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1、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1550C以及一28一38C 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22所示。0.25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(100C)/J(cmsK)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)12
2、9.5熔点/c18901929热容cp(298K液态)/kJ (mol K)124.35 25.5947.43 47.51沸点/c33503409熔化热/kJ mol116.0 21.5热容 c (298990K)p/kJ (mol K)1a.24.134b.6.196X103c. 7.305 X107d. 1.3892X105蒸气压/Pa1.3X106(1200C)1.3(2067C)3.73(2190K)207.6(2600K)烝发热/kJ mol1444502热容c(9002200K) /kJ (mol K)1a.25.9b. 1.25X10-4c.4.08X106线膨胀系数 (20 2
3、00C)/K-1(7.88 9.7)X10-6比电阻(20 C)/p Q cm24.8温度系数(100C)/cmK-10.0034钒同位素46V47V48V49V50V51V52V53V54V0.426s33min16.0d330d3.75min2.0min55s6 X 1015a半衰期 丰度/%稳定99.75 c =a+bT+cT2+dT 2； c =a+bT+cT2,式中，T为温度，K。p表22金属钒的力学性质性质工业纯品咼纯品抗拉强度q/MPa245450210250180延展性/%10 1540 6040维氏硬度HV/MPa80 1506060 70弹性模量/GPa1371471201
4、30泊松比0.350.36屈服强度/MPa125180B.钒的化学性质由图21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3180C,钼的熔点是2610C，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，- 般有两个电子(少数是一个电子
5、)，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:第一能迓f瓦妄) 第二能迓“屋) 第三能簽段层) 第29鸵纭的-枣)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，例如钒可以形成一1、+2、+3、+4、+5的价态，而Ti则可以形成+2、+ 3、+4的价态。图22所示为钒原子核的结构图；电亍魏2a3.12图22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
6、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250C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300C会有明显的氧化。超过500C,钒吸附氢于晶格间隙， 使其变得易脆，易成粉末。真空下600700C加热，氢可逸出。低温下存在氢化物V H。钒 在400C开始吸收氮气，800C以上钒与氮反应生成氮化钒，在高真空、17002000C下， 发生氮化钒的分解，但是氮不可能完全
7、从金属中释出。钒对碳有较高亲和力，8001000C 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23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 (70C)钒板30%H2SO4 (沸)0.25110%HCl (沸)0.
8、31825.4 (70C)钒板17%HCl (沸)1.974溶液腐蚀速度(35C)/p m a-1腐蚀速度(60C)/p m a-1材料4.8%H SO,15.253.33.6%HCl15.248.320.2%HCl1328993.1%HNO325.4110011.8%HNO368.68839010%H3PO410.245.785%H PO,3425.4160溶液腐蚀速度/mg (cm2 月)-1材料液体 Na (500C)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
9、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45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
10、.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、V02、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。細啟凰Hj.CO.-CHi+HOkJ3：0 i L站氏MVO.-. WYQ? M-ytxHj.CQ.C-SOjXd-L.c./-可亠QrJENO!NaVOh图23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VC12、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
11、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24、表25和表26。钒氧的系统相图，见图24。从这个相图中可以看出，除 VO夕卜，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24钒氧化物的性质性质VOV2O3VOoVQ24VO晶系面心立方菱形单斜a斜方颜色浅灰黑八、深蓝橙黄密度/kg m-355505760487049904330433933523360熔点/c17901970207015451967650690分解温度/c16901750生成热 A h0
12、/kJ mol1432 1219.6718 1428 1551绝对熵S0 /J(molK)-i38.9198.862.62102.6131自由能 Ag0 /kJ mol1404.4 1140.0659.4 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25钒氧化物的热容化合物c /kJ (mol K)1适用温度T/Kg 128.2298V194.81 16.32X103T55.34X105T 298熔点VOo62.62298345VO274.72+7.116X10-3T16.58X105T 345熔点V2O3103.8298
13、V2O3122.8 +19.92 X 103T22.69 X 105T 22981800VO45.47298表2-6钒氧化物的标准生成自由能，G=A+BT反应式A/kJ mol-1A/kJ (mol K)-1适用温度T/KV(s)+1/202(g)=V0(s)-412.80.081729820002V(s)+3/2O(g)=VQ3(s)-12200.236460020002V(s)+2O2(g)=VQ(0)-14020.306660018186V(s)+13/2O2(g)=V6O13(s)-4368.41.0042600100026132V(s)+5/2O2(g)=V2O5(s)-1554.60.4224298943图24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500C，即可制得V2O5o其反应如下：2NH4VO3-2NH3 + H2O + V2O5另一个方法是用VOC13水解，反应如下：2VOCl3 + 3H2O = V2O5 + 6HClV2O5是原子缺失型半导体
