Периодическая система элементов Менделеева - Ванадий

«Если бы не было ванадия - не было бы автомобиля». Эти слова принадлежат автомобильному королю Генри Форду. В 1905 году Форд присутствовал на крупных автомобильных гонках. Как часто случается на подобных состязаниях, не обошлось без катастрофы. Спустя некоторое время Форд подошел к месту, где разыгралась трагедия, и подобрал там обломок детали одной из двух столкнувшихся машин — французской. Это была часть стержня клапана. Казалось бы, деталь как деталь, но искушенного в этих вопросах Форда поразила ее легкость и в то же время высокая твердость. Из лаборатории, куда был отправлен обломок для химического анализа, сообщили, что необычная сталь содержит ванадий.

Идея широко использовать такую сталь в производстве автомобилей всецело овладела Фордом. Еще бы: ведь если ее удастся воплотить в жизнь, автомобиль станет значительно легче; это позволит сэкономить много металла и машины можно будет продавать по более низкой цене. Значит, резко увеличится число покупателей, а следовательно, возрастут и его собственные прибыли. И Форд принялся за осуществление своей идеи. Немало трудностей пришлось ему преодолеть, прежде чем цель была достигнута. Когда через несколько лет после гонок, неожиданно сыгравших в истории автомобилестроения немаловажную роль, французский департамент торговли и промышленности провел испытания отдельных деталей новой фордовской машины, выяснилось, что американская сталь по всем показателям намного превосходит французскую.

Что же представляет собой ванадий, совершивший поистине революцию в автомобильной промышленности?

Вот как описывает историю открытия ванадия известный шведский химик Берцелиус:

«В давние-давние времена на далеком севере жила Ванадис, прекрасная и любимая всеми богиня. Однажды кто-то постучал в ее дверь. Богиня удобно сидела в кресле и подумала: «Пусть он постучит еще раз». Но стук прекратился, и кто-то отошел от дверей. Богиня заинтересовалась: кто же этот скромный и неуверенный посетитель? Она открыла окно и посмотрела на улицу. Это был некто Вёлер, который поспешно уходил от ее дворца.

Через несколько дней вновь услышала она, что кто-то стучится к ней, но на этот раз стук настойчиво продолжался до тех пор, пока она не встала и не открыла дверь. Перед ней стоял молодой красавец Нильс Сёвстрем. Очень скоро они полюбили друг друга, и у них появился сын, получивший имя Ванадий. Это и есть имя того нового металла, который был открыт в 1831 году шведским физиком и химиком Нильсом Сёвстремом».

В этом рассказе имеется неточность. Первым, кто «постучал» в комнату богини Ванадис, был не немецкий химик Фридрих Вёлер, а замечательный мексиканский химик и минералог Андрее Мануэль дель Рио. Еще задолго до Вёлера, в 1801 году, изучая бурые свинцовые руды Мексики, дель Рио обнаружил, что в них присутствует неизвестный в то время металл. Соединения нового металла были окрашены в самые разнообразные цвета, поэтому ученый назвал открытый им элемент «панхромом», т. е. «всецветным», а позднее заменил это название на «эритроний», что означает «красный».

Однако научно подтвердить свое открытие дель Рио не смог. Более того, в 1802 году он пришел к выводу, что новый элемент - это открытый незадолго до того хром. Ту же ошибку спустя несколько лет повторил Вёлер, который так робко «стучался в дверь богини Ванадис».

Лишь спустя почти тридцать лет состоялось второе рождение ванадия. На этот раз у колыбели новорожденного стоял молодой шведский ученый Нильс Сёвстрем. В то время в Швеции начала развиваться металлургия. В разных частях страны появлялись заводы. И вот что было замечено: металл, выплавленные из железных руд одних месторождений, был хрупким, в то время, как из других руд получался весьма пластичный металл. Чем объяснить такое различие? Сёвстрем решил найти ответ на этот вопрос.

Исследуя химический состав руд, из которых был выплавлен металл высокого качества, ученый после долгих опытов сумел доказать, что в этих рудах содержится новый элемент, причем именно тот, который в свое время был обнаружен дель Рио и ошибочно принят им за хром. Новый металл был назван ванадием.

