钒
钒(vanadium)
元素周期表第四周期VB族元素，为稀有高熔点金属。元素符号V，原子序数23，相对原子质量50.9415，常温下为固体，粉末状为灰色，致密状为钢灰色。
简史 1801年墨西哥矿物学家里奥(A．M．DelRio)在研究褐铅矿时发现了一种新元素，其化学性质与铬、铀相似，它的盐类在酸中加热呈红色，因而命名为“erythronium”，意即“红元素”，但后来又误认为是碱性铬酸铅。1831年瑞典化学家西弗斯特姆(N．G．Sefstrom)在冶炼生铁时发现了一种新元素，其化合物美丽多彩，于是以瑞典女神“维纳斯”(Vanadius)命名为(Vanadium)。1860年钒用作着色剂。1867年英国化学家罗斯科(H．E．Roscoe)用氢还原VCl：首次获得较纯的银灰色金属钒粉。1869年法国研究用钒作合金剂用于生产装甲钢板。1896年欧洲用钒作特殊钢添加剂。1870年钒用作催化剂。1905年前后含钒合金钢用作汽车工业的原料。1927年美国马登(J．W．：Marden)和李奇(M．N．Rich)用电炉钙热还原法制得工业金属钒。
中国钒工业起步于20世纪50年代，1958年恢复并扩建锦州铁合金厂提钒车间，以承德大庙含钒铁精矿为提钒原料。1960年以后中国的其他提钒厂相继建成投产，70年代攀枝花钢铁公司建成投产，从此中国的钒工业便进入一个新的历史时期。至80年代中国已成为世界主要产钒国之一，能生产各种钒制品。钒的推广应用也得到较快发展。
性质 钒具有良好的可塑性和可锻性，常温下可制成片，拉成丝和加工成箔。但少量的杂质，特别是间隙元素(如碳、氢、氧、氮)会明显影响钒的物理性质。如钒含氢0．01％即引起脆变，可塑性降低；含碳2.7％时其熔点升高到2458K。钒的熔点高，硬度大，电阻率高，呈弱顺磁性，线胀系数小，钒的弹性模量、密度与钢相近，可用作结构材料。
钒是一种过渡元素，其原子的外电子层构型为[Ar]3d34s2，5个电子都可参加成键，因此钒是变价元素，有-3和-1到+5共8种价态，其中以+5价的钒化合物最为稳定。正五价钒的化合物具有氧化性，低价钒的化合物具有还原性，价态愈低的钒化合物的还原性愈强，所以V3+、V2+是强还原剂。钒容易同很多配位体形成配合物。
钒有9个同位素，其质量数从46到54，51V是稳定的天然同位素。钒的耐腐蚀性能仅次于铌和钽，室温下钒不与空气、水和碱发生作用，但在高温下能与碳、硅、氮、氧、硫、氯、溴等大部分非金属元素生成化合物。钒耐海水腐蚀，亦耐盐酸、稀硫酸和碱溶液的腐蚀。钒在室温下除与氢氟酸缓慢反应外，不与其他卤氢酸起反应。钒与含氧酸(热浓硫酸、次氯酸、硝酸和王水)作用生成钒酸盐。
化合物常见的钒化合物有氧化物、卤化物、铵盐、钠盐和含氧酸盐等。这些化合物的性质往往会受到钒价态变化的影响。
氧化物钒的氧化物主要有V205、V02、V203和V0。
卤化物钒卤化物的化学稳定性随钒原子价增加而减弱；相同价态的钒的卤化物，其化学稳定性从氟化物到碘化物逐渐减弱。
铵盐 主要有偏钒酸铵(NH4VO3)、钒酸铵[(NH4)3VO4或2(NH4)20•3V205•nH20]、多钒酸铵等，其中以偏钒酸铵最为重要。偏钒酸铵为白色或浅黄色晶体，加热到473K开始分解，密度为2304kg/m3。偏钒酸铵在富氧空气中于523K温度下分解成NH3和V205；在空气中于523～613K温度下分解成(NH4)2O•3V205及V204•5V205，于693～713K温度下分解成NH3和V205；在583～598K温度的纯氧气氛中氧化得V205。偏钒酸铵在氢气中加热至473K生成(NH4)2O•3V205，在593K温度下生成(NH4)2O•V204•5V205，在673K温度下生成V2013和V203，在1273K温度下则生成V204。偏钒酸铵在CO2、N2与Ar气氛中于623K温度下生成(NH4)2O•V204•5V205，于673～773K温度下生成V6013。通水蒸气并达到498K温度时偏钒酸铵生成(NH4)2O•3V205。
钠盐 钒钠盐中如V205-Na20二元系相图中的化合物有NaV6015、Na8V24063、NaV03，Na4V207、Na3V04。NaV03-V205系相图中较为常见的有偏钒酸钠(NaV03)、焦钒酸钠(Na4V2O7)、正钒酸钠(Na3V04)以及多钒酸钠等盐类。
