历史上,钒曾两次被发现。1801年,A.M,del里奥首先发现钒元素,当时被误认为是不纯的铬,1830年,N.G.塞夫斯特穆再次发现了钒,并以斯堪的纳维亚女神Vanadis的名字命名为vanadium,以表示钒的化合物在液体中所呈现的丰富多彩的颜色。同年,F.维勒通过实验证实了里奥发现的就是钒。1927年,J.W.马登和M.N.里奇加热五氧化二钒、金属钙和氯化钙的混合物,制得纯度为99.7%的金属钒。钒在地壳中的含量为0.02%~0.03%,居世界第22位。钒广泛分布于多种矿藏中(已知的含钒矿超过65种),重要的钒矿有钒钛磁铁矿、钒钾铀矿、绿硫钒矿、钒云母和钒铅矿。
钒是银白色金属,钒的物理性能见表。在氢气中加热会变脆,在真空中加热能恢复韧性。钒呈弱顺磁性,是电的不良导体。钒的力学性能取决于纯度,少量的杂质,如氧、氮、碳、氢可提高钒的硬度和抗拉强度,但降低了它的延展性能。
钒的物理性质名称 | 数值 |
晶格结构 | 体心立方结构 |
晶格常数/nm | 0.3024 |
原子半径/nm | 0.1321 |
同位素 | -46,-47,-48,-49,-50,-51,-53,-54 |
电负性/V | 1.45 |
熔点/℃ | 1887 |
沸点/℃ | 3413 |
密度/g·cm-3 | 6.11 |
线膨胀系数/℃-1 | 8.3×10-6 |
弹性模量/GPa | 129 |
电阻/μΩ·cm | 24.8 |
超导转变温度/K | 5.13 |
维氏硬度 | 100 |
钒原子的电子组态为(Ar)3d3s2,氧化态+2、+3、+4、+5。常温下,金属钒能耐淡水和海水的侵蚀,也能耐氢氟酸以外的非氧化性酸和碱溶液的腐蚀。钒易溶于浓硫酸、浓硝酸和氢氟酸,与碱熔融可生成钒酸盐。
工业制备金属钒的主要方法是铝热还原法,所得钒的冶金产品一般是粒状、海绵状或粉状,纯度大于99.9%。此外,还有钙热还原及真空碳热还原法。采用碘化物热分解法,钒的纯度提高到99.95%。钒可在真空自耗、非自耗电弧炉或真空电子束炉中熔炼成铸锭,在保护气氛(或包套)下,于800~1150℃加热工成形;纯度为99.9%以上的钒,室温下可制成薄片、细丝。钒易切削加工,保护气氛下可焊性好。
钒主要用于钢铁行业,也可用于生产钛合金,还是高温合金和稀有金属的重要添加元素。五氧化二钒用于有机和无机氧化反应催化剂及吸收紫外线和热射线的玻璃、着色剂。钒氧化物和偏钒酸盐还用于制造印刷油墨和黑色染体。钒在液态金属钠中的抗腐蚀性能良好,可用于快中子反应堆;钒包套与和核燃料之间不发生明显的相互作用,能可靠地放置核分裂产物,如英国唐瑞快中子增殖堆就采用0.5毫米厚的钒板作核燃料的包套材料。
钒是动物必需的微量元素;金属钒的毒性很低,但五氧化二钒和钒酸盐毒性很大,对人体呼吸道、眼结膜、消化道及皮肤有害,空气中最大允许含量不超过0.05毫米/立方米。致密的金属钒和钒合金对健康没有特别的危害,但金属钒的超细粉尘与其他许多金属一样,当与热源或火焰接触时易燃;预防钒中毒的措施是排除散逸的含钒物质的灰尘和烟气。