Ни дель Рио, ни Вёлеру не суждено было стать «крестными отцами» нового элемента, хотя они были близки к этому. После успеха Сёвстрема Вёлер писал своему другу: «Я был настоящим ослом, что проглядел новый элемент в бурой свинцовой руде, и прав был Берцелиус, когда он не без иронии смеялся над тем, как неудачно и слабо, без упорства стучался я в дом богини Ванадис».

В России ванадий впервые был найден в 1834 году в свинцовой руде Березовского рудника на Урале, а в 1839 году - в пермских песчаниках. Уже в то время русский инженер Шубин высказал мысль о благотворном влияние ванадия на свойства железных и медных сплавов. "Медистый чугун, черная медь, гаркупфер и штыковая медь, - писал он в одной из статей, - составляют металлические сплавы с ванадом и, вероятно, его присутствие придает им большую твердость».

На протяжении многих лет никому не удавалось выделить ванадий в чистом виде. Только в 1869 году английский химик Генри Роско после напряженных поисков сумел получить чистый металлический ванадий. Впрочем, чистым он мог считаться лишь по тем временам, так как содержал более 4% примесей. А между тем даже небольшие примеси резко меняют свойства этого элемента. Чистый ванадий - серебристо-серый металл, обладающий высокой пластичностью, - его можно ковать. Самые

незначительные количества примесей, особенно азота, кислорода, водорода, делают металл хрупким и твердым, неохотно поддающимся обработке. Получить чистый ванадий долгое время представлялось очень сложным из-за его необычайной активности при высоких температурах: не удавалось подобрать такой материал для тигля, который бы не растворялся ванадием и не загрязнял его при плавке. Тогда ученые пошли по другому пути. Совсем недавно был разработан электролитический метод рафинирования ванадия до чистоты 99,99%. Что и говорить, 4 и 0,01% - разница существенная.

Долгое время ванадий не находил широкого промышленного применения. Так, в 1907 году мировое производство ванадия составило всего ... 3 тонны. Да и цена на ванадий вначале была баснословная: 50 тысяч рублей золотом за 1 килограмм!

И мизерное производство ванадия, и безумная цена его объяснились просто. Несмотря на то что земная кора содержит немало ванадия - примерно 0,2% (т. е. в 15 раз больше, чем свинца, и в 2000 раз больше, чем серебра), скопления его встречаются на земле крайне редко (именно поэтому ванадий и относят к редким металлам). Руда, содержащая 1% ванадия, считается чрезвычайно богатой; промышленной переработке подвергают даже те руды, которые содержат всего 0,1% этого ценного и дефицитного элемента.

Интересно, что в падающих на землю метеоритах содержание ванадия в 2-3 раза больше, чем в земной коре. Судя по тому, что в спектре Солнца имеется немало линий, присущих атомам ванадия, солнечная материя также богаче этим элементом, чем наша планета.

Возможно, когда-нибудь прибытие на металлургический завод партии богатой ванадиевой руды, например, с Марса или Венеры будет расцениваться как обычная транспортная операция, но пока землянам приходится рассчитывать лишь на свои собственные ресурсы.

Трудность извлечения ванадия из руд и была причиной того, что этот чудесный металл несколько десятков лет не мог найти себе применения. Однако бурное развитие техники вскоре широко распахнуло перед ванадием дверь в промышленный мир. Замечательная способность этого элемента придавать стали ценнейшие свойства определила его судьбу, его «амплуа»—ванадий начинает играть роль «витамина» для стали.

Незначительная добавка ванадия (доли процента) делает сталь мелкозернистой, придает ей большую упругость, большую прочность. Такая сталь легче переносит удар и изгиб, упорнее сопротивляется истиранию, лучше противостоит разрыву. А ведь именно эти качества «позарез» нужны автомобильным деталям! Вот почему такие ответственные узлы и детали автомобиля, как мотор, клапанные пружины, рессоры, оси, валы, шестерни изготовляют из неутомимой ванадиевой стали. Вот почему так высоко оценил роль ванадия Генри Форд. И не случайно академик А. Е. Ферсман сказал об этом элементе: «... сказочны те силы, которые он придает железу и стали, вооружая их твердостью и прочностью, вязкостью и гибкостью, неразрушимостью, необходимой для оси автомобиля».

