Распространение в природе и биосфере

Медико-биологическое значение

Элементов 5В группы

Проектная работа

 

 

Выполнила:

                                                                                       ученица 10класса

                                                                                       Фролова Елена

Научный руководитель:

                                                                                       учитель химии

                                                                                       Мошкова А. С.

 

 

Никольское, 2018

Содержание

Введение

Глава 1. Общая характеристика химических элементов VБ группы

1. 1. Краткие сведения об истории открытия элементов и их распространён-ности в природе

1. 2. Изменение в группах величины радиуса атомов и ионов, потенциала ионизации

1. 3. Устойчивые степени окисления элементов VБ группы в соединениях

Глава 2.Медико-биологическое значение элементов VБ группы

2.1. Применение тантала в медицине

Заключение

Список использованной литературы

 

Введение

В настоящее время наука делает всё большие успехи в области химии. В частностипроводимые учеными-медиками исследования позволяют устанавливать влияние на организм человека тех или иных химических элементов и их соединений.

Объектом нашего исследования стали элементы VБ группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Подгруппа ванадия — химические элементы 5-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элементы побочной подгруппы V группы). В группу входят ванадий V, ниобий Nb и тантал Ta. На основании электронной конфигурации атома к этой же группе относится и элемент дубний Db.

Предмет исследования – особые свойства указанных химических элементов и их соединений, позволяющие использовать их в медицине.

В 21 веке человечество подвержено многим новым опасным заболеваниям, которые могут стать причинами глобальных эпидемий. Также необходимо …

 

Свойства

Подгруппа ванадия — химические элементы 5-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элементы побочной подгруппы V группы). В группу входят ванадий V, ниобий Nb и тантал Ta. На основании электронной конфигурации атома к этой же группе относится и элемент дубний Db, искусственно синтезированный в наукограде Дубне в 1970 г. группой

Г. Н. Флёровапутём бомбардировки ядер ²⁴³Am ионами ²²Ne и независимо в Беркли (США) в реакции ²⁴⁹Cf+¹⁵N→²⁶⁰Db+4n.

Как и в других группах, члены этого семейства элементов проявляют закономерности электронной конфигурации, особенно внешних оболочек, хотя, как ни странно, ниобий не следует этому тренду. Тем не менее, у элементов этой группы тоже проявляется сходство физических свойств и химического поведения:

Некоторые свойства элементов 5 группы

Атомный номер	Химический элемент	Электронная оболочка	Атомный радиус, нм	p, г/см³	tпл, °C	tкип, °C	ЭО
23	Ванадий	2, 8, 11, 2	0,134	6,11	1920	3400	1,63
41	Ниобий	2, 8, 18, 12, 1	0,146	8,57	2500	4800	1,6
73	Тантал	2, 8, 18, 32, 11, 2	0,149	16,654	3000	5300	1,5
105	Дубний	2, 8, 18, 32, 32, 11, 2

 

 

История

Открытие элементов 5 группы связано со значительными противоречиями и трудностями для химиков. Проверка вновь открытых элементов была затруднительной из-за сходства ванадия и элемента 6 группы хрома, химического сходства ниобия и тантала и сложности установок, которые были необходимы для производства нескольких атомов дубния.

Элементы 5 группы похожи друг на друга не только по своим свойствам, но и «родственники» по названиям. Во-первых, наименования всех трёх относятся к области мифологии. Во-вторых, в названиях указана прямая родственная связь: в древнегреческой мифологии Ниобея является дочерью Тантала.

Ванадий назван в честь богини красоты древних скандинавов — легендарной Фреи Ванадис. Это имя элементу дал в 1831 г. Гавриил Сефстрём, профессор Горного института в Стокгольме.

Тантал открыт в 1802 г. шведским химиком Экебергом в двух минералах, найденных в Финляндии и Швеции.

