Актуальные соединения ванадия

Ванадий образует широкий спектр различных соединений. Двухвалентный V(II) в составе растворов является неустойчивым и обладает способностью к восстановлению даже водородных ионов. Трехвалентный V(III) также проявляет восстановительные свойства. Пятивалентный V(V) – мощный окислитель но лишь в среде кислых растворов В щелочных же средах V(V) весьма устойчив. Растворы солей V(II) имеют темно-лиловый окрас, V(III) – изумрудный, V(IV) – лазурный, V(V) – охристый.

Сплавы ванадия

V перспективен для создания сплавов, способных функционировать в режиме более высоких температур, чем жаростойкие сплавы никеля и кобальта. Содержание в составе стали всего 0,1 – 0,3% V обеспечивает значительное повышение ее прочности и упругости, снижая чувствительность к ударным деформациям.

Номенклатура и свойства сплавов V регламентируются ГОСТ 26473.13-85 «Сплавы и лигатуры на основе ванадия. Метод спектрального анализа». Ванадиевые сплавы используются, по преимуществу, в виде легирующих компонентов в сталелитейном производстве. Наиболее потребляемым в чернометаллургической отрасли сплавом легирующего назначения является феррованадий FeV 80% (ГОСТ 27130-94 Феррованадий. Технические требования и условия поставки).

Помимо Fe, рецептура сплавов и лигатур ванадия предусматривает наличие таких легирующих элементов, как Al, Cr, Ni, W, Mo, Ti, Та, Nb, Zr. При этом добавки W, Та и Nb способствуют снижению пластичности сплавов V. Ванадий-ниобиевые сплавы имеют низкую степень пластичности даже в режиме очень высоких температур. Наиболее же пластичными являются сплавы типа V – Ti и V – Zr.

Соединения «V-О» (оксиды ванадия)

Кислородные соединения V представляют собой ряд оксидов: VO, V₂O₃, VO₂,V₂O₅. Оранжевато-коричневый пентаоксид V₂O₅ имеет кислотный генезис, сине-фиолетовый диоксид VO₂ — амфотерный, прочие оксиды V — основные.

Соединения V со степенями окисления +2(II) и +3(III) проявляют свойства восстановителей, со степенью +5(V) являются окислителями. Во всех степенях окисления V чаще всего имеет координационное число 6. В степенях окисления +4(IV) и +5(V) возможно также образование соединений с к.ч. 4 (напр., в ди-, орто- и метаванадатах), а также 5 и 8.

Оксиды ванадия широко применяются как промышленные катализаторы в таких сферах, как производство кислот, органический синтез, стекольное производство, текстильная и резинотехническая промышленность, иных хозяйственных отраслях.

Пятиокись (пентаоксид) ванадия

Самым актуальным в промышленном отношении кислородным соединением V является его пятиокись V₂O₅, имеющая в порошковой модификации охристые цветовые оттенки (рис. 1).

Рисунок 1. Пятиокись (пентаоксид) ванадия.

Пентаоксид V₂O₅ имеет кислотный характер. При температуре свыше 700°С диссоциирует. Является диамагнетиком. Практически нерастворим в H₂O. Взаимодействуя в щелочных растворах с линейкой основных оксидов, образует ряд соответствующих ванадатов — солей ванадиевой кислоты HVO₃.

Промышленное получение пентаоксида ванадия

Порошковый пентаоксид ванадия являет собой завершающую фазу промышленной переработки ванадийсодержащего сырья (рис. 2).

Рисунок 2. Промышленные установки для получения V₂O₅. (ОАО «Чусовской металлургический завод»).

Важнейшими технологическими циклами промышленного выпуска V₂O₅ являются:

• подготовка ванадийсодержащей шихты;
• этап окислительного обжига;
• этап выщелачивания;
• осаждение готового V₂O₅.

В металлургическом производстве применяется пентаоксид ванадия марок ВнО-1 и ВнО-2, получаемый согласно ТУ 48-4-429-82 (Ванадия пятиокись для металлургических целей. Технические условия).

V₂O₅ данных марок используют в процессе выпуска феррованадия (80%, ГОСТ 27130-94 Феррованадий. Технические требования и условия поставки), а также при изготовлении сплавов с Ti и другими цветными металлами.

Показатели допустимых пределов содержания основного компонента и контролируемых примесей представлены в таблице 1.

