Ванадий тугоплавкий металл. область применения. история открытия, свойства, достоинства и недостатки

Продукты питания, богатые ванадием

Ванадий преобладает в составе растительной пищи , но и в животных продуктах элемент тоже присутствует. Наиболее богатый животный источник — морепродукты: в них вообще очень часто можно найти редкие микроэлементы, которые в «наземной» пище встречаются нечасто.

Также разные дозировки ванадия содержатся в крупах (рис, пшено, ячмень, овсяные хлопья), бобовых (соя, фасоль), овощах (редис, зеленый салат, картофель), грибах, специях (черный перец), петрушке, оливках, меде, растительных маслах, питьевой воде. Такая пища как макароны и кондитерские изделия лишена этого элемента.

Извлечение и представление

Ванадий 99,95%, электронно-лучевой плавки и макротравливания

Ванадий 99,9%, дендритно выращенный кристалл, полученный сублимацией в вакууме

Ванадий, произведенный по процессу Ван Аркель де Бур; остался окисленным на воздухе

Ванадий представлен в несколько ступеней. Прежде всего, оксид ванадия (V) должен быть получен из различных исходных материалов . Затем его можно превратить в элементарный металл и при необходимости очистить.

Возможными исходными материалами, из которых может быть извлечен ванадий, являются ванадиевые руды, такие как карнотит или патронит, ванадийсодержащие титано-магнетитовые руды и нефть

Руды ванадия были важны для производства в прошлом, но больше не играют важной роли и в основном были заменены титаномагнетитовыми рудами.. Если железные руды, содержащие ванадий, восстанавливаются до железа в доменном процессе , ванадий первоначально остается в чугуне

Для дальнейшей переработки чугуна в сталь в процессе рафинирования вдувается кислород. Ванадий переходит в шлак. Он содержит до 25% оксида ванадия (V) и является наиболее важным источником для извлечения металла. Чтобы получить чистый оксид ванадия (V), тонкоизмельченный шлак обжигают окислительным способом с помощью солей натрия, таких как хлорид натрия или карбонат натрия. В процессе образуется водорастворимый метаванадат натрия , который отделяется от оставшегося шлака выщелачиванием. Образовавшийся нерастворимый поливанадат аммония выпадает в осадок из раствора при добавлении кислоты и солей аммония. Его можно превратить в оксид ванадия (V) путем обжига. Оксид также может быть получен из других ванадийсодержащих руд аналогичным способом. Ванадий может быть извлечен из нефти путем образования эмульсии с добавлением воды и нитрата магния. Дальнейшая переработка происходит так же, как при добыче из железной руды

Если железные руды, содержащие ванадий, восстанавливаются до железа в доменном процессе , ванадий первоначально остается в чугуне . Для дальнейшей переработки чугуна в сталь в процессе рафинирования вдувается кислород. Ванадий переходит в шлак . Он содержит до 25% оксида ванадия (V) и является наиболее важным источником для извлечения металла. Чтобы получить чистый оксид ванадия (V), тонкоизмельченный шлак обжигают окислительным способом с помощью солей натрия, таких как хлорид натрия или карбонат натрия . В процессе образуется водорастворимый метаванадат натрия , который отделяется от оставшегося шлака выщелачиванием. Образовавшийся нерастворимый поливанадат аммония выпадает в осадок из раствора при добавлении кислоты и солей аммония . Его можно превратить в оксид ванадия (V) путем обжига . Оксид также может быть получен из других ванадийсодержащих руд аналогичным способом. Ванадий может быть извлечен из нефти путем образования эмульсии с добавлением воды и нитрата магния . Дальнейшая переработка происходит так же, как при добыче из железной руды.

Фактическое извлечение ванадия происходит путем восстановления оксида ванадия (V) другими металлами. В качестве восстановителей можно использовать алюминий , кальций , ферросилиций или углерод ; с последним, однако, в реакции образуются карбиды , которые трудно отделить от металла.

