Ванадий

Ванадий — химический элемент под номером 23 в таблице Менделеева, имеющий атомную массу 50,942 а. е. м. По внешнему виду ванадий — пластичный и лёгкий металл, на воздухе покрывающийся оксидной плёнкой цветов побежалости:

С точки зрения электронной конфигурации положение у него следующее: два s-электрона и три d-электрона — конфигурация 4s23d34s23d3. Поэтому самые распространённые степени окисления ванадия — от +2 до +5, хотя известны примеры соединений, содержащие ванадий в с. о. от -3 до +1. При этом самыми устойчивыми степенями окисления считаются две: +4 и +5.

Ванадий занимает 22-ое место по распространенности в земной коре: является рассеянным и сопутствует рудам других металлов.

Химические свойства ванадия

Будучи более активным, чем ближайшие соседи по периодической системе, ванадий все же не реагирует с кислотами-неокислителями: исключение составляет лишь плавиковая, с которой он образует прочную комплексную кислоту — гексафторованадиевую, в которой степень окисления металла равна +3:

2V+12HF⟶2H3[VF6]+3H2↑2V+12HF⟶2H3[VF6]+3H2↑

С кислотами-окислителями, такими как концентрированная серная и разбавленная азотная кислоты, ванадий образует сульфат ванадила, имеющий формулу VOSO4VOSO4, и нитрат ванадила VO(NO3)2VO(NO3)2 соответственно, имеющие в растворе синюю окраску за счёт катиона ванадила VO2+VO2+, содержащего ванадий в степени окисления +4:

3V+10HNO3⟶3VO(NO3)2+4NO↑+5H2O3V+10HNO3⟶3VO(NO3)2+4NO↑+5H2O

V+3H2SO4⟶VOSO4+2SO2↑+3H2OV+3H2SO4⟶VOSO4+2SO2↑+3H2O

При этом концентрированная азотная, хлорная, пероксодисерная и кислоты состава HHalO3(Hal=Cl,Br,I)HHalO3(Hal=Cl,Br,I) (хлорноватая, бромноватая и иодноватая кислоты) окисляют ванадий до высшей степени окисления (+5), переводя его в катион ванадина VO+2VO2+, существующий только в сильнокислых растворах и имеющий желтую окраску:

6V+11HClO3⟶6VO2ClO3+5HCl+3H2O6V+11HClO3⟶6VO2ClO3+5HCl+3H2O

Являясь амфотерным металлом, ванадий реагирует при нагревании с щелочами и образует ванадаты(V):

4V+12NaOH+5O2⟶4Na3VO4+6H2O4V+12NaOH+5O2⟶4Na3VO4+6H2O

«Ванадиевый хамелеон»

Если взять ванадий в высшей степени окисления — (+5) — в виде, например, метаванадата аммония NH4VO3NH4VO3, и восстанавливать цинком в кислой среде, то произойдёт реакция, названная «химическим хамелеоном»: в её процессе цвет раствора меняется несколько раз вслед за восстановлением ионов ванадия в растворе:

2NH4VO3+Zn+8HCl⟶2VOCl2+2NH4Cl+ZnCl2+4H2O2NH4VO3+Zn+8HCl⟶2VOCl2+2NH4Cl+ZnCl2+4H2O

В растворе начинают появляться катионы ванадила VO2+VO2+, которые обладают синим цветом, но вместе с изначальным жёлтым оттенком раствора наблюдается цвет:

Следующим шагом идёт восстановление до ионов ванадия(III) V3+V3+, обладающих зелёным цветом, и в конце — до фиолетового ванадия(II).

2VOCl2+Zn+4HCl⟶ZnCl2+2VCl3+2H2O2VOCl2+Zn+4HCl⟶ZnCl2+2VCl3+2H2O

2VCl3+Zn⟶ZnCl2+2VCl22VCl3+Zn⟶ZnCl2+2VCl2

Цвета растворов, содержащих данные ионы по отдельности, соответственно, жёлтый, голубой, зеленоватый и фиолетовый:

Оксиды ванадия

Ванадий имеет достаточно много различных оксидов, в том числе «необычных» (содержащих нестехиометрическое количество ванадия и кислорода, или содержащих ванадий в разных степенях окисления), однако далее рассмотрены лишь самые распространённые соединения ванадия с кислородом.

