奇妙的化学元素 | 元素--钒

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钒的特性

奇妙的化学元素 | 元素--钒  第1张

钒(Vanadium)元素符号为V,原子序数23,在元素周期表中属VB族,原子量50.94,是一种金属元素,晶胞为体心立方晶体(每个晶胞含有2个金属原子),常见化合价为+5、+4、+3、+2。钒共有31种同位素,其中天然存在的是钒-50和钒-51,其他的全部通过人工合成。

奇妙的化学元素 | 元素--钒  第2张

体心立方体

奇妙的化学元素 | 元素--钒  第3张

钒单质

化学特性:

钒的性质和钽以及铌相似,属于中等活泼的金属,化合价+2、+3、+4和+5。其中以+5价为最稳定,其次是+4价,五价钒的化合物具有氧化性能,低价钒则具有还原性。钒的价态越低还原性越强。电离能为6.74eV,具有耐盐酸和硫酸的本领,并且在耐气、耐盐、耐水腐蚀的性能要比大多数不锈钢好。钒在空气中不易被氧化,可溶于氢氟酸、硝酸和王水。
    高温下,金属钒很容易与氧和氮作用。当金属钒在空气中加热时,钒氧化成棕黑色的三氧化二钒、深蓝色的二氧化钒,并最终成为桔黄色的五氧化二钒
    钒在氮气中加热至900~1300℃会生成氮化钒。钒与碳在高温下可生成碳化钒,但碳化反应必须在真空中进行。当钒在真空下或惰性气氛中与硅、硼、磷、砷一同加热时,可形成相应的硅化物、硼化物、磷化物和砷化物。不同价态的钒离子有不同的颜色:VO2+颜色为浅黄色或深绿色,VO+颜色为蓝色,V3+为绿色,V2+为紫色。

钒储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。应与氧化剂、酸类、食用化学品分开存放,切忌混储。配备相应品种和数量的消防器材。储区应备有合适的材料收容泄漏物。


物理特性:

钒是一种银灰色难熔难挥发的稀有金属。熔点1890℃,属于高熔点稀有金属之列,沸点3380℃,纯钒质轻,坚硬,无磁性,具有延展性,但是若含有少量的杂质,尤其是氮,氧,氢等,能显著降低其可塑性。当它被加入常规金属形成合金时,能显著提高合金的塑性、延展性、柔韧性与强度。


钒盐:
    我们平常说的钒盐是指这几种:含有V4+的,含有VO3-的(偏钒酸盐),含有VO4^3-的(正钒酸盐),他们包括:偏钒酸铵、偏钒酸钠、偏钒酸钾、正钒酸钠、硫酸氧钒、草酸氧钒、四氯化钒、三氯氧钒等。
    钒的盐类的颜色真是五光十色,有绿的、红的、黑的、黄的,绿的碧如翡翠,黑的犹如浓墨。如二价钒盐常呈紫色;三价钒盐呈绿色,四价钒盐呈浅蓝色,四价钒的碱性衍生物常是棕色或黑色,而五氧化二钒则是红色的。这些色彩缤纷的钒的化合物,被制成鲜艳的颜料:把它们加到玻璃中,制成彩色玻璃,也可以用来制造各种墨水。

钒的发现与发展

奇妙的化学元素 | 元素--钒  第4张

左:德·里奥;    右:塞夫斯特瑞姆

钒先后被两次发现。

1801年:第一次发现,在新大陆墨西哥城的一位西班牙化学家德·里奥正在研究当地的一种“棕铅矿”(现在叫钒铅矿),他从这种矿石里提取出来各种不同颜色的盐类,这些颜色都是他之前没有见过的,而在加热后,这些盐类都变成了红色,他认为这其中有一种新元素。但在当时,新大陆仍是科学的蛮荒之地,他的发现被传递到法国科学家迪科蒂斯手里,骄傲的法国人宣布这不过是一种不纯的铬盐,德·里奥接受了迪科蒂斯的建议,撤回了自己发现新元素的报告。

1830年:第二次发现,瑞典科学家塞夫斯特瑞姆在研究当地的铁矿石的时候重新发现了这种新元素。由于这种新元素的化合物是五颜六色的,所以用北欧神话里的一位女神:凡娜迪丝来命名它,翻译成中文就是“钒”。同年,维勒发现,塞夫斯特瑞姆发现的钒就是之前德·里奥发现的新元素,有人提出,应该用德·里奥来命名新元素,不过没有被采纳。所以,德·里奥依旧被公认为钒的发现者,而钒的名字仍然采用塞夫斯特瑞姆建议的女神。其实北欧神话里的女神——凡娜迪丝另一个名字更加广为人知:弗蕾娅,是美貌和生育之神。
1840年:俄罗斯矿物工程师苏宾写道“含铜生铁、黑铜、铜锭是含钒合金,由于钒的存在,使它们具有较高的硬度” 。
1869年:英国化学家罗斯(Roscoe.H.E,1833-1915)用氢气还原二氧化钒,才第一次制得了纯净的金属钒,而且他证明了之前的金属样本其实是氮化钒(VN)。
1882年:在发现钒这种金属后,人们慢慢了解到了它的性质,并开始将它应用到人们的生活当中。英国列·克鲁佐特钢铁公司用含钒1.1%的炼钢炉渣制得钒的磷酸盐,年产量约60t。