Ниобий открыт в 1801 г. английским учёным Ч. Хатчетом в минерале (колумбите), найденном в бассейне р. Колумбии, и потому получил название «колумбий». В 1844 году немецкий химик Генрих Розе переименовал его в «ниобий» в честь дочери Тантала Ниобы, чем подчеркнул сходство между ниобием и танталом. Однако в некоторых странах (США, Англии) долго сохранялось первоначальное название элемента — колумбий, и только в 1950 году решением Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) элементу окончательно было присвоено название ниобий.

Распространение в природе и биосфере

Ванадий довольно широко распространён в природе и составляет около 0,005 % от общего числа атомов земной коры. Однако богатые месторождения его минералов встречаются весьма редко. Помимо подобных месторождений, важным источником сырья для промышленного получения ванадия являются некоторые железные руды, содержащие примеси соединений этого элемента.

Содержание ниобия (2·10⁻⁴ %) и тантала (2·10⁻⁵ %) в земной коре значительно меньше, чем ванадия. Встречаются они главным образом в виде минералов колумбита Fe²⁺Nb₂O₆ и танталита Fe²⁺Ta₂O₆, которые обычно смешаны друг с другом.

Из элементов 5 группы только ванадий был идентифицирован как играющий роль в биохимии живых систем: он участвует в некоторых ферментах высших организмов, а также, что необычно, в биохимии некоторых морских оболочников.

Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Подгруппа_ванадия

 

В подгруппу ванадия, составляющую побочную подгруппу V группы периодической системы, входят ванадий, ниобий, тантал и протактиний. Последний элемент радиоактивный и в настоящее время его включают в ряд актиноидов.

В отличие от элементов подгруппы азота атомы элементов подгруппы ванадия на внешнем электронном слое имеют два электрона (у ниобия один), а предпоследний слой не заполнен. К валентным электронам, помимо электронов внешнего электронного слоя, относятся также еще и 3—4 электрона предпоследнего электронного слоя (сверх октетной структуры). Поэтому в соединениях эти элементы проявляют максимальную валентность 4-5.

При решении вопроса определения элементов в главную или побочную подгруппу долгое время руководствовались теми, по существу случайно избранными, отдельными свойствами элементов, которые наиболее бросались в глаза. Так, применительно к V группе исходили из наличия водородных соединений типа ЭН₃ и у фосфора, и у мышьяка при отсутствии подобного соединения у ванадия. На этом основании подгруппу мышьяка рассматривали как главную подгруппу V группы, являющуюся непосредственным продолжением ее типических элементов, Напротив, подгруппу ванадия рассматривали как побочную, совершенно оторванную от фосфора и азота. В результате становилось не оправданным само помещение элементов подгруппы ванадия в V группу.

    Ванадий, находящийся в побочной подгруппе пятой группы периодической системы, относится к элементам с недостроенной электронной оболочкой. Внешний квантовый слой его содержит два электрона, второй снаружи – 11 электронов. Поэтому для ванадия характерно стремление к отдаче электронов, вследствие чего он проявляет в соединениях положительную валентность, равную +3, +4,+5.

Побочную подгруппу V группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева составляют ванадий, V, ниобий Nb и тантал Та. В эту же подгруппу входит элемент № 105 — нильсборий Ns. Однако это название не является еще общепринятым. Впервые изотопы нильсбория были получены искусственным путем в 1970 г. независимо советскими и американскими учеными. Установлено, что нильсборий по химическим свойствам аналогичен танталу, однако свойства нильсбория и его соединений изучены еще мало.

Источник: http://chem21.info/info/1793206/

d-элементы V группы d-элементы V группы побочной подгруппы это:- ванадий V, ниобий Nb, тантал Ta и дубний Db. Электронная конфигурация ванадия и тантала (n-1)d 3 ns 2, ниобия (n1)d 4 ns 1 (у атома Nb происходит «провал» электрона). Высшая степень окисления, наиболее характерная для данной подгруппы, +5. Другие степени окисления +2, +3, +4 характерны для ванадия и мало характерны для ниобия и тантала. Некоторые константы элементов этой группы приведены в табл. 1.

