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5族元素

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第5族(按照"国际纯粹与应用化学联合会IUPAC"的命名方式)是元素周期表中的一族元素。第5族元素含有钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)和钅杜dubnium(Db)。这一族位于周期表的d区。这一族没有简称,属于过渡金属一类。

前三种较轻的第5族元素在天然环境下就存在,且具有相似的性质;在标准状态下,这三种金属都是坚硬的难熔金属。第四种元素钅杜(dubnium)已能够在实验室合成,但在自然界中尚未发现,它最稳定同位素Db-268的半衰期仅为29小时,而它其他同位素的放射性更强,更加不稳定。到目前为止,该族的后续元素unpentseptium(Ups)和unpentennium (Upe)还未能够利用超级对撞机成功合成。由于unpentseptium和unpentennium都是第8周期较后的元素,近期不太可能成功合成。

1 化学性质编辑

像其他族一样,这一族元素拥有类似的电子构型模式,特别是最外层电子,但是铌较为独特,不遵循这一规律:

Z 元素 各壳层电子数量
23 2,8,11,2
41 2,8,18,12,1
73 2,8,18,32,11,2
105 dubnium 2,8,18,32,32,11,2

该族只有前三个元素能够发生化学反应,dubnium的化学性质不是很明确,因此本节的其余部分只涉及钒、铌和钽。该族元素都是高熔点(1910℃,2477℃,3017℃)的活性金属。与第3族或第4族的金属元素相似,第5族元素的金属单质会快速形成稳定的氧化层,阻止更进一步的反应,因此反应活性不高。这些金属会形成不同的氧化物:钒形成一氧化钒(Ⅱ)、三氧化二钒(Ⅲ)、二氧化钒(Ⅳ)和五氧化二钒(Ⅴ),铌形成一氧化铌(Ⅱ)、二氧化铌(Ⅳ)和五氧化二铌(Ⅴ),但是在钽的氧化物中,只有五氧化二钽(Ⅴ)是稳定存在的。正五价金属(Ⅴ)氧化物通常不活泼,表现得像酸而不是碱,化合价较低的氧化物不太稳定。但是五族元素的氧化物有一些不寻常的性质,如高导电性。[1]

所有这三种元素形成的各种无机化合物,通常处于+5的氧化态。较低的氧化态化合物也是存在的,但是它们不太稳定,随着原子质量的增加稳定性降低。

2 历史编辑

1801年,出生在西班牙的墨西哥裔矿物学家安德烈斯·曼努埃尔·德尔里奥( Andrés Manuel del Río)在钒铅矿石中发现了钒。在其他化学家拒绝承认他对“赤元素”的发现后(注:里奥在发现钒元素之后,因为钒的矿物加热之后呈现红色,因此命名为赤元素,erythronium,这一英文词汇如今对应的是生物学分类中的赤莲属植物),他推翻了自己的主张。[2]

铌是英国化学家查尔斯·哈契特在1801年发现的。[3]

安德斯·古斯塔夫·埃克伯格于1802年首次发现钽。然而,它被认为和铌是相同的元素,直到1846年海因里希·罗斯(Heinrich Rose)才证明这两种元素是不同的。直到1903年纯钽才被生产出来。

1968年,杜布纳核联合研究所的研究者用氖-22轰击镅-243,首次得到了dubnium元素,并于1970年在劳伦斯伯克利实验室再次制备得到。该元素最初被命名为“neilsbohrium”和“joliotium”,在1997年,IUPAC决定命名其为dubnium元素。

2.1 词源

钒是以斯堪的纳维亚爱情女神凡那迪斯(Vanadis)命名的。铌是以希腊神话中的人物尼奥比(Niobe)命名的。钽是以希腊神话中的人物坦塔罗斯(Tantalus)命名的。dubnium是以发现它的俄罗斯城市杜布纳(Dubna)命名的。

3 储量编辑

地壳中钒的含量为160 ppm,地壳丰度排第19位。土壤中钒的平均含量为100 ppm,海水中含量为1.5 ppb。正常人体内钒的浓度为285 ppb。目前已知有60多种存在的钒矿石,包括钒铅矿、绿硫钒矿和钒钾铀矿等。[4]

地壳中铌的含量为20 ppm,地壳丰度排第33位。土壤中铌的平均含量为24 ppm,海水中含量为900 ppq(1 ppq为1 ppm的十亿分之一)。正常人体内铌的浓度为21 ppb。铌存在于铌铁矿和烧绿石中。[4]

地壳中钽的含量为2 ppm,地壳丰度排第51位。土壤中钽的平均含量为1-2 ppb,海水中含量为2 ppt。正常人体内钽的浓度为2.9 ppb。钽存在于钽铁矿和烧绿石中。[4]

4 生产编辑

每年大约有70,000公吨钒矿石被开采出来,俄罗斯开采25,000公吨钒矿石,南非开采24,000公吨,中国开采19,000公吨,哈萨克斯坦开采1,000公吨。每年生产7,000公吨金属钒。用碳与钒矿石共混加热无法制备得到金属钒。需要在压力容器中用氧化钒与钙共同加热才能够制备。超高纯度的钒是由三氯化钒与镁反应制备的。[4]

每年开采的铌矿共有230,000公吨,其中巴西开采210,000公吨,加拿大开采10,000公吨,澳大利亚开采1,000公吨。每年生产60000公吨纯金属铌。[4]