19世纪末:研究还发现了钒在钢中能显著改善钢材的机械性能,从而使钒在工业上才得到广泛应用。

19世纪末20世纪初:俄罗斯开始利用碳还原法还原铁和钒氧化物,首次制备出钒铁合金(含V35%~40%)。

1903年:俄罗斯进行了铝热法制取钒铁的试验。
1927年:美国的马尔登和赖奇用金属钙还原五氧化二钒(V2O5),第一次制得了含钒99.3%~99.8%的可锻性金属钒。
20世纪初:人们开始大量开采钒矿。
世界上生产钒的矿石主要以钒钛磁铁矿为主,在俄罗斯、南非、中国、澳大利亚及美国等国家都有丰富的钒钛磁铁矿资源,此外钒铀矿、铝土矿、磷岩矿、碳质页岩、石油燃烧灰渣、废催化剂等均可作为回收钒的资源
钒的来源

奇妙的化学元素 | 元素--钒  第5张

攀枝花钒钛磁铁矿

   钒在地球上其实并不少,在所有的元素中列第20名。在65种矿物中都能找得到钒,最常见的如绿硫钒石(四硫化钒)、钒铅矿(Pb5(VO4)3Cl)、钒钾铀矿(K2(UO2)2(VO4)2·3H2O)等,这些五颜六色的矿物经常和铝土矿、磁铁矿伴生。钒的踪迹遍布全世界。平均在两万个原子中,就有一个钒原子,比铜、锡、锌、镍的含量都多,但钒的分布太分散了,几乎没有含量较多的矿床。在海水中,在海胆等海洋生物体内,在磁铁矿中,在多种沥青矿物和煤灰中,在落到地球的陨石和太阳的光谱线中,人们都发现了钒的踪影。钒是地球上广泛分布的微量元素,其含量约占地壳构成的0.02%,获取相对容易。
    世界上已知的钒储量有98%产于钒钛磁铁矿。除钒钛磁铁矿外、钒资源还部分赋存于磷块岩矿,含铀砂岩,粉砂岩,铝土矿,含碳质的原油、煤、油页岩及沥青砂中。
    世界钒钛磁铁矿的储量很大,并且集中在少数几个国家和地区,包括:独联体、美国、中国、南非、挪威、瑞典、芬兰、加拿大、澳大利亚,并且集中分布在南非洲、北美洲等地区。根据1988年美国矿业局统计资料表明,世界钒储量基础为1.6亿吨(以钒计)。按开采量计算,世界现探明的钒资源可供开采150年。从储量基础看,南非占46%,独联体占23.6%,美国占13.1%,中国占11.6%,其它国家的总和不足6%。

奇妙的化学元素 | 元素--钒  第6张

a高纯钒;b水硅钒钙石;c钒铅矿石;d钒钙铀矿

    矿物有钒酸钾铀矿、褐铅矿和绿硫钒矿、石煤矿等。中国是钒资源比较丰富的国家,钒储量为2055万吨(以V2O5计)主要赋存钒钛磁铁矿中,且集中分布在四川的攀枝花市、河北承德市。攀枝花钒储量为1295万吨,占中国钒储量的63%。


钒的用途
奇妙的化学元素 | 元素--钒  第7张含钒钢筋

作为“女神元素”,钒的用途非常广发。钒在钢铁工业、冶金化工、航空航天、国防军工、医药、颜料、玻璃、新能源电池等领域均有重要应用,有“金属维生素”、“化学面包”、“现代工业的味精”之称。


奇妙的化学元素 | 元素--钒  第8张

1910年发明的福特T型车(钒钢底盘)

