Элементы 5(vb) группы: ванадий, ниобий, тантал, дубний

Физические свойства V, Nb, Ta

Ванадий:

металл стального цвета, обладающий высокой твердостью, температурой плавления и пластичностью;
более тяжелый, чем титан, но легче железа в 1,5 раза;
введение легирующих добавок углерода повышает температуру плавления (10% — на 1000°C), но снижает пластичность;
на воздухе или в атмосфере кислорода при высокой температуре становится хрупким по причине образования твердых растворов кислорода в металле.

Ниобий и тантал:

металлы, внешним видом похожие на сталь;
обладают очень высокими температурами плавления;
ниобий обладает самой высокой среди всех металлов температурой перехода в сверхпроводящее состояние (9,2К).

Применение V, Nb, Ta:

основное применение ванадия — в качестве легирующих добавок к стали, в которых ванадий в виде карбидов V₂C, V₈C₇ распределяется по всем объему, повышая твердость, износостойкость, вязкость, упругость изделия;
входит в состав магнитных сплавов, применяемых в сердечниках трансформаторов;
ниобий применяется в качестве легирующей добавки (200 г на тонну) к цветным металлам и специальным сортам сталей, значительно увеличивая коррозионную стойкость материла не ухудшая при этом пластичность изделия;
при добавлении 0,05% ниобия к алюминию, он перестает взаимодействовать с щелочами;
ниобий используется при изготовлении защитных оболочек ТВЭЛов, поскольку до 900°C не реагирует с ураном;
стали, легированные ванадием и ниобием, используются при изготовлении труб большого диаметра, используемых для прокладки нефтепроводов;
тантал используется в оксидных конденсаторах, в качестве напыления на металлические пластины;
высокая твердость и коррозионная стойкость тантала нашли применение в изготовлении хирургических и зубоврачебных инструментов;
оксид тантала добавляют в стекла с целью повышения их отражательной способности.

Диагностика возможных неисправностей

Чаще всего встречается такая неисправность, как пробой диэлектрической пленки на аноде. Ее толщина составляет всего несколько тысяч ангстрем, а это тоньше человеческого волоса примерно в 500 раз.

Незначительный скачок напряжения может привести к пробою, при котором диэлектрическая пленка приобретает кристаллическую структуру и становится проводником электричества. В этом случае конденсатор становится проводником и сопротивление между анодом и катодом приближается к нулевому значению. На корпусе при пробое часто визуально заметно потемнение и иногда обугливание защитного покрытия из краски.

Более сложно диагностировать потерю номинального значения емкости. В домашних условиях выявить такую неисправность невозможно, для этого требуется специализированное диагностическое оборудование.

Получение ванадия, ниобия, тантала

Примерно половину всего производимого ванадия получают переработкой железных ванадийсодержащих руд. На первом этапе производства, в домне ванадий из руды переходит в чугун, а при выплавке стали — в шлаки в форме оксида ванадия (III) и железа (II). Такие шлаки и являются основным сырьем при производстве ванадия.

Шлак смешивают с хлоридом натрия, после чего прокаливают при температуре 800°C на воздухе:

4FeV₂O₄+8NaCl+7O₂ → 8NaVO₃+2Fe₂O₃+4Cl₂↑

Выделяющийся в ходе реакции хлор реагирует со шлаком:

2FeV₂O₄+9Cl₂ = 4VOCl₃+2FeCl₃+2O₂↑

Образующийся в ходе реакции плав, затем выщелачивается содой, и на последнем этапе — раствором серной кислоты осаждается оксид ванадия (V).

Металлический ванадий получают восстановлением из оксида кальцием:

V₂O₅+5Ca = 2V+5CaO

Поскольку ниобий и тантал в рудах содержатся в очень малых количествах (сотые доли процента), перед их промышленным использованием, такие руды предварительно обогащают при помощи различных методов (магнитных, химических, флотационных, гравитационных). Полученные, в ходе обогащения руд, концентраты (ниобаты и танталаты металлов) разлагают в горячей плавиковой кислоте, а затем спекают с содой или хлорируют. Самым сложным этапом является разделение соединений ниобия и тантала, посколкьу эти металлы обладают очень схожими свойствами.

Достоинства и недостатки

Как и танталовые, так и ниобиевые конденсаторы имеют свои положительные и отрицательные качества. Главное их достоинство — это малый размер при относительно большой емкости. А недостаток, который значительно ограничивает сферу их применения, это малая электрическая прочность. Самые мощные образцы способны стабильно и надежно функционировать при напряжениях до 35 В.

Принятая стандартная маркировка танталовых конденсаторов состоит из указания плюсового контакта и численного значения. А цвет корпуса указывает рабочее напряжение. Например:

розовый цвет — напряжение до 35 В;
белый цвет — до 30 В;
серый цвет — до 35 В;
голубой цвет — до 20 В;
зеленый цвет — до 16 В;
черный цвет — до 10 В;
желтый цвет — до 6,3 В.

