钒化合物性质

1．钒A．物理性质钒是一种单晶金属，呈银灰色，具有体心立方晶格，曾发现在1550℃以及－28～－38℃时有多晶转变。钒的力学性质与其纯度及生产方法密切相关。O、H、N、C等杂质会使其性质变脆，少量则可提高其硬度及剪切力，但会降低其延展性。钒的主要物理性质见表2－1钒的力学性质如表2－2所示。表2－1金属钒的物理性质性质数值性质数值原子序数23热导率(100℃)/J·(cm·s·K)－10.31原子量50.9415外观浅灰晶格结构体心立方外电子层3d34s2晶格常数a/mm0.3024焓(298K)/kJ·(mol·K)－15.27密度/kg·m－36110熵(298K)/J·(mol·K)－129.5熔点/℃1890～1929热容cp(298K液态)/kJ·(mol·K)－124.35～25.5947.43～47.51沸点/℃3350～3409熔化热/kJ·mol－116.0～21.5热容cp①(298～990K)/kJ·(mol·K)－1a.24.134b.6.196×10－3c.－7.305×10－7d.－1.3892×105蒸气压/Pa1.3×10－6(1200℃)1.3(2067℃)3.73(2190K)207.6(2600K)蒸发热/kJ·mol－1444～502热容cp②(900～2200K)/kJ·(mol·K)－1a.25.9b.－1.25×10－4c.4.08×10－6线膨胀系数(20～200℃)/K－1(7.88～9.7)×10－6比电阻(20℃)/μΩ·cm24.8温度系数(100℃)/cm·K－10.0034钒同位素46V47V48V49V50V51V52V53V54V半衰期0.426s33min16.0d330d6×1015a稳定3.75min2.0min55s丰度/%0.2599.75①cp＝a＋bT＋cT2＋dT－2；②cp＝a＋bT＋cT2，式中，T为温度，K。表2－2金属钒的力学性质性质工业纯品高纯品抗拉强度σb/MPa245～450210～250180延展性/%10～1540～6040维氏硬度HV/MPa80～1506060～70弹性模量/GPa137～147120～130泊松比0.350.36屈服强度/MPa125～180B．钒的化学性质由图2－1可见，钒在周期表中位于第4周期、VB族，属于过渡金属元素中的高熔点元素，包括Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re等10个元素。它们的特点是：具有很高的熔点，例如钨的熔点是3180℃，钼的熔点是2610℃，它们主要是用作合金的添加剂，有些也可以单独使用，其中某些金属在高温下具有抗氧化性、高硬度、高耐磨性。但这些金属的力学性质与其纯度和制备方法密切相关，少量的晶间杂质，会使其硬度和强度明显提高，但却使其延展性下降。在原子结构方面，这些元素的外电子层具有相同的电子数，一般有两个电子（少数是一个电子），而在次外电子层的电子数目则依次递增，其化学性质介于典型金属与弱典型金属之间，处于过渡状态，具有彼此相互接近的性质，其共同的特点是：图2－1高熔点元素在周期表中的位置（1）这些元素外电子层的电子比较稳定，但较易失去次外电子层的电子，而形成不同价态的离子，例如钒可以形成－1、＋2、＋3、＋4、＋5的价态，而Ti则可以形成＋2、＋3、＋4的价态。图2－2所示为钒原子核的结构图；图2－2钒原子核的结构图（质子数P＝23，中子数N＝28）（2）这些元素按其顺序，次外电子层的电子数目依次增加，由于电子的静电引力作用，遂使原子的半径也渐趋缩小；（3）这些元素的水溶液，由于电子的转移作用形成的光谱，都会使其离子呈现颜色，只有少数例外；（4）这些元素会形成硼化物、碳化物、氮化物、氢化物，它们多数都具有金属性质，只有少数例外。钒在空气中250℃以下是稳定的，呈浅银灰色，有良好的可塑性和可锻性。长期保存表面会呈现蓝灰、黑橙色，超过300℃会有明显的氧化。