釩、鈮和鉭組成了周期系ⅤB族,它們的最高氧化物M2O5主要呈酸性,所以也稱“酸土金屬”元素。它們和鈦?zhàn)逡粯樱际欠€(wěn)定而難熔的希有金屬。這些元素的基本性質(zhì)列于表21-14中。
表21-14 釩分族的基本性質(zhì)
性質(zhì) | 釩 | 鈮 | 鉭 |
元素符號(hào) | V | Nb | Ta |
原子序數(shù) | 23 | 41 | 73 |
原子量 | 50.94 | 92.91 | 180.95 |
價(jià)電子層結(jié)構(gòu) | 3d34s2 | 4d35s2 | 5d36s2 |
主要氧化態(tài) | +Ⅱ、+Ⅲ、+Ⅳ、+Ⅴ | +Ⅱ、+Ⅲ、+Ⅳ、+Ⅴ | +Ⅱ、+Ⅲ、+Ⅳ、+Ⅴ |
原子半徑/pm(金屬半徑) |
132.1 | 142.9 | 143 |
M5+半徑/pm | 59 | 69 | 68 |
電離勢(shì)/(kJ·mol-1) | 654 | 667 | 745 |
電負(fù)性 | 1.63 | 1.6 | 1.5 |
E°/V MO2++4H++5e- ?M↓+2H2O M2O5+10H++10e- ?2M↓+5H2O |
-0.253
|
-0.65 |
-0.81 |
密度/(g·cm-3) | 6.11 | 8.57 | 16.654 |
釩分族的價(jià)電子層結(jié)構(gòu)為(n-1)d3ns2,因5個(gè)電子都可參加成鍵,所以穩(wěn)定氧化態(tài)為+Ⅴ。此外還能形成+Ⅳ,+Ⅲ,+Ⅱ低氧化態(tài)的化合物。其中以釩的+Ⅳ氧化態(tài)比較穩(wěn)定,鈮、鉭的低氧化態(tài)化合物就比較少,即按釩,鈮,鉭順序高氧化態(tài)依次逐漸穩(wěn)定。這一情況和鈦分族相似,而和ⅤA族相反。
釩是一種銀灰色金屬,純釩具有延展性,不純時(shí)硬而脆。鈮、鉭外形似鉑,也有延展性,具有較高的熔點(diǎn)。鉭是最難熔的金屬之一。由于釩族各金屬比同周期的鈦?zhàn)褰饘儆休^強(qiáng)的金屬鍵,因此,它們的熔點(diǎn),熔化熱等都較相應(yīng)的鈦?zhàn)褰饘贋楦摺?/span>
釩族金屬由于容易呈鈍態(tài),因此在常溫下活潑性較低。塊狀釩在常溫下不與空氣、水、苛性堿作用,也不和非氧化性的酸作用,但溶于氫氟酸。它也溶于強(qiáng)的氧化性酸中,如硝酸和王水。在高溫下,釩與大多數(shù)非金屬元素反應(yīng),并可與熔融的苛性堿發(fā)生反應(yīng)。鈮和鉭的化學(xué)穩(wěn)定性特別高,尤其是鉭。它們不但與空氣和水無(wú)作用,甚至不溶于王水,但能緩慢地溶于氫氟酸中。熔融的堿也可與鈮、鉭反應(yīng),同樣在高溫下也可與大多數(shù)非金屬元素反應(yīng)。釩、鈮、鉭都溶于硝酸和氫氟酸的混合酸中。
鈮和鉭因原子半徑和離子半徑相近,化學(xué)性質(zhì)也極為相近,給分離它們帶來(lái)困難。但可以通過(guò)Nb2O5或Ta2O5溶于氫氟酸,生成H2NbF7或H2TaF7配合物。其鉀鹽K2NbF7易水解生成K2NbOF5,而K2TaF7不易水解。K2TaF7的溶解度比氟氧鈮酸鉀K2NbOF5小。利用此性質(zhì),調(diào)節(jié)溶液中HF的濃度,可使鈮、鉭分離。
釩的主要用途在于冶煉特種鋼,釩鋼具有很大的強(qiáng)度,彈性以及優(yōu)良的抗磨損和抗沖擊的性能。故廣泛用于結(jié)構(gòu)鋼,彈簧鋼,工具鋼,裝甲鋼和鋼軌。特別對(duì)汽車(chē)和飛機(jī)制造業(yè)有重要意義。
鉭最突出的優(yōu)點(diǎn)是耐腐蝕性,因此,它可用于化學(xué)工業(yè)的耐酸設(shè)備,還可以制成化學(xué)器皿以代替實(shí)驗(yàn)室中昂貴的鉑制品,也可用于制造外科手術(shù)器械以及用來(lái)連接折斷的骨骼以及特種合金等。鈮的用途主要是用于制造特種合金鋼。