Табл. 1 Технические условия на пентаоксид ванадия марок ВнО-1 и ВнО-2 (ТУ 48-4-429-82)

Наименование показателя	Массовая доля элемента, %
	ВнО-1	ВнО-2
Содержание основного вещества	98.5	97
Пятиокись ванадия V2O5, ≥	1.3	2
Четырехокись ванадия V2O4, ≤	0.2	0.3
Нерастворимый остаток, ≤	0.05	0.15
Железо (Fe), ≤	0.05	0.1
Кремний (Si), ≤	0.04	0.1
Марганец (Mn), ≤	0.02	0.07
Хром (Cr), ≤	0.005	0.01
Сера (S), ≤	0.01	0.01
Фосфор (P), ≤	0.01	0.02
Хлор (Cl), ≤	0.1	0.3
Щелочные металлы (Na + K), ≤	0.2	0.3
Мышьяк (As), ≤	0.003	0.01

Примечание: Допустимо включение частиц твердого V₂O₅ Ø ≤ 3мм.

Значительная доля промышленного выпуска V₂O₅ осуществляется также согласно ТУ 14-5-92-90 (Ванадия пятиокись техническая. Технические условия). Распространяются на техническую пятиокись ванадия, используемую как исходный материал для производства анодного компонента мощных литиевых аккумуляторных батарей, при производстве широкого сортамента катализаторов для химич. промышленности (в т. ч. при получении H₂SO₄), а также предназначенный для введения в состав стекла и люминофоров.

Двуокись (диоксид) ванадия (IV) VO₂

Двуокись (диоксид) ванадия (IV) VO₂ – кристаллы темно-синего цвета (рис. 3).

Рисунок 3. Диоксид ванадия(IV) VO₂.

Диоксид VO₂ существует в 2-х кристаллических модификациях: α и β. При 68°С αформа, в которой VO₂ проявляет себя как диэлектрик, переходит в βфазу тетрагональной сингонии, в которой VO₂ ведет себя уже как проводник. Примечательно, что такой межфазовый переход осуществляется практически мгновенно, в течение одной наносекунды. Это позволяет использовать данное свойство при создании быстродействующих инновационных компонентов современной электроники, в частности, для нейроморфных процессоров и аэрокосмической отрасли (рис. 4).

Рисунок 4. Одно из электронных устройств на основе свойств VO₂.

В αформе VO₂ является антиферромагнетиком. Не растворяется в H₂O. Характеризуется гигроскопичностью. VO₂ имеет амфотерный генезис. В растворах кислот образует катион ванадила VO²⁺ (имеет лазурный окрас). В щелочах образует ванадаты(IV) в виде солей изополиванадиевой(IV) кислоты H₂V₄O₉. Является сильным восстановителем, в воздушной среде окисляется.

Получение возможно тремя способами:

• методом сплавления пентаоксида V₂O₅ с C₂H₂O₄ (щавелевая к-та);
• нагревом в вакууме микса V₂O₃ + V₂O₅;
• путем окисления V₂O₃.

Применение: для производства разновидностей ванадиевой бронзы и латуни, в качестве полупроводникового материала при изготовлении компонентов различных электронных устройств.

Карбид ванадия VC

Карбид ванадия VC — бинарное неорганическое тугоплавкое соединение ванадия с углеродом. Серовато-чёрные кристаллы, нерастворимые в H₂O (рис…).

Рисунок 5. Карбид ванадия.

Вещество регламентируется согласно ТУ 6-09-03-5-75 (Ванадия монокарбид. Технические условия). Имеет кубическую кристаллическую решетку.

Основные характеристики:

• теоретическое содержание С – 19,08%;
• плотность – 5,41 г/см³;
• Т°C плавления - 2800;
• Т°C кипения - 3900°C.

Основная доля промышленного использования – в качестве легирующего компонента износо- коррозиестойких сталей и сплавов, способных функционировать в агрессивных средах, в т.ч. при высоких температурах.

Другие соединения ванадия

К прочим соединениям V, актуальным для промышленного применения, можно отнести:

• сульфиды VS, V_{2S3 и V2S5;}
• нитриды VN, V₂N;
• галогениды (фториды – VF, VF₄, VF₅, VF₃-3H₂О; хлориды – VCI₂, VCl₃, VCl₄, VOCl, VОC1₃; йодиды – VI₂, VI₃; бромиды –VBr₂, VBr₃).

Подробное описание, свойства, способы получения и сфера практического использования данных химических веществ – тема отдельной статьи.