V2О5+5 С.а⟶2 V+5 С.аО{\ Displaystyle \ mathrm {V_ {2} O_ {5} +5 \ Ca \ longrightarrow 2 \ V + 5 \ CaO}}

Восстановление кальцием

Для получения чистого ванадия в качестве восстановителя используется дорогой кальций или алюминий , поскольку более дешевый ферросилиций не может обеспечить высокую чистоту. В то время как чистый ванадий получается непосредственно с кальцием, сплав ванадия с алюминием первоначально образуется с алюминием, из которого чистый ванадий получается сублимацией в вакууме .

Большая часть ванадия используется не как чистый металл, а в виде феррованадия из сплава железо-ванадий , который содержит не менее 50% ванадия. Для этого нет необходимости заранее извлекать чистый ванадий. Вместо этого ванадий и железосодержащий шлак восстанавливают до феррованадия с помощью феррокремния и извести . Этого сплава достаточно для большинства технических применений.

Чистейший ванадий может быть получен электрохимическим способом или методом Ван-Аркеля-де-Бура . Для этого чистый ванадий плавят вместе с йодом в пустой стеклянной ампуле. Иодид ванадия (III), образующийся в нагретой ампуле, разлагается на горячей вольфрамовой проволоке с образованием ванадия и йода высокой чистоты.

2 V+3 Я.2⇌2 VЯ.3{\ Displaystyle \ mathrm {2 \ V + 3 \ I_ {2} \ rightleftharpoons 2 \ VI_ {3}}}

Реакция в процессе Ван Аркеля де Бура

Свойства ванадия (таблица): температура, плотность, давление и пр.:

Примечание:

205* Эмпирический радиус ванадия согласно и составляет 134 пм.

206* Ковалентный радиус ванадия согласно и составляет 153±8 пм и 122 пм соответственно.

401* Плотность ванадия согласно составляет 5,96 г/см3 (при 20 °C и при иных стандартных условиях, состояние вещества – твердое тело).

402* Температура плавления ванадия согласно и составляет 1887 °C (2160 K, 3428,6 °F) и 1900  °C (2173,15 K, 3452 °F) соответственно.

403* Температура кипения ванадия согласно и составляет 3377 °C (3650 K, 6110,6 °F) и 3400 °C (3673,15 K, 6152 °F) соответственно.

407* Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔH_пл) ванадия согласно и составляет 17,5 кДж/моль и 23 кДж/моль соответственно.

408* Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔH_кип) ванадия согласно и составляет 460 кДж/моль и 444,8 кДж/моль соответственно.

410* Молярная теплоемкость ванадия согласно составляет 24,95 Дж/(K·моль).

Дополнительная информация

Источник финансирования.

Работа проведена за счет средств субсидии на выполнение Программы научных исследований президиума РАН «Разработка формулы оптимального питания: обоснование состава нутриома и микробиома человека» на 2018–2020 гг. (тема № 0529−2018−0111).

Конфликт интересов.

Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Участие авторов:

Сидорова Ю.С. – сбор, обработка и анализ публикаций, написание текста статьи (разделы: Ванадий в терапии сахарного диабета и Острая токсичность); Скальная М.Г. – написание текста актуальности; редактирование текста статьи в целом; Тиньков А.А. – сбор и обработка материала к статье; написание текста статьи (раздел: Механизм действия); Мазо В.К. – написание текста введения, редактирование текста статьи в целом.

Информация о вкладе каждого автора.

Все авторы внесли значимый вклад в проведение поисково-аналитической работы и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию до публикации.

Сведения об авторах

Сидорова Юлия Сергеевна*

Скальная Маргарита Геннадиевна,

Тиньков Алексей Алексеевич

Мазо Владимир Кимович

КАК ЦИТИРОВАТЬ:

Сидорова Ю.С., Скальная М.Г., Тиньков А.А., Мазо В.К. Влияние соединений ванадия на нарушения углеводного и жирового обмена // Проблемы эндокринологии.

– 2021. – Т. 65. – №3. – С. 184-190. https://doi.org/10.14341/probl10093

Почему важно соблюдать ежедневную норму стронция?

Почему важно соблюдать ежедневную норму стронция? Это вещество обязательно должно содержаться в организме в допустимых количествах. Избыток или недостаток приводит к негативным последствиям

По сути, стронций – это своеобразный аналог кальция. Большая часть вещества (около 99%) откладывается в костной ткани, а около 1% вещества скапливается в остальных тканях организма. Очень важен стронций для детей, особенно в возрасте до четырех лет, когда происходит активное формирование костной ткани.

