické oxidy reagují s roztoky kyselin za vzniku odpovídajících solí. A již z nich lze získat hydroxidy provedením výměnné reakce s alkáliemi. Oxid vanadičitý se nachází jako součást minerálu karelianitu a získává se v laboratoři zahříváním V2O5 se sírou, uhlí nebo vodík. Oba bazické oxidy mají silně výrazné redukční vlastnosti. Oxid VO2 je typická amfoterní sloučenina, která reaguje s kyselinami i zásadami. V roztoku, jehož pH je nižší než 7, se nacházejí kladně nabité ionty vanadylu VO2+, které dávají roztoku světle modrou barvu a v alkalickém prostředí se tvoří soli kyseliny polyvanadové. Oxid vanadičitý přitahuje vodu, tzn. je hygroskopická látka, při reakcích se chová jako redukční činidlo.
Oxid vanadičitý
Sloučenina, jejíž vzorec je V2O5, je nejdůležitější oxid kovu. Je to ve vodě rozpustná oranžová krystalická látka, která reaguje s alkáliemi za vzniku vanadičnanů - solí kyseliny metavanadové HVO3. Je široce používán jako katalyzátor při oxidaci oxidu siřičitého na anhydrid kyseliny sírové při průmyslové výrobě síranové kyseliny. Oxid vanadičný má kosočtvercovou krystalovou mřížku a známky amfoterity s převahou vlastností kyselých oxidů. V reakcích se chová jako silné oxidační činidlo. Tato sloučenina se používá ve sklářské technologii, medicíně a organické syntéze.
Metody pro extrakci vanadu z jeho sloučenin
Už jsme zmínili, že kov je součástí železné rudy. Při vysokopecní výrobě přechází prvek spolu s nečistotami uhlíku a fosforu do litiny. Při tavení oceli se oxid vanadičitý 5 vysráží ve složení strusky, kde jeho obsah může dosáhnout 16 %. Přidání k tomukuchyňskou solí a pražením směsi v pecích se získá produkt, který se dále rozpustí ve vodě. Výsledný vodný koncentrát se zpracuje síranovou kyselinou a izoluje se z něj V2O5. K izolaci čistého vanadu od oxidu můžete použít metodu vápníkotermy - redukci kovů pomocí kovového vápníku. Pro snížení technologických nákladů při reakci s oxidem vanadičným se místo vápníku často používá hliník. Kov lze také získat redukcí oxidu trojmocného vanadu uhlím.
Biologická role
Vanadium je přítomno v živých organismech jako stopový prvek, který je součástí mezibuněčné tekutiny mořských ostnokožců. U holothurianů a mořských ježků je spojena s proteiny, které plní funkci transportu kyslíku do buněk a odstraňování oxidu uhličitého. Obsah prvku je nevýznamný v organismech teplokrevných živočichů a člověka, kde je ve složení pankreatických enzymů, v neurogliích a nefronech. U rostlin je stopový prvek zapojen jako enzym do temné fáze fotosyntézy a ovlivňuje hladinu chlorofylového pigmentu umístěného v chloroplastech. Nachází se také v nodulových bakteriích, které jsou fixátory dusíku, v tkáních vyšších hub. Oxid vanadičitý jako součást černozemě spolu se sloučeninami boru, mědi, zinku a manganu ovlivňuje úrodnost půdy.
V našem článku jsme studovali základní vlastnosti vanadu a jeho oxidů a také jsme zvažovali použití jeho sloučenin vprůmysl.
