Пятая побочная подгруппа Периодической системы элементов Д.И. Менделеева
и их количествами, он значительно повышает качество стали, делает ее
мелкозернистой и более вязкой. Она легче переносит удар и изгиб, лучше
противостоит разрыву. Легкость ванадия передается сплавам, и они становятся
особенно ценными там, где масса играет решающую роль, — в авиации и
автомобилестроении.
Другая основная область его применения — химическая промышленность.
Ванадиевые катализаторы сочетают способность ускорять получение весьма
ценных продуктов со стойкостью к большинству контактных ядов. Такие
катализаторы сыграли решающую роль по усовершенствованию технологии
получения серной кислоты и увеличению мощности установок. Другие важные
процессы, где используются соединения ванадия: производства анилина,
щавелевой кислоты, переработка нафталина и др. Одна массовая часть
катализирует превращение 200 тыс. массовых частей соли анилина в краситель
— черный анилин.
Из других областей использования ванадия можно указать медицину, где
некоторые соединения ванадия применяют как дезинфицирующие и лечебные
препараты, а также производство сплавов с алюминием, медью и никелем. Такие
сплавы, содержащие добавки ванадия от 0,5 до 20%, улучшают качество бронз и
латуней, придают химическую стойкость никелевым сплавам, а золоту сообщают
не свойственную ему твердость.
Глава II. Характеристика элементов ниобия и тантала
По размеру, как атомов, так и ионов ниобий и тантал близки друг к
другу, поэтому их свойства как элементов целесообразно рассмотреть
одновременно. Одинаковые объемы атомов объясняются тем, что член VI периода
— тантал следует в этом периоде почти сразу же за лантаноидами, у которых
происходит заполнение электронами не внешнего, а третьего снаружи слоя. Это
приводит к так называемому лантаноидному сжатию — увеличивающееся
количество внутренних отрицательно заряженных электронов сильнее
притягивается положительно заряженным ядром. Вследствие этого радиус атома
с увеличением порядкового номера элемента не только не увеличивается, но
даже несколько уменьшается.
По сравнению со свойствами ванадия характер элементов сдвигается
заметно в сторону усиления металлических качеств. Степени окисления меняют
свой характер и устойчивость. Низшие положительные степени окисления
нестабильны, поэтому их соединения малочисленны и плохо изучены. Отличие от
ванадия состоит и в том, что их единственным стабильным состоянием является
не +4 (как у V), а .+.5. Причем характер соединений в этом случае для
ниобия и тантала несколько различается (например, по кислотным свойствам
оксидов).
Разница в химических свойствах ниобия и тантала основывается на
различной структуре электронных оболочек их атомов. На внешнем слое у
ниобия один электрон, а у тантала — два:
Nb 4d45 s1 Та 5 d3 6 s2
Следовательно, у ниобия наблюдается отклонение от обычной
последовательности заполнения электронами энергетических орбиталей. Один из
двух электронов, имевшихся на внешнем слое у идущего перед ниобием элемента
(циркония), переходит на 4d-орбиталь внутреннего второго снаружи слоя.
Связь электронов с ядром в ячейках 4d4 и 5s1 примерно одинакова: разница
составляет всего около 7 эВ. К тому же расположение электронов позволяет им
иметь одинаково направленные спины. Эти особенности облегчают атому ниобия
возможность использования всех своих пяти валентных электронов при
химических реакциях.
Тантал находится в 5d-группе переходных металлов. Структура его атома
такова, что в ней сохраняется два электрона на внешнем уровне. При
химических взаимодействиях нужно затратить энергию, чтобы произошел переход
одного из двух электронов с 6s2-орбитали на р- или d-орбиталь
соответственно внешнего или предвнешнего энергетического слоя.
Необходимостью дополнительной энергии и объясняется химическая инертность
тантала по сравнению с ниобием. Ниобий и в виде металла химически более
активен, и его высший оксид обладает более выраженными кислотными
свойствами, чем оксид тантала. В водных растворах ионы ниобия сравнительно
легче восстанавливаются, тогда как у тантала все эти качества
обнаруживаются в меньшей степени.
В исследованиях по химии этих двух элементов указывается на
существование состояний окисления +5, +4, +3, +2 и даже +1. Однако во всех
работах отмечается, что соединения ниобия и тантала низших степеней
окисления образуются с. трудом и не имеют большого значения в практическом
использовании элементов.
II.1. История открытия элементов
Элементы, образующие в семействе V группы свою «ветвь», похожи друг
на друга не только по своим свойствам, но и «родственники» по названиям:
ванадии, ниобий, тантал. Во-первых, наименования всех трех относятся к
области мифологии. Во-вторых, в названиях указана прямая родственная связь:
в древнегреческой мифологии Ниобея является дочерью Тантала.