Лучшее усвоение стронция наблюдается при одновременном употреблении витамина D, аргинина, аминокислот и лизина. Наибольшее количество вещества содержится в продуктах растительного производства, которые богаты клетчаткой, сульфатами бария и натрия. Среди них стоит отметить разнообразные бобовые культуры (фасоль, бобы, соя, горох), зерновые (пшено, дикий рис, гречка, пшеница, овес, рожь), фрукты (ананас, айва, груша, виноград), клубневые растения (репа, картофель, имбирь). В меньшем количестве элемент представлен в зелени, морской капусте, орехах и мясных продуктах.

Биологическая роль ванадия

В ходе исследования элемента было установлено наличие следующих функций ванадия:

• Принимает участие в обмене углеводов, способствует снижению сахара в крови • Принимает участие в метаболизме жиров, помогает контролировать вес, снижает холестерин крови, что замедляет развитие атеросклероза и защищает человека от заболеваний сердца и сосудов • Улучшает функциональность нервной системы • Ускоряет деление клеток, что помогает организму вовремя заменять старые структуры тканей, в том числе кожи, новыми • Оптимальное содержание ванадия в организме способствует тому, что улучшается состояние волос и ногтей • Повышает работоспособность клеток иммунитета, улучшает функции фагоцитов, способствует повышению защиты организма от болезней • Улучшает самоочищение организма, избавление его от токсинов • Замедляет старение организма • Способствует полноценному формированию костной ткани и эмали зубов, укрепляет их, препятствует развитию кариеса, остеопороза • Обладает противораковыми свойствами • Улучшает работу печени и поджелудочной железы • Положительно влияет на функционирование желез внутренней секреции • Поддерживает оптимальный баланс электролитов, регулирует содержание натрия и калия, предотвращает отеки и уменьшает их выраженность. • Улучшает кроветворение.

Биологическая роль и воздействие

Ванадий и все его соединения токсичны. Наиболее токсичны соединения пятивалентного ванадия. Чрезвычайно ядовит его оксид(V) (ядовит при попадании внутрь организма и при вдыхании, поражает дыхательную систему). Смертельная доза ЛД50 оксида ванадия(V) для крыс орально составляет 10 мг/кг.

Ванадий и его соединения очень токсичны для водных организмов (окружающей среды).

Установлено, что ванадий может тормозить синтез жирных кислот, подавлять образование холестерина. Ванадий ингибирует ряд ферментных систем, тормозит фосфорилирование и синтез АТФ, снижает уровень коферментов А и Q, стимулирует активность моноаминоксидазы и окислительное фосфорилирование. Известно также, что при шизофрении содержание ванадия в крови значительно повышается.

Избыточное поступление ванадия в организм обычно связано с экологическими и производственными факторами. При остром воздействии токсических доз ванадия у рабочих отмечаются местные воспалительные реакции кожи и слизистых оболочек глаз, верхних дыхательных путей, скопление слизи в бронхах и альвеолах. Возникают и системные аллергические реакции типа астмы и экземы; а также лейкопения и анемия, которые сопровождаются нарушениями основных биохимических параметров организма.

При введении ванадия животным (в дозах 25—50 мкг/кг), отмечается замедление роста, диарея и увеличение смертности.

Всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) 0,11 мг ванадия. Токсическая доза для человека 0,25 мг, летальная доза — 2—4 мг.

Повышенное содержание белков и хрома в рационе снижает токсическое действие ванадия. Нормы потребления для этого минерального вещества не установлены.

Кроме того, высокое содержание выявлено у некоторых морских беспозвоночных (голотурий и асцидий), у которых ванадий входит в состав белковых комплексов плазмы и форменных элементах крови и целомической жидкости. В клетках крови асцидий массовая доля ванадия может доходить до 8,75 %. Функция элемента в организме до конца не ясна, разные учёные считают его отвечающим либо за перенос кислорода в организме этих животных, либо за перенос питательных веществ. С точки зрения практического использования — возможна добыча ванадия из этих организмов, экономическая окупаемость таких «морских плантаций» на данный момент не ясна, но в Японии имеются пробные варианты.