超过500℃，钒吸附氢于晶格间隙，使其变得易脆，易成粉末。真空下600～700℃加热，氢可逸出。低温下存在氢化物VH。钒在400℃开始吸收氮气，800℃以上钒与氮反应生成氮化钒，在高真空、1700～2000℃下，发生氮化钒的分解，但是氮不可能完全从金属中释出。钒对碳有较高亲和力，800～1000℃下可形成碳化物。钒对稀硫酸、稀盐酸、稀磷酸保持相对稳定。但在硝酸、氟氢酸中溶解。金属钒对自来水抗蚀性良好，对海水抗蚀性中等，但未出现点腐蚀。钒能抗10%NaOH溶液腐蚀，但不能抗热KOH溶液的腐蚀。钒及其合金对低熔点金属或合金的熔融体有良好的抗蚀性，特别是碱金属（它们在核反应堆中用作冷却剂或热交换介质）。表2－3为钒的抗腐蚀性能。表2－3钒对某些介质的抗腐蚀性能溶液腐蚀速度/mg·(cm2·h)－1腐蚀速度/nm·h－1材料10%H2SO4（沸）0.05520.5（70℃）钒板30%H2SO4（沸）0.25110%HCl（沸）0.31825.4（70℃）钒板17%HCl（沸）1.974溶液腐蚀速度(35℃)/μm·a－1腐蚀速度(60℃)/μm·a－1材料4.8%H2SO415.253.33.6%HCl15.248.320.2%HCl1328993.1%HNO325.4110011.8%HNO368.68839010%H3PO410.245.785%H3PO425.4160溶液腐蚀速度/mg·(cm2·月)－1材料液体Na（500℃）0.2钒的化合物从广义上来说，可以包括化学化合物、晶间化合物、金属间物、取代基合金等。这种区分主要是基于化学键的性质和晶体结构。通常，化学化合物指的是一类化合价态比较明确的化台物，对钒而言，就是价态在＋2～＋5之间的化合物。钒的价态或氧化态决定该化合物的性质，即使其物理性质也与它的价态密切相差。例如＋5价钒是抗磁性的，形成的化合物常为无色或淡黄色；而低价钒则为顺磁性的，有颜色，存钒原子的第三能级（M电子层）中，有一个或多个电子处于游离状态，这些未配合的电子，在游离过程中产生的光谱，即呈现为不同的颜色。许多具有实际应用的钒化合物，是一类晶隙间化台物，如钒的碳化物、氮化物、硅化物等，这类含钒的化合物，作为添加剂在合金中可以起到细化晶粒的作用，以获取优异的性质。但它们并无确切的价态，而不是真正意义上的化合物。这一章里我们侧重介绍的是有确切价态的化台物。C．钒氧化物，氢氧化物的性质常见的钒氧化物为＋2、＋3、＋4、＋5价的氧化物：VO、V2O3、VO2、V2O5，钒的氧化物从低价（二价）到高价（五价），系强还原荆到强氧化剂，其水溶液由强碱性逐渐变成弱酸性。其间的关系如图2－3所示。图2－3不同价态钒氧化物间的关系低价氧化钒不溶于水，但遇强酸会形成强酸盐如VCl2、VSO4；如遇强碱则形成V(OH)2，V(OH)2水解会放出H2。低价氧化钒在空气中易被氧化成高价氧化钒，反之，五价氧化钒则可借还原性气体还原成四、三、二价的氧化钒。它们的物理与化学性质以及热力学性质等，见表2－4、表2－5和表2－6。钒氧的系统相图，见图2－4。从这个相图中可以看出，除VO外，其他的氧化物都有一个明确的相变点，其中还包括多个氧化物构成的配合物；而VO则系没有明确的化学计量的配合物，故有多个假稳态点，系统相当复杂。表2－4钒氧化物的性质性质VOV2O3VO2V2O4V2O5晶系面心立方菱形单斜α斜方颜色浅灰黑深蓝橙黄密度/kg·m－35550~57604870~49904330~43393352~3360熔点/℃17901970~20701545~1967650~690分解温度/℃1690~1750生成热ΔH298/kJ·mol－1－432－1219.6－718－1428－1551绝对熵S298/J·(mol·K)－138.9198.862.62102.6131自由能ΔG298/kJ·mol－1－404.4－1140.0－659.4－1319－1420水溶性无无微微酸溶性溶HF、HNO3溶溶碱溶性无无溶溶氧化