Подгруппа ванадия
К подгруппе ванадия относятся элементы побочной подгруппы пятой группы: ванадий, ниобий и тантал. Имея в наружном электронном слое атома два или один электрон, эти элементы отличаются от элементов главной подгруппы (азота, фосфора и др.) преобладанием металлических свойств. Но производные элементов обеих подгрупп в высшей степени окисленности имеют значительное сходство.
Для ванадия и его аналогов наиболее типичны соединения, в которых их степень окисленности равна +5. Их высшие оксиды проявляют свойства кислотных оксидов и образуют соответственно ванадиевую, ниобиевую и танталовую кислоты, которым отвечает ряд солей. Низшие оксиды обладают основными свойствами.
В свободном состоянии ванадий, ниобий и тантал весьма стойки к химическим воздействиям и обладают высокими температурами плавления. Эти металлы, вместе с хромом, молибденом, вольфрамом, рением (см. §§ 228—232), а также рутением, родием, осмием и иридием (см. табл. 40, стр. 676), относятся к тугоплавким металлам. Под последними условно понимают металлы, температура плавления которых превышает температуру плавления хрома (1890 °C).
Тугоплавкие металлы в чистом виде и в виде сплавов получили в последнее время исключительное значение в ряде отраслей новой техники.
Соединения ванадия широко распространены в природе, но они очень распылены и не образуют сколько-нибудь значительных скоплений; общее содержание ванадия в земной коре оценивается в 0,0015 % (масс.).
В СССР главным источником получения ванадия служат железные и полиметаллические руды, содержащие небольшие количества ванадия. Обычно из руд получают или сплав ванадия с железом, так называемый феррованадий, или ванадиевый ангидрид V2O5. Чистый металл получают из его соединений: кальцийтермическим восстановлением V2O5, магнийтермическим восстановлением VCl3, термической диссоциацией VI2.
Чистый ванадий — серебристый ковкий металл, плотностью 5,96 г/см3, плавящийся при температуре около 1900 °C. Как и у титана, механические свойства ванадия резко ухудшаются при наличии в нем примесей кислорода, азота, водорода.
Ванадий отличается высокой химической устойчивостью в воде, в морской воде, в растворах щелочей. Он растворяется в плавиковой кислоте, в концентрированных азотной и серной кислотах, в царской водке.
Ванадий в основном используют в качестве добавки к сталям. Сталь, содержащая всего 0,1—0,3 % ванадия, отличается большой прочностью, упругостью и нечувствительностью к толчкам и ударам, что собенно или особенно (по мнению редакции сайта) важно, например, для автомобильных осей, которые все время подвергаются сотрясению. Как правило, ванадий вводят в сталь в комбинации с другими легирующими элементами: хромом, никелем, вольфрамом, молибденом. Наиболее широкое применение ванадий нашел в производстве инструментальных и конструкционных сталей (см. § 261). Он применяется также для легирования чугуна.
Ванадий образует четыре оксида: VO, V2O3, VO2 и V2O5. Высший оксид V2O5 обладает ясно выраженным кислотным характером, диоксид VO2 амфотерен; оба низших оксида проявляют только основные свойства. Наибольшее значение имеют V2O5 и его производные.
Оксид ванадия(V), или ванадиевый ангидрид, V2O5 — вещество оранжевого цвета, легко растворимое в щелочах с образованием солей метаванадиевой кислоты HVO3, называемых ванадатами.
Ванадиевый ангидрид и ванадаты применяются в химической промышленности в качестве катализаторов при контактном способе получения серной кислоты и при некоторых органических синтезах. Соединения ванадия используются также в стекольной промышленности, в медицине, в фотографии.