1.4.4. Ванадий, ниобий, тантал

Ванадий, ниобий и тантал относятся к d — металлам V группы периодической системы. Общая электронная формула этих металлов (n-1)d³ ns², у ниобия (n-1) d⁴ns¹, где п главное квантовое число, совпадающее с номером периода.

Физические свойства этих металлов сильно зависят от их чистоты и содержания в них растворенных газов: водорода, азота, кислорода, увеличивающих хрупкость. Для них харак­терны высокие температуры плавления, относительно неболь­шие плотности.

Химические свойства. Ванадий, ниобий и тантал реаги­руют с водородом, кислородом, галогенами, азотом, углеродом и другими веществами (пары Н₂О, СО₂ и т.д.). Однако их химическая

активность проявляется только при высоких темпе­ратурах, когда разрушается оксидная пленка, делающая их пассивными в обычных условиях. Особенно прочная пленка наблюдается у тантала, который по стойкости не уступает пла­тине.

Отношение к элементарным окислителям. Гидриды d­металлов V группы - металлообразные соединения, обладаю­щие электронной проводимостью, способные переходить в со­стояние сверхпроводимости. Гидриды ванадия, ниобия и тан­тала образуют жидкие и твердые растворы с металлами, что обусловливает большую растворимость водорода в этих ме­таллах.

Галиды ванадия, ниобия и тантала образуются при непо­средственном взаимодействии (при нагревании), а также при реакциях с кислотами. Ниобий и тантал при этом проявляют высшую степень окисления:

2Nb + 5С1₂ = 2NbCl₅

Ванадий с фтором образует VF₅, с другими галогенами окислительное число меньше: VC1₂, VC1₃, VCI₄.

Оксиды образуются при нагревании в атмосфере кисло­рода или воздуха:

4V + 5O₂ = 2V₂O₅;

4Nb + 5O₂ = 2Nb₂O₅.

Высшие оксиды являются наиболее характерными для всех металлов этой группы. Низшие оксиды характерны глав­ным образом для ванадия.

Окись ванадия VO - светло-серого цвета

Полутораокись V₂Oз - черного цвета

Двуокись VO₂ - сине-голубого цвета

Полупятиокись V₂O₅ - красного цвета

V₂O₂ →V₂O₃ →VO₂ → V₂

Осн. Хар-р. амфотерн. кисл.

VO с кислотами образует растворы солей V(II).

V₂Oз с кислотами образует обычные соли:

V₂Oз + 3H₂SO₄ = V₂(SO₄)₃ + 3H₂O

Соли V³⁺ устойчивы в комбинации с другими ионами - двойные соли: KV(SO₄)₂-12H₂0. Аналогично соли V²⁺более устойчивы в виде солей типа: K₂V(SO₄)₂-6H₂O.

V₂0₄ со щелочами образует ванадаты (IV):

2NaOH + 2V₂O₄ = Na₂V₄O₉ + Н₂O

а с кислотами - соли ванадила:

V₂O₄ + H₂SO₄ = 2VOSO₄ + 2Н₂O

Полупятиокиси ванадия V₂O₅ соответствуют ванадиевые кислоты:

V₂O₅+H₂O=2HVO₃ (метаванадиевая кислота) V₂O₅+2H₂O=H₄V₂O₇ (двуванадиевая кислота)

V₂O₅+3H₂O=2H₃VO₄ (ортованадиевая кислота)

Соли этих кислот - ванадаты.

Нитриды ванадия, ниобия и тантала образуются со зна­чительным выделением тепла и представляют собой твердые тугоплавкие соединения с металлической проводимостью. Об­разуются при взаимодействии металлов или оксидов с аммиа­ком при высоких температурах:

2Nb + 2NH₃ = 2NbN + ЗН₂

V₂O₂ + 2NH₃ = 2VN + 2Н₂O + Н₂

Нитриды ванадия, ниобия и тантала - химически очень устойчивы. NbN не разлагается даже «царской водкой».

Карбиды этих металлов очень тугоплавки, обладают вы­сокой твердостью. Образуются при непосредственном взаимо­действии или путем вытеснения других металлов из их карби­дов:

2Nb +С = Nb₂C

2Nb + Fe₃C=Nb₂C + 3Fe

Взаимодействие d-металлов У группы с во- дой,кислотами и щелочами. Эти металлы, кроме ванадия, хорошо пассивируются и поэтому, несмотря на высокие отри­цательные потенциалы растворения, они с кислотами реагиру­ют плохо. С водой реагируют при высокой температуре:

12Nb + 5Н₂O = Nb₂O₅ + 10NbH

Окисляющими кислотами ванадий окисляется до высших степеней окисления:

ЗV + 5HNO₃ = 3HVO₃ + 5NO + Н₂O

Ниобий и тантал растворяются лишь в смеси HN0₃ и HF:

3Nb + 5HNO₃ + 21HF = 3H₂[NbF₇] + 5NO + 10Н₂O

Со щелочами эти металлы реагируют лишь в присутствии сильных окислителей (перекиси щелочных металлов):

2Nb + 2NaOH + 5Н₂O₂ = 2NaNbO₃ + 6Н₂O

Ниобат натрия переходит в раствор. Эта реакция исполь­зуется при травлении металлографических шлифов. С распла­вами щелочей реакция также медленно протекает.

Применения ванадия, ниобия и тантала. Ванадий при­меняется как легирующая добавка при получении специальных сталей: рессорных, инструментальных. Извлекая из стали ки­слород, азот и растворенный водород, ванадий улучшает свой­ства сталей, увеличивает предел усталости. Полупятиокись ва­надия применяется в химической промышленности, в том чис­ле и нефтепереработке, в качестве катализатора.

Ниобий - один из основных компонентов многих жаро­прочных и коррозионно-стойких сплавав, которые применяют­ся в производстве газовых турбин, реактивных двигателей, ра­кет. Ниобий вводят также в нержавеющие стали. Ниобий (до 0,3 %) в сталях препятствует образованию кристаллизацион­ных трещин и выпадению карбидных фаз в области сварных швов.

Тантал в виду своей большой пассивности используется в химической промышленности: в танталовых тиглях плавят ме­таллы. Из него делают нагреватели высокотемпературных пе­чей. Кроме того, тантал применяют для изготовления меди­цинских инструментов, а также для замены участков повреж­денной костной ткани человека, так как он срастается с живы­ми тканями, не вызывая болезненных реакций. Карбиды нио­бия и тантала отличаются исключительной твердостью и ис­пользуются для изготовления режущего инструмента в метал­лообрабатывающей промышленности.