Երեքշաբթի , Սեպտեմբեր 19 2017
Գլխավոր / ԳԻՏԱԿԱՆ ՀՈԴՎԱԾՆԵՐ / ՍԿԱՆԴԻՆԱՎՅԱՆ ԳԵՂԵՑԿՈՒԹՅԱՆ ԱՍՏՎԱԾՈՒՀԻՆ. ՎԱՆԱԴԻՈՒՄ

ՍԿԱՆԴԻՆԱՎՅԱՆ ԳԵՂԵՑԿՈՒԹՅԱՆ ԱՍՏՎԱԾՈՒՀԻՆ. ՎԱՆԱԴԻՈՒՄ

Նախատեսվում է հոդվածաշար, որը նվիրված կլինի մետաղների ֆիզիկական և քիմիական յուրահատկություններին, ստացմանը, կիրառման ոլորտներին, էկոլոգիական և կենսաբանական նշանակությանը: Կքննարկվի նաև մետաղների հայտնագործման և անվանման ծագման պատմությանն ու ստուգաբանությանը վերաբերվող հարցերը:

Մենդելեևի քիմիական տարրերի պարբերական աղյուսակում Վ (հայկական այբուբենի 30-րդ տառը) տառով սկսվող անուն ունեն երկու մետաղ՝ վոլֆրամն ու վանադիումը:
Կսկսենք վանադիում մետաղից:

Վանադիումը քիմիական տարրերի պարբերական համակարգի 23-րդ տարրն է: Գտնվում է 5-րդ խմբի երկրորդական ենթախմբի (Բ-խումբ) և պարբերական համակարգում գրաված դիրքին համապատասխան ունի 5 արժեքական (վալենտային) էլեկտրոն 3d34s2: Վանադիումն առաջացնում է միացություններ -3 –ից +5 օքսիդացման աստիճաններով, սակայն նրան ավելի բնութագրական է +5 օքսիդացման աստիճանը: Վանադիումն ունի երկու կայուն իզոտոպ` 51V(99,75%) և 50V(0,25%): 50V-ի կիսաքայքայման ժամանակամիջոցն՝ T1/2=1.5.1017, տարի է: Հայտնի են նաև վանադիումի 24 արհեստական ռադիոակտիվ իզոտոպներ 40-ից 65 զանգվածային թվով, որոնցից ավելի կայուն են 48V –ը՝ T1/2=16 օր և 49V-ը՝ T1/2=337 օր:

Վանադիումի միացությունները բնության մեջ բավականին լայն տարածված են: Նրա պարունակությունը երկրի կեղևում կազմում է 0,014%-ը: Դրա հետ մեկտեղ վանադիում պարունակող հանքերը ինքնուրույն տեսքով չեն հանդիպում, այլ ցրված են երկաթի ու նավթի հանքերում, ասֆալտի կուտակումներում, բիտումներում, տաք թերթաքարերում, ածուխում (օրինակ Պերուում) և այլն: Դրա համար էլ վանադիումը դասվում է բավականին հազվագույտ հանդիպող տարրերի շարքին: Այն իր տարածվածությանբ անցողիկ մետաղներից զիճում է միայն երկաթին, տիտանին, մանգանին և ցիրկոնիումին:

Հայտնի են վանադիումի 90 հանքանյութ: Վանադիումի հանքանյութերից արդյունաբերական նշանակություն ունեն հիմնականում սուլֆիդները, և վանադիում պարունակող երկաթի հանքերը:

• Պատրոնիտ – VS4 , կամ VS2, կամ V2S5 (Vմինչև 28,43%);
• Ռոսկոէլիտ (մուսկովիտ)-KV2AlSi3O10(OH,F)2, (V2O3-7.78-28.8%);
• Վանադինիտ – Pb5Cl(VO4)5 (V2O5-10,98-19,48%);
• Դեկլուազիտ – Pb(Zn, Cu) VO4 (V2O5-16.26-23.05%);
• Մոտտրամիտ – Pb(Zn, Cu) VO4(OH) (V2O5-15,76-21,12%);
• Կարնոտիտ-K2(UO2)2(VO4)2*H2O (V2O5-15.76-21.12%)
• Տյույամունիտ –Ca(UO2)2(VO4)2*8H2O (V2O5-17,5-19,28%);
• Կորվուսիտ-V2O4*V2O5*nH2O(V2O4– մինչև 10.26%);
• Վանադիում պարունակող տիտանոմագնետիտ –(FeTi)Fe2O4 (V2O5-0,15-1,5%):