Биологическое значение

Морские брызги содержат большое количество ванадия

Соединения ванадия имеют различное биологическое значение. Для ванадия характерно то, что он присутствует как в анионной форме в виде ванадата, так и в катионной форме в виде VO ₂ + , VO 2+ или V 3+ . Ванадаты очень похожи на фосфаты и, соответственно, имеют аналогичные эффекты. Поскольку ванадат сильнее связывается с подходящими ферментами, чем фосфат, он способен блокировать и, таким образом, контролировать ферменты фосфорилирования . Это касается, например, натрий-калий-АТФазы , которая контролирует транспорт натрия и калия в клетки. Это препятствие можно быстро удалить с помощью десфериоксамина B , который образует стабильный комплекс с ванадатом. Ванадий также влияет на усвоение глюкозы . Он способен стимулировать гликолиз в печени и подавлять конкурентный процесс глюконеогенеза . Это снижает уровень глюкозы в крови. Поэтому изучается, подходят ли соединения ванадия для лечения сахарного диабета 2 типа . Однако четких результатов пока нет. Ванадий также стимулирует окисление фосфолипидов и подавляет синтез холестерина , ингибируя скваленсинтазу , микросомальную ферментную систему в печени. Следовательно, дефицит вызывает повышение уровня холестерина и триглицеридов в плазме крови .

Ванадий играет роль в фотосинтезе растений . Он способен катализировать реакцию с образованием 5-аминолевулиновой кислоты без фермента. Это важный предшественник образования хлорофилла .

В некоторых организмах присутствуют ванадийсодержащие ферменты, например, у некоторых видов бактерий есть ванадийсодержащие нитрогеназы для фиксации азота . Это, например, виды рода Azotobacter и цианобактерии Anabaena variabilis . Однако эти нитрогеназы не так эффективны, как более распространенные нитрогеназы молибдена, и поэтому активируются только при дефиците молибдена. Другие ферменты, содержащие ванадий, можно найти в бурых водорослях и лишайниках . В них есть ванадийсодержащие галопероксидазы, с которыми они образуют хлорорганические, бромные или йодорганические соединения.

Функция ванадия, который присутствует в больших количествах в морских брызгах как металлопротеин ванабин , пока не известна. Первоначально предполагалось, что ванадий, как и гемоглобин, служит переносчиком кислорода; однако было обнаружено, что это неверно.

Эффект от применения ванадийсодержащих удобрений

В исследованиях влияния ванадия на развитие растений и их продуктивность установлена следующая закономерность. Малые дозы этого элемента действуют на растения благоприятно, большие – резко отрицательно. Отмечалось отрицательное действие ванадия на некоторые культуры, особенно при высоких дозах.

Проведенные вегетационные опыты с ячменем в песчаных и водных культурах показали, что ванадий, вносимый в форме аниона, а именно метаванадат, действует на растения более благоприятно, чем при внесении его в форме катиона.

Имеющиеся данные об эффективности ванадийсодержащих удобрений немногочисленны. Но в основном отмечается положительное влияние ванадия на состояние целого ряда культур, а именно увеличение урожайности и улучшение их качества.

Ванадий (V, Vanadium)

Химический элемент с «божественным» названием Ванадий (от древнескандинавской Vanadis, дочери Ванов, которая была богиней любви и красота у скандинавских народов) был открыт дважды.

В самом начале XIX столетия новый металл открыл Андрес Мануэль Дель Рио, профессор минералогии из Мехико в свинцовых рудах мексиканских горных пород.

Но для химиков из Европы это открытие показалось сомнительным.

В 1830 году Нильс Сефстрём (химик из Швеции) открыл ванадий в железной руде. За необыкновенную красоту соединений, образуемых новым металлом, его назвали Ванадий.

Общая характеристика ванадия

Ванадий – химический элемент с атомным номером 23, занимает место в побочной подгруппе V группы IV периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Пластичный ковкий металл серебристо-стального цвета,

Нахождение ванадия в природе

Ванадий является рассеянным элементом, встречается в осадочных и магматических породах, сланцах и железных рудах. Месторождения ванадия имеются в Австралии, Перу, Турции, Англии, ЮАР и США (calorizator). На территории России ванадий добывают в Ферганской долине, на Урале, в Киргизии, центральном Казахстане, Красноярском крае и Оренбургской области.

