Ванадій
На початку XIX ст. у Швеції були знайдені нові багаті родовища залізної руди. Одна за одною споруджувалися доменні печі. Але що примітно: при однакових умовах деякі з них давали залізо дивовижною ковкості, в той час як з інших виходив більш крихкий метал. Після багатьох безуспішних спроб налагодити процес виплавки високоякісного металу в «поганих» домнах металурги звернулися за допомогою до хіміків, і в 1830 р. Нільса Сефстрем вдалося виділити з шлаку «кращих» домен невідомий чорний порошок. Сефстрем зробив висновок, що дивну гнучкість металу надає присутність в руді якогось невідомого елементів, що містяться в чорному порошку.
Цей новий елемент Сефстрем назвав ванадієм на честь легендарної Ванадис - богині краси древніх скандинавів.
Відкриття нового елемента завжди було великою честю для вченого. Тож можна уявити собі прикрість мексиканського мінералога Андреса Мануеля дель Ріо, який ще в 1801 р. виявив у свинцевій руді ніколи не зустрічався перш елемент, і назвав його еритроній. Але, засумнівавшись у власних висновках, дель Ріо відмовився від свого відкриття, вирішивши, що зустрівся з нещодавно відкритим хромом.
Ще більше розчарування спіткало блискучого німецького хіміка Фрідріха Велера. У ті ж роки, що і Сефстрем, йому довелося досліджувати залізні руди, привезені з Мексики Л. Гумбольдтом. Ті самі, що досліджував дель Ріо. Велер теж знайшов у них щось незвичайне, але його дослідження перервала хвороба. Коли він відновив роботу, було вже пізно - Сефстрем оприлюднив своє відкриття. Властивості нового елемента збігалися з тими, що були занесені в один з лабораторних журналів Велера.
І тільки в 1869 р., через 39 років після відкриття Сефстрем а, елемент № 23 вперше був виділений у відносно чистому вигляді. Англійський хімік Г. Роско, діючи воднем на хлористий ванадій, отримав елементарний ванадій чистотою близько 96%.
У чистому вигляді ванадій - ковкий метал світло-сірого кольору. Він майже в півтора рази легше заліза, плавиться при температурі 1900 ± 25 ° C, а температура його кипіння 3400 ° C. При кімнатній температурі в сухому повітрі він досить пасивний хімічно, але при високих температурах легко з'єднується з киснем, азотом і іншими елементами.
У з'єднаннях ванадій проявляє чотири валентності. Відомі сполуки двох-, трьох-, чотирьох-і пятивалентного ванадію.
Ванадій та хімічна промисловість
В основну хімічну промисловість ванадій прийшов не відразу. Його служба людству почалася у виробництві кольорового скла, фарб і кераміки. Вироби з фарфору та продукцію гончарних майстрів за допомогою сполук ванадію покривали золотистої глазур'ю, а скло фарбували солями ванадію в блакитний чи зелений колір. У фарбувальній справі ванадій з'явився невдовзі після опублікування в 1842 р. повідомлення видатного російського хіміка М.М. Зініна про отримання ним аніліну з нітробензолу. Реакція Зініна відкривала нові можливості для розвитку виробництва синтетичних барвників. Сполуки ванадію знайшли застосування в цій галузі хімії і принесли їй значну користь. Адже достатньо всього однієї вагової частини V 2 O 5, щоб перевести 200 тис. вагових частин безбарвної солі аніліну в барвник - чорний анілін. Настільки ж ефективним виявилося застосування сполук ванадію в індигово фарбуванні. Так елемент № 23 прийшов в ситцедрукуванні, у виробництво кольорових бавовняних і шовкових тканин.
Промисловість потребувала ванадій і його з'єднаннях, але руд, багатих цим елементом, було небагато. Інженери французької сталеливарної фірми «Крезо», мабуть, звернули увагу на те, що перші сполуки ванадію Сефстрем отримав не з руди, а з металургійних шлаків, і в 1882 р. налагодили їх виробництво на тій же основі. Протягом 10 років завод «Крезо» щорічно викидав на світовий ринок за 60 т пятиокиси ванадію V 2 O 5. Однак незабаром попит на з'єднання ванадію для отримання чорного аніліну різко впав, і виробництво їх значно скоротилася.