Во время первой мировой войны настоящую сенсацию вызвал созданный французскими инженерами самолет, который был вооружен не пулеметом, как обычно, а пушкой, наводившей страх на немецких летчиков. Но каким же образом удалось поставить пушку на самолет? Ведь грузоподъемность тогдашних «этажерок» была очень мала. Оказалось, что пушке помог забраться в самолет... ванадий. Французские авиационные пушки были изготовлены из ванадиевой стали. При относительно небольшом весе они обладали прекрасными прочностными характеристиками, позволяющими вести сокрушительный огонь по немецким самолетам.

Вслед за этим ванадиевую сталь начали использовать для изготовления солдатских шлемов. Сравнительно легкий шлем из тонкой, но прочной стали надежно предохранял своего владельца от пуль, от осколков гранат. Броня требовалась и для защиты артиллерийской прислуги хотя бы от снайперской пулевой стрельбы. Для этой цели в Шеффилде изготовили броневую сталь, содержащую довольно много кремния и никеля. Увы, при испытаниях, пули легко прошивали плиты из этого металла. Тогда решено было испробовать сталь, содержащую всего 0,2% ванадия. Успех превзошел все ожидания: сталь выдержала сложнейший экзамен на прочность в 99 случаях из 100!

Так ванадий стал служить не только атаке, но и обороне. Американские, французские, английские фирмы охотно применяли ванадиевою сталь для самых различных целей. Зато совершенно не понятно на первый взгляд позицию заняли немецкие металурги, которые всегда считались большими специалистами в этих вопросах: они весьма скептически отнеслись к ванадию как к легирующему элемент и практически отказались от использования ванадиевой стали. Один из германских заводов дал даже категорическое заключение, что заниматься ее выплавкой не имеет никакого смысла. Это казалось парадоксальным.

Вскоре, однако, все прояснилось: поскольку немцы не располагали собственными ванадиевыми рудами, они не были заинтересованы в том, чтобы цена ванадия на мировом рынке росла вместе со спросом на него; вот почему они всячески пытались затормозить внедрение ванадиевой стали. Сами же они вели интенсивные поиски элементов, способных оказывать такое же действие на сталь, как ванадий. Но вскоре они убедились, что без ванадия не обойтись. Так провалились попытки металлургических «дипломатов» опорочить ванадиевую сталь, а производство ее продолжало расти из года в год.

Авиация, железнодорожный транспорт, электротехника, радиотехника, оборонная промышленность - трудно перечислить все области современной индустрии, где сегодня применяют сталь, содержащую ванадий.

«Услугами» ванадия пользуется и чугун: из высококачественного ванадиевого чугуна отливают поршневые кольца, изложницы, прокатные валки, матрицы для холодной штамповки.

Но ванадий трудится не только как металл-витамин. Соли этого элемента - зеленые, желтые, красные, черные, золотистые (вспомните название, которое дал элементу дель Рио: «панхром» -всецветный) - с успехом служат в производстве красок и особых чернил, в стекольной и керамической промышленности. Кстати, именно с керамического производства и начал ванадий свою практическую деятельность вскоре после того, как был открыт Сёвстремом. Фарфоровые и гончарные изделия с помощью ванадиевых соединений покрывали золотистой глазурью, а стекла окрашивали в зеленый или голубой цвет.

В 1842 году выдающийся русский химик Н. Н. Зинйн сумел получить анилин. Это послужило мощным толчком для развития красильного производства. И здесь ванадий пришелся ко двору: оказалось, что одного грамма пятиокиси ванадия достаточно для того, чтобы превратить 200 килограммов бесцветной соли анилина в сильное красящее вещество - черный анилин.

Не обходится без ванадия химия и в наши дни: пятиокись этого элемента - отличный катализатор при производстве серной кислоты, которую называют «хлебом химии». Долгие годы в этой роли выступал платинированный асбест, т. е. асбест с нанесенным на него порошком платины. Но, во-первых, такой ускоритель реакции был весьма дорогим, а во-вторых, довольно нестойким: он часто отказывался работать из-за «отравления» различными газообразными примесями. Вот почему, когда в Одесском химическом институте была разработана технология получения серной кислоты с применением в качестве катализатора окислов ванадия, работники сернокислотных заводов легко отказались от платинированного асбеста. Чудесные свойства окиси ванадия используются также при крекинге нефти, при получении многих сложных органических соединений.

