Grupa 5 – Wanadowce

Wanad

Wanad, jak większość metali przejściowych, jest srebrzystobiałym metalem.
Czysty metal jest łatwo ciągliwy i kowalny, zanieczyszczony, staje się twardy i kruchy. Metaliczny wanad ma wysoki połysk i jest jednym z najtwardszych metali. W temperaturze pokojowej jest odporny na działanie większości kwasów, poza stężonym H₂SO₄ i HF. W podwyższonej temperaturze reaguje z wieloma niemetalami, tworząc związki na różnych stopniach utlenienia. Tworzy kilka tlenków zależnie od temperatury reakcji. Są to: brunatny V₂O₃, czarny VO₂ i pomarańczowy V₂O₅. Na różnych stopniach utlenienia tworzy też halogenki. Związki wanadu są najczęściej toksyczne. W temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu (ok. 5K) wykazuje własności nadprzewodzące. Pierwiastek ten nie występuje w postaci wolnej. Jego rudy towarzyszą najczęściej rudom żelaza. Zawartość w skorupie ziemskiej - 0,0135% wag. Głównymi minerałami są: patronit VS₄; wanadynit Pb₅(VO₄)₃Cl; karnotyt K(UO₂)VO₄·1,5H₂O; roscoelit 2K₂O·Al₂O₃(Mg, Fe)O·V₂O₅·10SiO₂·4H₂O; tiujamunit CaO·2UO₂·V₂O₅·4H<sub<2</ sub>O. Rzadko otrzymuje się wanad w czystej postaci, z reguły wytwarza się stop żelaza z wanadem zwany ferrowanadem. Do uzyskania czystego wanadu stosuje się metody redukcji tlenku (V₂O₅) lub chlorku wanadu (VCl₃) i metodę epitaksjalną. Wanad jest wykorzystywany przede wszystkim jako dodatek do stopów żelaza (również niklu, chromu i tytanu) podwyższający ich ciągliwość i wytrzymałość. Zużywa się na to około 95% światowej produkcji tego pierwiastka. Tlenek wanadu(V) wraz z kilkoma innymi związkami wanadu pełni ważną rolę jako katalizator w przemyśle chemicznym.

Związki wanadu:

tlenki –

V₂O₃ – otrzymuje się go w wyniku redukcji wanadanu(V) amonowego wodorem w podwyższonej temperaturze:
2NH₄VO₃ + 2H₂ → 2NH₃ + 3H₂O + V₂O₃
Jest ciałem stałym o barwie czarnej. Jest, podobnie jak wodorotlenek wanadu(III) związkiem amfoterycznym. Rozpuszcza się w kwasach tworząc sole o barwie zielonej.

VO₂ – otrzymuje się go w wyniku odwracalnej dysocjacji termicznej tlenku wanadu(V):
2V₂O₅ ↔ 4VO₂ + O₂
Jest związkiem nierozpuszczalnym w wodzie, ale łatwo reagującym z zasadami z utworzeniem tlenowanadanów(IV):
4VO₂ + 2KOH → K₂[V₄O₉] + H₂O

V₂O₅ – otrzymuje się go w wyniku termicznego rozkładu wanadanu amonowego(V):
2NH₄VO₃ → 2NH₃ + H₂O + V₂O₅
Jest ciałem stałym o barwie od pomarańczowej do cynobrowej; bez smaku; silnie trujący. Topi się w temperaturze 931K. W wodzie rozpuszcza się nieznacznie (0,07g w 100g wody). Powstały roztwór ma barwę żółtą i wykazuje odczyn kwaśny. Rozpuszcza się w zasadach z utworzeniem wanadanów. W kwasie siarkowym(VI) i azotowym(V) rozpuszcza się na gorąco z utworzeniem kationu oksowanadowego VO₂⁺. W kwasie solnym redukuje się z wydzieleniem chloru i powstaje chlorek wanadylu: VOCl₂.

halogenki–

Własności i sposoby otrzymywania niektórych halogenków wanadu zestawione są poniżej:

Niob

Niob jest stalowoszarym połyskliwym, kowalnym i ciągliwym metalem należącym do bloku metali przejściowych. Jego własności mechaniczne w dużej mierze zależą od czystości. Ma dość wysoką (9K) temperaturę przejścia w stan nadprzewodnictwa, a niektóre jego związki (np. Nb₃Sb, Nb₃Sn, Nb₃Ge) stają się nadprzewodnikami w okolicach 2OK. Niob, po podgrzaniu, pali się w powietrzu i reaguje z tlenem, azotem, wodorem i halogenkami. Jest odporny na działanie większości kwasów. Pierwiastek ten występuje zwykle z tantalem. Duże złoża niobu występują w Nigerii i Zairze. Zawartość w skorupie ziemskiej 0,02% wag. Głownymi minerałami są: kolumbit (Fe,Mn)(Nb,Ta)₂O₆, pirochlor Na, Ca, Nb₂O₆F, samarskit (Y,Er,Ce,U,Fe,Th)(Nb,Ta,Ti)₂O₆, polikras (Y,Ca,Ce,U,Th)(Ti,Nb,Ta)₂O₆, łoparyt (Na,Ce,Ca)₂(Nb,Ti)₂O₆. Punktem wyjścia w metodach otrzymywania niobu jest oczyszczenie go od domieszek tantalu i doprowadzenie do postaci tlenku niobu (Nb₂O₅). Wykorzystuje się do tego szereg skomplikowanych reakcji. Otrzymany tlenek redukuje się węglikiem niobu (NbC). Oczyszczanie wykonuje się metodą epitaksjalną. Podstawową gałęzią przemysłu, w której wykorzystuje się niob jest metalurgia, gdzie jest ważnym składnikiem stali (ferroniob). Stale takie odporne są na działanie korozyjnych substancji, zwłaszcza w wysokiej temperaturze. Metal ten dodawany jest również do stopów miedzi, zwiększając jej odporność termiczną. Węgliku niobu używa się jako środka antykorozyjnego. Jego zdolność do wchłaniania gazów wykorzystywana jest w technice próżniowej (lampy elektronowe i ostatnie stopnie pomp próżniowych). W technice jądrowej jest używany m.in. jako materiał do budowy układów chłodzących reaktora, gdzie chłodziwem są ciekłe metale (np. sód).