Але на початку першої світової війни хімікам знову довелося звернутися до елементу № 23. У ці роки борцям країнам знадобилися величезні кількості сірчаної кислоти. Адже без неї неможливо отримати нітроклетчаткі основу бойових порохів. Відомо, що сірчана кислота виходить окисленням сірчистого ангідриду SO 2 сірчаний ангідрид SO 3 з наступним приєднанням води. Однак SO 2 безпосередньо з киснем реагує вкрай повільно. Окислення сірчистого ангідриду може відбуватися при відновленні двоокису азоту (на цій реакції заснований нітрозні спосіб виробництва сірчаної кислоти), але більш чиста і концентрована кислота виходить, якщо реакцію окислення SO 2 в SO 3, проводити в присутності деяких твердих каталізаторів (контактний метод виробництва).
Першим каталізатором сірчанокислотного контактного виробництва була дорога платина. Її, звісно, не вистачало, були потрібні замінники. Ними виявилися пятиокись ванадію V 2 O 5 і деякі солі ванадієвих кислот, наприклад Ag 3 VO 4. Вони майже з таким же успіхом, як і платина, прискорюють окислення SO 2, в SO 3, але обходяться значно дешевше, та й потрібно їх менше. І головне, вони не бояться контактних отрут, які виводять з ладу платинові каталізатори. Каталізатори на основі ванадію відіграють велику роль і в сучасній хімії. Їх як і раніше можна зустріти в більшості цехів з виробництва сірчаної кислоти, не обходяться без них і такі важливі процеси, як крекінг нафти, отримання оцтової кислоти шляхом окислення спирту багато інших.
Ванадій і сталь
Якщо хімічна промисловість потребує, перш за все, у з'єднаннях ванадію, то металургії необхідні сам метал і його сплави. Ванадій - один з головних легуючих елементів.
Повчальний, але, загалом-то, випадковий досвід шведських металургів з «поганими» і «хорошими» донами не став основною для широкого впровадження ванадію в металургію. Сталося це значно пізніше.
У 1905 р., на зорі автомобілебудування, під час гонок в Англії одна з французьких машин розбилася вщент. Один з уламків двигуна цієї машини потрапив в руки Генрі Форда, який був присутній на змаганнях. Уламок здивував майбутнього «автомобільного короля»: метал, з якого він був виготовлений, поєднував виняткову твердість з в'язкістю і легкістю. Незабаром лабораторія Форда встановила, що цей метал - сталь з добавками ванадію.
Не зважаючи на витрати, Форд організував дослідження. Після кількох невдач з його лабораторії вийшла ванадієва сталь необхідної якості. Вона відразу дала можливість полегшити автомобілі, зробити нові машини міцніше, поліпшити їх ходові якості. Понизивши ціни на автомобілі завдяки економії металу, Форд зміг залучити масу покупців. Це дало йому привід сказати: «Якби не було ванадію, то не було б і мого автомобіля».
Проте ще за 10 років до того, як Форд дізнався про існування ванадієвої сталі, французькі інженери виплавляли її і отримували високоякісні броньові плити. З цієї сталі були зроблені і перші гармати, встановлені на літаках.
Необхідність броньовий захист для піхоти і артилерійських розрахунків стала особливо очевидною під час першої світової війни, коли довелося зіткнутися з гарматним і кулеметно-рушничним вогнем небаченою раніше інтенсивності. Спочатку для виготовлення касок і щитів знарядь застосовували сталь з великим вмістом кремнію і нікелю, але випробування на полігоні показали її непридатність. Сталь, що містить всього 0,2% ванадію, виявилася більш міцною і в'язкою. До того ж вона була легше. Хромованадіевой сталь ще міцніше. Вона добре чинить опір удару і стирання. Крім того, вона має досить високу втомної міцністю. Тому з стали широко застосовувати у військовій техніці: для виготовлення колінчастих валів корабельних двигунів, окремих деталей торпед, авіамоторів, бронебійних снарядів.
Сталі, що містять ванадій, не втратили свого значення й досі. Елемент № 23 надає стали такі якості як міцність, легкість, стійкість до впливу високих температур, гнучкість. Чим пояснити такий широкий діапазон корисних властивостей? Відповісти на це запитання допомагає сам ванадій. Він - один з «відвертих» металів. Як це розуміти?
Відомо, що найкращу прокаливаемость сталі надає молібден, найбільшу в'язкість сталь набуває від введення нікелю, а її магнітні властивості посилюються присутністю кобальту. Далеко не завжди можна точно сказати, чому та чи інша легіруюча добавка додає сталі певні якості. А ось про причини поліпшення властивостей стали ванадієм багато що відоме достатньо повно і достовірно.