Таблица 1. Свойства d-элементов V группы

В подгруппе ванадия по мере увеличения атомного номера элемента уплотняются электронные оболочки атомов. Об этом свидетельствует рост первой энергии ионизации и характер изменения атомных и ионных радиусов в группе (табл. 1). Вследствие лантаноидного сжатия атомные и ионные радиусы Nb и Ta практически одинаковы, поэтому ниобий и тантал по свойствам ближе друг к другу, чем к ванадию.

Дубний Db – радиоактивный элемент, искусственно полученный с помощью ядерных реакций. Известно несколько изотопов этого элемента, из них наиболее долгоживущий 262Db с периодом полураспада 34 с.

Ванадий достаточно широко распространен в природе, но является рассеянным элементом, так как практически не имеет своих минералов. Он содержится обычно в рудах железа [(Fe,V)3O4] и высокосернистой нефти. Наиболее важные минералы – патронит VS2-2,5, сульванит Cu3VS4, алаит V2O3∙H2O, ванадинит Pb5(VO4)3Cl.

Ниобий и тантал почти всегда встречаются совместно, чаще всего в составе ниобат-танталатовых минералов типа МЭ2О6 (М = Fe, Mn). В случае преобладания ниобия минерал называется колумбитом Fe(NbO3)2, при преобладании тантала – танталитом Fe(TaO3)2.

Для получения металлов подгруппы ванадия их природные соединения сначала переводят в оксиды либо в простые или комплексные галогениды, которые далее восстанавливают металлотермическим методом. Для технических целей обычно выплавляют феррованадий, феррониобий и ферротантал.

Ванадий добывают обычно переработкой шлаков черной и цветной металлургии. При совместном восстановлении оксидов железа и ванадия получают сплав железа с ванадием – феррованадий, содержащий около 30% ванадия. Чистый ванадий получают металлотермическим способом. Особо чистый ванадий получают разложением паров иодида VI3 на вольфрамовой проволоке, нагретой электрическим током в вакууме.

Ниобий и тантал получают электролизом оксидов Э2О5 в расплавленных комплексных фторидах. При извлечении ниобия и тантала из рудных концентратов основной трудностью является их разделение из-за сходства химических свойств. Данные металлы восстанавливают металлическим натрием из комплексных фторониабатов и фторотанталатов (K2[NbF7], K2[TaF7]). Получаемые в порошкообразном состоянии металлы подвергают спеканию в вакууме или среде благородных газов для получения компактных металлов.

Ванадий, ниобий, тантал – светло-серые блестящие металлы, имеющие кубическую объемно-центрированную кристаллическую решетку.

 Металлы данной подгруппы хорошо поддаются механической обработке, тугоплавки. Физические характеристики существенно зависят от чистоты металлов. Так примеси (особенно О, Н, N и С) резко снижают пластичность и повышают твердость.

 

В стандартных условиях в компактном состоянии ванадий и особенно ниобий и тантал отличаются высокой химической стойкостью. Химическая активность этих металлов проявляется только при высоких температурах, когда разрушается защитная плёнка, делающая их пассивными при обычных условиях. Особенно прочная пленка образуется на поверхности тантала, который по химической стойкости не уступает платине.

Ванадий, ниобий и тантал между собой и металлами, близко расположенными к ним в периодической системе элементов (подгруппы железа, титана, хрома), образуют металлические твердые растворы. По мере увеличения различий в электронном строении взаимодействующих металлов возможность образования твердых растворов уменьшается, а интерметаллических соединений возрастает. В противоположность твердым растворам интерметаллиды имеют кристаллическую структуру, отличную от структур исходных металлов.

Порошкообразные V, Nb, Ta, подобно большинству d-металлов, поглощают большие количества водорода, кислород и азот. При этом неметаллы переходят в атомное состояние и участвуют в образовании химических связей в кристалле.