Достоинства ванадия оценили даже ...свиньи. В Аргентине были проведены опыты по введению в их рацион этого элемента. И что же оказалось? Заметно повысился аппетит хрюшек, они быстро прибавляли в весе.

Американские ученые из лаборатории госпиталя в Лонг-Бич исследовали влияние ванадия на рост крыс. Подопытные животные, диета которых была полностью лишена этого элемента, стали расти вдвое медленнее, чем их «подруги» из контрольной группы, получавшие обычный корм. Но стоило лишь ввести в пищу немного ванадия - скорость роста крыс буквально уже через несколько дней восстановилась до нормальной.

По-видимому, ванадий, необходим для деятельности многих живых тканей: он обнаружен в куриных яйцах, мясе кур, коровьем молоке, печени животных и даже в мозгу человека.

Любопытно, что некоторые морские растения и животные - голотурии, асцидии, морские ежи - «коллекционируют» ванадий, извлекая его каким-то неведомым человеку способом из окружающей среды. Одни ученые полагают, что у этой группы живых организмов ванадий выполняет те же функции, что железо в крови человека и высших животных, т. е. помогает ей впитывать кислород, или, образно говоря, «дышать». Другие ученые считают, что ванадий необходим обитателям морского дна не для дыхания, а для питания. Кто из этих ученых прав, покажут дальнейшие исследования. Пока же удалось установить, что в крови голотурий содержится до 10% ванадия, а у отдельных разновидностей асцидии концентрация этого элемента в крови в миллиарды раз превышает содержание его в морской воде. Настоящие копилки ванадия! Естественно, ученые заинтересовались возможностью добывать ванадий с помощью обитателей подводного царства. В Японии, например, целые километры морских берегов занимают плантации асцидии. Асцидии очень плодовиты: с одного квадратного метра голубых плантаций снимают до 150 килограммов этих животных. После сбора урожая живую ванадиевую «руду» отправляют в специальные лаборатории, где из нее добывают нужный промышленности металл. Недавно в печати появилось сообщение, что японские металлурги уже выплавили сталь, в которой легирующим элементом служит ванадий, «добытый» из асцидии.

В одном из институтов нашей страны проектируется специальное судно для сбора водорослей. Оно будет оснащено новейшими навигационными приборами, подводной телевизионной аппаратурой, различными механическими приспособлениями. Не исключено, что суда подобного типа станут в скором будущем морскими «рудовозами».

Есть «коллекционеры» ванадия и на суше: один из них хорошо знаком каждому - это ядовитый гриб белая поганка. Неравнодушны к нему и некоторые виды плесени, которые вообще не могут развиваться при отсутствии ванадия. Такие растения, которые обладают способностью накапливать в себе тот или иной элемент, называются в науке «биоконцентраторами». Зачастую они оказывают большую помощь геологам, выполняя роль своеобразного индикатора при поиске руд некоторых ценных металлов.

В 1971 году советские палеоботаники обнаружили в отрогах Тянь-Шаня следы неизвестного науке растения (его назвали меннерией), которое представляет собой одноклеточную водоросль, обитавшую на Земле ...полтора миллиарда лет назад. «Позвольте, но какое отношение эта находка имеет к ванадию?» - вправе спросить читатель. Оказывается, прямое: ученые считают, что меннерия в свое время сыграла важную роль в формировании атмосферы нашей планеты, в образовании скоплений в земной коре таких химических элементов, как ванадий и уран.

...Мы рассказали о прошлом и настоящем ванадия. Ну, а что же ждет его завтра? Как в дальнейшем сложится судьба этого замечательного металла?

Трудно предсказывать последующую жизнь ванадия, но, зная его ценные свойства - значительную механическую прочность, большую коррозийную стойкость, высокую температуру плавления, меньший, чем у железа, удельный вес, можно предположить, что в будущем ванадий станет прекрасным конструкционным материалом. Но прежде человек должен научиться отбирать ванадий в больших количествах (значительно больших, чем сейчас!) у природы, которая тщательно хранит его в своих неисчерпаемых «кладовых».