Związki niobu:

związki z wodorem – w podwyższonej temperaturze tworzy z wodorem połączenie NbH_0,9, które ogrzewane w temperaturze 1173K przekształca się w nietrwały NbH₂.

halogenki – niob reaguje bezpośrednio z fluorowcami dając pięciohalogenki, które są związkami wrażliwymi na działanie wilgoci. W wyniku  hydrolizy powstają tlenotrójhalogenki niobu(V) – NbOX₃. Znane są jony heksahalogenkowe typu [NbX₆]^–; powstają one w roztworach kwasu fluorowodorowego. Z roztworów słabo kwaśnych można wydzielić sole typu [NbOF₅]^2–. Z roztworów o większym stężeniu jonów fluorkowych wydzielają się koordynacyjne związki heptafluorkowe [NbF₇]^2–.

tlenki  – niob spalany w temperaturze 773K tworzy Nb₂O₅, który w postaci uwodnionej powstaje także podczas hydrolizy innych związków niobu(V). Pięciotlenek w postaci bezwodnej rozpuszcza się w kwasie fluorowodorowym oraz mieszaninie kwasu siarkowego i nadtlenku wodoru. W tym drugim przypadku powstają pomarańczowe peroksoniobiany [Nb(O₂)₄]^3–. Stapiany z wodorotlenkami lub węglanami tworzy sześcioniobiany typu [Nb₆O₁₉(H₂O)_n]^8–. Pięciotlenek redukowany wodorem w temperaturze około 1273K przechodzi w NbO₂, a w temp. 1773K powstaje NbO.

Tantal

Tantal jest białym kowalnym metalem. Należy do pierwiastków przejściowych. Mówi się także o Andersie Ekebergu jako odkrywcy tego pierwiastka w roku 1802. Jest rozpuszczalny w alkaliach i w kwasie fluorowodorowym. Na powietrzu zapala się, tworząc biały pięciotlenek tantalu (Ta₂O₅). Tworzy  związki głównie na +5 stopniu utlenienia ponieważ trudniej niż niob ulega redukcji. Tantal występuje głównie w minerale zwanym tantalitem FeTa₂O₆, inne minerały to manganotantalit Mn(Ta,Nb)₂O₆ i mikrolit (Na,Ca)₂Ta₂O₆(O,OH,F). Największe jego złoża występują w Australii i Skandynawii. Rudy tego pierwiastka zawierają często niob. Pod względem występowania w wierzchniej warstwie skorupy ziemskiej (litosfera, hydrosfera, atmosfera) zajmuje ok. 64 miejsca (procenty wagowe). Przemysłowo otrzymuje się go za pomocą elektrolizy. Bardziej odporny od platyny na żrące substancje wyparł ten metal z laboratoriów. Duże jego ilości używane są w przemyśle elektronicznym do produkcji kondensatorów i niskoprądowych prostowników. Ze względu na swoją odporność chemiczną stosuje się go w chirurgii. Robi się z niego elementy łączące kości i wewnętrzne mechaniczne aparaty (np. sztuczne zastawki). Używany jest do produkcji przyrządów chirurgicznych i dentystycznych oraz wymienników ciepła. Jest składnikiem szkła obiektywowego. Niektóre z jego kompozytowych związków z węglem to jedne z najtwardszych znanych substancji.

Związki tantalu:

halogenki – powstają w wyniku bezpośredniej reakcji tantalu z fluorowcami; można je oczyścić przez sublimację w strumieniu gazu obojętnego. Bezbarwny chlorek tantalu(V) tworzy z wieloma zasadami Lewisa, związki koordynacyjne. Znane są też tlenohalogenki typu TaOX₃ i TaO₂X. Halogenki pod wpływem pirydyny ulegają redukcji do MX₄·2py. Redukcja glinem chlorku tantalu(V) w zamkniętej rurze prowadzi do TaCl₃, który można przekształcić w TaCl₄ w temperaturze 573K:
TaCl₅ + TaCl₃ ↔ 2TaCl₄
Termiczny rozkład TaCl₃ w temperaturze 773K prowadzi do związków klasterowych o składzie [Ta₆Cl₁₂]Cl₂.
W roztworach wodnych zawierających jony fluorkowe występują fluorotantalany(V). W zależności od pH roztworu można wyodrębnić: [TaF₈]^3–, [TaF₇]^2–, [TaF₆]^–.

tlenki – Ta₂O₅ powstaje w wyniku ogrzewania tantalu w strumieniu tlenu. Jest białym, nierozpuszczalnym w kwasach (poza HF) ciałem stałym. Ogrzany powyżej 2273K odszczepia tlen i przechodzi w niższe tlenki. Stapiany z wodorotlenkami litowców tworzy tantalany(V), które występują też w alkalicznych roztworach wodnych. Przy zmniejszaniu pH roztworu powstają akwapolianiony typu [Ta₆O₁₉]^8–, a przy pH poniżej 6 strąca się uwodniony tlenek tantalu(V).