Цирконий. Нерадиоактивный металл для ядерной энергетики
Цирконий входит в подгруппу титана и очень близок к нему по свойствам, ведь они оба стоят в IV группе ПСХЭ. Однако цирконий обладает рядом особенностей, неприсущих титану. Впрочем, обо всем по порядку.
Если элементы были бы людьми, то цирконий считался бы очень брутальным, но в то же время красивым мужчиной: это обусловлено сферами применения чистого металла. Как видно из названия, цирконий применяется в ядерной энергетике, однако не в виде топлива, а для изготовления трубок, в которых уже размещается топливо. Почему же именно цирконий? Все дело в том, что этот металл проницаем для нейтронов, которые поддерживают цепную реакцию деления ядерного топлива, а также способен выдерживать высочайшие температуры. А это, знаете ли, очень жесткие условия для работы, когда вокруг огромные потоки нейтронов, все нагрето до 300-600°С, работа проходит под высоким давлением, да еще и рядом радиоактивный уран, который постоянно делится, расширяется и пытается разорвать трубку из циркония. Еще более «мужским» применением является производство трассирующих снарядов и зажигательных бомб. Сплавы, содержащие этот металл, способны выдерживать повышенные ударные нагрузки.
Циркония примерно в 37 раз меньше, чем титана, что составляет 0,017 % массы земной коры. В чистом виде он не встречается, а входит лишь в состав около 140 различных минералов, самыми важными для производства являются бадделеит ZrO2 и циркон ZrSiO4.
|
|
|
Красивейший минерал гиацинт с формулой аналогичной циркону (ZrSiO4) был известен людям еще с древних времен, его использовали в ювелирном деле.
Как уже было отмечено ранее, цирконий помимо своей брутальности еще красив и галантен, любим женщинами. Так фианит – диоксид циркония, обладающий кубической кристаллической решеткой, является самым известным имитатором алмазов. Даже профессионалу достаточно сложно различить алмаз и фианит, ведь последний обладает схожим блеском и крайне высокой твердостью (9 по шкале Мооса, в то время как алмаз – 10). Впрочем, задача разрешима, если более тщательно исследовать спектр света или вес образцов.
Нельзя также не упомянуть широкое применение циркония в пиротехнике, ведь этот металл сгорает на воздухе, выделяя огромное количество тепла (4650°С) и ослепительно яркого белого цвета, и, что очень важно – почти без дыма!
Ну и конечно же, металлический цирконий и его диоксид применяется в медицине. Из диоксида циркония делаются зубные протезы, которые на вид и по ощущениям не отличить от настоящих.
Гафний. Брат циркония
Гафний – металл близнец циркония. Их химические свойства настолько похожи, что это вызывает трудности у химиков при их разделении, так как гафний всегда сопутствует цирконию в минералах. А разделять их надо.
|
|
|
Его области применения крайне узконаправленны: большая часть добываемого металла уходит на нужды атомной энергетики, так как гафний способен хорошо захватывать нейтроны. Да, это свойство все же используется, когда требуется заглушить ядерную реакцию в реакторе. Большое значение для аэрокосмической промышленности играют такие соединения гафния как: карбид и борид (HfC и HfB2соответственно), из них изготавливают сверхтвердые и очень износоустойчивые материалы для ядерных реактивных двигателей и сопел ракет. Важно, что энергия, требуемая на отрыв последнего электрона (энергия ионизации) из атома гафния достаточно низка, поэтому этот металл идеально подходит для использования в плазменных горелках!
Названием элемент обязан тому городу, где он был открыт, то есть Копенгагену. Читатель спросит: «Чем столица Дании похожа на гафний?», а мы ответим: «Hafnia – старинное название этого города». Открыт гафний был в 1923 году двумя датчанами Костером и Хевеши, которые исследовали руды, содержащие цирконий.
В природе гафния гораздо меньше, чем циркония. В свободном состоянии он пока обнаружен не был, правда, является постоянной примесью в рудах, богатых его младшим братом (обычно не больше 4 % по массе).
|
|
|
Подгруппа ванадия (VБ)
Закончив описание подгруппы VIБ, поговорим о подгруппе ванадия. В нее входят такие металлы, как: ванадий, ниобий, тантал и дубний. Для элементов этой подгруппы наиболее устойчивой и распространенной степенью окисления является +5. Ванадий и его соединения на данный момент применяются гораздо шире, чем остальные элементы этой подгруппы, однако стоит отметить быстрый рост областей, использующих ниобий и тантал.
Все рассматриваемые металлы обладают высокой устойчивостью к действию кислот и щелочей, особенно это характерно для Nb и Ta. Если измельчить эти металлы и нагреть до определенных температур, то они будут реагировать с кислородом, серой, азотом и галогенами.
Ванадий. Открытый дважды
Ванадий относится к рассеянным элементам и встречается в виде примесей к рудам, которые содержат Fe, Pb и Ti. К важнейшим минералам, в состав которых входит ванадий, относятся патронит VS2 и ванадинит 3Pb3(VO4)2×PbCl2. Ванадий составляет примерно 0,015 % массы земной коры.
Процесс выделения чистого ванадия можно отнести к многостадийным. Интересно, что примерно половину всего ванадия получают из железных руд, содержащих этот металл в виде примеси. Сначала из обогащенной руды получают чугун, в состав которого входит ванадий. Далее чугун перерабатывают в сталь, получая шлаки, содержащие FeVO4, потом ванадат железа прокаливают с NaCl в присутствии кислорода:
|
|
|
4FeVO4 + 4NaCl + O2 → 4NaVO3 + 2Fe2O3 + 2Cl2
Полученный метаванадат натрия (NaVO3) обрабатывают разбавленной серной кислотой, переводя его в V2O5. Далее пентаоксид ванадия подвергают алюмотермии, с целью получения чистого металла.
Стоит упомянуть также и историю открытия этого элемента. Его открывали дважды! В 1801 году в Мехико профессор минералогии Андрес Мануэль дель Рио получил соли и оксиды неизвестного металла, исследуя свинцовую руду. Однако химики из Европы усомнились в достижениях своего коллеги. Сам же ученый провел повторные эксперименты и пришел к неутешительному выводу: он имел дело просто с хромом низкой степени чистоты. Спустя 30 лет шведский ученый Сефстрем, работавший под руководством великого химика того времени Берцелиуса, повторно открывает ванадий в составе чугуна. Ученик и учитель назвали элемент в честь богини скандинавской мифологии, которая имела два имени: Фрейя и Ванадис. К счастью, А. М. дель Рио был в то время еще жив и мог убедиться в своей правоте даже спустя столько времени.
Самой важной областью применения чистого ванадия является производство стали. Этот металл улучшает все механические характеристики, более того, можно наблюдать повышение вязкости производимой стали. Также ванадий относится к элементам-раскислителям (они понижают растворимость кислорода в сплаве). По этой способности ванадий уступает только кремнию.
Наиважнейшим соединением, в состав которого входит ванадий, является его высший оксид – V2O5. Его применяют в качестве катализатора при производстве серной кислоты (в процессе окисления SO2 до SO3). Некоторые соли этого металла применяют в медицине из-за их антисептических свойств.
Ванадий может существовать в различных степенях окисления: +2; +3; +4; +5. Они окрашивают раствор в фиолетовый, зеленый, голубой и желтый цвета соответственно.
Купить этот металл можно в среднем по цене 7 тыс. рублей за 1 кг.
Дата добавления: 2018-09-20; просмотров: 629; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!