钒

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[外文]：vanadium一种化学元素，化学符号V，原子序数23，原子量50.9415，属周期系VB族。发现1801年，西班牙矿物学家A.M.del里奥在钒铅矿中发现一种新元素，命名为erythronium。当时，里奥无法区别钒和铬，经几年的试验，他宣称他所研究的矿石只是碱式铬酸铅。1830年，瑞典化学家N.G.塞夫斯特穆在冶炼泰贝格的铁矿时，发现在锻铁、炉渣和矿石中都含有一种新的元素，并以斯堪的纳维亚女神Vanadis之名将其命名为vanadium。以表示钒的化合物在溶液中所呈现的美丽颜色。同年，德意志F.维勒重新研究了里奥所用的钒铅矿，发现erythronium就是钒。1927年，美国化学家J.W.马登和M.N.里奇在900～950℃时加热五氧化二钒、金属钙和氯化钙的混合物，制得纯度为99.7％的金属钒。存在钒在地壳中的含量在0.02％～0.03％之间，占第22位。钒广泛分布于许多种矿藏中，已知的含钒矿超过65种，最重要的钒矿有：绿硫钒矿VS2或V2S5、钒云母K2(Mg，Fe)(Al，V)4Si12O32·4H2O、钒铅矿PbCl2·3Pb3(VO4)2和钒钾铀矿K2O·2U2O3·V2O5·3H2O。钒还常存在于铁矿、铝矿、煤和石油中，在太阳、恒星和陨石中已发现钒，在一些钒起着重要作用的动植物体内也能找到钒。自然界存在两种钒的稳定同位素：钒50、钒51，其中钒51的含量为99.76％。物理性质金属钒有淡灰色光泽，不易变暗，有韧性；熔点1890±10℃，沸点3380℃，密度5.96克/厘米3。金属钒为体心立方晶格；在氢气中加热会变脆，在真空中加热能恢复韧性。钒能与铝、钴、铜、铁、锰、钼、镍、钯、锡、硅等元素形成合金。化学性质钒的电子构型为(Ar)3d34s2，氧化态有+2、+3、+4、+5、0、±1。常温下，金属钒对盐水、空气、稀硫酸、盐酸和碱溶液都有较好的抗蚀性。钒容易溶于浓硫酸、浓硝酸和氢氟酸。钒与碱熔融可生成钒酸盐和氢气。高温下，钒能与多数非金属直接化合。例如，钒与氧、氮、碳、硫等单质共热，能生成氧化物VO、V2O3、VO2、V2O5；氮化物VN；碳化物VC、V4C3和硫化物VS2、V2S5。钒的水溶液化学比较复杂。氢氧化钒在水溶液中的酸碱性随氧化态的不同而异。通常，+2、+3价钒的氢氧化物呈碱性；+4、+5价钒的氢氧化物呈两性，其中＋4价钒的碱性强于酸性，而＋5价钒的酸性强于碱性。+5价钒在不同酸度的水溶液中形成各种不同组成的钒酸盐。在酸性溶液中，五价钒易被碘离子、亚铁盐、二氧化硫和汞等中等程度的还原剂还原为四价钒VO2+;铁、镁、亚锡等强还原剂可进一步将VO2+还原为三价钒V3+；而锌、钙等可把V3+还原为二价钒V2+。钒还能与氢形成组成为VH0.94的非整比氢化物。制法钒矿的处理方法有以下三种：（1）酸法，用硫酸或盐酸处理矿石，使钒变成可溶性的(VO2)2SO4或VO2Cl。（2）碱法，用苛性碱或碳酸钠与矿石一起熔融，使钒变成水溶性的钒酸盐NaVO3或Na3VO4。当矿石中含钙时，必须用碳酸钠处理，使钙形成溶解度很小的碳酸钙，避免生成难溶的钒酸钙Ca(VO3)2。（3）氯化物焙烧法，用食盐与矿石一起在空气中焙烧，使五氧化二钒变为可溶于水的NaVO3。用碳、硅、铝等元素还原五氧化二钒可以制取金属钒。用铝热法生产的金属钒，纯度可达98％。此外，也常用硅铁做还原剂生产金属钒，同时加生石灰使二氧化硅变为硅酸盐：2V2O5+5Si─→4V+5SiO2SiO2+CaO─→CaSiO3金属钒非常容易与氧、碳、氢、氮等元素化合，也容易与某些产物形成固溶体，使纯金属钒的制备十分困难。常用的纯金属冶炼方法有氯化物还原、氧化物还原和碘化物热分解三种：（1）在惰性气氛中用金属钠、镁、氢化钠或氢气还原四氯化钒VCl4，可制得较纯的金属。在680～700℃时用氢在氩气氛中还原四氯化钒，可得纯度为99.95％的金属钒。用这种方法时，必须将VCl4中的少量VOCl3除去，因为氧原子会嵌入金属晶格中而影响延展性。（2）用稀土金属（见稀土元素）混合物或钙还原钒的氧化物(V2O3或V2O5)，也可制取较纯的金属钒。（3）加热分解钒的碘化物VI，可制取最纯的钒。此外，通过电解精炼也能制取高纯度的金属钒。用作合金材料的钒铁常用铝热法还原钒酸亚铁来制取。应用金属钒主要用于制造合金钢。钒不仅是一种合金成分，也是一种除氧剂。钢中加钒可以使钒部分溶入铁素体而提高强度和耐久性。钒钢中钒的一般含量为0.15％～0.25％，广泛用作结构钢、弹簧钢、工具钢、装甲钢和钢轨。钒还能改善铸铁性能，使成为耐磨铸铁。五氧化二钒和钒酸盐在化学工业中广泛用作催化剂；还可用于制造彩色玻璃和陶瓷，以及油漆和墨水的催干剂。