Ванадий, ниобий, тантал

Ванадий, ниобий, тантал
Ванадий, ниобий, тантал находятся в VВ (5) группе Периодической системы.
Электронная конфигурация валентного уровня этих элементов (n-1)d3ns2. Наиболее устойчивая
степень окисления ниобия и тантала +5.
Электронная конфигурация валентного уровня атома ванадия: 3d34s2. Возможные
степени окисления ванадия в соединениях: +5, +4, +3, +2, из которых наиболее устойчивой
является степень окисления +4.
При прокаливании в кислороде все элементы дают оксид Э2О5.
Ниобий и тантал при реакции со всеми галогенами образуют ЭГ5; ванадий дает со фтором VF5,
с хлором VCl4, с бромом VBr3, с иодом VI2.
Металлы устойчивы к действию кислот-неокислителей, кроме плавиковой:
2 V + 12 HF = 2 H[VF6] + 5 H2
С ниобием и танталом дополнительно получаются, благодаря их бОльшим радиусам, H2[NbF7]
и H3[TaF8] .
Реакции с кислотами-окислителями.
Все металлы (V, Nb, Ta) растворяются в смеси азотной и плавиковой кислот:
3 M + 5 HNO3 + 18 HF = 3 H[MF6] + 5 NO + 10 H2O
С ниобием и танталом дополнительно получаются H2[NbF7] и H3[TaF8] .
С концентрированной серной и азотной кислотами, а также с царской водкой реагирует
только ванадий:
2 V + 6 H2SO4 = (VO2)2SO4 + 5 SO2 + 6 H2O
3 V + 8 HNO3 = 3 VO2NO3 + 5 NO + 4 H2O
3 V + 5 HNO3 + 3 HCl = 3 VO2Cl + 5 NO + 4 H2O
Ванадий, ниобий, тантал реагируют с расплавами щелочей в присутствии кислорода:
4 М + 12 KOH + 5 O2 = 4 K3МO4 + 6 H2O
Соединения ванадия (V)
Оксид ванадия (V) V2O5 получают прокаливанием на воздухе метаванадата аммония:
4NH4VO3 + 3O2 = 2V2O5 + 2N2 + 8H2O
Оксид ванадия (V) незначительно растворяется в воде. При этом получается бледно-желтый
раствор, содержащий ортованадиевую кислоту H3VO4, которая сообщает раствору кислую
реакцию.
Оксид ванадия (V) проявляет амфотерные свойства с преобладанием кислотных, он довольно
медленно растворяется в щелочи.
V2O5 + 2NaOH = 2NaVO3 + H2O
V2O5 + H2SO4 = (VO2)2SO4 + H2O (рН<3)
С Nb2O5 идет аналогичная реакция, а высший оксид тантала дает сульфат:
Ta2O5 + 5 H2SO4 = Ta2(SO4)5 + 5 H2O
При взаимодействии со щелочами образуются соли ванадиевой кислоты, которые в
зависимости от рН среды существуют либо с анионом ортованадиевой кислоты (VO43–) либо,
как производные полимеризованной ортованадиевой кислоты — изополиванадаты.
Соотношение различных форм ванадия (V) в зависимости от рН и концентрации ванадия
показано на рисунке:
1
Формы существования ванадия (V) в зависимости от его концентрации и рН среды
При взаимодействии ванадатов с пероксидом водорода в зависимости от среды образуются
пероксосоединения ванадия (V) различного состава:
В щелочной среде: [V(O2)4]3– Сине-фиолетовый
В нейтральной среде: [VO2(O2)2]3– Желтый
В кислой среде [VO(O2)]+ Красный
Кроме того, в очень кислой среде (pH<1) может происходить и восстановление соединения
ванадия (V) до ванадия (IV) пероксидом водорода:
(VO2)2SO4 + H2O2 + H2SO4 = 2VOSO4 + O2 + 2H2O
Соединения ванадия (V) являются сильными окислителями. Так, например, концентрированная
соляная кислота окисляется оксидом ванадия до свободного хлора:
V2O5 + 6HCl = 2VOCl2 + Cl2 + 3H2O;
V2O5 может быть восстановлен водородом: при слабом нагревании до VO2 , при 7000С до V2O3,
при 17000С до VO.
Соединения ванадия (IV).
Степень окисления +4 — наиболее устойчивая степень окисления ванадия.
Водные растворы соединений ванадий (IV) синего цвета, который придает им гидратированный
ион [VO(H2O)5]2+ (ион ванадила или оксованадий (IV)). Соединения ванадия (IV) могут быть
получены восстановлением солей ванадия (V), например, щавелевой кислотой:
2NaVO3 + H2C2O4 + 3H2SO4 = 2VOSO4 + 2CO2 + Na2SO4+ 4H2O
Ванадил-ион (VO2+), образующийся в результате этой реакции, очень устойчив и сохраняется не
только в водных растворах солей, но и в составе гидроксида ванадия (IV) VO(OH)2.
Оксид и гидроксид ванадия (IV) обладают амфотерными свойствами, т. е. растворяются и в
кислотах и в основаниях. При растворении в кислотах образуются производные ванадил-иона
(VO2+), а при растворении в щелочах — ванадаты (IV) различного состава, например V4O92–.
VO(OH)2 + H2SO4 = VOSO4 + 2H2O
4VO(OH)2 + 2KOH = K2[V4O9] + 5H2O
2
Соединения ванадия (III).
Получить соединения ванадия (III) можно восстановлением солей ванадия (V) в кислой среде,
например, нитритом натрия:
2NaVO3 + 2NaNO2 + 4H2SO4 = V2(SO4)3 + 2NaNO3 + Na2SO4 + 4H2O
Водные растворы соединений ванадия (III) окрашены в зеленый цвет, который им придают
гидратированные ионы [V(H2O)6]3+.
Оксид и гидроксид ванадия (III) обладают ярко выраженными основными свойствами и
растворяются только в кислотах:
2V(OH)3 + 3H2SO4 = V2(SO4)3 + 6H2O
Соединения ванадия (III) являются восстановителями, они окисляются на воздухе:
4 V(OH)3 + O2 = 4 VO(OH)2 + 2 H2O
Соединения ванадия (II).
Переход ванадия от высшей степени окисления + 5 к низшей +2, через все промежуточные
степени окисления, можно наблюдать при взаимодействии раствора метаванадата натрия в
кислой среде с цинком:
VO3– → VO2+ → VO2+ → V3+ → V2+.
Водные растворы соединений ванадия (II) имеют фиолетовый цвет, за счет гидратированных
ионов [V(H2O)6]2+.
Для оксида и гидроксида ванадия (II) характерны основные свойства:
V(OH)2 + H2SO4 = VSO4 + 2H2O
Соединения ванадия (II) – сильные восстановители. Сразу после получения V(OH)2
восстанавливает воду:
2 V(OH)2 + 2 H2O = 2 V(OH)3 + H2 ↑
3