В организме человека ванадий присутствует в жировой ткани, костях и подкожных иммунных клетках.

Физические и химические свойства ванадия

Внешний вид ванадия больше всего напоминает сталь, это пластичный металл с температурой плавления 1920˚С. Не подвержен действию воздуха, морской воды и щелочных растворов при нормальной температуре.

Суточная потребность в ванадии

Суточная потребность 6-63 мкг/сутки (ВОЗ, 2000). Всего 1% поступающего извне ванадия всасывается в организме, остальное выводится с мочой.

Продукты питания богатые ванадием

Дополнительный приём препаратов, содержащих ванадий, обычно не назначается, суточная потребность в микроэлементе покрывается за счёт продуктов питания. Ванадий содержат злаки (рожь и овёс, пшеница и ячмень), крупы (неочищенный рис и гречка), бобовые (горох, фасоль), а также некоторые овощи, фрукты и ягоды (салат, редис, свекла, морковь и картофель, груши, вишня и земляника).

Полезные свойства ванадия и его влияние на организм

Ванадий играет заметную роль в регулировании липидного и углеводного обмена, принимает участие в активной выработке энергии. Медики отмечают, что уменьшение уровня холестерина связано с количеством поступающего в организм ванадия. Является стимулирующим фактором для движения кровяных клеток, которые поглощают болезнетворные микробы (фаоцитов).

Взаимодействие ванадия с другими

Токсичность ванадия снижается при его взаимодействии с хромом и белками. Обратный эффект дают соединения железа и алюминия, а также витамин С.

Признаки нехватки ванадия

Дефицит ванадия представлен единичными случаями ванадийдефицитной шизофрении, а также связан с патологией углеводного обмена.

Признаки избытка ванадия

Избыток ванадия значительно более распространен и связан с производством асфальта, стекла, топливной продукции (мазут, бензин, и т.д.). Обладает гипертензивным действием (ВОЗ, 1997).

Установлена связь генеза маниакально-депрессивных состояний и невротической реактивной депрессии с повышением уровня ванадия в крови.

Описана ванадиевая природа эндемичного рассеянного склероза — жирорастворимые комплексы ванадия техногенного происхождения кумулируются в миелиновых оболочках и в коре мозга, приводя к развитию рассеянного склероза.

Применение ванадия в жизни

Основным потребителем ванадия является металлургическая промышленность. Введение ванадия в состав сплавов нержавеющей, быстрорежущей и инструментальной стали увеличивается прочность и износоустойчивость стали.

Также ванадий применяется в атомно-водородной энергетике, в производстве серной кислоты, как химический источник тока.

Характеристики

Кубоиды ванадия высокой чистоты (99,95%), переплавленные электронным пучком и макротравленные

Ванадий — это ковкий металл средней твердости, цвет голубой стали. Это электрический проводящее и термически изолирующий . Некоторые источники описывают ванадий как «мягкий», возможно потому, что он пластичный, пластичный и не хрупкий . Ванадий тверже, чем большинство металлов и сталей (см. Твердость элементов (страница данных) и ). Он имеет хорошую стойкость к коррозии и устойчив к щелочам и серной и соляной кислот . Он окисляется на воздухе при температуре около 933  К (660 ° C, 1220 ° F), хотя оксидный пассивирующий слой образуется даже при комнатной температуре.

Изотопы

Встречающиеся в природе ванадия состоит из одного стабильного изотопа , 51 V, и одного радиоактивного изотопа, 50 В. Последний имеет период полураспада 1,5 × 10 17 лет и естественное изобилие 0,25%. 51 В имеет ядерный спин из 7 / ₂ , который является полезным для ЯМР — спектроскопии . Было охарактеризовано двадцать четыре искусственных радиоизотопа , в диапазоне массовых чисел от 40 до 65. Наиболее стабильными из этих изотопов являются 49 В с периодом полураспада 330 дней и 48 В с периодом полураспада 16,0 дней. Остальные радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее часа, в большинстве случаев менее 10 секунд. По крайней мере четыре изотопа имеют метастабильные возбужденные состояния . Захват электронов является основным режимом распада для изотопов легче 51 В. Для более тяжелых изотопов наиболее распространенным режимом является бета-распад . Реакции электронного захвата приводят к образованию изотопов элемента 22 ( титан ), а бета-распад приводит к изотопам элемента 24 ( хром ).