Гидриды ЭН – хрупкие металлоподобные порошки серого или черного цвета, имеют переменный состав. Они химически устойчивы к воде и разбавленным кислотам.

Большинство бинарных соединений d-элементов представляют собой фазы внедрения. Состав их непостоянен и зависит от способа получения. Нитриды, карбиды, бориды и ряд других соединений d-элементов V группы с малоактивными неметаллами обладают высокой химической стойкостью.

Оксиды – при их образовании идет постепенное окисление металла через ряд стадий, так как один и тот же металл может образовывать несколько оксидов различного состава. Физико-химические свойства таких оксидов могут изменяться в широких пределах, потому что по мере увеличения содержания кислорода уменьшается доля металлической и увеличивается доля ковалентной связи.

Соединения со степенью окисления +2 d-элементов V группы малоустойчивы и более характерны для ванадия (к.ч. = 6). Оксид ванадия(II) VO серого цвета с металлическим блеском обладает значительной электропроводностью. Он имеет кристаллическую решетку типа NaCl. Получают VO восстановлением V2O5 в токе водорода. С водой не взаимодействует. Легко растворяется в разбавленных кислотах, проявляя основные свойства.

Соединения ванадия(II) – сильные восстановители. Фиолетовые растворы [V(OH2)6] 2+ легко окисляются даже на воздухе до [V(OH2)6] 3+ зеленого цвета. В отсутствие окислителей растворы соединений ванадия(II) постепенно разлагают воду с выделением водорода.

 Производные Nb(II) и Ta(II) относятся к соединениям кластерного типа, то есть проявляется связь металл – металл. Соединения со степенью окисления +3 так же более характерны для ванадия (к.ч. = 6), чем для других представителей данной группы.

Оксид ванадия(III) V2O3 черного цвета с кристаллической решеткой типа корунда α- Al2O3. Соответствующий гидроксид V(OH)3 зеленого цвета (переменного состава V2O3∙nH2O) получают осаждением из растворов соединений ванадия(III). V2O3 и V(OH)3 слабо амфотерны с преобладанием основных свойств, растворяются в кислотах.

Галогениды ванадия(III) – кристаллические вещества. С основными галогенидами образуют галогенованадаты ([VHal6] 3- [V2Cl9] 3-):

3KF + VF3 = K3[VF6]; 3KCl + 2VCl3 = K3[V2Cl9].

Галогениды ванадия(III) при нагревании разлагаются по реакции диспропорционирования:

2VСl3 (к) = VСl2 (к) + VСl4 (г).

Для техники важны желто-бронзовый нитрид VN (tпл = 2050 С), устойчивый к воде и кислотам, а также обладающий высокой твердостью карбид VC (tпл = 2800 С). Производные ванадия(III) – сильные восстановители. В растворе они легко окисляются кислородом воздуха до соединений ванадия(IV). Производные Nb(III) и Ta(III) относятся к соединениям кластерного типа.

Соединения со степенью окисления +4 при обычных условиях самые устойчивые для ванадия (к.ч. = 6, а так же 4 и 5).

Соединения V(III) легко окисляются, переходя в V(IV), а соединения V(V) восстанавливаются до производных V(IV).

Оксид ванадия(IV) VO2 синего цвета имеет кристаллическую решетку типа рутила TiO2. Получают осторожным восстановлением V2O5 водородом. В воде VO2 нерастворим. Относительно легко он взаимодействует при нагревании со щелочами с образованием оксованадатов бурого цвета состава М2[V4О9]. Еще легче VO2 растворяется в кислотах, проявляя тем самым амфотерные свойства. В результате образуются аквакомплексы ванадила светло-синего цвета:

VO2 + 2Н+ + 4Н2О = [VO(OH2)5] 2+.

 Из галогенидов ванадия(IV) известны коричневый VF4 и красно-бурый VCl4, а так же оксогалогениды типа VOHal2. Тетрахлорид ванадия получают при окислении ванадия (или феррованадия) хлором. Он имеет, как и TiCl4, тетраэдрическое строение.