Давно встановлено, що розплавлена сталь поглинає багато газів, насамперед кисню та азоту. Коли метал остигає, гази залишаються в злитках у вигляді найдрібніших бульбашок. При куванні бульбашки витягуються в нитки (волосовини) і міцність злитка у різних напрямах стає неоднаковою. Ванадій, введений в сталь, активно реагує з киснем і азотом, продукти цих реакцій спливають на поверхню металу рідким шлаком, який віддаляється в процесі плавки. Тим самим підвищується міцність відливань, що залишився ванадій раніше інших елементів взаємодіє з розчиненим в сталі вуглецем, утворюючи тверді і жаростійкі з'єднання - карбіди. Карбіди ванадію погано розчиняються в залозі і нерівномірно розподіляються в ньому, перешкоджаючи утворенню великих кристалів. Сталь виходить дрібнозернистою, твердої і куванням. Структура ванадієвої сталі зберігається і при високих температурах. Тому різці з неї менше піддаються деформаціям в процесі обробки деталі на великих швидкостях, а штампи незамінні для гарячого штампування. Дрібнокристалічна структура обумовлює також високу ударну в'язкість і велику втомну міцність ванадієвої сталі. Практично важливо ще одне її якість - стійкість до стирання. Це якість можна наочно проілюструвати таким прикладом: за тисячу годин роботи стінки циліндрів дизель-моторів, виготовлених з вуглецевої сталі, зношуються на 0,35 ... 0,40 мм, а стінки циліндрів з ванадієвої сталі, що працювали в тих же умовах, - лише на 0,1 мм.
«Вавілов» та інші ...
Але не тільки сталь облагороджується ванадієм. Властивості інших металів також покращуються при введенні в них елемента № 23. Варто додати 3% ванадію в алюміній, як цей метал стає дуже твердим. «Вавілов» - так називається цей сплав - добре протистоїть руйнуючій дії вологого повітря і солоної води.
З подібного ж сплаву (але з 2% ванадію) виготовляють духові музичні інструменти. Добре відомий сплав міді з 8% ванадію. Він використовується як вихідна сировина для одержання сплавів міді з іншими металами. Бронзи і латуні, що містять 0,5% ванадію, не поступаються за механічними властивостями сталі і тому йдуть на виготовлення відповідальних вузлів і деталей складного профілю. Хімічна стійкість сплаву нікелю з 18 ... 20% ванадію порівнянна з інертністю благородних металів, тому з нього роблять лабораторний посуд. Добавки ванадію в золото надають останньому невластиву йому твердість. Останнім часом досить багато ванадію йде в сплави на основі титану.
Сплави ванадію легше розчиняються в металах, ніж чистий ванадій, і плавляться при більш низькій температурі. Ці дві особливості використовуються в чорній металургії: для легування чавуну і сталі зазвичай застосовують феррованадий - сплав ванадію із залізом.
І тільки в розплавленому сріблі ванадій не розчиняється.
Видобуток ванадію
У земній корі ванадію набагато більше, ніж хрому, нікелю, свинцю, цинку і навіть міді. Однак мінерали, багаті елементом № 23, зустрічаються рідко. Сполуки ванадію розсіюються в земній корі водою, вони більш розчинні, ніж природні сполуки інших металів, розташованих у правій половині менделєєвської таблиці, і переміщаються в гірських породах на значні відстані. Ванадій накопичується в деяких рудах і інших металів - свинцю, міді, цинку, урану, а також у вугіллі, нафти, сланцях. Один з німецьких заводів, наприклад, отримував від спалювання венесуельської нафти золу, яка містила до 10% ванадію. Деякий час зола із топок, спаливши цю нафту, була вихідною сировиною для отримання ванадію.
У 1902 р. в Іспанії було відкрито перше родовище ванадініта Рb 5 (VO 4) 3 Сl. У 1925 р. Ванадиніт виявили в Південній Африці. Він зустрічається також у Чилі, Аргентині, Мексиці, Австралії, США. Виняткові за своїм значенням родовища ванадію в Перу. Вони знаходяться в горах, на висоті 4700 метрів над рівнем моря. Головне багатство перуанських родовищ - мінерал патронів - просте з'єднання ванадію із сіркою V 2 S 5. При випалюванні патроніта виходять концентрати з дуже високим вмістом пятиокиси ванадію - до 20 ... 30%.
Соціалістичні країни своєму розпорядженні власні запаси цього цінного металу і повністю забезпечують їм свою промисловість.
