原子序數為23的化學元素

fán(英语:Vanadium),是一种化学元素化学符号V原子序数为23,原子量50.9415 u。钒是一种坚硬、银灰色,具韧性、可延展过渡金属。在自然界中很少发现元素金属,但是一旦经人工分离,会形成氧化层钝化)防止自由态的金属氧化,使之更稳定存在。

钒 23V
氢(非金属) 氦(惰性气体)
锂(碱金属) 铍(碱土金属) 硼(类金属) 碳(非金属) 氮(非金属) 氧(非金属) 氟(卤素) 氖(惰性气体)
钠(碱金属) 镁(碱土金属) 铝(贫金属) 硅(类金属) 磷(非金属) 硫(非金属) 氯(卤素) 氩(惰性气体)
钾(碱金属) 钙(碱土金属) 钪(过渡金属) 钛(过渡金属) 钒(过渡金属) 铬(过渡金属) 锰(过渡金属) 铁(过渡金属) 钴(过渡金属) 镍(过渡金属) 铜(过渡金属) 锌(过渡金属) 镓(贫金属) 锗(类金属) 砷(类金属) 硒(非金属) 溴(卤素) 氪(惰性气体)
铷(碱金属) 锶(碱土金属) 钇(过渡金属) 锆(过渡金属) 铌(过渡金属) 钼(过渡金属) 锝(过渡金属) 钌(过渡金属) 铑(过渡金属) 钯(过渡金属) 银(过渡金属) 镉(过渡金属) 铟(贫金属) 锡(贫金属) 锑(类金属) 碲(类金属) 碘(卤素) 氙(惰性气体)
铯(碱金属) 钡(碱土金属) 镧(镧系元素) 铈(镧系元素) 镨(镧系元素) 钕(镧系元素) 钷(镧系元素) 钐(镧系元素) 铕(镧系元素) 钆(镧系元素) 铽(镧系元素) 镝(镧系元素) 钬(镧系元素) 铒(镧系元素) 铥(镧系元素) 镱(镧系元素) 镏(镧系元素) 铪(过渡金属) 钽(过渡金属) 钨(过渡金属) 铼(过渡金属) 锇(过渡金属) 铱(过渡金属) 铂(过渡金属) 金(过渡金属) 汞(过渡金属) 铊(贫金属) 铅(贫金属) 铋(贫金属) 钋(贫金属) 砈(类金属) 氡(惰性气体)
钫(碱金属) 镭(碱土金属) 锕(锕系元素) 钍(锕系元素) 镤(锕系元素) 铀(锕系元素) 镎(锕系元素) 钚(锕系元素) 镅(锕系元素) 锔(锕系元素) 锫(锕系元素) 锎(锕系元素) 锿(锕系元素) 镄(锕系元素) 钔(锕系元素) 锘(锕系元素) 铹(锕系元素) 𬬻(过渡金属) 𬭊(过渡金属) 𬭳(过渡金属) 𬭛(过渡金属) 𬭶(过渡金属) 鿏(预测为过渡金属) 𫟼(预测为过渡金属) 𬬭(预测为过渡金属) 鿔(过渡金属) 鿭(预测为贫金属) 𫓧(贫金属) 镆(预测为贫金属) 𫟷(预测为贫金属) 鿬(预测为卤素) 鿫(预测为惰性气体)




外观
银灰色固态金属
概况
名称·符号·序数钒(Vanadium)·V·23
元素类别过渡金属
·周期·5·4·d
标准原子质量50.9415(1)
电子排布[Ar] 3d3 4s2
2,8,11,2
钒的电子层(2,8,11,2)
钒的电子层(2,8,11,2)
历史
发现安德烈·曼纽尔·德·里奥(1801年)
分离尼尔斯·加布里埃尔·塞夫斯特瑞姆(1830年)
命名尼尔斯·加布里埃尔·塞夫斯特瑞姆(1830年)
物理性质
物态固态
密度(接近室温
6.0 g·cm−3
熔点2183 K,1910 °C,3470 °F
沸点3680 K,3407 °C,6165 °F
熔化热21.5 kJ·mol−1
汽化热444 kJ·mol−1
比热容24.89 J·mol−1·K−1
蒸气压
压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 2101 2289 2523 2814 3187 3679
原子性质
氧化态+5,+4,+3,+2,+1,-1
(两性)
电离能第一:650.9 kJ·mol−1