Тетрагалогениды ванадия легко гидролизуются:

 VCl4 + H2O = VOCl2 + 2HCl.

 Для ниобия и тантала известны диоксиды ЭО2 и тетрагалогениды ЭHal4. В этих соединениях тоже проявляется связь металл-металл, т.е. они относятся к кластерам. В ряду V(V) - Nb(V) - Ta(V) устойчивость соединений возрастает. Для ванадия(V) известны лишь оксид V2O5 и фторид, тогда как для ниобия(V) и тантала(V) известны и все другие галогениды ЭHal5. Для Э(V) характерны и оксогалогениды типа ЭОHal3.

Для V характерное к.ч. = 4, 6, а для Nb и Ta – 6, 7 (иногда 8). Оксиды – тугоплавкие кристаллические вещества (V2O5 – красный, Nb2O5 и Ta2O5 – белые), проявляющие кислотные свойства.

Оксид ванадия(V) получают термическим разложением ванадата аммония. V2O5 плохо растворим в воде (образует кислый раствор светло- желтого цвета). Легко взаимодействует со щелочами, с кислотами – лишь при длительном нагревании.

Оксиды Nb2O5 и Ta2O5 химически неактивны (в воде и кислотах практически не растворяются), со щелочами реагируют лишь при сплавлении.

Оксованадаты(V), оксониобаты(V) и оксотанталаты(V) – кристаллические вещества сложного состава и строения, большинство из которых полимерные соединения. В воде растворимы лишь производные s-элементов I группы и NH4 + типа ЭО3 и ЭО4.

Пентагалогениды ванадия, ниобия, тантала легкоплавки, летучи, растворяются в органических растворителях, химически активны. В воде легко гидролизуются, образуя аморфные осадки гидратированных оксидов Э2O5∙n Н2О:

2ЭНаl5 + 5Н2О = Э2O5 + 10НHal.

Галогениды этих элементов, являясь кислотными соединениями, реагируют с основными галогенидами с образованием анионных комплексов:

KF + VF5 = K[VF6]; 2KF + TaF5 = K2[TaF7].

 Подобным образом ведут себя и оксогалогениды: - в воде легко гидролизуясь с образованием гидратированных оксидов Э2O5∙nН2О:

 2ЭОНаl3 + 3Н2О = Э2O5 + 6НHal;

взаимодействуя с основными галогенидами

2KF + VОF3 = K2[VОF5].

Оксиды Nb2O5 и Ta2O5 взаимодействуют с водными растворами KF и НF:

 Nb 2О5 + 4KF + 6НF = 2K2[NbОF5] + 3Н2О;

 Ta2О5 + 4KF + 10НF = 2K2[TaF7] + 5Н2О.

Соединения ванадия(V) в кислой среде проявляют окислительные свойства, например, окисляют концентрированную соляную кислоту:

 V2O5 + 6HСl = 2VOCl2 + Cl2 + 3Н2О

Для перевода ниобия(V) и в особенности тантала(V) в более низкие степени окисления требуются энергичные восстановители и нагревание.

Основные кислородсодержащие соединения d-элементов V группы приведены в таблице 2.

Таблица 2. Кислородосодержащие соединения элементов подгруппы ванадия

Источник: http://www.ief-usfeu.ru/images/Images_users/ML/InChem/d-elements_of_Group_V.pdf

Наибольшее промышленное значение имеет ванадий, причем основной областью его применения является металлургия специальных сталей. Использование ниобия и тантала еще сравнительно невелико, но проявляет тенденцию к быстрому увеличению.

1) Ежегодная мировая добыча ванадия составляет около 5 тыс. т. Ванадиевая сталь широко применяется при изготовлении автомобильных и авиационных моторов, осей, рессор и т. д. Соединения ванадия потребляются главным образом в резиновой, стекольной и керамической промышленности. Они часто служат также хорошими катализаторами (преимущественно окислительных реакций).