Вітчизняний ванадій
У Росії ванадій вперше був знайдений у Ферганській долині біля перевалу Тюя-Муюн (у перекладі з киргизького - Верблюжий горб). З цих руд «Ферганській суспільство з видобутку рідких металів» извлекало в невеликих кількостях сполуки ванадію і урану і продавало їх за кордон. Більшу ж частину цінних компонентів руди, в тому числі радій, використовувати не вміли. Тільки після встановлення Радянської влади багатства Тюя-Муюна стали використовуватися комплексно.
Пізніше ванадій виявили в керченських залізних рудах, і було налагоджено виробництво вітчизняного феррованадия. Багатющими джерелами ванадію виявилися уральські титаномагнетиту. Разом з керченської рудою вони звільнили нашу промисловість від необхідності ввезення ванадію з-за кордону. У 1927 р. ванадій був виявлений в Сулейман-САЕ, близько нинішнього р. Джамбула. У наші дні постачальниками ванадію стали також родовища центрального Казахстану, Киргизії, Красноярського краю, Оренбурзької області. У горі Качканар на Уралі укладено 8 млрд т залізної руди, і розробка її почалася лише в 60-і роки. Руда ця біднішими, і ... цінніше руд всесвітньо відомих залізних гір - Високою і Благодаті, тому що з надр Качканара видобувається не тільки залізо, але і ванадій.
Ванадій і життя
Ще в минулому столітті ванадій був вперше виявлений у складі деяких рослин, після чого присутність елемента № 23 у вугіллі, торфі і сланцях перестало здаватися дивним. Один з рослинних «збирачів» ванадію добре знайомий кожному - це отруйний гриб бліда поганка.
У крові деяких мешканців морів і океанів - морських їжаків і голотурій вміст ванадію досягає 10%. Передбачається, що ванадій грає тут ту ж роль, що залізо в гемоглобіні. Але це твердження - гіпотетичне. Інші вчені дотримуються думки, що роль ванадію в цьому випадку можна порівняти з роллю магнію в хлорофілі, іншими словами, ванадій, що міститься в крові голотурій, бере участь, насамперед, у процесах харчування, а не дихання.
В Аргентині проводилися досліди з введенням сполук ванадію в їжу биків і свиней. При цьому у тварин поліпшувався апетит, і вони швидко додавали у вазі. Відомо також, що цвіль «чорний аспергіл» розвивається нормально тільки в присутності солей ванадію. Усі факти говорять про те, що ванадій відіграє певну роль у життєвих процесах, але яку саме - це ще належить уточнити.
Втім, навіть металургам, які в пізнанні елемента № 23 пішли далі вчених інших спеціальностей, належить дізнатися про ванадій ще багато чого. А хімікам, особливо тим, які вивчають механізм каталітичної дії різних речовин, - ще більше.
Багато залізні руди нашої країни містять від 0,1 до 0,65% ванадію.
При доменній плавці він майже повністю переходить у чавун. У процесі перетворення чавуну в сталь велика частина ванадію переходить в шлак, який використовується для виробництва феррованадия.
Феррованадій зазвичай містить не менше 35% V.
Нікчемні добавки ванадію підвищують пружність і міцність стали приблизно на 50%. Багато сучасних марки пружинних сталей містять до 0,25% ванадію.
Механічні властивості чистого ванадію вивчені далеко не повністю з-за складності отримання ванадію високої чистоти. Однак відомо, що домішки роблять на властивості ванадію дуже сильний вплив. 96%-ний ванадій, вперше отриманий Г. Роско більше 100 років тому, крихкий і сильний. У міру подальшого очищення ванадій стає все більш пластичним і ковким. Вперше ковкий ванадій був отриманий лише в 1927 р. Особливо сильно погіршують механічні властивості ванадію домішки водню, кисню та азоту.
Відомий німецький хімік Юстус Лібіх, як Фрідріх Велер, «прогледів» відкриття нового елемента - брому. Слава першовідкривача в цьому випадку дісталася маловідомому до того французькому вченому Антуану Балар. Розсерджений Лібіх не втримався від їдкого зауваження, що не Балар відкрив бром, а бром відкрив Балар. Велер ж, «прогавили» ванадій, був більш об'єктивним і нікого, крім себе, в цьому не звинувачував. «Я був справжнім ослом, - писав він своєму другові - прогледівши новий елемент у бурої свинцевої руді, і правий був Берцеліус, коли він не без іронії сміявся над тим, як невдало і слабо, без затятості, стукався я до дому богині Ванадис».
