Ванадий V

Ванадий – химический элемент, который относится к рассеянным. В чистом виде его не найти. Соединения ванадия широко распространены в природе, однако они распылены и не образуют крупных скоплений. Этот элемент играет важную роль в жизни растений и входит в состав различных комплексных удобрений. Первооткрывателем ванадия считается Андрес Мануэль дель Рио. В 1801 году, изучая образец свинцовой руды, он обнаружил примесь неизвестного элемента. Однако позднее ученый пришел к выводу, что обнаруженный им эритроний (так мог бы называться этот элемент) на самом деле является смесью хрома и железа. Спустя почти тридцать лет шведский химик Н.Г. Сефстрем выделил из отходов производства железа красноватую субстанцию, став фактическим первооткрывателем элемента, который он назвал в честь Ванадис, богини красоты из скандинавской мифологии. К сожалению, господин дель Рио так и не узнал, что мог бы войти в историю химии: только через 20 лет после его смерти англичанин Генри Энфилд Роско установил, что ванадий и эритрон – это один и тот же элемент. ## ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Ванадий (Vanadium) V – химический элемент, расположенный в побочной подгруппе V группы периодической системы Менделеева. Природный ванадий состоит из стабильного изотопа V и слабо радиоактивного V. Чистый ванадий – ковкий металл серебристого цвета с плотностью 5,96 г/см³. Температура плавления – 1900 °C. Механические свойства ванадия значительно ухудшаются при наличии в нем примесей азота, кислорода или водорода. Ванадий химически устойчив в морской и пресной воде, а также в растворах щелочей. Он растворим в плавиковой кислоте, концентрированных серной и азотной кислотах, а также в царской водке. Ванадий не вступает в реакцию с растворами щелочей, но в присутствии воздуха в расплавах щелочей окисляется с образованием ванадатов. Кислород растворяется в ванадии, при этом растворимость увеличивается с повышением температуры. Соединения ванадия токсичны, они поражают органы дыхания, пищеварения, систему кровообращения, нервную систему, а также могут вызывать воспалительные и аллергические заболевания кожи. Геохимические свойства ванадия зависят от степени его окисления (+2, +3, +4, +5), а также кислотности среды. Этот элемент способен образовывать различные комплексы с катионными и анионными оксидами и гидроксидами.## Содержание ванадия в природе Ванадий относится к рассеянным элементам и в чистом виде в природе не встречается. Его содержание в земной коре составляет всего 1,9 х 10⁻⁷%. Этот элемент обнаруживается практически во всех типах пород, но наибольшая его концентрация наблюдается в основных породах и сланцах (100–250 мг/кг). Обычно ванадий не образует собственных минералов, замещая другие металлы (железо, алюминий, титан) в кристаллической решетке. Подвижность ванадия при выветривании горных пород зависит от типа первичных минералов. Он может оставаться в породообразующих минералах, входить в состав или адсорбироваться на глинистых минералах или оксидах железа. Существует тесная связь между содержанием ванадия, марганца и калия в почвах. Ванадий склонен к ассоциациям с органическим веществом, поэтому его концентрация повышена в углях, нефти, сланцах и биолитах. Некоторые виды растений и низших грибов, произрастающих в районах рудной минерализации, способны накапливать ванадий. В их сухой массе содержание этого элемента может достигать 180 мг/кг. ## Содержание ванадия в разных типах почв [Таблица содержания ванадия в почвах СНГ] https://ecoplantagro.com/froala/uploads/images/79f66b571f31c17abd96d4f8adfebe46242c6bf1.jpg Распределение ванадия по почвенному профилю обычно однородно. Небольшие колебания связаны с различием в содержании элемента в материнских породах. Максимальные концентрации ванадия (150–460 мг/кг) характерны для почв, образовавшихся на основных породах. Почвы, сформировавшиеся на покровных суглинках, более богаты ванадием по сравнению с почвами на морене. Самые бедные по содержанию этого элемента - почвы на песках. Различные типы почв характеризуются разным содержанием ванадия: Подзолистые почвы* в верхних горизонтах этих почв наблюдается некоторое снижение содержания ванадия, обусловленное интенсивным выщелачиванием. Перегнойный горизонт целинных дерново-подзолистых почв под смешанным елово-березовым лесом содержит от 40 до 100 мг ванадия на 1 кг почвы. Торфянистые почвы* отличаются самым низким содержанием ванадия. Суглинистые, песчаные, ферралитные почвы* содержат повышенное количество ванадия. Его концентрация в этих почвах превосходит содержание в материнской породе. Поверхностно-заболоченные дерново-подзолистые и торфянисто-болотные почвы на водоразделе* характеризуются более низким содержанием ванадия, чем обычные дерново-подзолистые почвы. Черноземы* (Ростовская область) содержат ванадий, распределение которого по почвенным горизонтам достаточно равномерное. Каштановые почвы* (Ростовская область) демонстрируют снижение содержания ванадия по мере снижения концентрации гумуса в почве. В солонцеватых горизонтах этих почв наблюдается некоторое накопление металла. Засоленные почвы* (Казахстан) характеризуются повышенным содержанием ванадия в гумусовом горизонте. Серо-бурые почвы Устюрта* отличаются повышенным содержанием ванадия в верхнем горизонте.