含氧酸盐 钒的含氧酸盐，除碱金属和碱土金属钒酸盐易溶于水外，其他盐类溶解度小。钒的含氧酸盐常见的有钠盐、铵盐、钙盐、铁盐等。从钒的聚集状态分类，可分为正钒酸盐(V043-)、焦钒酸盐(V2074-)、偏钒酸盐(V03-，V40124-)及多钒酸盐(V40124-，V60162-，V100182-，V120312-)等。
钒合金及添加剂 较常用的钒合金有钒铁、钒铝以及钼钒铝合金、硅锰钒铁合金、碳化钒、氮化钒等专用合金添加剂。各国的钒铁合金标准不完全一样。通常有含钒40％～80％等六种牌号。有含钒55％、65％、75％、85％四种钒铝合金。钼钒铝合金一般含钒23％～25％，含钼24％～26％，含铝48％～53％。硅锰钒铁一般含钒>42％，含硅<7％，含锰<4.5％。碳化钒一般含钒82％～86％，含碳10.5％～14.5％。氮化钒含钒78％～82％，含碳10％～12％，含氮6％以上。
毒性 钒及其化合物具有一定的毒性，毒性一般随钒的价态升高而增大。皮肤遇钒易发生过敏反应。工业接触易引起呼吸道疾患，出现阵发性干咳伴咯血和眼鼻喉的刺激症状，血红蛋白和红细胞先暂时增加而随后下降，发生贫血，有时出现眼结膜炎，严重喉部刺激，顽固的干咳，弥漫的双肺罗音和支气管痉挛，有时出现皮肤搔痒等症状。可溶性钒进入循环血液中，70kg体重的健康人致死剂量仅为30mgV205(即1妇体重为O.43mg)，部分钒化合物的阈限值为：V205粉尘O.5mg/m3，烟尘或超细粉末为O.1mg/m3。钒对动物神经生理的影响(包括中枢神经系统功能失调和心血管病变)也是不能忽视的。钒对动物的代谢作用无明显影响，口眼少量某些钒盐时产生的毒性不大，还可降低青年人和动物的胆固醇；静脉注射则毒性很大。钒的急性接触和吸收高浓度钒会引起血管收缩，导致身体某些部位充血、出血而损伤肝、肾、心和脑。钒在医药方面曾用作贫血症、萎黄病、肺结核以及糖尿病的治疗药物。生活饮用水中容许最大含钒量在o.1mg/L以下。
应用 钒具有优良的合金性能和催化性能，广泛用于钢铁工业和化学工业。世界上90％的钒用于钢铁工业，5％用于化学工业，其余用于有色金属合金和其他方面。钒加入钢中，形成碳化钒、氮化钒质点，使钢弥散强化，抑制奥氏体晶粒长大，起到提高钢性能作用。钢中加入钒O.05％～O.1％，强度可提高10％～20％，并使钢的铸造性能和焊接性能变得更好，减轻机件重量。含钒1％～5％的高速工具钢除具有较高的耐磨性外，还具有较好的塑性和韧性。钒在化学工业中主要用作制造各种催化剂及陶瓷颜料。钒在有色金属合金中的应用主要用来生产钒铝合金。钒铝合金具有较高的屈服强度和冲击强度，用作飞机和宇航飞行器的材料。钒在这方面的用量正逐年增长，美国目前已上升到钒总耗量的7％～10％。此外，单晶钒可用作电子工业的材料。
资源 钒矿床根据其成矿原因可分为岩浆分泌矿床、含钒热液矿床、风化堆积残留矿床和沉积矿床等。钒的地壳丰度为136×10-4％，海水含钒1×10-7％。在钒矿中钒主要与铁、钛、铀、钼、铜、铅、锌、铝等或与碳质岩矿、磷矿等伴生。近来也发现有含钒量较高的石油矿。
钒钒钛磁铁矿是生产钒的主要资源，可以综合利用其中的钒、铁和钛。世界主要的钒矿床有南非德兰士瓦中部布什维尔德的钒钛磁铁矿，储量约20亿t；前苏联乌拉尔和卡契卡纳尔；芬兰奥坦梅基和木斯塔瓦拉；美国怀俄明铁山；中国四川攀枝花地区和河北承德等地的钒钛磁铁矿。
其他钒资源有钒铀矿、钒酸盐矿、磷岩、沥青石、石油、石墨矿含钒云母以及中国长江中下游的川、鄂、湘、赣、浙、黔、桂等省储量极为丰富的石煤矿。目前世界已探明的钒资源量为436万t，远景储量为1662万t。
提取冶金 从含钒原料制取金属钒主要包括钒提取和金属钒制取两大环节。有时为了制取高纯金属钒还需增加金属钒精炼环节。钒再生也属钒提取冶金的范畴。钒提取冶金原则流程如图。在钒提取冶金过程中，以钒提取环节为最重要。钒提取是从含钒原料制取钒化合物的过程。由于钒精矿较少，钒的主要原料为钒钛磁铁矿，因此从钒钛磁铁矿炼铁制得的含钒铁水中提取钒的工艺，在钒提取冶金中占有重要地位。这种工艺是钒钛磁铁矿先进入炼铁高炉，钒被还原进入铁水，含钒铁水再经吹炼制得钒渣；然后从钒渣中提钒。钒渣和各种含钒物料一般都经过焙烧、浸出和溶液净化处理，获得较纯的含钒溶液。再从较纯的含钒溶液中制取V205、V203。、偏钒酸铵、钒酸钙、钒酸铁等钒化合物。钒提取获得的钒化合物除部分V205作为生产金属钒原料外，大多作为产品出售。用钙、铝或碳还原V205制取粗金属钒，粗金属钒再经精炼便可获得纯金属钒。V205大量用作生产钒铁的原料，钒铁是合金钢生产的重要合金添加剂。