На початку XIX ст. у Швеції були знайдені нові багаті родовища залізної руди. Одна за одною споруджувалися доменні печі. Але що примітно: при однакових умовах деякі з них давали залізо дивовижною ковкості, в той час як з інших виходив більш крихкий метал. Після багатьох безуспішних спроб налагодити процес виплавки високоякісного металу в «поганих» домнах металурги звернулися за допомогою до хіміків, і в 1830 р. Нільса Сефстрем вдалося виділити з шлаку «кращих» домен невідомий чорний порошок. Сефстрем зробив висновок, що дивну гнучкість металу надає присутність в руді якогось невідомого елементів, що містяться в чорному порошку.
Цей новий елемент Сефстрем назвав ванадієм на честь легендарної Ванадис - богині краси древніх скандинавів.
Відкриття нового елемента завжди було великою честю для вченого. Тож можна уявити собі прикрість мексиканського мінералога Андреса Мануеля дель Ріо, який ще в 1801 р. виявив у свинцевій руді ніколи не зустрічався перш елемент, і назвав його еритроній. Але, засумнівавшись у власних висновках, дель Ріо відмовився від свого відкриття, вирішивши, що зустрівся з нещодавно відкритим хромом.
Ще більше розчарування спіткало блискучого німецького хіміка Фрідріха Велера. У ті ж роки, що і Сефстрем, йому довелося досліджувати залізні руди, привезені з Мексики Л. Гумбольдтом. Ті самі, що досліджував дель Ріо. Велер теж знайшов у них щось незвичайне, але його дослідження перервала хвороба. Коли він відновив роботу, було вже пізно - Сефстрем оприлюднив своє відкриття. Властивості нового елемента збігалися з тими, що були занесені в один з лабораторних журналів Велера.
І тільки в 1869 р., через 39 років після відкриття Сефстрем а, елемент № 23 вперше був виділений у відносно чистому вигляді. Англійський хімік Г. Роско, діючи воднем на хлористий ванадій, отримав елементарний ванадій чистотою близько 96%.
У чистому вигляді ванадій - ковкий метал світло-сірого кольору. Він майже в півтора рази легше заліза, плавиться при температурі 1900 ± 25 ° C, а температура його кипіння 3400 ° C. При кімнатній температурі в сухому повітрі він досить пасивний хімічно, але при високих температурах легко з'єднується з киснем, азотом і іншими елементами.
У з'єднаннях ванадій проявляє чотири валентності. Відомі сполуки двох-, трьох-, чотирьох-і пятивалентного ванадію.
Ванадій та хімічна промисловість
В основну хімічну промисловість ванадій прийшов не відразу. Його служба людству почалася у виробництві кольорового скла, фарб і кераміки. Вироби з фарфору та продукцію гончарних майстрів за допомогою сполук ванадію покривали золотистої глазур'ю, а скло фарбували солями ванадію в блакитний чи зелений колір. У фарбувальній справі ванадій з'явився невдовзі після опублікування в 1842 р. повідомлення видатного російського хіміка М.М. Зініна про отримання ним аніліну з нітробензолу. Реакція Зініна відкривала нові можливості для розвитку виробництва синтетичних барвників. Сполуки ванадію знайшли застосування в цій галузі хімії і принесли їй значну користь. Адже достатньо всього однієї вагової частини V 2 O 5, щоб перевести 200 тис. вагових частин безбарвної солі аніліну в барвник - чорний анілін. Настільки ж ефективним виявилося застосування сполук ванадію в індигово фарбуванні. Так елемент № 23 прийшов в ситцедрукуванні, у виробництво кольорових бавовняних і шовкових тканин.
Промисловість потребувала ванадій і його з'єднаннях, але руд, багатих цим елементом, було небагато. Інженери французької сталеливарної фірми «Крезо», мабуть, звернули увагу на те, що перші сполуки ванадію Сефстрем отримав не з руди, а з металургійних шлаків, і в 1882 р. налагодили їх виробництво на тій же основі. Протягом 10 років завод «Крезо» щорічно викидав на світовий ринок за 60 т пятиокиси ванадію V 2 O 5. Однак незабаром попит на з'єднання ванадію для отримання чорного аніліну різко впав, і виробництво їх значно скоротилася.
