Подгруппа ванадия - побочная подгруппа V группы

Свойства элементов подгруппы ванадия

Физические свойства

Блестящие, сероватого цвета металлы. С увеличением атомного номера растут температуры плавления и кипения.

Химические свойства

В ряду V – Nb – Ta химическая активность падает. С увеличением степени окисления элементов у их оксидов и гидроксидов происходит ослабление основных свойств и усиление кислотных. Высшим оксидам RO₃ соответствуют кислоты HRO₃.

Ванадий и его соединения

Получение

Процесс получения чистого ванадия довольно сложный. Сначала получают его оксид (V₂O₅ или V₂O₃) или галогенид (VС1₃ или VI₃), а затем применяют либо металлотермический метод:

V₂O₅ + 5Ca → 5CaO+2V;

2VCl₃ + 3Mg → 3MgCl₂+2V,

либо восстановление углем в вакууме:

V₂О₃ + 3C → 3CO+2V

Химические свойства

На воздухе ванадий не изменяется, устойчив он к воде, к растворам минеральных солей и щелочей. Растворяется ванадий только в кислотах окислителях. На холоде на него не действуют разбавленные азотная и серная кислоты. Для того чтобы пассивированный ванадий интенсивно реагировал, его нужно нагреть. При 600—700°С происходит интенсивное окисление металла, а в мелкораздробленном состоянии он вступает в реакции при более низкой температуре: 2V +5O₂ → 2V₂O₅; 2V +5F₂ → VF₅;

2V +2Cl_{2 в токе хлора} –^tºC→ VCl₄

Прямым взаимодействием элементов при нагревании могут быть получены сульфиды, карбиды, нитриды, арсениды, силициды.

Металл исключительно устойчив как в органических, так и в большинстве неорганических агрессивных средах. По стойкости к действию НС1, НВr и холодной серной кислоты он значительно превосходит титан и нержавеющую сталь. Действуют на него лишь расплавленные щелочи:

4V + 12NaOH + 5O₂ → 4Na₃VО₄ + 6H₂О

Из кислот на него действуют концентрированная серная и азотная кислоты, плавиковая и их смеси:

V + 4H₂SО₄ → V(SО₄)₂ + 2H₂О + 2SО₂↑

Комплексообразующие свойства ванадия проявляются в образовании соединений сложного состава типа фосфорно-ванадиевой кислоты H₇PV₁₂O₃₆ или Н₇[Р(V₂O₆)₆].

Оксиды ванадия

Оксид VO нерастворим в воде, но растворяется в разбавленных кислотах с образованием двухзарядного катиона V²⁺.

VO + H₂SО₄ → VSО₄ + H₂О

Водные растворы ванадия в степени окисления (II) окрашены в фиолетовый, или в бледно-голубой цвет. Растворы солей иона V²⁺ неустойчивы и являются настолько сильными восстановителями, что при стоянии выделяют водород прямо из воды, а ион ванадия переходит в более устойчивые высшие степени окисления. При добавлении к растворам любого даже слабого основания образуется бурый аморфный осадок V(OH)₂. В чистом виде, однако, выделить его не удается, так как на воздухе он быстро превращается в серо-зеленый гидроксид V(ОН)₃.

Оксид ванадия – V₂O₃, имеет амфотерный характер с преобладанием основных свойств. Кислотные свойcтва можно рассматривать при образовании с оксидами MgO, MnO, СаО двойных соединений. С оксидами же щелочных металлов Li₂О и Na₂О получаются соли LiVO₂, NаVО₂, которые можно считать ванадиевыми солями.

Внешне V₂O₃ - блестящие черные кристаллы, по структуре подобны корунду, в воде, растворах щелочей и кислотах не растворяются, кроме плавиковой и азотной (быстрее всего в кипящей):

V₂O₃ + 6НМО₃ → 2V(NО₃)₃ + 3Н₂O

Водные растворы таких солей окрашены в зеленый цвет. Из них добавлением аммиака можно осадить рыхлый серо-зеленый осадок, который считается гидроксидом ванадия в степени окисления +3. Отметим, что такое состояние менее устойчиво и менее характерно для ванадия, чем +4 и +5. Поэтому соединения ванадия со степенью окисления +3 стремятся перейти в более стабильное состояние и проявляют, следовательно, свойства восстановителей.

Оксид ванадия – VO₂ - cине-голубые кристаллы. Это наиболее устойчивый оксид ванадия, поэтому его можно получить либо окислением низших оксидов:

2V₂О₃ + О₂ → 4VО₂,

либо восстановлением высшего оксида оксида (V):

V₂O₅ + Н₂С₂О₄ → 2VО₂ + 2СО₂ + Н₂О

Оксид VO₂ амфотерен и одинаково легко растворяется как в основаниях:

4VО₂ + 2NaOH + 6H₂О → Na₂ [V₄O₅] • 7Н₂O,

так и в кислотах: VО₂ + 2HC1 → VОСl₂ + Н₂O;

VO₂ + H₂SO₄ → VOSO₄ + H₂O

Водные растворы солей содержат ванадий не в виде простого катиона, а в виде иона ванадила, имеющего две формы существования: VO²⁺- и V₂O₂⁴⁺ - и придающие синий цвет растворам.

В щелочах образуются соли поливанадиевых кислот H₄V₄O₉ или H₂V₂O₅, соли которых называют соответственно ванадитами или поливанадатами. При сплавлении этого оксида ванадия с оксидами щелочноземельных металлов получаются ванадаты:

VO₂ + CaO → CaVO₃

Высший оксид ванадия V₂O₅ может существовать в виде красных или красножелтых кристаллов, либо оранжевого порошка. Получается взаимодействием ванадия с кислородом. Высший оксид ванадия имеет ярко выраженный кислотный характер и при растворении в воде образует ванадиевую кислоту: V₂О₅ + Н₂О → 2НVО₃.

Форма существования ванадия в растворе кислоты - в виде катиона VO²⁺, который придает раствору желтовато-оранжевый цвет. При растворении оксида ванадия (V) в основаниях получаются соли изомерных ванадиевых кислот, напоминающих фосфаты:

V₂O₅+2NaOH → 2NaVO₃+H₂O;

V₂O₅+6NaOH → 2Na₃VO₄+3H₂O

Они соответствуют мета - [НVO₃], орто - [Н₃VO₄]и H₂V₂O₇ пированадиевым кислотам. В этом отношении ванадий обнаруживает сходство уже не с азотом, а с фосфором.