Основным использованием ниобия является введение его в состав специальных сталей, предназначенных для изготовления сварных конструкций. Его ежегодная мировая добыча исчисляется сотнями тонн.

Чрезвычайная устойчивость тантала по отношению к различным химическим воздействиям наряду с высокой твердостью, ковкостью и тягучестью делают этот металл (а также и ниобий) особенно пригодным для изготовления различных ответственных частей заводской химической аппаратуры. Широкому развитию такого применения мешает лишь высокая цена тантала. Его ежегодная мировая выработка исчисляется десятками тонн.

 Наиболее типичны для ванадия и его аналогов производные пятивалентных элементов. Кроме того, известны соединения, отвечающие валентностям IV, III и II. При переходе в ряду V–Nb–Та число таких соединений и их устойчивость уменьшаются. Все эти производные низших валентностей рассматриваемых элементов практического значения пока не имеют.

Окислы пятивалентных элементов (Э₂О₅) образуются при накаливании мелко раздробленных металлов в токе кислорода. Из них V₂O₅ имеет явно выраженный кислотный характер, а у Nb₂O₅ и Ta₂O₅ последний значительно ослабляется.

Красней ванадиевый ангидрид (V₂O₅) малорастворим в воде. Его желтый раствор содержит довольно слабую ванадиевуюкислоту (HVO₃). В щелочах V₂ O₅ легко растворяется, образуя соответствующие ванадаты. Из последних практически наиболее важен сравнительно малорастворимый ванадат аммония (NH₄VO₃), являющийся обычным продажным препаратом ванадия. Соединения этого элемента ядовиты.

Бесцветные Nb₂ O₅ и Та₂ О₅ тугоплавки и в воде почти нерастворимы. Отвечающие им соли – ниобаты и танталаты – могут быть получены сплавлением соответствующего ангидрида со щелочью (или окисламиметаллов). В водных растворах они сильно гидролизованы. При подкислении этих растворов выделяются белые студенистые осадки переменного состава Э₂ O₅ ·xH₂ O. Обе гидроокиси растворимы не только в крепких растворахщелочей, но и в сильных кислотах, что указывает на их амфотерность.

При сопоставлении элементов подгруппы ванадия с фосфором и азотомнаблюдается резкое расхождение свойств производных низших валентностей и закономерный ход изменения характера высших окислов. Действительно, в ряду N₂O₅, P₂O₅, V₂O₅, Nb₂О₃, Ta₂ O₅ кислотный характер окисла весьма последовательно ослабляется. Напротив, аналогичные N и Р в производных низших валентностей элементы подгруппы мышьяка уже не дают закономерного изменения химического характера высших окислов при переходе от N к Bi. Хорошей иллюстрацией изложенного может служить приводимое ниже сопоставление теплот образования окислов Э₂ О₅ из элементов (ккал/моль):

Sb – 230

As – 218

P – 360

N – 13

P – 360

V – 437

Nb – 463

Ta – 499

Источник: http://www.xumuk.ru/nekrasov/ix-06.html

 

 

 

Подписи к фото

Чистый ванадий (брусок справа и куб) и два его оксида (бруски слева). Пластичный металл серебристо-серого цвета.

 

Кристаллы ниобия. Блестящий металл серого цвета, покрывается желтоватой оксидной плёнкой.

 

Кристаллы тантала. Тяжёлый твёрдый металл серого цвета.

 

Литература

• Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — М.: Высшая школа, 2001.
• Лидин Р. А.. Справочник по общей и неорганической химии. — М.: КолосС, 2008.
• Некрасов Б. В. Основы общей химии. — М.: Лань, 2004.
• Спицын В. И., Мартыненко Л. И. Неорганическая химия. — М.: МГУ, 1991, 1994.
• Турова Н. Я. Неорганическая химия в таблицах. Учебное пособие. — М.: ЧеРо, 2002.