Але на початку першої світової війни хімікам знову довелося звернутися до елементу № 23. У ці роки борцям країнам знадобилися величезні кількості сірчаної кислоти. Адже без неї неможливо отримати нітроклетчаткі основу бойових порохів. Відомо, що сірчана кислота виходить окисленням сірчистого ангідриду SO 2 сірчаний ангідрид SO 3 з наступним приєднанням води. Однак SO 2 безпосередньо з киснем реагує вкрай повільно. Окислення сірчистого ангідриду може відбуватися при відновленні двоокису азоту (на цій реакції заснований нітрозні спосіб виробництва сірчаної кислоти), але більш чиста і концентрована кислота виходить, якщо реакцію окислення SO 2 в SO 3, проводити в присутності деяких твердих каталізаторів (контактний метод виробництва).
Першим каталізатором сірчанокислотного контактного виробництва була дорога платина. Її, звісно, не вистачало, були потрібні замінники. Ними виявилися пятиокись ванадію V 2 O 5 і деякі солі ванадієвих кислот, наприклад Ag 3 VO 4. Вони майже з таким же успіхом, як і платина, прискорюють окислення SO 2, в SO 3, але обходяться значно дешевше, та й потрібно їх менше. І головне, вони не бояться контактних отрут, які виводять з ладу платинові каталізатори. Каталізатори на основі ванадію відіграють велику роль і в сучасній хімії. Їх як і раніше можна зустріти в більшості цехів з виробництва сірчаної кислоти, не обходяться без них і такі важливі процеси, як крекінг нафти, отримання оцтової кислоти шляхом окислення спирту багато інших.
Ванадій і сталь
Якщо хімічна промисловість потребує, перш за все, у з'єднаннях ванадію, то металургії необхідні сам метал і його сплави. Ванадій - один з головних легуючих елементів.
Повчальний, але, загалом-то, випадковий досвід шведських металургів з «поганими» і «хорошими» донами не став основною для широкого впровадження ванадію в металургію. Сталося це значно пізніше.
У 1905 р., на зорі автомобілебудування, під час гонок в Англії одна з французьких машин розбилася вщент. Один з уламків двигуна цієї машини потрапив в руки Генрі Форда, який був присутній на змаганнях. Уламок здивував майбутнього «автомобільного короля»: метал, з якого він був виготовлений, поєднував виняткову твердість з в'язкістю і легкістю. Незабаром лабораторія Форда встановила, що цей метал - сталь з добавками ванадію.
Не зважаючи на витрати, Форд організував дослідження. Після кількох невдач з його лабораторії вийшла ванадієва сталь необхідної якості. Вона відразу дала можливість полегшити автомобілі, зробити нові машини міцніше, поліпшити їх ходові якості. Понизивши ціни на автомобілі завдяки економії металу, Форд зміг залучити масу покупців. Це дало йому привід сказати: «Якби не було ванадію, то не було б і мого автомобіля».
Проте ще за 10 років до того, як Форд дізнався про існування ванадієвої сталі, французькі інженери виплавляли її і отримували високоякісні броньові плити. З цієї сталі були зроблені і перші гармати, встановлені на літаках.
Необхідність броньовий захист для піхоти і артилерійських розрахунків стала особливо очевидною під час першої світової війни, коли довелося зіткнутися з гарматним і кулеметно-рушничним вогнем небаченою раніше інтенсивності. Спочатку для виготовлення касок і щитів знарядь застосовували сталь з великим вмістом кремнію і нікелю, але випробування на полігоні показали її непридатність. Сталь, що містить всього 0,2% ванадію, виявилася більш міцною і в'язкою. До того ж вона була легше. Хромованадіевой сталь ще міцніше. Вона добре чинить опір удару і стирання. Крім того, вона має досить високу втомної міцністю. Тому з стали широко застосовувати у військовій техніці: для виготовлення колінчастих валів корабельних двигунів, окремих деталей торпед, авіамоторів, бронебійних снарядів.
Сталі, що містять ванадій, не втратили свого значення й досі. Елемент № 23 надає стали такі якості як міцність, легкість, стійкість до впливу високих температур, гнучкість. Чим пояснити такий широкий діапазон корисних властивостей? Відповісти на це запитання допомагає сам ванадій. Він - один з «відвертих» металів. Як це розуміти?
Відомо, що найкращу прокаливаемость сталі надає молібден, найбільшу в'язкість сталь набуває від введення нікелю, а її магнітні властивості посилюються присутністю кобальту. Далеко не завжди можна точно сказати, чому та чи інша легіруюча добавка додає сталі певні якості. А ось про причини поліпшення властивостей стали ванадієм багато що відоме достатньо повно і достовірно.