Имя «ниобий» дал элементу немецкий химик Генрих Розе. Тем самым
подчеркивалось сходство нового (как был уверен Г. Розе) элемента с уже
известным к 1844 г. танталом. Как оказалось впоследствии, это было второе
рождение элемента, первое произошло в 1801 г. Английский ученый Чарлз
Хатчет изучал черный минерал, присланный из недавно образовавшихся
Соединенных Штатов Америки. Работая с этим минералом, он выделил оксид
неизвестного прежде элемента. Элемент Хатчет назвал колумбием, подчеркивая
его заокеанское происхождение. Черный минерал получил название «колумбит».
Через год в 1802 г. шведский химик Андерс Густав Экеберг обнаружил в
одной из финляндских руд новый химический элемент. А. Экеберг не знал об
открытии Ч. Хатчета и поэтому новому элементу дал наименование «тантал», а
руда стала называться танталитом. Сходство тантал и колумбия и их
соединений между собой было так велико (с точки зрения тогдашних химиков),
что свыше сорока лет подавляющее большинство химиков считало: Колумбии и
тантал—один и тот же элемент.
За этим элементом прочно закрепилось название «тантал». Поводом к
такому названию послужило необычное для металлического оксида свойство: он
не способен «насыщаться» — образовывать соли с кислотами.
Как известно, мифологический герой Тантал был осужден богами на вечный
голод и жажду. Муки его усугублялись видом все время ускользающих от его
уст водяных струй и сочных плодов.
Сильно меняющаяся от образца к образцу плотность оксида тантала
заставила предположить присутствие в ней какого-то другого элемента, очень
похожего на тантал, а потому трудно отделимого от него. Поэтому, когда в
1844 г. Г. Розе исследовал образцы колумбита, найденные в Баварии, он вновь
столкнулся с оксидами не одного, а сразу двух металлов. Поскольку
считалось, что Колумбии и тантал — это один элемент, то Розе счел возможным
дать название элементу, образующему второй оксид. Подчеркивая сходство, он
назвал этот второй элемент, входящий в минерал, ниобием, по имени Ниобеи,
дочери легендарного Тантала. Впрочем, как Г. Розе, так и Ч. Хатчет не
сумели получить ниобий в свободном состоянии. Металлическнй ниобий был
впервые получен лишь в 1866 г. шведским ученым Бломстрадом при
восстановлении хлорида ниобия водородом.
Приключения же с названием элемента ниобия кончились лишь в 1950 г.
До этого в разных странах его называли по-разному. Если металл колумбии
(как его назвали в Америке) попадал из США в Англию, то он продолжал
называться колумбием. Если металл попадал в другие страны, то становился
ниобием. Конец этой разноголосице положил Международный союз по
теоретической и прикладной химии (IUPAC). Было решено, узаконить повсюду
название элемента «ниобий», а за основным минералом состава (Fе, Мn)(Nb,
Та)2О6 закрепить название «колумбит»
Глава III. Ниобий
Ниобий — это химический элемент XX в. в прямом и переносном смысле.
Хотя как элемент его открыли в самом начале XIX в. (1801 г.), но как металл
был получен лишь век спустя (1907 г.), а сейчас без него не может обойтись
техника двадцатого столетия. Получение коррозионноустойчивых и
сверхжаропрочных сталей, конструирование аппаратуры для атомных реакторов,
ракетная и космическая техника — вот далеко не полный перечень отраслей
современной Промышленности, которые не могут обходиться без этого металла.
В свободном виде ниобий в природе не встречается, а в минералах почти
всегда находится с танталом. Ниобиево-танталовых минералов сейчас
насчитывается более семидесяти. Основные—это колумбит-танталит (Fe, Мn)
(Та, Мn)2O6, в нем 85% - высших оксидов ниобия и тантала; лопарит (Na, Се,
Са, Sr) (Nb, Ti) O3 содержит 8—10% ниобия; (Nb, Та)2 O5; в пирохлор (Na,
Ca)2(Nb, Ti) 2 O6(F, ОН) входит до 65% оксида ниобия (V).
III.1. Ниобий в свободном состоянии
Он настолько красив, что одно время пытались из него делать ювелирные
изделия: своим светло-серым цветом ниобий напоминает платину. Несмотря на
высокие температуры плавления (2500°С) и кипения (4840°C), из него легко
можно сделать любое изделие. Металл настолько пластичен, что его можно
обрабатывать на холоду. Очень важно, что ниобий сохраняет свои механические
свойства при высоких температурах. Правда, как и
| |  скачать работу |
Пятая побочная подгруппа Периодической системы элементов Д.И. Менделеева |