钒合金
    钒合金是钒最重要的应用领域之一。通过将钒与其他金属(如铁、钢、铝、钛)合金化,可以显著改变其机械性能和耐热性能。
    钒在钢铁工业中主要用作合金添加剂,我国90%左右的钒用于钢铁工业。利用加钒对钢材进行微合金化,既能极大地提升产品的强度、韧性、耐高温、抗奇寒、抗腐蚀,又可以节约钢材消耗量。相较于普通热轧钢筋,含钒钢筋在连铸、加工等方面具有独特优势,具备抗震性能优良、屈强比高、屈服强度波动范围小、延伸率高、弯曲性能好、低时效、易焊接等特性,在汽车、航空、铁路、电子技术、国防工业等部门,到处可见到钒的踪迹。
    按照我国钢铁行业平均能源消耗与碳排放数据测算,平均每年可节约1.1亿吨以上标准煤消耗、可减少3.7亿吨以上二氧化碳排放,这对于推动钢铁行业碳达峰及降碳具有积极作用。

奇妙的化学元素 | 元素--钒  第9张

钒钢做的扳手

钒催化剂
    由于钒在不同氧化态之间的可逆转变,钒的氧化物已成为化学工业中最佳催化剂之一,钒催化剂广泛应用于有机合成、环境保护和能源领域,例如合成丙烯酸、氨合成、脱硫和催化脱氧等反应。

钒电池
    钒电池(全钒氧化还原液流电池)是一种高效储能和高效输出的装置。钒电池储能系统由正负电极、电解液储液罐、离子交换膜组件等几部分构成。通过电解液中钒离子的价态变化产生电流流动,循环使用次数可达5000次至1万次,是锂电池的10倍以上。钒电池的功率大、容量大、效率高、寿命长、响应速度快、可瞬间充电、安全性高、成本低,已成为可再生能源储能、电网调峰、备用电源等领域的首选技术之一,被称为“电力银行”。

奇妙的化学元素 | 元素--钒  第10张

环境污染治理
    钒在环境污染治理中扮演着重要角色。钒氧化物被广泛应用于废气脱硝、废水处理和有毒废物处理等领域。钒催化剂可以高效催化氮氧化物的还原和分解,从而减少大气污染物的排放。

    钒在天然水中的浓度很低,一般河水中为0.01~20ppb,平均为1ppb。海水含钒量为0.9~2.5ppb。尽管水体中可溶性的钒含量很低,但是水中悬浮物含钒量是很高的。悬浮物的沉积导致水中钒向底质迁移,并使水体得到净化。

钒同位素的作用
    钒共有31种同位素,作为多价态的元素,钒同位素在自然界中存在显著分馏。① 钒同位素可以鉴别磁铁矿控制的地质过程② 钒同位素可以制约核幔分异过程③ 钒同位素在古环境示踪方面有巨大潜力。

钒与人体健康的关系

奇妙的化学元素 | 元素--钒  第11张

钒对人的作用

钒元素在人体新陈代谢、牙齿发育中至关重要。据研究,它与人体的神经、造血、心血管系统和胆固醇代谢及肾、肝、骨骼等有着极密切的联系,钒可以促进糖的代谢,促进血红细胞生长。具有良好的类胰岛素作用,可保护胰岛细胞,降低体内血糖含量。钒缺乏时,生长发育受阻,死亡率增加,脾胀肿大,蛋白质代谢紊乱,生殖功能受损,红细胞的渗透性增加。
有助于造血功能:钒能刺激骨髓的造血功能,促进血红素的合成,能有效治疗多种贫血症。钒刺激造血功能的机理是由于抑制氧化—还原系统,引起缺氧,从而刺激骨髓的造血作用,钒可增强铁对红细胞的生理作用。研究表明,动物摄入充足的钒可使其血红蛋白、红细胞数量增多。
预防龋齿:由于钒离子在牙釉质和牙质内可增加羟基磷灰石的硬度,还可增加有机物质和无机物质之间的粘合性。因牙釉质和牙质都属于磷灰石,故钒可以置换到磷灰石分子中,可有效地预防龋齿。龋齿低发区的饮用水中钒浓度较大。
促进骨骼生长:钒对骨骼健康也有积极的影响。它可以促进钙的吸收和骨骼的形成,有助于预防骨质疏松症。钒还可以增强骨骼的稳定性,减少骨折的风险。
调节肾功能:肾对钒有积累作用,主要是由于肾能吸收积累的VO2+化合物。由于钒酸盐在肾内吸收积累的浓度大,且主要在尿中排出,与利尿剂相似,这表明钒具有调节肾功能的作用。
有益心血管:体内钒处于正常浓度水平时,可促进脂质代谢,抑制胆固醇合成,促进胆固醇转化为胆酸,使血浆磷脂和胆固醇水平降低以及主动脉阳岡醴浓度下降。减轻诱发脉硬化的程度,能有效防治冠心病。还可以降低肝脏内磷脂和胆固醇。低浓度钒还有加强单胺氧化酶活力的作用,可降低血压。
调节糖代谢:钒在血糖调节中起着重要的作用。它可以影响胰岛素的敏感性和葡萄糖的摄取,有助于维持血糖的稳定。钒还可以促进糖原合成和葡萄糖的利用,可抑制糖尿病人的蛋白质和脂肪分解,促进脂肪合成。
抗癌:钒可能作为一种治疗介质,通过维持体内微量元素的生理平衡,从而起到抗癌的作用。Rizk等人通过X射线荧光技术发现在发生肿瘤的组织或者是细胞中,钒的含量高于正常的组织和细胞水平。另外,最近的研究表明,钒能使细胞内的胳氨酸磷酸酯酶的活性降低,同时激活胳氨酸酶,从而具有了抗癌的作用。
增强免疫力:钒对免疫系统的功能起着重要的作用。它可以增强免疫细胞的活性,提高机体对病原体的抵抗力。钒还可以促进白细胞的生成和功能,有助于预防感染和炎症。
调节钠、钾:钒在体内能调节钠,钾—三磷酸腺苷酶[钠泵(Na, K—ATP酶)]及其他磷酸转移酶的功能,影响细胞膜阳离子交换。钒对钠泵有强烈的抑制作用,当钠泵作用时,不断将钠离子从细胞内送到细胞外,又将钾离子从细胞外带到细胞内,进行钠、钾的主动运输,以维持正常的细胞代谢功能,体内钒的含量增大时,降低了钠泵的活性,使细胞内钠离子含量增大,细胞外钾离子增加;而钾离子含量太大时,会引起心脏功能紊乱,心律失常。体内钒含量增加到一定浓度后,引起心肌收缩、心律不齐而产生心血管疾病。钒在体内的代谢作用是一个复杂的过程,钒一定浓度时能阻止动脉粥样硬化的发生。