每年开采的钽矿有70,000公吨。其中巴西开采90%的钽矿石,加拿大、澳大利亚、中国和卢旺达也开采这种元素。每年对钽的需求约为1,200公吨。[4]

dubnium是通过用较轻的元素轰击锕系元素合成的。[4]

5 应用程序编辑

钒的主要应用是在合金中,如钒钢。钒合金能够用于弹簧、工具、喷气发动机、装甲板和核反应堆中。氧化钒能使陶瓷呈金黄色,其他钒化合物被用作生产聚合物的催化剂。[4]

不锈钢中加入少量铌可以提高质量。铌合金也用于火箭喷射口,因为铌具有高耐腐蚀性。[4]

钽主要有四方面应用:耐高温器件、电子设备、外科植入物和处理腐蚀性物质。[4]

6 毒性编辑

纯钒是无毒的。但是,氧化钒会严重刺激眼睛、鼻子和喉咙。[4]

铌及其化合物被认为有轻微毒性,但还尚未发生过铌中毒事件。铌粉会刺激眼睛和皮肤。[4]

钽及其化合物很少造成伤害,如果当它们造成伤害时,通常会引起皮疹。[4]

7 生物作用编辑

在第5族元素中,只有钒被确定为会在生命体内的生物化学过程中起作用,但作用有限,而且在海洋环境中比在陆地上更重要。

1911年就已经发现钒元素存在于海鞘的血细胞中,以血钒蛋白的形式存在,这在海鞘和被囊类动物体内是必不可少的,[4][5] 其血液中钒的浓度比周围海水中钒的浓度高出100多倍。几种大型真菌也会蓄积钒元素(干重高达500毫克/千克)。[6] 多种海藻都利用含钒的溴过氧化物酶生产有机溴化合物。[7]

大鼠和鸡也是已知需要非常少量钒的动物,钒的缺乏会导致生长发育缓慢和生殖障碍。[8] 钒是一种相对有争议的膳食补充剂,主要用于增加胰岛素敏感性和强身健体。[9] 硫酸氧钒可以改善2型糖尿病患者的血糖控制。[10] 此外,十钒酸盐和氧钒酸盐具有许多潜在的生物活性,并且已经成功地用于研究理解多种生物化学过程的工具。[11]

参考文献

  • [1]

    ^Holleman, Arnold F.; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils (1985). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (in German) (91–100 ed.). Walter de Gruyter. ISBN 3-11-007511-3.CS1 maint: Unrecognized language (link).

  • [2]

    ^Cintas, Pedro (2004). "The Road to Chemical Names and Eponyms: Discovery, Priority, and Credit". Angewandte Chemie International Edition. 43 (44): 5888–94. doi:10.1002/anie.200330074. PMID 15376297..

  • [3]

    ^Hatchett, Charles (1802). "Eigenschaften und chemisches Verhalten des von Charlesw Hatchett entdeckten neuen Metalls, Columbium". Annalen der Physik (in German). 11 (5): 120–122. Bibcode:1802AnP....11..120H. doi:10.1002/andp.18020110507.CS1 maint: Unrecognized language (link).

  • [4]

    ^Emsley, John (2011). Nature's Building Blocks..

  • [5]

    ^Michibata H, Uyama T, Ueki T, Kanamori K (2002). "Vanadocytes, cells hold the key to resolving the highly selective accumulation and reduction of vanadium in ascidians". Microscopy Research and Technique. 56 (6): 421–434. doi:10.1002/jemt.10042. PMID 11921344..

  • [6]

    ^Kneifel, Helmut; Bayer, Ernst (1997). "Determination of the Structure of the Vanadium Compound, Amavadine, from Fly Agaric". Angewandte Chemie International Edition in English. 12 (6): 508. doi:10.1002/anie.197305081. ISSN 1521-3773..

  • [7]

    ^Butler, Alison; Carter-Franklin, Jayme N. (2004). "The role of vanadium bromoperoxidase in the biosynthesis of halogenated marine natural products". Natural Product Reports. 21 (1): 180–8. doi:10.1039/b302337k. PMID 15039842..

  • [8]

    ^Schwarz, Klaus; Milne, David B. (1971). "Growth Effects of Vanadium in the Rat". Science. 174 (4007): 426–428. Bibcode:1971Sci...174..426S. doi:10.1126/science.174.4007.426. JSTOR 1731776. PMID 5112000..

  • [9]

    ^Yeh, Gloria Y.; Eisenberg, David M.; Kaptchuk, Ted J.; Phillips, Russell S. (2003). "Systematic Review of Herbs and Dietary Supplements for Glycemic Control in Diabetes". Diabetes Care. 26 (4): 1277–1294. doi:10.2337/diacare.26.4.1277. PMID 12663610..

  • [10]

    ^Badmaev, V.; Prakash, Subbalakshmi; Majeed, Muhammed (1999). "Vanadium: a review of its potential role in the fight against diabetes". Altern Complement Med. 5 (3): 273–291. doi:10.1089/acm.1999.5.273. PMID 10381252..

  • [11]

    ^Aureliano, Manuel; Crans, Debbie C. (2009). "Decavanadate and oxovanadates: Oxometalates with many biological activities". Journal of Inorganic Biochemistry. 103: 536–546. doi:10.1016/j.jinorgbio.2008.11010..

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