Ванадий

Ванадий — химический элемент под номером 23 в таблице Менделеева, имеющий атомную массу 50,942 а. е. м. По внешнему виду ванадий — пластичный и лёгкий металл, на воздухе покрывающийся оксидной плёнкой цветов побежалости:

С точки зрения электронной конфигурации положение у него следующее: два s-электрона и три d-электрона — конфигурация \(4s^23d^3\). Поэтому самые распространённые степени окисления ванадия — от +2 до +5, хотя известны примеры соединений, содержащие ванадий в с. о. от -3 до +1. При этом самыми устойчивыми степенями окисления считаются две: +4 и +5.

Ванадий занимает 22-ое место по распространенности в земной коре: является рассеянным и сопутствует рудам других металлов.

Химические свойства ванадия

Будучи более активным, чем ближайшие соседи по периодической системе, ванадий все же не реагирует с кислотами-неокислителями: исключение составляет лишь плавиковая, с которой он образует прочную комплексную кислоту — гексафторованадиевую, в которой степень окисления металла равна +3:

$$\ce{2V + 12HF -> 2H3[VF6] + 3H2 ^}$$

С кислотами-окислителями, такими как концентрированная серная и разбавленная азотная кислоты, ванадий образует сульфат ванадила, имеющий формулу \(\ce{VOSO4}\), и нитрат ванадила \(\ce{VO(NO3)2}\) соответственно, имеющие в растворе синюю окраску за счёт катиона ванадила \(\ce{VO^2+}\), содержащего ванадий в степени окисления +4:

$$\ce{3V + 10HNO3 -> 3VO(NO3)2 + 4NO ^ + 5H2O}$$ $$\ce{V + 3H2SO4 -> VOSO4 + 2SO2 ^ + 3H2O}$$

При этом концентрированная азотная, хлорная, пероксодисерная и кислоты состава \(\ce{HHalO3 (Hal = Cl, Br, I)}\) (хлорноватая, бромноватая и иодноватая кислоты) окисляют ванадий до высшей степени окисления (+5), переводя его в катион ванадина \(\ce{VO2^+}\), существующий только в сильнокислых растворах и имеющий желтую окраску:

$$\ce{6V + 11HClO3 -> 6VO2ClO3 + 5HCl + 3H2O}$$

Являясь амфотерным металлом, ванадий реагирует при нагревании с щелочами и образует ванадаты(V):

$$\ce{4V + 12NaOH + 5O2 -> 4Na3VO4 + 6H2O}$$

«Ванадиевый хамелеон»

Если взять ванадий в высшей степени окисления — (+5) — в виде, например, метаванадата аммония \(\ce{NH4VO3}\), и восстанавливать цинком в кислой среде, то произойдёт реакция, названная «химическим хамелеоном»: в её процессе цвет раствора меняется несколько раз вслед за восстановлением ионов ванадия в растворе:

$$\ce{2NH_4VO_3 + Zn + 8HCl -> 2VOCl_2 + 2NH_4Cl + ZnCl_2 + 4H_2O}$$

В растворе начинают появляться катионы ванадила \(\ce{VO^2+}\), которые обладают синим цветом, но вместе с изначальным жёлтым оттенком раствора наблюдается цвет:

Следующим шагом идёт восстановление до ионов ванадия(III) \(\ce{V^3+}\), обладающих зелёным цветом, и в конце — до фиолетового ванадия(II).

$$\ce{2VOCl_2 + Zn + 4HCl ->ZnCl_2 + 2VCl_3 + 2H_2O}$$ $$\ce{2VCl_3 + Zn ->ZnCl_2 + 2VCl_2}$$

Цвета растворов, содержащих данные ионы по отдельности, соответственно, жёлтый, голубой, зеленоватый и фиолетовый:

Оксиды ванадия

Ванадий имеет достаточно много различных оксидов, в том числе «необычных» (содержащих нестехиометрическое количество ванадия и кислорода, или содержащих ванадий в разных степенях окисления), однако далее рассмотрены лишь самые распространённые соединения ванадия с кислородом.