Признаки нехватки ванадия

Так как организм человека требует крайне малых количеств этого микроэлемента, а содержание ванадия в составе различных продуктов достаточно высоко, нехватка минерала возникает достаточно редко.

У человека признаки недостатка ванадия не описаны. В экспериментах у лабораторных животных при скармливании им пищи, лишенной ванадия, у них замедлялся рост, ухудшалось состояние зубов, становились более хрупкими кости, повышался уровень холестерина в крови, страдала способность к размножению.

Установлена взаимосвязь между дефицитом ванадия и сахарным диабетом. При одновременном недостатке хрома и цинка риск диабета увеличивается еще больше.

Признаки дефицита

Говорить со 100-процентной уверенностью, что дефицит ванадия опасен для человеческого организма, пока рано. Тем не менее есть мнение, что нехватка этого микровещества провоцирует:

• осложнения у диабетиков;
• гипогликемию (резкое снижение глюкозы в крови);
• развитие онкологических заболеваний;
• склонность к сердечно-сосудистым болезням;
• повышение холестерина.

Лучшие материалы месяца

• Коронавирусы: SARS-CoV-2 (COVID-19)
• Антибиотики для профилактики и лечения COVID-19: на сколько эффективны
• Самые распространенные «офисные» болезни
• Убивает ли водка коронавирус
• Как остаться живым на наших дорогах?

Но важно отметить, что лабораторные опыты с исключением ванадия из рациона ученые проводили только на животных. У них дефицит вещества приводил к ухудшению состояния костной ткани, хрящей, мышц, снижению способности к размножению

Опыт, проведенный на козах, показал: нехватка ванадиума провоцирует выкидыши, мертворождаемость, неправильное развитие плода. Был проведен эксперимент и над крысами: после введения в рацион животных ванадия у них улучшилась работоспособность щитовидной железы.

Признаки ванадий-дефицита у людей – только теория. Кроме того, если придерживаться рационального питания, получить нехватку микроэлемента практически невозможно. Исключение – нарушение функции пищеварения и проблемы с всасыванием полезных веществ.

Нахождение в природе

Ванадий является 20-м наиболее распространённым элементом в земной коре. Он относится к рассеянным элементам и в природе в свободном виде не встречается. Содержание ванадия в земной коре 1,6⋅10−2% по массе, в воде океанов 3⋅10−7%. Наиболее высокие средние содержания ванадия в магматических породах отмечаются в габбро и базальтах (230—290 г/т). В осадочных породах значительное накопление ванадия происходит в биолитах (асфальтитах, углях, битуминозных фосфатах), битуминозных сланцах, бокситах, а также в оолитовых и кремнистых железных рудах. Близость ионных радиусов ванадия и широко распространённых в магматических породах железа и титана приводит к тому, что ванадий в гипогенных процессах целиком находится в рассеянном состоянии и не образует собственных минералов. Его носителями являются многочисленные минералы титана (титаномагнетит, сфен, рутил, ильменит), слюды, пироксены и гранаты, обладающие повышенной изоморфной ёмкостью по отношению к ванадию. Важнейшие минералы: патронит V(S2)2, ванадинит Pb5(VO4)3Cl и некоторые другие. Основной источник получения ванадия — железные руды, содержащие ванадий как примесь.

Ванадил ион () в изобилии находится в морской воде, имеющий среднюю концентрацию 30 нМа. Некоторые источники минеральной воды также содержат ион в высоких концентрациях. Например, источники около горы Фудзи содержат до 54 мкг на литр.

Похожие записи:

10 главных блюд чувашской кухни: что попробовать в чебоксарах Расходы на дмс: вопросы налогообложения Жареное куриное филе на сковороде калорийность Операционная система web os для lg smart tv: что это такое в телевизоре, приложения и виджеты Что такое «аналогичный товар» по закону прав потребителей Что за рыба сардина и ее отличия от сардинеллы