## Ванадий и растения Важность ванадия для высших растений не вызывает сомнений. Этот элемент также незаменим для зеленых водорослей, стимулируя процесс фотосинтеза. Ванадий выступает катализатором в процессе фиксации молекулярного азота (N₂), а также частично заменяет молибден в качестве переносчика N₂. Ванадий оказывает положительное воздействие на активность каталазы и нитратредуктазы, усиливает интенсивность фотосинтеза и дыхания, способствует увеличению содержания хлорофилла и белка в листьях. Растворимый ванадий легко усваивается корневой системой растений. Некоторые виды способны активно концентрировать этот металл. Например, корни ячменя пассивно адсорбируют ванадий, причем интенсивность поглощения напрямую зависит от концентрации металла в растворе и кислотности среды. Активное поглощение ванадия наблюдается в кислой среде, где преобладают формы VO²⁺. Как катионные, так и анионные формы металла образуют хелаты, что значительно облегчает усвоение ванадия растениями. При поглощении растениями ванадата VO₃ происходит его биотрансформация в VO²⁺. Этот процесс очень важен, поскольку V⁵⁺ является потенциальным ингибитором некоторых ферментов, в то время как V⁴⁺ не оказывает на них негативного влияния. В растениях ванадий присутствует как в восстановленной четырехвалентной форме, так и в пятивалентной. Большая часть ванадия находится в четырехвалентной форме. Средняя концентрация ванадия в сухом веществе высших растений составляет 1,0 мг/кг. Содержание этого металла в золе большинства овощей колеблется от 5 до 50 мг/кг. Данные о содержании ванадия в растениях могут варьироваться в связи с трудностями анализа и влиянием загрязнения. Растения-бриофиты особенно чувствительны к атмосферным источникам ванадия и способны накапливать его в условиях техногенного загрязнения. ## Недостаток ванадия Случаи дефицита ванадия у растений не зафиксированы. Предполагается, что растения нуждаются в очень малых количествах ванадия - не более 2 мкг/кг сухой массы. ## Избыток ванадия Данные о токсичности ванадия в естественных условиях отсутствуют. Лабораторные исследования показали, что у некоторых растений при избытке этого металла в тканях (около 2 мг/кг сухой массы) наблюдается фитотоксическое действие.### Распространение ванадия Важнейшими минералами, содержащими ванадий, являются: * Патронит * Ванадинит * Деклуазит * Моттрамит * Тюямунит * Карнотит * Роскоэлит Значительные концентрации оксида ванадия (до 2,5–3,0%) присутствуют в некоторых видах: * Магнетитовых руд * Титаномагнетитовых руд * Осадочных железных руд * Ванадийсодержащих фосфоритах Кроме того, ванадий встречается в: * Окисленных медно-свинцово-цинковых рудах * Высокосернистых нефтях (до 300 г на тонну) * Битуминозных сланцах * Асфальтитах Основным источником промышленного получения ванадия служат ванадийсодержащие железные руды. ### Ванадий в удобрениях Среди удобрений наиболее богатым источником ванадия считается томасшлак, содержащий 0,5–0,6% этого металла. ### Применение ванадийсодержащих удобрений Несмотря на ограниченное количество данных, исследования показывают, что ванадий может оказывать положительное воздействие на рост и развитие растений. Однако важно соблюдать дозировку, так как высокие концентрации этого элемента токсичны. В качестве удобрений используют: Метаванадат натрия:* вносится в почву в небольших количествах. Ванадат аммония:* применяется для предпосевной обработки семян и внесения в почву. ### Эффект от применения Исследования показывают, что малые дозы ванадия благоприятно влияют на растения, в то время как большие – оказывают токсическое действие. Одним из признаков избытка ванадия является хлороз листовых пластинок и замедление роста. В частности, замедление роста фасоли без проявления хлороза наблюдалось при концентрации ванадия 13,8 и 880 мг/кг сухой массы.Исследования на ячмене, выращенном в песчаных и водных культурах, выявили, что ванадий в форме аниона (метаванадат) оказывает более благоприятное воздействие на растения, чем в форме катиона. Несмотря на ограниченное количество данных об эффективности ванадийсодержащих удобрений, в большинстве случаев отмечается положительное влияние ванадия на состояние различных культур, выражающееся в повышении урожайности и качества продукции. Примеры влияния ванадия на различные культуры: Горох:* Внесение ванадия в дерново-подзолистые почвы в дозе 1 кг/га привело к увеличению урожая зерна и зеленой массы. Предпосевная обработка семян ванадатом аммония также способствовала повышению урожайности, увеличению содержания белка и витамина С в зернах и зеленой массе. Лен:* Внесение ванадия в почву (1 кг/га) и предпосевная обработка семян ванадатом аммония увеличили урожайность семян и волокон льна. Кроме того, повысились такие показатели качества волокна, как крепость, толщина и расчетная добротность пряжи, а также увеличилось содержание масла в семенах. Люцерна:* Ванадий оказал положительное влияние на урожай люцерны, значительно увеличив сбор сырого протеина. Горчица:* Малые дозы ванадия положительно сказываются на урожайности горчицы, в то время как большие дозы оказывают негативное воздействие. Овес:* Аналогично горчице, малые дозы ванадия увеличивают урожайность овса, а большие дозы приводят к снижению урожая. Пшеница, кукуруза:* (информация отсутствует) Влияние высоких доз ванадия: Как видно на примерах горчицы и овса, высокие дозы ванадия могут оказывать негативное воздействие на растения, снижая урожайность. Это связано с токсичностью ванадия в больших количествах. Высокие дозы ванадия могут нарушать метаболизм растений, ингибировать активность ферментов, а также приводить к окислительному стрессу.