19-րդ դարի սկզբին Շվեյցարիայում հայտնաբերվել են նոր, հարուստ երկաթե հանքավայրեր: Մեկը մյուսի հետևից հիմնվեցին երկաթի ստացման դոմենյան վառարաններ: Բայց ուշադրության է արժանի այն, որ միևնույն պայմաններում որոշ դոմնաներում ստացվում էր զարմանալի կռելի երկաթ, այն դեպքում, երբ մյուսներից ստացվում էր ավելի փխրուն մետաղ: Բազմաթիվ անհաջող փորձերից հետո դոմենյան վառարաններում բարձր որակի մետաղի ստացման կարգավորման համար, մետալուրգները դիմեցին քիմիկոսների օգնությանը և 1830 թ. Շվեյցարացի քիմիկոս Նիլս Սեֆստրեմին հաջողվեց դոմենյան վառարանների շլակից առանձնացնել անհայտ սև փոշի: Սեֆստրեմն եզրակացրեց, որ մետաղին զարմանալի կռելիություն է հաղորդում հանքում ինչ-որ անհայտ տարր, որը գտնվում է սև փոշու մեջ:

Այդ նոր տարրը Սեֆստրեմն անվանեց Վանադիում, ի պատիվ հին սկանդինավյան գեղեցկության աստվածուհի Վանադիսի:

Գիտնականի համար նոր տարրի հայտնագործումը մեծ պատիվ էր: Դրա համար էլ կարելի էր պատկերացնել մեքսիկացի հանքաբան Անդրես Մանուել Դել Ռիոյի դժգոհությունը, որը դեռ 1801թ. կապարի հանքում հայտնաբերել էր ոչ մի անգամ չհանդիպած տարր և սկզբում անվանել էր պանխրոմ՝ բազմագույն, իսկ վերջում Էրիտրոնիում՝ կարմիր: Բայց կասկածելով իր եզրակացություններում Դել Ռիոն հրաժարվեց իր հայտագործությունից` որոշելով, որ հանդիպել է ոչ վաղուց հայտնաբերված քրոմին:

Ավելի մեծ հիասթափություն ապրեց գերմանացի քիմիկոս Ֆրիդրիխ Վյոլերը: Այդ տարիներին, ինչպես և Սեֆստրեմին, նրան հաջողվեց ուսումնասիրել երկաթի հանքեր, որը բերել էր Գումբոլդտը Մեքսիկայից: Այն, ինչ նույնպես ուսումնասիրել էր Դել Ռիոն: Վյոլերը նույնպես նրա մեջ գտավ ինչ-որ անսովոր բան, սակայն նրա հետազոտությունը ընդհատեց հիվանդությունը: Երբ նա վերականգնեց աշխատանքը, արդեն ուշ էր, Սեֆստրեմը հրապարակել էր իր հայտնագործությունը: Նոր քիմիական տարրի հատկությունները համընկան այն բանի հետ, որը նշված էր Վյոլերի լաբորատոր գրառումներից մեկում:

Եվ միայն 1869թ. Սեֆստրեմի հայտնագործությունից 39 տարի անց, համար 23 տարրը առաջին անգամ անջատվեց հարաբերական մաքուր տեսքով: Անգլիացի քիմիկոս Գ. Ռոսկոն ջրածնով ազդելով վանադիումի քլորատի վրա, ստացավ մոտավորապես 96%-անոց մաքուր վանադիում տարրը:

Մաքուր վանադիումը բաց գորշագույն կռելի մետաղ է: Նրա խտությունը 6,11 գ/սմ3, հալում է 1900±250C ջերմաստիճանում, իսկ եռում է 34000C -ում: Սենյակային ջերմաստիճանում, չոր օդում այն բավականին քիմիապես պասիվ է, բայց բարձր ջերմաստիճաններում հեշտությամբ միանում է թթվածնի, ազոտի և այլ տարրերի հետ: Միացություններում վանադիումը հանդես է գալիս 4 վալենտականությամբ:

Հայտնի են երկ-, եռա-, քառա-, հինգավալենտ վանադիումի միացություններ: VO-ն ունի հիմնային հատկություն, իսկ V2O5 –ը թթվային: Մաքուր վանադիումը քիմիապես կայուն մետաղ է: Այն չի ենթարկվում ջրի ազդեցությանը, այդ թվում` ծովային: Այն չի փոխազդում աղաթթվի , նոսր ծծմբական թթվի և ալկալիների լուծույթների հետ: Լուծվում է խիտ ծծմբական թթվի մեջ, ֆտորաջրածնական և ազոտական թթուներում, ինչպես նաև «արքայաջրում»:

Վանադիումի պաշարները և ստացումը – Երկրի ընդերքում վանադիումը ավելի շատ է քան քրոմը, նիկելը, կապարը, ցինկը և նույնիսկ պղինձը: Սակայն այն հանքերը, որոնք հարուստ են վանադիումով հազվադեպ են հանդիպում: Երկրի ընդերքում վանադիումի միացությունները տարածվում են ջրով, նրանք ավելի շատ լուծելի են, քան այլ, ավելի տարածված մետաղների բնական միացությունները:

Վանադիումի ընդհանուր համաշխարհային պահուստային քանակն կազմում է 47,6 մլն.տ: Հարավ աֆրիկյան հանրապետությունում կենտրոնացված են 52,5%-ը, Չինաստանում-25,6%-ը, Ավստրալիայում -6,5%, Նոր Զելանդիայում-4,8%, Վենեսուելայում-1,6%: Ռուսաստանում վանադիումի հաշվարկված պահուստային մասը տեղակայված են ծագումով Ուրալի՝ Գուսևոգորսկ, Պերվոուրալսկ, Վոլկով մագմատոգեն տիտանամագնետիտային հանքանյութերում, ինչպես նաև Արխանգելսկի մարզի Իկսինսկի բոկսիտներում: Վանադիումի հանքռր կան նաև Կոմի ինքնավար հանրապետությունում և Կրասնյարսկի երկրամասում:

Վանադիում է հայտնաբերվել նաև Ուզբեկիստանի Ռուդնոյե երկրամասում և Կիրգիստանում: Իրենց նշանակությամբ բացառիկ են Պերուի վանադիումը: Նրանք գտնվում են լեռներում, ծովի մակերևույթից 4700 մետր բարձրության վրա: Պերուական հանքավայրերի ամենամեծ հարստությունը պատրոնիտ հանքն է` վանադիումի պարզ միացությունը ծծմբի հետ V2S5: Պատրոնիտի այրման ժամանակ ստացվում են կոնցենտրատներ վանադիումի հնգօքսիդի շատ բարձր պարունակությամբ` մինչև 20-30%:
1902թ. Իսպանիայում բացվեց վանադիտի առաջին հանքավայրը Pb5(VO4)3Cl: Վանադիտը հայտնաբերել են Մեքսիկայում և ԱՄՆ-ում:

Վանադիում պարունակում են նաև նավթերն, օրինակ Վենեսուելական նավթը՝ 200գ/տոննա:

Հայաստանի հանքանյութերում վանադիումի պարունակության մասին տեղեկությունները համառոտ և անբավարար են: Վանադիումի միջին պարունակությունը Քաջարանի պղնձա-մոլիբգենային հանքանյութում կազմում է 198գ/տոննա է: Որոշակի հետաքրքրություն է ներկայացնում վանադիում պարունակող Հայաստանի երկաթի հանքերը: Սվարանցի տիտանամագնետիտային ծագմամբ հանքանյութերում V2S5– ի պարունակությունը -0,13%-է:

Վանադիումային խարամից պիրոհիդրոմետալլուրգիական եղանակով ստացվում են վանադիումային արտադրանք լիգատուրի հալեցման և պողպատի անմիջական լեգիրման համար: Վանադիումի քիմիական կոնցենտրատը պարունակում է 87-88% վանադիումի օքսիդ: Խարամից վանադիումի ստացման քիմիական կոնցենտրատը կազմում է 68-70%: Դոմնային պրոցեսում վանադիումը հանքանյութից անցնում է չուգունի մեջ, հետո պողպատի ստացման ժամանակ անցնում է շլակի մեջ V2S3 և FeO խառն օքսիդների տեսքով՝FeV2O4: Այն հանդիսանում է շլակի հիմնական բաղադրիչը: Շլակը խառնում են կերակրի աղի հետ և 800OC- ումբովում օդում.

