Курсовая теория на тему Ванадий

Содержание:

Введение 2
Общие сведения о ванадии 4
1. Структурные свойства ванадия 6
2. Фазовые диаграммы с другими химическими элементами 10
3. Теплофизические и физико-механические свойства 13
4. Методы получения исходного материала (сырья) 17
5. Функциональные свойства материалов 22
6. Применение ванадия в промышленности 24
7. Способы улучшения свойств ванадия 26
Заключение 30
Список использованных источников: 31
Приложение 1 33
Приложение 2 34
Приложение 3 36
Приложение 4 37

Введение:

Введение
Значительные достижения в науке и технике во многом определяются созданием инновационных материалов на основе редких металлов. К редким металлам, имеющим важное стратегическое значение, относится ванадий.
Металлический ванадий, его соединения и сплавы обладают уникальными физико-химическими свойствами, что обусловливает их применение во многих областях − черной и цветной металлургии, авиастроении, космической технике, морском судостроении, атомной энергетике, химической промышленности.
Ванадий – один из главных легирующих элементов. В мире объем производства ванадия растет, составив в 2013 г. 76 тыс. тонн. Более 85 % ванадия используют в черной металлургии как эффективную легирующую добавку при производстве сталей для увеличения их прочности (углеродистых − 38 %, высокопрочных низколегированных − 20 %, легированных − 19 %, инструментальных и штамповочных − 10 %, титановых − 8 %). Стали используют для изготовления трубопроводов, пружин, болтов, подшипников.
Примерно 8 % применяют в цветной металлургии, главным образом в виде алюминий-ванадиевых сплавов для легирования конструкционных материалов на основе титана, применяемых в авиастроении, космической технике и в морском судостроении.
Остальная часть потребляемого ванадия (5 %) приходится на химическую промышленность, в частности на производство аккумуляторных батарей и катализаторов производства серной кислоты, процессов крекинга нефти, получения уксусной кислоты и многих других. Металлический ванадий применяют в атомной энергетике (для изготовления оболочек твэлов, труб) и в производстве электронных приборов.
Спрос на ванадий, по прогнозам, будет расти на 7 процентов в год до 2025 г., благодаря использованию ванадийсодержащих сталей как в традиционных областях, так и для реализации новых технологий по созданию 5 аккумуляторных батарей. В последние годы наблюдается увеличение использование ванадия в сталях, из которых изготавливается усиленная арматура строительных сооружений, плотин, туннелей, мостов и других инженерных объектов для уменьшения катастрофических разрушений в сейсмически активных регионах.
В связи с ростом спроса на ванадий возрастает необходимость разработки новых технологий извлечения, переработки и получения данного материала. Отсюда следует необходимость более глубокого изучения физических и химических свойств ванадиевых сплавов и оксидов, влияние примесей на структуру и свойства материала. При этом существующие технологии извлечения и получения ванадия требуют совершенствование.
Целью настоящей работы является изучение свойств ванадия, влияние различных физических и химических факторов на структуру и свойства материала, его применяемость, влияние примесей на свойства ванадия, ознакомление со способами и методами получения ванадия, изучение способов и методов очистки материала от примесей.
Актуальность работы: учитывая рассеянность ванадия в природе и отсутствие его в чистом виде необходимо ознакомиться с особенностями свойств материала. Изучить существующие технологии получения ванадия, чтобы разработать более совершенные способы получения материала высокой степени чистоты.

Заключение:

Заключение
По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:
Ванадий относится к группе тугоплавких материалов с объемно-центрированной кристаллической решеткой.
При изменении температуры ванадий претерпевает полиморфные превращения. В результате этого у ванадия меняются свойства: плотность, теплоемкость, тепло- и электропроводность, прочность и др. Данную особенность ванадия можно использовать для получения материала с заданными физико-механическими свойствами. При этом необходимо соблюдать условия охлаждения.
Ванадий широко распространен в земной коре, но рассеян. В чистом виде практически не встречается. Технология извлечения ванадия очень трудоемкая. При этом ванадий входит в состав железных руд, нефтепродуктов.
 Химический процесс получения ванадия основан на окислительно-восстановительных реакциях. Сущность процесса состоит в восстановлении ванадия из химического жидкого раствора.
Ванадиевые руды сложны по составу и имеют малый удельный вес, что заставляет разрабатывать и применять более трудоемкие технологии.
Наряду с получением обычного налажено производство ковкого ванадия. Данные технологии стали внедрять сравнительно недавно, и данных по механическим свойствам этих материалов еще сравнительно мало.
Термическая обработка – отжиг – позволяет получить ванадий с пониженным содержанием водорода. Помимо этой разновидности существует и другой вид – термохимическая обработка. При диффузном легировании ванадия кислородом повышается прочность сплава при сохранении запаса пластичности.