Оксид ванадия(II)

VOVO — оксид черного цвета. Получить его можно взаимодействием сильных восстановителей с оксидами ванадия более высоких степеней окисления при достаточно высоких температурах. Он обладает основными свойствами и образует основание V(OH)2V(OH)2 (сильный восстановитель) коричневого цвета. Структура данного оксида представляет собой структуру типа NaClNaCl:

Оксид ванадия(III)

Это амфотерный устойчивый оксид, но при этом основные свойства преобладают. V2O3V2O3 представляет собой черный порошок, который при растворении в кислотах обраузет зеленый раствор солей V3+V3+. С растворами щелочей не реагирует, но с оксидами щелочных металлов образует ванадаты(III). Является канцеро- и мутагеном. Образует, соответственно, гидроксид V(OH)3V(OH)3.

Оксид ванадия(IV)

Темно-синий оксид четырехвалентного ванадия VO2VO2 проявляет достаточно сильные амфотерные свойства: с кислотами он реагирует с образованием солей ванадила (о котором рассказано выше) тёмно-синего цвета:

VO2+H2SO4⟶VOSO4+H2OVO2+H2SO4⟶VOSO4+H2O

А с щелочами — с образованием ванадитов, или ванадатов(IV):

4VO2+2NaOH⟶Na2V4O9+H2O4VO2+2NaOH⟶Na2V4O9+H2O

Однако исследования показали, что корректнее записывать анион как V3O2−7V3O72−, соответствующий достаточно сложной структуре, показанной ниже:

Оксид ванадия(V)

Данное соединение — высший оксид ванадия, который также амфотерен, однако его кислотные свойства преобладают. Пентаоксид ванадия — чрезвычайно токсичное вещество, и перечисление способов его воздействия на уязвимый человеческий (да и не только) организм заслуживает отдельной статьи.

Данное соединение немного растворяется в воде, окрашивая раствор и осаждаясь оранжевым порошком, из-за чего V2O5V2O5 называют ангидридом невыделенной ванадиевой кислоты, хотя в индивидуальном виде он имеет желтый цвет:

В лаборатории его можно получить разложением метаванадата аммония — NH4VO3NH4VO3.

Соли, соответствующие ванадию(V), и их структура очень сильно зависит от pH раствора, в котором они находятся. В сильнощелочной среде преобладает тетраэдрический ион VO3−4VO43−, аналогичный фосфату. При понижении кислотности среды (при понижении pH раствора) происходят процессы конденсации и поликонденсации, при которых образуются диванадат-ионы (аналогично дифосфат-иону), триванадат-ионы, декаванадат-ионы и другие:

Помимо ярко выраженных кислотных свойств пентаоксид ванадия также является окислителем средней силы, и, восстанавливаясь, переходит в соединения ванадия(IV):

V2O5+6HCl(conc⋅)⟶2VOCl2+Cl2↑+3H2OV2O5+6HCl(conc⋅)⟶2VOCl2+Cl2↑+3H2O

Ванадий(V) также образует различные пероксидные соединения, состав которых зависит от pH:

VO2NO3+H2O2⟶VO3NO3([VO(O2)]+)+H2OpH≈2,redVO2NO3+H2O2⟶VO3NO3([VO(O2)]+)+H2OpH≈2,red

KVO3+2H2O2⟶KH2VO6([VO(O2)2(H2O)]−)+H2OpH≈9,yellowKVO3+2H2O2⟶KH2VO6([VO(O2)2(H2O)]−)+H2OpH≈9,yellow

K3VO4+4H2O2⟶K3VO8([V(O2)4]3−)+4H2OpH≈10,purpleK3VO4+4H2O2⟶K3VO8([V(O2)4]3−)+4H2OpH≈10,purple

Галогениды ванадия

Кратко отметим, что единственный галогенид, отвечающий составу VHal5VHal5, — это фторид VF5VF5. Максимально возможная степень окисления в хлориде и бромиде — +4, в иодиде — +3. Все галогениды ванадия в степенях окисления ниже максимально возможных получены, сводная таблица представлена на рисунке ниже:

Литературный источник https://chemtoday.ru/