Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
12.6. d-МЕТАЛЛЫ V ГРУППЫ
К ^/-металлам V группы периодической системы Д.'И. Менделеева относятся ванадий V, ниобий Nb и тантал Та. Общая электронная формула этой группы металлов c/3s2, но у ниобия набор электронов несколько изменяется: один электрон из подуровня 5s переходит в подуровень Ad (табл. 12.17).
Та б л и ца 12.17. Распределение электронов у d-металлов V группы
7, eil иктронные уровни и подуровни
Металл
п
3« ¦Ар 3d ¦. 4.4 Ар Ad в/ О* tip
V 23 4 2 6 3 2 __ _ _ ____ ___
Nb 41 5 2 6 10 2 6 4 0 1 — _ ..... — —
Та 73 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 3' 0 0 2
Нахождение в природе и методы получения металлов в свободном состоянии. Ванадий в природе встречается часто, но в очень малых количествах, хотя общее содержание его в земной коре составляет Г,6-10~3% (мае): он является «рассеянным»'металлом. Главные его минералы — ванадинит ЗРЬ3(У04)2-РЬСЬ, и карнотит
к2(ио2)2(уо4)2.
Получают ванадий обычно из металлургических шлаков черной и цветной металлургии. Он содержится также в шлаках, получаю
333
щихся при сжигании некоторых сортов каменного угля, и, кроме того, в мазутах, идущих на топливо, правда в очень малых количествах.
Ниобий и тантал можно считать редкими металлами — их содержание в земной коре 10~4—Ю~Б% (мае.). Природными минералами являются: лопарит, содержащий до 11 % 1ЧЬ205, и минерал с общей формулой [(Ре, Мп) (Г\1Ь,Та)206], который при преобладающем содержании N0 называется колумбитом*, а при избытке Та — танталитом. Получают ванадий в результате двух разных процессов.
1. При совместном восстановлении в электрических печах оксидов ванадия и железа получают сплав феррованадий, содержащий чистого ванадия 27—33% (мае), который с успехом применяется в черной металлургии для выплавки специальных сталей.
2. Чистый ванадий получают алюминотермическим путем или употребляя еще более активные восстановители (Са, ^^g)¦.
ЗУ,05 + 10 АI ~> 6У + 5 А1 а03
Так как ванадий сам является очень сильным восстановителем, то эта реакция требует подогрева. Особо чистый ванадий получают путем разложения У12 на вольфрамовых проволоках в вакууме:
Ниобий и тантал трудно отделить друг от друга из-за сходства их химических свойств. Восстанавливают их из комплексных солей" металлическим натрием или калием:
К2|ТаР7] + 5 К-»-Та + 7КР
Полученный порошок тантала спекается в вакууме и подвергается прокатке (Аг, Не). В процессе электролиза расплавов фторотанта-латов тоже можно получить свободный металл.
Очистка ванадия, ниобия и тантала производится переплавкой металлов в вакууме расфокусированным электронным лучом.
Физические и механические свойства ^-металлов V группы, характеризующие их как конструкционные материалы, приведены в табл. 12.18.
Таблица 12.18. Физические и механические свойства й?-металлов V группы
Металл Плотность, г/см3 Кристаллическая структура Температура, К Твердость, МН/м2 Предел прочности, МН/м8 Модуль упругости, ГН/м2
плавления кипения
V 5,98 Объемно центрирован- 2099 3669 216 265 147
N1) 8,58 ная кубическая решетка 2741 4573 294 392 157
Та 16,69
3271 5569 422 882 186
* Ниобий в США и Великобритании называют «Колумбии».
334
Механические свойства металлов очень сильно зависят от их чистоты и содержания в них растворенных газов — Н, Ы, О.
Раньше других ^-металлов V группы в машиностроении стал применяться ванадий. При введении небольшого количества ванадия в сталь он, будучи весьма активным элементом, связывает водород и азот стали, отнимает кислород (раскислитель) и резко увеличивает пластические свойства сталей и их предел усталости, позволяя им работать при знакопеременных нагрузках.
По ГОСТу наличие ванадия в марках сталей обозначают буквой Ф. Например, сталь 60СГХФА — пружинная сталь, содержащая 0,6% С, до 1% Б1, Мп, Сг и V. Буква А означает улучшенную сталь. Ниобий и тантал нашли применение позднее, когда появилась потребность в нержавеющих и жаропрочных сталях. Так, например, нержавеющая сталь Х18Н10НБ содержит 18% Сг, 10% N1 и до 1% N1) (последний в сплавах черной металлургии обозначается НБ). В настоящее время разработаны высокопрочные при высоких температурах сплавы на основе ,N1) с молибденом, цирконием в качестве легирующих компонентов. Однако эти сплавы очень дороги.
• Тантал, хотя и является активным, очень хорошо пассивируется и в кислотных средах ведет себя как платина, но при температурах выше 800°С начинает интенсивно окисляться. Ом употребляется для теплообменников и других узлов в химической промышленности, а также в медицине, так как обладает способностью сращиваться с живыми костными тканями.
й?-Металлы V группы обладают сравнительно малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов (10"~28 м2): V 4,7; 1МЬ 1,1; Та 21,3. Ванадий и ниобий используются при строительстве реакторов (транспортных) и другой аппаратуры, способной работать в условиях высокого уровня радиации (ТВЭЛы).
Таким образом, эти металлы весьма перспективны для современной техники.
Химические свойства ^-металлов V группы, с/-Металлы V группы обладают высокой химической активностью, проявляют переменную степень окисления, причем ниобий и тантал в соединениях имеют главным образом высшую степень окисления. Распределение электронов у этих металлов см. табл. 12.16, а некоторые их физико-химические свойства — табл. 12.19.