第二:1414 kJ·mol−1
第三:2830 kJ·mol−1

更多
原子半径134 pm
共价半径153±8 pm
钒的原子谱线
杂项
晶体结构体心立方
磁序顺磁性
电阻率(20 °C)197 n Ω·m
热导率30.7 W·m−1·K−1
热膨胀系数(25 ℃)8.4 µm/(m·K)
声速(细棒)(20 °C)4560 m·s−1
杨氏模量128 GPa
剪切模量47 GPa
体积模量160 GPa
泊松比0.37
莫氏硬度6.7
布氏硬度750 MPa
CAS号7440-62-2
同位素
主条目:钒的同位素
同位素 丰度 半衰期t1/2 衰变
方式 能量MeV 产物
48V 人造 15.9735  β+ 2.993 48Ti
49V 人造 330  ε 0.602 49Ti
50V 0.250% 2.71×1017  β+ 1.187 50Ti
51V 99.750% 稳定,带28粒中子

1801年,安德烈·曼努埃尔·德尔里奥墨西哥发现了一种钒化合物,他分析了一种新的含矿物,他称之为“褐色铅”,并根据其质量推测是一种新元素的存在,他称之为erythronium(源自希腊语,意义为“红色”,ἐρυθρόν,eruthrón)因为加热后大多数变成红色。四年后,他错误地被其他科学家说服该元素与相同。1830年,Nils Gabriel Sefström生成了钒的氯化物,进而证明了一种新的元素,他以斯堪的纳维亚的美丽和生育女神VanadísFreyja)将这种元素命名为“vanadium”。这个名字归因于钒化合物中广泛的颜色。Del Rio的铅矿石后来因其钒含量而更名为钒铅矿。1867年亨利恩菲尔德罗斯科得到了纯的钒元素。

钒天然存在于约65种矿物化石燃料沉积物中。它是由中国俄罗斯的钢铁冶炼渣中所得到。其他国家则直接从磁铁矿、重油烟尘或铀矿开采的副产品中生产。它主要用于制造特种钢合金,如高速工具。最重要的工业用途为钒化合物五氧化二钒用作生产硫酸催化剂。用于储能的钒氧化还原电池可能是未来的重要应用。

在少数生物中发现了大量的钒离子,可能是毒素。 氧化物和一些其他钒盐具有中等毒性。特别是在海洋中,钒被一些生命作为的活性中心,例如一些海藻的钒溴过氧化物酶英语Vanadium bromoperoxidase

特性 编辑

钒为一中等硬度可延展的银灰过渡金属,有些描述形容它很“软”,应是因为它的延展性。不易腐蚀,在硫酸盐酸中它相当稳定。在933K(660 ℃)以上的温度中它氧化为五氧化二钒 (V2O5)。钒的结构强度相当高。

在氧化物中钒一般显+5价,但也有+2、+3和+4价的氧化物存在,不过它们比较容易过渡为+5价的氧化物。2价和3价的钒氧化物是碱性的,4价的氧化物是两性的,5价的氧化物是酸性的。

 
纯度99.95%的钒切片

一个很有趣的试验是用来还原无色的钒酸铵(NH4VO3)。在试验的过程中钒相继被还原成蓝色的四价钒、绿色的三价钒、紫蓝色的二价钒,随后低价的钒又会被空气中的氧化为金黄色的五价钒。由于钒的价数很容易改变,它也经常被用做催化剂。+1价的钒很少出现。理论上0、-1和-3价的钒也有可能。

应用 编辑

大约80%的钒和一起作为里的合金元素。含钒的钢很硬很坚实,但一般其钒含量少于1%。

  • 含钒的合金有:
    • 运用在医疗器械中的特别的不锈钢
    • 运用在工具中的不锈钢
    • 一起作为合金物运用在高速飞机的涡轮喷气发动机中
    • 含钒的钢经常被用在轴、齿轮等关键的机械部分中
  • 钒吸收裂变中子的截面很小,因此被用在核工业
  • 在炼钢过程中钒被用来促进碳化物的形成
  • 在给钢涂钛的时候钒往往被作为中介层
  • 钒与的合金可以用来制作超导电磁铁,其磁强度可达175,000高斯
  • 在制造缩苹果酸酐硫酸的过程中五氧化二钒被用来做催化剂. 钒基混合氧化物是丙烷,丙烯和丙烯醛生产丙烯酸的有效催化剂[1][2][3][4]
  • 五氧化二钒(V2O5)被用来制做特殊的陶瓷作为催化剂
  • 可做蓝色颜料,称为“钒锆蓝”或“土耳其蓝”