4FeV2O4 + 8NaCl + 7O2 = 8NaVO3 +2Fe2O3 +4Cl2

այնուհետև անջատված քլորը փոխազդում է շլակի հետ.

2FeV2O4+9Cl2 = VOCl3 + 2FeCl3 + 2O2:

Ստացված խառնուրդը մշակում են ջրով, այնուհետև ծծմբական թթվով,որի արդյունքում անջատվում է V2O5: Մաքուր V2O5-ը վերականգնում են կալցիումով կամ ալյումինով.

V2O5 +5Ca = 2V + 5CaO:

Առաջանում է նաև Ca(VO3)2 , որն վերականգնում են երկաթի և սիլիցիումի համաձուլվածքով՝ ֆերոսիլիցիդով-nFe ,2Si, լեգերացված երկաթ.

Ca(VO3)2 + nFe ,2Si = 2V +(n-1)Fe + CaSiO3 + FeSiO3:

Վանադիումը և քիմիական արդյունաբերությունը-Վանադիումի հիմնական քիմիական արդյունաբերությունը միանգամից չի եկել: Մարդկությանը նրա ծառայությունը սկսվել է գունավոր ապակու արտադրությունից, ներկերից և խեցեգործությունից: Ճենապակե շինվածքները և բրուտագործների արտադրանքները վանադիումի միացությունների օգնությամբ ծածկում էին ոսկե ջնարակով,իսկ ապակին ներկում էին վանադիումի աղերով` երկնագույն կամ կանաչ գույնի:

Վանադիում պարունակող կատալիզատորները՝ V205, մեծ դեր են խաղում և ժամանակակից քիմիայում: Առանց նրան չեն կառավարվում այնպիսի կարևոր պրոցեսներ, ինչպիսին են անիլինի ստացումը նիտրոբենզոլից, ծծմբական թթվի արտադրությունը, նավթի կրեկինգն և քացախաթթվի ստացումը սպիրտից և շատ ուրիշները:

Վանադիումը և մետալուրգիան – Եթե քիմիական արդյունաբերությունը կարիք ունի, նախևառաջ, վանադիումի միացությունների, ապա մետալուրգիային անհրաժեշտ է ինքը մետաղը և նրա համաձուլվածքները: Վանադիումն գլխավոր միախառնող տարրերից մեկն է:

1905թ., ավտոմոբիլաշինության սկզբին, Անգլիայում մրցումների ժամանակ ֆրանսիական մի մեքենա ջարդուփշուր եղավ: Շարժիչի բեկորներից մեկը ընկավ Հենրի Ֆորդի ձեռքը, որը ներկա էր մրցումներին: Բեկորը զարմացրեց ապագա «ավտոմոբիլային արքային», մետաղը, որից այն պատրաստված էր զուգորդում էր բացարձակ կոշտությունը, կպչունությունն և թեթևություն:

Շուտով Ֆորդի լաբորատորիան հաստատեց, որ այդ մետաղը պողպատ է վանադիումի ավելցուկով: Հաշվի չառնելով ծախսերը Ֆորդը կազմակերպեց հետազոտություն: Մի քանի անհաջողություններից հետո նրա լաբորատորիայից դուրս եկավ անհրաժեշտ որակի վանադիումի պողպատ: Այն անմիջապես հնարավորություն տվեց թեթևացնել ավտոմեքենաները, ստեղծել նոր ամուր մեքենաներ, լավացնել նրանց բանող մեխանիզմը: Ի շնորհիվ մետաղի խնայման, իջավ ավտոմեքենաների գինը և Ֆորդը կարողացավ գրավել մեծ քանակությամբ գնորդների: Այն նրան առիթ տվեց ասելու`«եթե չլիներ վանադիումը, ապա չէին լինի իմ ավտոմեքենաները»: Սակայն, դեռևս, տաս տարի առաջ էր, որ Ֆորդը իմացավ վանադիումային պողպատի գոյության մասին, ֆրանսիական ինժեներները հալեցրեցին այն և ստացան բարձր որակի զրահապատ սալեր: Հենց այդ պողպատից էլ առաջին անգամ պատրաստվեցին թնդանոթներ և դրվեցին ինքնաթիռների վրա:

Հետևազորի և հրանոթային հաշվարկների մարտական պաշտպանության անհրաժեշտությունը ակնհայտ դարձավ հատկապես առաջին համաշխարհային պատերազի ընթացքում, երբ անհրաժեշտ եղավ ընդհարվել զենքի և թնդանոթային կրակի հետ: Սկզբնական շրջանում զենքի վահանակների և սաղավարտների պատրաստման համար օգտագործում էին պողպատ, որը պարունակում էր մեծ քանակի սիլիցիում և նիկել, սակայն հրաձգարանում փորձարկումը ցույց տվեց նրա ոչ պիտանելիությունը: Պողպատ, որը պարունակում է ընդամենը 0,2% վանադիում, ավելի ամուր և ճկուն է: Ընդ որում այն ավելի թեթև է: Էլ ավելի ամուր է քրոմավանադիումային պողպատը: Այն լավ դիմադրում է հարվածին և շփմանը: Բացի այդ, այն ունի բավականին մեծ ամրություն: Դրա համար էլ սկսեցին լայն կիրառել զինվորական տեխնիկայում` նավերի շարժիչների ծնկաձև լիսեռների պատրաստման համար, նավահարերի առանձին դետալների, ավիոշարժիչների, զրահապատ սարքերի պատրաստման համար: Պողպատները, որոնք պարունակում են վանադիում, չեն կորցրել իրենց նշանակությունը և հիմա: Վանադիումը պողպատին տալիս է այնպիսի որակներ, ինչպիսին է ամրությունը, թեթևությունը, դիմացկանությունը բարձր ջերմաստիճանների ազդեցության տակ, ճկունությունը: Վանադիումական պողպատի կառուցվածքը պահպանվում է և բարձր ջերմաստիճանում: Դրա համար էլ նրա կտրվածքները մեծ արագության մշակման ժամանակ դեֆորմացիայի քիչ են ենթարկվում, իսկ դրոշմները անփոխարինելի են տաք դրոշման համար: Վանադիումի պողպատի մանրահատիկ կառուցվածքը պայմանավորում է նույնպես բարձր հարվածային մածուցիկություն և մեծ անխոնջ ամրություն:

Պրակտիկորեն կարևոր են նրա ևս մեկ որակ` կայունությունը շփման ժամանակ: Այդ որակը կարելի է ակնառու կերպով լուսաբանել այսպիսի օրինակով. դիզելային շարժիչի պատերը, որոնք պատրաստված են ածխածնային պողպատից, հազար ժամվա աշխատանքի ընթացքում մաշվում են 0,35-0,40մմ, իսկ վանադիումի պողպատից գլանի պատերը, որոնք աշխատում են նույն պայմաններում, ընդամենը` 0,1 մմ: Նավթի, գազամուղների խողովակների արտադրության ժամանակ պատերի հաստությունը պետք է լինի մոտավորապես 1սմ հաստությամբ վանադիում-մրցակցությունից դուրս: Վանադիումի հեռանկարային լինելը կապված է նրա համաձուլվածքների օգտագործմամբ, կոնստրուկտորային նյութի դերում ատոմային և ջերմամիջուկային ռեակտորներում, Բոինգ ինքնաթիռների ռեակտիվների հիդրոհամակարգերում: Վանադիումի ձուլվածքները հեշտ են լուծվում մետաղների մեջ, քան մաքուր վանադիումը և հալվում են ցածր ջերմաստիճանում: Այդ երկու առանձնահատկությունները օգտագործվում են սև մետալուրգիայում, չուգունի և պոպատի միախառնման համար ընդհանրապես օգտագործում են ֆեռովանադիում` վանադիումի և երկաթի համաձուլվածք: Համաձուլվածքներում V205-ի միջին պարունակությունը կազմում է 12-17%: Վանադիումի համաձուլվածքում –սոլվանը (25-30% V), ֆերրովանադիումը (25-80% V), կորվան (83-86% V), նիտրովան(78-80% V)-օգտագործվում է որպես հավելում սև մետալլուրգիայում:

Բայց վանադիումը միայն պողպատին չի վեհացնում: Այլ մետաղների հատկությունները նույնպես լավանում են` նրանց մեջ վանադիում ներմուծելով: Ալյումինունի մեջ ավելացնելով 3% վանադիում, այն դառնում է շատ կոշտ: Այդ ձուլվածքը կոչվում է «Բաբելիում», դիմադրում է խոնավ օդի և աղի ջրի քայքայող ազդեցությանը:

Նման ձուլվածքներից «բայց 2% վանադիումով» պատրաստում են փողավոր երաժշտական գործիքներ: Լավ հայտնի է պղնձի ձուլվածքը 8% վանադիումի հետ: Այն օգտագործվում է որպես ելանյութ այլ մետաղների հետ պղնձի ձուլվածք ստանալու համար: Բրոնզը և լատունը, որոնք պարունակում են 0,5% վանադիում, մեխանիկական հատկություններով չեն զիջում պողպատին, դրա համար էլ այն օգտագործում են պատասխանատու հանգույցներ և բարդ պրոֆիլի մանրամասնիկներ պատրաստելու համար: Նիկելի և 18-20% վանադիումի ձուլվածքի քիմիական հատկությունները համեմատելի են ազնիվ մետաղների իներտության հետ, դրա համար էլ նրանցից պատրաստում են լաբորատոր ամանեղեն: Վանադիումի ավելացումը ոսկուն տալիս է անգնահատելի ամրություն: Վերջերս բավականին շատ վանադիում է գնում տիտանի ձուլվածքներին: Տիտանի հիմքի վրա վանադիումային համաձուլվածքները օգտագործվում են հրթիռաշինության, տիեզերական սարքավորումների առանձին մասերի պատրաստման համար: Եվ միայն հալված արծաթի մեջ վանադիումը չի լուծվում:

Օգտագործված գրականություն

1. Неорганическая химия/ под ред. Акад. Д. Третякова/ том 3, Химия переходных элементов. В книге 1, М.; Академия,2007,352с.
2. Amstrong E.M., Beddoes R.L., Calviou L.J. //J.Amer.Chem.Soc. 1993,V.15,p.807
3. Гольдберг И.С., Каплан 3.Г., Пономарев В.С. Закономерности накопления ванадия в нефтях и природных битумах // Советская геология.– 1986.– № 6.– С. 100–111.

Հեղինակ՝ Գևորգ Սիմոնյան

ԵՊՀ, Էկոլոգիական քիմիայի ամբիոնի դոցենտ, քիմիական գիտությունների թեկնածու:

Դիտեք նաև

Քիմիան օգնության է շտապում տնային տնտեսուհիներին: Ազատվում ենք յոդի հետքերից

Ինչպե՞ս հագուստը մաքրել յոդի հետքերից Յոդի հետքերը հագուստից կարելի է հեռացնել անուշադրի սպիրտով: Այլ մեթոդ. ...

5 մեկնաբ.

  1. Շատ հետաքրքիր էր շնորհակալություն

    • Իրոք շնորհակալություն պ-ն Սիմոնյանին, կարծում եմ նա Վանադիումի մասին լիարժեք տեղեկություն տվեց

      • Քամալյան Օլեգ

        Կեցցես, պարոն Սիմոնյան, շատ գովելի նախաձեռնություն ես վերցրել: Եթե կայքում գրանցվածների գոնե կեսը ցուցաբերի նույնպիսի ակտիվություն, ինչպիսինը դու ես ցուցաբերում, ապա կարծում եմ աշակերտների համար ՔԻՄԻԱՆ դպրոցական ձանձրալի առարկայից միանգամայն վեր կածվի իրոք զարմանահրաշ աշխարհի:

  2. Շատ հետաքրքիր և բովանդակալից նյութ էր: Շնորհակալություն:

  3. Շնորհակալ եմ հետաքրքիր տեղեկությունների համար….Ի դեպ այս տեղեկությունների շնորհիվ ստացա առաջին 10միավորս

Պատասխանել

Ձեր էլ. փոստի հասցեն չի հրապարակվելու: Պարտադիր դաշտերը նշված են *-ով

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.