Оксид ванадия(II)

\(\ce{VO}\) — оксид черного цвета. Получить его можно взаимодействием сильных восстановителей с оксидами ванадия более высоких степеней окисления при достаточно высоких температурах. Он обладает основными свойствами и образует основание \(\ce{V(OH)2}\) (сильный восстановитель) коричневого цвета. Структура данного оксида представляет собой структуру типа \(\ce{NaCl}\):

Оксид ванадия(III)

Это амфотерный устойчивый оксид, но при этом основные свойства преобладают. \(\ce{V2O3}\) представляет собой черный порошок, который при растворении в кислотах образует зеленый раствор солей \(\ce{V^3+}\). С растворами щелочей не реагирует, но с оксидами щелочных металлов образует ванадаты(III). Является канцеро- и мутагеном. Образует, соответственно, гидроксид \(\ce{V(OH)3}\).

Оксид ванадия(IV)

Темно-синий оксид четырехвалентного ванадия \(\ce{VO2}\) проявляет достаточно сильные амфотерные свойства: с кислотами он реагирует с образованием солей ванадила (о котором рассказано выше) тёмно-синего цвета:

$$\ce{VO2 + H2SO4 -> VOSO4 + H2O}$$

А с щелочами — с образованием ванадитов, или ванадатов(IV):

$$\ce{4VO2 + 2NaOH -> Na2V4O9 + H2O}$$

Однако исследования показали, что корректнее записывать анион как \(\ce{V3O7^{2-}}\), соответствующий достаточно сложной структуре, показанной ниже:

Оксид ванадия(V)

Данное соединение — высший оксид ванадия, который также амфотерен, однако его кислотные свойства преобладают. Пентаоксид ванадия — чрезвычайно токсичное вещество, и перечисление способов его воздействия на уязвимый человеческий (да и не только) организм заслуживает отдельной статьи.

Данное соединение немного растворяется в воде, окрашивая раствор и осаждаясь оранжевым порошком, из-за чего \(\ce{V2O5}\) называют ангидридом невыделенной ванадиевой кислоты, хотя в индивидуальном виде он имеет желтый цвет:

В лаборатории его можно получить разложением метаванадата аммония — \(\ce{NH4VO3}\).

Соли, соответствующие ванадию(V), и их структура очень сильно зависит от pH раствора, в котором они находятся. В сильнощелочной среде преобладает тетраэдрический ион \(\ce{VO4^{3-}}\), аналогичный фосфату. При понижении кислотности среды (при понижении pH раствора) происходят процессы конденсации и поликонденсации, при которых образуются диванадат-ионы (аналогично дифосфат-иону), триванадат-ионы, декаванадат-ионы и другие:

Помимо ярко выраженных кислотных свойств пентаоксид ванадия также является окислителем средней силы, и, восстанавливаясь, переходит в соединения ванадия(IV):

$$\ce{V2O5 + 6HCl_(conc.) -> 2VOCl2 + Cl2 ^ + 3H2O}$$

Ванадий(V) также образует различные пероксидные соединения, состав которых зависит от pH:

$$\ce{VO2NO3 + H2O2 -> VO3NO3 ([VO(O2)]^{+}) + H2O \quad pH \approx 2, red}$$

$$\ce{KVO3 + 2H2O2 -> KH2VO6 ([VO(O2)2(H2O)]^{-}) + H2O \quad pH \approx 9, yellow}$$

$$\ce{K3VO4 + 4H2O2 -> K3VO8 ([V(O2)4]^{3-}) + 4H2O \quad pH \approx 10, purple}$$

Галогениды ванадия

Кратко отметим, что единственный галогенид, отвечающий составу \(\ce{VHal5}\), — это фторид \(\ce{VF5}\). Максимально возможная степень окисления в хлориде и бромиде — +4, в иодиде — +3. Все галогениды ванадия в степенях окисления ниже максимально возможных получены, сводная таблица представлена на рисунке ниже:

Любите химию!