历史 编辑

1801年西班牙矿物学家安德烈·曼纽尔·德·里奥墨西哥城的一个铅矿中首先发现了钒,但他错误地以为他所发现的只不过是一种不纯的铬。1831年瑞典化学家尼尔斯·加布里埃尔·塞夫斯特瑞姆在与铁矿做试验时重新发现了钒,同年弗里德里希·维勒证实了德·里欧的发现。1867年亨利·英弗尔德·罗斯还原二氯化钒首次得到了纯的钒。

塞夫斯特瑞姆给钒按日尔曼神话中美丽女神的名字起了名,因为钒的化合物色彩缤纷。

生理 编辑

在生物体内钒是一些的必要组成部分。一些固氮的微生物使用含钒的酶来固定空气中的

鼠和鸡也需要少量的钒,缺钒会阻碍它们的生长和繁殖。含钒的血红蛋白存在于海鞘类动物中。

一些含钒的物质具有类似胰岛素的效应,也许可以用来治疗糖尿病

同位素 编辑

钒共有31种同位素,其中51V稳定。

来源 编辑

在大自然中钒一般以化合物存在。约65种钒的化合物在自然中出现,其中有

  • 硫化钒 (VS4
  • 绿硫钒矿 (VS2或V2S4
  • 钒铅矿 [Pb5(VO4)3Cl]
  • 钒云母 [KV2(AlSi3O10)(OH)2]
  • 钒酸钾铀矿 [K2(UO2)2(VO4)2·3H2O]
  • 磁铁矿一般含1-2%的钒[来源请求]
  • 钒钛磁铁矿也是是钒的来源之一

矾土石油油页岩中也含有大量钒,特别是委内瑞拉加拿大的石油中能找到钒。光谱分析发现在太阳和一些恒星的表面也有钒。

生产 编辑

纯的金属钒一般是用在高压下将五氧化二钒还原而得到的。大多数钒是其它矿物加工时的副产品。工业上也可以铝,焦炭还原五氧化二钒生产纯钒。

化合物 编辑

五氧化二钒是钒最重要的化合物,常被用来做催化剂、染料和固色剂。五氧化二钒加热可放出氧气,且这个反应是可逆的。五氧化二钒的性质可催化二氧化硫的氧化反应,在工业上用来制造硫酸、邻苯二甲酐和顺丁烯二酐。五氧化二钒是橙色的,具有毒性,不同于大多数金属氧化物,五氧化二钒微溶于水。它是两性化合物,可以与酸和碱反应。它也是氧化剂

 
从左到右:[V(H2O)6]2+(紫色),[V(H2O)6]3+(绿色),[VO(H2O)6]2+(蓝色),[VO2(H2O)6]+(黄色)

注意 编辑

  • 钒很易燃。
  • 钒的化合物毒性很高。
  • 含钒的尘埃被吸入后会导致肺癌

参考文献 编辑

  1. ^ The reaction network in propane oxidation over phase-pure MoVTeNb M1 oxide catalysts. Journal of Catalysis. 2014, 311: 369–385 [2019-06-13]. (原始内容存档于2020-07-13). 
  2. ^ Multifunctionality of Crystalline MoV(TeNb) M1 Oxide Catalysts in Selective Oxidation of Propane and Benzyl Alcohol. ACS Catalysis. 2013, 3 (6): 1103–1113 [2019-06-13]. (原始内容存档于2019-03-29). 
  3. ^ Surface chemistry of phase-pure M1 MoVTeNb oxide during operation in selective oxidation of propane to acrylic acid. Journal of Catalysis. 2012, 285: 48–60 [2019-06-13]. (原始内容存档于2020-07-13). 
  4. ^ Kinetic studies of propane oxidation on Mo and V based mixed oxide catalysts. 2011 [2019-06-13]. (原始内容存档于2020-05-19). 

外部链接 编辑