随着对钒研究的深入,大量的结果表明对动物和人体来说,钒是一种必需的微量元素,它在生命化学中的作用是不容置疑的。在钒化合物的潜在药理作用中,其降糖作用和抗癌作用是最引人注意的。

奇妙的化学元素 | 元素--钒  第12张

钒的食物来源
海鲜:一些海鲜中含有丰富的钒,如虾、蟹、贝类等。这些食物是钒的良好来源,尤其是贝类中的钒含量较高。
谷类和豆类:谷类和豆类食物也是钒的重要来源。燕麦、糙米、小麦、大豆等都含有一定量的钒。全谷类食物通常比精制谷物含有更多的钒。
坚果和种子:坚果和种子是富含营养的食物,其中也含有一定量的钒。杏仁、核桃、花生、南瓜子等都是良好的钒来源。
蔬菜和水果:一些蔬菜和水果中也含有少量的钒。菠菜、西兰花、甜菜、草莓、柑橘类水果等都是含钒的食物。


需补充钒的人群
胰岛素依赖性糖尿病患者:每天摄取125微克的钒化钠,能降低胰岛素依赖性糖尿病患者的胰岛素需求量,使血糖值趋近于正常,并降低血中的胆固醇含量。
健身与职业运动员:由于钒对于葡萄糖代谢有良好的助益,也是胰岛素的辅助因子,因此可依照医生指示适量摄取钒补充剂。

钒过量的危害
毒性反应:过量摄入钒可能导致毒性反应,如胃肠道不适、呕吐、腹泻、头痛、头晕等。严重的过量摄入可能导致肝损伤和肾功能损害。
神经系统问题:过量摄入钒可能对神经系统造成损害,导致神经毒性症状,如震颤、肌肉无力、行走困难等。长期过量摄入钒可能增加患帕金森病样症状的风险。
免疫系统抑制:过量摄入钒可能抑制免疫系统的功能,降低机体对病原体的抵抗力,增加感染和炎症的风险。


钒的危害
奇妙的化学元素 | 元素--钒  第13张

    金属钒的毒性很低。钒化合物(钒盐)对人和动物具有毒性,其毒性随化合物的原子价增加和溶解度的增大而增加,如五氧化二钒为高毒,可引起呼吸系统、神经系统、胃肠和皮肤的改变。

皮肤接触:脱去污染的衣着,用肥皂水及清水彻底冲洗。

眼睛接触:立即翻开上下眼睑,用流动清水冲洗15分钟。就医。

吸入:脱离现场至空气新鲜处,用水漱洗鼻咽部的粉尘。就医。

食入:误服者就医。对症治疗。


结语

钒作为一种多功能元素,在材料科学和环境治理领域具有广泛的应用。钒合金、钒催化剂和钒化合物在电子材料、能源储存、光学器件和环境保护等方面发挥着重要作用。另外钒与人类的健康也有着密切的关系。随着科学技术的不断发展,钒的应用前景将进一步拓展。





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