Металлы V группы побочной подгруппы (V, Nb, Ta)

Много ли известно химических элементов, которые были открыты дважды? И уж совсем удивительно, что все три элемента подгруппы — ванадий, ниобий и тантал — носят имена мифологических персонажей.

В 1801 г. мексиканский геолог и минералог Андрес Мануэль дель Рио ( 1765— 1849) нашел в свинцовой руде примесь неизвестного элемента. Он назвал его эритронием (от греч. «эритрос» — «красный»). Вскоре учёный пришёл к ошибочному выводу, что обнаруженное им вещество не содержит новый элемент, а является смесью железа и хрома, и отказался от своего открытия.

Н. Г. Сефстрем

В 1830 г. шведский химик Нильс Габриэль Сефстрём (1787—1845) из отходов производства железа выделил соединения нового элемента, соли которого обладали красивой окраской. В честь древнескандинавской богини красоты Ванадис учёный назвал элемент ванадием. И только в 1869 г. английский химик Генри Энфилд Роско взаимодействием хлорида ванадия(III) с водородом получил металл, исследовал его свойства и убедился в том, что ванадий идентичен эритронию дель Рио.

Похожая история произошла с ниобием. В начале ХIХ в. почти одновременно были открыты и описаны два новых элемента: англичанином Чарльзом Хатчетом (1765—1847) — колумбий, а шведом Андерсом Экебергом (1767— 1813) — тантал. Свойства этих элементов оказались столь схожи, что их приняли за один и стали называть танталом. А в 1844 г. немецкий химик Генрих Розе (1795— 1864), исследуя минералы, найденные в Баварии, доказал, что существуют два разных элемента с очень похожими свойствами. Чтобы подчеркнуть их «родство», он назвал второй элемент ниобием в честь Ниобы — дочери героя греческой мифологии Тантала. Интересно, что в США ниобий долгое время продолжали называть колумбием Cb.

Ванадий (Vanadium)

Ванадий фото
Ванадий

Ванадий — твердый и тугоплавкий металл (tпл = 1915 оС), химически довольно инертный. Его можно растворить лишь в горячей концентрированной серной или азотной кислоте, царской водке. Именно инертность обеспечила этому металлу широкое применение. Сплав ванадия и никеля, обладающий механическими свойствами стали, многократно превосходит её по химической стойкости. Поэтому его используют для изготовления деталей механизмов, работающих в агрессивных средах.

Еще большее применение находит феррованадий – сплав ванадия с железом, содержащий до 30% ванадия. Он сравнительно дешевый и может легко заменять сталь при создании коррозионно-стойких изделий даже небольшое (до 1 %) содержание ванадия в стали повышает её упругость примерно в два раза!

Химически чистый ванадий получают при восстановлении оксида кальцием:

V2О5 + 5Са = 2V + 5СаО.

Ванадий проявляет большое разнообразие степеней окисления: от +2 до +5. Высший оксид ванадия V2O5 — вещество жёлто-оранжевого цвета. Соответствующая ему кислота существует только в растворах. Он реагирует с горячими щелочами: V2О5 + 2KOH = 2KVO3 + H2O, при этом образуются соли ванадиевой кислоты ванадаты. Восстановлением V2О5 получают низшие оксиды ванадия:

3V2O5 + 2NH3 = 6VO2 + 3H2O + N2

V2O5 + 2H2 = V2O5 + 2H2O

Оксид VО2 проявляет и кислотные, и основные свойства. При реакции с кислотами образуются соли катиона ванадила VО 2+:VO2 + H2SO4 = VOSO4 + H2O. Их окраска напоминает цвет медного купороса.

Ниобий(Niobium) и тантал(Tantalum)

Ниобий фото
Ниобий

Ниобий и тантал отличаются редкостной химической инертностью: для растворения этих металлов требуется смесь плавиковой и концентрированной азотной кислот. Любопытно, что подобный процесс аналогичен растворению циркония или гафния: азотная кислота окисляет металл, а плавиковая способствует образованию устойчивых фторидных комплексов:

Та + 5HNО3 + 8HF = H3TaF8 + 5NO2 + 5Н2О.

Устойчивость ниобия и тантала по отношению к щелочным средам не имеет аналогов среди других металлов. Температура плавления тантала около 3000 oC; танталовые тигли легко выдерживают даже металлотермические реакции, в которых выделяется столько теплоты, что плавятся оксиды металлов!

Химически чистые металлы используют в качестве добавок к специальным сортам сталей. В частности, ниобий, добавленный в сталь, предотвращает интеркристаллическую коррозию, которая в первую очередь поражает сварочные швы. Ниобиевые нити используют в медицине для сшивания повреждённых сухожилий и кровеносных сосудов.

Тантал фото
Тантал

Для ниобия и тантала наиболее характерна степень окисления +5. Высшие оксиды Nb2О5 и Та2О5 — жаропрочные и химически инертные вещества, однако при высоких температурах (до 1000 оС) они реагируют с расплавленными щелочами, образуя соли – ниобаты (например, KNbO3) и танталаты (KTaO3).

Среди соединений ниобия низших степеней окисления наибольший интерес представляют германид ниобия Nb3Ge – вещество, сохраняющее сверхпроводимость вплоть до 24,5 K, и карбид ниобия NbC – термостойкое и пластичное вещество золотистого цвета, применяемое для создания прочных и в то же время красивых защитных покрытий.

*на изображении записи фотография минерала ванадита

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *