V polovici 20. storočia sa v chemickej vede objavil pojem – kovy strategického významu. Znamenala skupinu prvkov, ktorých fyzikálno-chemické vlastnosti umožnili ich využitie pri výrobe vojensko-priemyselného komplexu. Hovoríme o kovoch ako chróm, tantal, niób, molybdén a volfrám. Vanád, ktorého vlastnosti sa budeme v tomto článku zaoberať, tiež právom zaujíma jedno z centrálnych miest medzi kovmi používanými v modernom strojárstve, metalurgii železa, nástrojárskej a chemickej výrobe. Kov tvorí s kyslíkom štyri oxidy, pričom v nich má mocnosť 2, 3, 4 a 5. 5, ktorý budeme študovať podrobnejšie.
Zoznámte sa s vanádom
V chemickej vede existuje dlho zavedenépravidlo, ktoré hovorí, že charakterizácia chemického prvku musí začínať jeho pozíciou v periodickom systéme D. I. Mendelejev. Chemický vzorec vanádu ako jednoduchej látky je V, poradové číslo 23, atómová hmotnosť 50, 9414. Nachádza sa v štvrtej perióde, piatej skupine a spolu s nióbom a tantalom je typickým predstaviteľom tzv. žiaruvzdorné kovy. Vzorky čistej látky sú plastové a majú striebristo sivú farbu. Atóm vanádu je d-prvok, má dva s-elektróny na poslednej energetickej úrovni, avšak tie negatívne častice, ktoré sa nachádzajú na d-podúrovni tej istej štvrtej úrovne budú tiež valenčné.
Kde sa kov nachádza a aké sú jeho fyzikálne vlastnosti
Prvok samotný sa v prírode nenachádza vo svojej čistej forme. Ale je prítomný ako povinná zložka v polymetalických a železných rudách. Predtým sme hovorili o plasticite a kujnosti jednoduchej látky, teraz dodáme, že dôležitými fyzikálnymi vlastnosťami vanádu sú vysoké teploty varu a topenia, ktoré sa rovnajú 3400 °C a 1920 °C. Rovnako ako titán drasticky zhoršuje svoje fyzikálne a chemické parametre, keď je kontaminovaný nečistotami, ako je dusík, vodík alebo kyslík. Najmä sa znižuje jeho ťažnosť a mechanická pevnosť a vanád sa stáva krehkým.
Špeciálne chemické vlastnosti
Kov je schopný pasivácie, t.j. má jedinečnú schopnosť odolávať pôsobeniu agresívneho chemického prostredia: roztoky kyselín, zásad a solí, vytvárajúce na svojom povrchu ochranný film -oxid vanádu. Kryštálová mriežka prvku má kubickú štruktúru. Treba tiež poznamenať, že odolnosť ocelí obsahujúcich prvok proti korózii je veľmi vysoká, čo umožňuje ich použitie ako nosné upevňovacie prvky pre mostné podpery a ropné vrtné súpravy na mori. Modernú výrobu nástrojov si nemožno predstaviť bez ocelí obsahujúcich vanád. Spolu s nióbom, chrómom a titánom sa prvok používa na legovanie špeciálnych zliatin používaných v raketovej vede a vesmírnom priemysle. Koncentrované dusičnanové a síranové kyseliny, roztok fluorovodíka vo vode a zmes chloridových a dusičnanových kyselín, nazývaná aqua regia, však ľahko interagujú s kovom. Prvok vanád ako jednoduchá látka môže reagovať s chlórom, brómom, sírou a vznikajú zodpovedajúce soli. S kyslíkom dáva niekoľko oxidov, ktoré sa značne líšia svojimi chemickými vlastnosťami. Zvážte ich ďalej.