Фрагмент текста работы:

1. Структурные свойства ванадия
Кристаллическая структура ванадия характеризуется объемно-центрированной кубической решеткой, что также свойственно тугоплавким металлам. В кубической гранецентрированной решетке атомы располагаются по вершинам элементарной ячейки и в центрах ее граней.
Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) решетка имеет металлы – α-Fe, Cr,W, Mo, V, Na, Li и другие. Структура А2 является менее плотноупакованной.
Атомы в решетке ОЦК располагаются в вершинах и в центре элементарной ячейки.
 
Рисунок 1 – ОЦК (а), размещение в ней наиболее плотной системы плоскостей (110) б; тетраэдрических (в) и октаэдрических (г).
Каждый атом в этой ячейке имеет 8 ближайших соседей, располагающихся на расстоянии где, а – длина ребра куба. Следовательно, координационное число решетки равно 8. Иногда его обозначают (8 + 6), т.к. следующие по удаленности атомы расположено на расстоянии а, число их равно 6.
В структуре ОЦК также имеются 2 типа пустот. Крупные занимают положения на гранях куба (рисунок 1 в). Они окружены 4 атомами, располагающимися в вершинах тетраэдра, ребра которых попарно равны. Более мелкие пустоты, окруженные 6 атомами, занимающими места в вершинах неправильного октаэдра, располагаются посередине ребер и граней ячейки (рисунок 1.6, г). Если структуру ОЦК решетки построить из жестких шаров, то в тетраэдрические пустоты можно поместить сферы радиусом 0,292 r, а в октаэдрические — 0,154 r.
Электронная схема ванадия —  V: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3.
Короткая запись электронной схемы — V: [Ar] 4s2 3d3
Порядок заполнения оболочек атома ванадия (V) электронами: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p.
На подуровне ‘s’ может находиться до 2 электронов, на ‘s’ — до 6, на ‘d’ — до 10 и на ‘f’ до 14
Ванадий имеет 23 электрона, заполним электронные оболочки в описанном выше порядке:
2 электрона на 1s-подуровне
2 электрона на 2s-подуровне
6 электронов на 2p-подуровне
2 электрона на 3s-подуровне
6 электронов на 3p-подуровне
2 электрона на 4s-подуровне
3 электрона на 3d-подуровне
Степень раскисления ванадия:
Атомы ванадия в соединениях имеют степени окисления 5, 4, 3, 2, 1, 0, -1, -2.
Степень окисления — это условный заряд атома в соединении: связь в молекуле между атомами основана на разделении электронов, таким образом, если у атома виртуально увеличивается заряд, то степень окисления отрицательная (электроны несут отрицательный заряд), если заряд уменьшается, то степень окисления положительная.
Атомы ванадия в соединениях проявляют валентность V, IV, III, II, I.
Валентность ванадия характеризует способность атома V к образованию хмических связей. Валентность следует из строения электронной оболочки атома, электроны, участвующие в образовании химических соединений называются валентными электронами. Более обширное определение валентности – число химических связей, которыми данный атом соединен с другими атомами.
В соединениях ванадий проявляет переменную валентность от 2+ до 5+. Соединения двух- и трехвалентного ванадия неустойчивы и являются сильными восстановителями. Наибольшее практическое значение имеют производные пятивалентного ванадия. Сравнительно устойчивы соединения четырехвалентного ванадия. Характерен легкий переход от валентности V5+ к валентности V4+ и обратно. Нормальный электродный потенциал системы V5+/V4+ = +1,01B.