Система старой маркировки более сложная и неудобная, поэтому от нее отказались. Она состояла из трех полос и точки разного цвета. Цвет полос соответствовал численному значению, а цвет точки указывал множитель, на который умножалось численное значение. Такая система часто вводила в заблуждение радиотехников и требовала повышенного внимания при работе с конденсаторами, поэтому от нее и отказались и разработали новую маркировку.

Тантал способствовал прогрессу

С самого зарождения радиоэлектроники велись исследования, которые были направлены на уменьшение размеров конструктивных элементов. Основное направление в этом вопросе — это увеличение рабочей частоты сигнала. Если сравнить два силовых трансформатора с частотой работы 50 и 400 Гц, то второй примерно в 8 раз меньше по размерам, чем первый.

Устаревшие конструкции конденсаторов представляют собой свернутые рулоны тонкой фольги из алюминия, которые помещаются в электролит. Достижение большой емкости было возможно только за счет увеличения размеров самого элемента. Еще один недостаток такой конструкции — это большая паразитная индуктивность при работе на частотах 100 кГц и выше.

Прорыв в производстве конденсаторов большой емкости и малого размера был достигнут при использовании тантала. Этот редкоземельный металл дороже золота и его добыча довольно сложная, но требуется его для изготовления одного элемента очень мало — не более нескольких микрограммов. Постепенно танталовые электролитические конденсаторы вытеснили устаревшие на основе алюминиевой фольги, так как их производство усовершенствовалось, а стоимость стала довольно низкой.

Химические свойства V, Nb, Ta

Ванадий является более активным металлом, чем ниобий и тантал, но менее, чем титан. Из кислот-неокислителей, ванадий вступает в реакцию только с плавиковой кислотой:

2V+12HF = 2H₃[VF₆]+3H₂↑

С горячим раствором концентрированной серной кислоты ванадий окисляется до соединений ванадила:

2V+12HF = 2H₃[VF₆]+3H₂↑

Азотная кислота с плотностью выше 1,35 г/см3 окисляет и растворяет ванадий:

V+3H₂SO₄ = VOSO₄+2SO₂↑+3H₂O

Полностью окисляют ванадий до высших степеней окисления хлорная, хлорноватая, бромноватая, йодноватая и пероксодисерная кислоты: HClO₄, HClO₃, HBrO₃, HIO₃, H₂S₂O₈. Лучше всего ванадий растворяют царская водка и смесь азотной и плавиковой кислоты. При н.у. ванадий практически не окисляется на воздухе, не реагирует с растворами органических кислот и щелочей.

Реакционная активность ванадия повышается по мере роста температуры — порошок ванадия при нагревании на воздухе воспламеняется. С азотом при температуре 1000°C ванадий образует нитрид VN, с водородом — гидрид VH (500-900°C). Легче всего ванадий реагирует с галогенами, образуя при нагревании фториды (VF₅), тетрахлориды (VCl₄), трибромиды (VBr₃), дииодиды (VI₂).

Ниобий, и в большей степени тантал, еще менее склонны вступать в реакции с другими веществами, что объясняется наличием прочной защитной оксидной пленки на их поверхности. При н.у. ниобий медленно реагирует только со смесью азотной и плавиковой кислот, а тантал вообще с кислотами не реагирует. Даже при нагревании до температуры красного каления на воздухе слитки ниобия и тантала только тускнеют с поверхности. Измельченные в порошок ниобий и тантал при нагревании до 900°C сгорают в кислороде, мелкоизмельченный ниобий воспламеняется в расплавленной селитре. С галогенами ниобий и тантал взаимодействуют при нагревании до высоких температур. Также при значительном нагревании тантал и ниобий реагируют с серой, углеродом, аммиаком, азотом, сероводородом, водородом (реакция обратима).

Конструктивные особенности устройства

Физико-химические свойства, которыми обладают тантал и ниобий, позволяют создавать из них анод особой пористой структуры. Такие структуры имеют внутреннюю поверхность в несколько десятков раз больше, чем наружную. А это дает возможность накапливать значительный электрический заряд.

Любой современный электролитический конденсатор состоит их трех конструктивных элементов:

катода и анода;
диэлектрического слоя;
одного из видов электролита (щелочи, кислоты, воды, твердого или мягкого вещества).

В роли диэлектрика выступает тончайшая оксидная пленка. Ее получают методом электрохимической коррозии при пропускании электрического тока через анод на стадии производства.

Электролитом служит твердое вещество — диоксид марганца. Он имеет малый коэффициент линейного расширения, не вытекает и не высыхает, как жидкие электролиты. Внутренняя часть катода изготавливается из серебра для увеличения проводимости.

https://youtube.com/watch?v=teSZkSES8pc