Давно встановлено, що розплавлена сталь поглинає багато газів, насамперед кисню та азоту. Коли метал остигає, гази залишаються в злитках у вигляді найдрібніших бульбашок. При куванні бульбашки витягуються в нитки (волосовини) і міцність злитка у різних напрямах стає неоднаковою. Ванадій, введений в сталь, активно реагує з киснем і азотом, продукти цих реакцій спливають на поверхню металу рідким шлаком, який віддаляється в процесі плавки. Тим самим підвищується міцність відливань, що залишився ванадій раніше інших елементів взаємодіє з розчиненим в сталі вуглецем, утворюючи тверді і жаростійкі з'єднання - карбіди. Карбіди ванадію погано розчиняються в залозі і нерівномірно розподіляються в ньому, перешкоджаючи утворенню великих кристалів. Сталь виходить дрібнозернистою, твердої і куванням. Структура ванадієвої сталі зберігається і при високих температурах. Тому різці з неї менше піддаються деформаціям в процесі обробки деталі на великих швидкостях, а штампи незамінні для гарячого штампування. Дрібнокристалічна структура обумовлює також високу ударну в'язкість і велику втомну міцність ванадієвої сталі. Практично важливо ще одне її якість - стійкість до стирання. Це якість можна наочно проілюструвати таким прикладом: за тисячу годин роботи стінки циліндрів дизель-моторів, виготовлених з вуглецевої сталі, зношуються на 0,35 ... 0,40 мм, а стінки циліндрів з ванадієвої сталі, що працювали в тих же умовах, - лише на 0,1 мм.
«Вавілов» та інші ...
Але не тільки сталь облагороджується ванадієм. Властивості інших металів також покращуються при введенні в них елемента № 23. Варто додати 3% ванадію в алюміній, як цей метал стає дуже твердим. «Вавілов» - так називається цей сплав - добре протистоїть руйнуючій дії вологого повітря і солоної води.
З подібного ж сплаву (але з 2% ванадію) виготовляють духові музичні інструменти. Добре відомий сплав міді з 8% ванадію. Він використовується як вихідна сировина для одержання сплавів міді з іншими металами. Бронзи і латуні, що містять 0,5% ванадію, не поступаються за механічними властивостями сталі і тому йдуть на виготовлення відповідальних вузлів і деталей складного профілю. Хімічна стійкість сплаву нікелю з 18 ... 20% ванадію порівнянна з інертністю благородних металів, тому з нього роблять лабораторний посуд. Добавки ванадію в золото надають останньому невластиву йому твердість. Останнім часом досить багато ванадію йде в сплави на основі титану.
Сплави ванадію легше розчиняються в металах, ніж чистий ванадій, і плавляться при більш низькій температурі. Ці дві особливості використовуються в чорній металургії: для легування чавуну і сталі зазвичай застосовують феррованадий - сплав ванадію із залізом.
І тільки в розплавленому сріблі ванадій не розчиняється.
Видобуток ванадію
У земній корі ванадію набагато більше, ніж хрому, нікелю, свинцю, цинку і навіть міді. Однак мінерали, багаті елементом № 23, зустрічаються рідко. Сполуки ванадію розсіюються в земній корі водою, вони більш розчинні, ніж природні сполуки інших металів, розташованих у правій половині менделєєвської таблиці, і переміщаються в гірських породах на значні відстані. Ванадій накопичується в деяких рудах і інших металів - свинцю, міді, цинку, урану, а також у вугіллі, нафти, сланцях. Один з німецьких заводів, наприклад, отримував від спалювання венесуельської нафти золу, яка містила до 10% ванадію. Деякий час зола із топок, спаливши цю нафту, була вихідною сировиною для отримання ванадію.
У 1902 р. в Іспанії було відкрито перше родовище ванадініта Рb 5 (VO 4) 3 Сl. У 1925 р. Ванадиніт виявили в Південній Африці. Він зустрічається також у Чилі, Аргентині, Мексиці, Австралії, США. Виняткові за своїм значенням родовища ванадію в Перу. Вони знаходяться в горах, на висоті 4700 метрів над рівнем моря. Головне багатство перуанських родовищ - мінерал патронів - просте з'єднання ванадію із сіркою V 2 S 5. При випалюванні патроніта виходять концентрати з дуже високим вмістом пятиокиси ванадію - до 20 ... 30%.
Соціалістичні країни своєму розпорядженні власні запаси цього цінного металу і повністю забезпечують їм свою промисловість.