还原性还原还原两性氧化酸碱性碱碱碱两性表2－5钒氧化物的热容化合物cp/kJ·(mol·K)－1适用温度T/KV2O5128.2298V2O5194.81－16.32×10－3T－55.34×105T－2298～熔点VO262.62298～345VO274.72＋7.116×10－3T－16.58×105T－2345～熔点V2O3103.8298V2O3122.8＋19.92×10－3T－22.69×105T－2298～1800VO45.47298VO47.38＋13.48×10－3T－5.27×105T－2298～1700表2－6钒氧化物的标准生成自由能，ΔG＝A＋BT反应式A/kJ·mol－1A/kJ·(mol·K)－1适用温度T/KV(s)＋1/2O2(g)＝VO(s)－412.80.0817298～20002V(s)＋3/2O2(g)＝V2O3(s)－12200.2364600～20002V(s)＋2O2(g)＝V2O4(β)－14020.3066600～18186V(s)＋13/2O2(g)＝V6O13(s)－4368.41.0042600～10002V(s)＋5/2O2(g)＝V2O5(s)－1554.60.4224298～943图2－4钒氧系相图2．五氧化二钒V2O5，是钒氧化物中最重要的，也是最常用钒化工制品。工业上首先是制取NH4VO3，然后加热至500℃，即可制得V2O5。其反应如下：2NH4VO3→2NH3＋H2O＋V2O5另一个方法是用VOCl3水解，反应如下：2VOCl3＋3H2O＝V2O5＋6HClV2O5是原子缺失型半导体，其中的缺失型是V4＋离子，在700～1125℃，V2O5存在下列可逆反应：V2O5＝V2O5－x＋(x/2)O2式中，x随温度的升高而增大，此一性质使其呈现为催化性质。V2O5微溶于水，溶解度在0.01～0.08g/L，大小取决于其前期生成的历史。如果是自水溶液中沉淀生成的，则其溶解度会大些。V2O5是两性化合物，但其碱性弱，酸性强，易溶于碱性构成钒酸盐，强酸也能溶解V2O5。在酸、碱溶液中，生成物的形态取决于溶液的钒浓度和pH值，当溶液处于强碱性，pH值大于13，则会以单倍体VO43－存在；若处于强酸性溶液中（pH值小于3），而且钒浓度较低时（小于10－4mol/L），则主要以VO2+存在，如果钒的浓度较高（大于50×10－3mol/L），则析出固相V2O5；如果处在中间pH值的状态，则会以下列配合物存在：VO3－、HVO42－、V3O93－、V4O124－、V10O286－、V2O74－；当pH＝1.8时，V2O5的溶解度最小，约为2.2mmol/L。为此，在酸性条件下沉钒时，多选择在pH值为1.8左右，如图2—5所示。图2－5水溶液中五价钒离子的形态与钒浓度及pH值的关系3．二氧化钒与四氧化二钒VO2或V2O4的制备方法如下：V2O5在600℃于回转窑中，在硫、碳或含碳物如糖、草酸等气氛下，缓慢还原可得。四价钒在空气中被缓慢氧化，加热则快速被氧化；四价钒的氧化物也是两性物质，在热酸中溶解形成稳定的VO2＋，例如与硫酸形成VOSO4；在碱性溶液中则形成次钒酸盐HV2O5－，而次钒酸H2V4O9或H2O·4VO2，是一种异聚酸，它是M(II)V4O9·7H2O的配合物。4．三氧化二钒V2O3的制备：可用H2、C等还原剂，还原V2O5制得。例如，将H2气加入少许水蒸气（每1LH2加水蒸气48～130mg），在600～650℃下通过V2O5，其反应如下：V2O5＋2H2＝V2O3＋2H2O通常V2O5含有VN杂质，加入水蒸气是为了脱出杂质中的N2，其反应如下：2VN＋3H2O＝V2O3＋3H2＋N2V2O3的熔点高，在空气中不易氧化，但Cl2可使其迅速氧化，形成VOCl3，其反应如下：3V2O3＋6Cl2＝V2O5＋4VOCl3三价钒化合物不溶于水，能缓慢溶解于酸，形成V3＋；三价钒化合物是良好的催化剂，用于加氢反应，而且它不会受有机硫化物的毒害。