什么是钒?

[拼音]：fan

[外文]：vanadium

元素符号 V，银白色金属，在元素周期表中属VB族，原子序数23，原子量50.9414，体心立方晶体，常见化合价为+5、+4、+3、+2。钒的熔点很高，常与铌、钽、钨、钼并称为难熔金属。

1801年西班牙矿物学家里奥 (A.M.del Rio)在研究墨西哥锡马潘 (Zimapan)的铅矿时发现钒。因为钒的盐类在与酸加热时呈红色，就以erythronuim（赤元素）命名。后来里奥又接受了这种红色物质是铬的不纯物，可能是铬酸铅的解释。1830年瑞典化学家塞弗斯托姆(N.G.Sefstrm)用瑞典塔贝里 (Taberg)附近矿石炼生铁，分离出一个新元素，以女神 Vanadis（凡娜迪丝）命名为vanadium。此后不久，德国化学家沃勒(F.Whler)证明钒与erythronuim是同一元素。

钒广泛分布于地壳中。已知的含钒矿物超过65种。其中较重要的有绿硫钒矿（V2S＋nS）、钒铅矿[PbCl2·3Pb3(VO4)2]、硫钒铜矿(3Cu2S·V2S5)、钛铈铀矿(Fe，U，V，Cr及稀土的钛酸盐)、钒云母[2K2O·2Al2O3·(Mg，Fe)O·3V2O5·10SiO2·4H2O]和钒钾铀矿(K2O·2UO3·V2O5·3H2O)等。最初秘鲁的绿硫钒矿是钒的主要来源，随后钾钒铀矿(副产铀)和钒云母成了钒的重要来源。在纳米比亚和赞比亚发现的铅、铜、锌的钒酸盐矿也是较大的钒矿床。钒盐是磷酸和肥料工业的副产品。含钒铁矿和含钒磁钛铁矿也是愈来愈重要的来源。某些原油中也含钒，可从燃烧后的飞灰和锅炉灰渣中回收。据估计世界钒的资源总计为1578万吨，苏联和阿扎尼亚的储量较大。中国有丰富的钒钛铁矿资源。

1979年和1980年世界钒矿的产量（以钒计）分别为37694吨和36606吨。产量最大的为纳米比亚，1980年为11340吨；其次为苏联，1980年为9979吨。1980年美国钒的消费量为5357吨，其用途分配为：交通运输33％，机械32％，建筑20％，化学5％，其他10％。1979年4月美国钒的价格为14.4美元／公斤。80％品位钒铁中每公斤钒为14.9～15.6美元。1981年98％纯度的五氧化二钒(V2O5)中每公斤钒为7.4～10.1美元。

钒是一种可锻金属，但含有氧、氮或氢的钒则变脆。钒是电的不良导体，其电导率仅为铜的十分之一。

钒的电阻率温度系数(0～100℃)0.0034，原子的热中子吸收截面5.00靶恩，原子的快中子（1兆电子伏）吸收截面为3毫靶恩。

室温时，致密的钒对氧、氮和氢都是稳定的。钒在空气中加热时，氧化成棕黑色的三氧化二钒(V2O3)、蓝黑色的四氧化二钒(V2O4)或桔红色的五氧化二钒(V2O5)。在较低的温度(180℃)下，钒与氯作用生成四氯化钒(VCl4)，高温下与碳及氮生成碳化钒(VC)及氮化钒(VN)。钒能耐盐酸、稀硫酸、碱溶液和海水的腐蚀，但能被硝酸、氢氟酸或浓酸硫腐蚀。

钒主要制成钒铁用作钢铁的合金组分，能细化钢铁基体晶粒，广泛用于各类钢种。钒在非铁合金中主要用于制造钛合金 (Ti-6Al-4V)。钒可以控制铜基合金中的气体含量，并改善其微观结构，在内燃机活塞的铝基合金中加入少量钒，可以增强合金的强度，并降低热胀系数。钒的快中子吸收截面小，对液态钠有良好的耐蚀性，并有抗高温蠕变强度，可作快中子增殖堆燃料棒的包覆材料和释热元件。钒的金属间化合物V3Ga是超导材料。V2O5广泛用作有机和无机氧化反应的催化剂；用来制作吸收紫外线和热射线的玻璃以及玻璃、陶瓷的着色剂。钒的氧化物和偏钒酸盐用于生产印刷油墨和黑色染料。

钒的生产第一步是从各种类型的含钒矿石中制取钒的氧化物或其他化合物，然后再用以生产钒铁合金或金属钒。

从含钒矿石提取钒时，一般是把矿石破碎，磨细，然后与钠盐（如氯化钠、硫酸钠或碳酸钠等）混合，在850℃焙烧，钒转变为可溶于水的偏钒酸钠(NaVO3)。用水浸出（见浸取），加硫酸，调整pH到2～3，即可沉淀出六钒酸钠 (Na4V6O17)，俗称“红饼”。把它于 700℃熔化，即得黑紫色致密的工业五氧化二钒(V2O5＞86％，Na2O占6～10％)。将红饼溶于碳酸钠溶液，并调节pH，使铁、铝和硅等杂质沉淀分离，再加NH4Cl使钒沉淀为偏钒酸铵(NH4VO3);经过320～430℃煅烧，即得纯度为99.8％的V2O5。

从钾钒铀矿提取钒，可用硫酸直接浸出，也可以先将矿石焙烧，再用水和稀盐酸或硫酸浸出。矿石中80％的钒和铀溶解，然后用叔胺、季胺或烷基磷酸溶剂萃取分离钒和铀。

从钒钛磁铁矿提取五氧化二钒（图1），是先经磁选除去钛铁矿和废石，将所得精矿经高炉或电炉炼成含钒生铁，再用转炉吹炼造出高钒渣（见铁水预处理），然后将粉状高钒渣与氯化钠混合焙烧，使钒成为可溶性的偏钒酸钠，最后用前述处理含钒矿石的方法回收钒。磁选所得含钒磁铁矿也可以与硫酸钠一起直接焙烧，生成可溶于水的偏钒酸钠，趁热用水浸出。加硫酸调整pH为2～3，煮沸，沉淀出红饼。还可以加氯化铵沉淀出白色偏钒酸铵；加氯化钙，使钒成钒酸钙沉淀；加硫酸亚铁沉淀出钒酸铁，送去炼钒铁。

工业上采用金属热还原的钙热还原法以及70年代发展的铝热还原和真空电子束重熔联合法。后者可以制得供核反应堆用的纯钒。此外也可用真空碳热还原法。

以高纯V2O5为原料，配入超过理论量50～60％的金属钙，用碘作熔剂和发热剂，置于密封的反应器或“反应d”内反应。得到致密金属锭或熔块，其中约含碳0.2％，含氧0.02～0.08％，含氮0.01～0.05％和氢0.002～0.01％。

将V2O5与高纯铝在“反应d”中反应生成致密的钒铝合金，然后在1790℃高温高真空中脱铝，再经真空电子束重熔，除去合金中残余的铝和溶解的氧等杂质，所得金属钒的纯度大于99.9％。也可以经过两次电子束熔炼，获得纯度更高的钒锭（图2）。

制备可锻钒的重要方法之一。把V2O5先用氢还原成V2O3，再与炭黑混合，在真空炉中经多次高温还原，制得的钒块约含碳0.02％，含氧0.04％，它在室温下是可锻的。

金属钒还可以用碘化物热分解法提纯，制得纯度为99.95％的钒。用氢在 1000℃还原钒的氯化物也可制得可锻钒。

参考文章

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