Вітчизняний ванадій
У Росії ванадій вперше був знайдений у Ферганській долині біля перевалу Тюя-Муюн (у перекладі з киргизького - Верблюжий горб). З цих руд «Ферганській суспільство з видобутку рідких металів» извлекало в невеликих кількостях сполуки ванадію і урану і продавало їх за кордон. Більшу ж частину цінних компонентів руди, в тому числі радій, використовувати не вміли. Тільки після встановлення Радянської влади багатства Тюя-Муюна стали використовуватися комплексно.
Пізніше ванадій виявили в керченських залізних рудах, і було налагоджено виробництво вітчизняного феррованадия. Багатющими джерелами ванадію виявилися уральські титаномагнетиту. Разом з керченської рудою вони звільнили нашу промисловість від необхідності ввезення ванадію з-за кордону. У 1927 р. ванадій був виявлений в Сулейман-САЕ, близько нинішнього р. Джамбула. У наші дні постачальниками ванадію стали також родовища центрального Казахстану, Киргизії, Красноярського краю, Оренбурзької області. У горі Качканар на Уралі укладено 8 млрд т залізної руди, і розробка її почалася лише в 60-і роки. Руда ця біднішими, і ... цінніше руд всесвітньо відомих залізних гір - Високою і Благодаті, тому що з надр Качканара видобувається не тільки залізо, але і ванадій.
Ванадій і життя
Ще в минулому столітті ванадій був вперше виявлений у складі деяких рослин, після чого присутність елемента № 23 у вугіллі, торфі і сланцях перестало здаватися дивним. Один з рослинних «збирачів» ванадію добре знайомий кожному - це отруйний гриб бліда поганка.
У крові деяких мешканців морів і океанів - морських їжаків і голотурій вміст ванадію досягає 10%. Передбачається, що ванадій грає тут ту ж роль, що залізо в гемоглобіні. Але це твердження - гіпотетичне. Інші вчені дотримуються думки, що роль ванадію в цьому випадку можна порівняти з роллю магнію в хлорофілі, іншими словами, ванадій, що міститься в крові голотурій, бере участь, насамперед, у процесах харчування, а не дихання.
В Аргентині проводилися досліди з введенням сполук ванадію в їжу биків і свиней. При цьому у тварин поліпшувався апетит, і вони швидко додавали у вазі. Відомо також, що цвіль «чорний аспергіл» розвивається нормально тільки в присутності солей ванадію. Усі факти говорять про те, що ванадій відіграє певну роль у життєвих процесах, але яку саме - це ще належить уточнити.
Втім, навіть металургам, які в пізнанні елемента № 23 пішли далі вчених інших спеціальностей, належить дізнатися про ванадій ще багато чого. А хімікам, особливо тим, які вивчають механізм каталітичної дії різних речовин, - ще більше.
Багато залізні руди нашої країни містять від 0,1 до 0,65% ванадію.
При доменній плавці він майже повністю переходить у чавун. У процесі перетворення чавуну в сталь велика частина ванадію переходить в шлак, який використовується для виробництва феррованадия.
Феррованадій зазвичай містить не менше 35% V.
Нікчемні добавки ванадію підвищують пружність і міцність стали приблизно на 50%. Багато сучасних марки пружинних сталей містять до 0,25% ванадію.
Механічні властивості чистого ванадію вивчені далеко не повністю з-за складності отримання ванадію високої чистоти. Однак відомо, що домішки роблять на властивості ванадію дуже сильний вплив. 96%-ний ванадій, вперше отриманий Г. Роско більше 100 років тому, крихкий і сильний. У міру подальшого очищення ванадій стає все більш пластичним і ковким. Вперше ковкий ванадій був отриманий лише в 1927 р. Особливо сильно погіршують механічні властивості ванадію домішки водню, кисню та азоту.
Відомий німецький хімік Юстус Лібіх, як Фрідріх Велер, «прогледів» відкриття нового елемента - брому. Слава першовідкривача в цьому випадку дісталася маловідомому до того французькому вченому Антуану Балар. Розсерджений Лібіх не втримався від їдкого зауваження, що не Балар відкрив бром, а бром відкрив Балар. Велер ж, «прогавили» ванадій, був більш об'єктивним і нікого, крім себе, в цьому не звинувачував. «Я був справжнім ослом, - писав він своєму другові - прогледівши новий елемент у бурої свинцевої руді, і правий був Берцеліус, коли він не без іронії сміявся над тим, як невдало і слабо, без затятості, стукався я до дому богині Ванадис».