Základné a amfotérne oxidy
Kov tvorí dva oxidy, VO a V2O3, ktoré vykazujú typické základné vlastnosti. V laboratóriu sa monoxid ťaží redukčnou reakciou V2O5 jemný prášok vanádu. Zásadité oxidy reagujú s kyslými roztokmi za vzniku zodpovedajúcich solí. A už z nich možno získať hydroxidy uskutočnením výmennej reakcie s alkáliami. Oxid vanadičný sa nachádza ako súčasť minerálu karelianitu a získava sa v laboratóriu zahrievaním V2O5 so sírou, uhlie alebo vodík. Oba zásadité oxidy majú silne výrazné redukčné vlastnosti. Oxid VO2 je typická amfotérna zlúčenina, ktorá reaguje s kyselinami aj zásadami. V roztoku, ktorého pH je menšie ako 7, sa nachádzajú kladne nabité vanadylové ióny VO2+, čo dáva roztoku svetlomodrú farbu a v alkalickom prostredí sa tvoria soli kyseliny polyvanadovej. Oxid vanádičný (IV) priťahuje vodu, t.j. je hygroskopická látka, pri reakciách sa správa ako redukčné činidlo.
Oxid vanádičný
Zlúčenina, ktorej vzorec je V2O5, je najdôležitejší oxid kovu. Je to vo vode rozpustná oranžová kryštalická látka, ktorá reaguje s alkáliami za vzniku vanadičnanov - solí kyseliny metavanádovej HVO3. Široko sa používa ako katalyzátor pri oxidácii oxidu siričitého na anhydrid kyseliny sírovej pri priemyselnej výrobe síranovej kyseliny. Oxid vanadičný má kosoštvorcovú kryštálovú mriežku a znaky amfoterity s prevahou vlastností kyslých oxidov. V reakciách sa správa ako silné oxidačné činidlo. Táto zlúčenina sa používa v sklárskej technológii, medicíne a organickej syntéze.
Metódy na extrakciu vanádu z jeho zlúčenín
Už sme spomenuli, že kov je súčasťou železnej rudy. Pri výrobe vo vysokej peci prvok spolu s nečistotami uhlíka a fosforu prechádza do liatiny. Pri tavení ocele sa oxid vanádu 5 vyzráža v zložení trosky, kde jeho obsah môže dosiahnuť 16%. Pridáva sa k tomukuchynskou soľou a pražením zmesi v peciach sa získa produkt, ktorý sa ďalej rozpustí vo vode. Na výsledný vodný koncentrát sa pôsobí síranovou kyselinou a izoluje sa z neho V2O5. Na izoláciu čistého vanádu od oxidu môžete použiť metódu kalciumthermy - redukciu kovov pomocou kovového vápnika. Na zníženie technologických nákladov pri reakcii s oxidom vanadičným sa namiesto vápnika často používa hliník. Kov možno získať aj redukciou trojmocného oxidu vanádu uhlím.
Biologická úloha
Vanád je prítomný v živých organizmoch ako stopový prvok, ktorý je súčasťou medzibunkovej tekutiny morských ostnokožcov. U holotúrií a morských ježkov je spojená s proteínmi, ktoré vykonávajú funkciu transportu kyslíka do buniek a odstraňovania oxidu uhličitého. Obsah prvku je nevýznamný v organizmoch teplokrvných živočíchov a ľudí, kde je v zložení pankreatických enzýmov, v neurogliách a nefrónoch. V rastlinách sa stopový prvok zúčastňuje ako enzým v temnej fáze fotosyntézy a ovplyvňuje hladinu chlorofylového pigmentu nachádzajúceho sa v chloroplastoch. Nachádza sa aj v uzlových baktériách, ktoré sú fixátormi dusíka, v tkanivách vyšších húb. Oxid vanádu ako súčasť černozeme spolu so zlúčeninami bóru, medi, zinku a mangánu ovplyvňuje úrodnosť pôdy.
V našom článku sme študovali základné vlastnosti vanádu a jeho oxidov a tiež sme zvážili využitie jeho zlúčenín vpriemysel.
