Эколого-геохимическое картирование урбанизированной территории на примере ванадия

Федеральное агентство по образованию

Государственного  образовательное учреждения

Профессионального высшего образования

Петрозаводский  государственный университет

Кольский  филиал 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа 

“Эколого-геохимическое  картирование урбанизированной

 территории на примере ванадия” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                               Выполнила работу: Винярская Л.С.

                                                                                                          Студентка 3 курса 1 группы

                                                                                                          Экологического факультета

                                                                                                           Специальность: Экология

                                                                          Проверил работу: Колька Василий  Васильевич 
 

Апатиты

2011г 
 
 
 
 
 

Содержание: 
 

Раздел 1. Геохимическая характеристика элемента 

1.1  Эколого-геохимическая характеристика (убери лишнее, а точнее сократи рассказы о истории элемента)

1.2  Минералы, породы, месторождение этого элемента

1.3 Распространение элемента: почва, растения, животные

1.4 Встречаемость и распространение в воздухе, воде

1.5 10 особенностей миграции

1.6 Круговорот ванадия в природе 

Раздел 2. Характеристика урбанизация зон 

1.2.1 Геологическая характеристика

1.2.2 Географическая характеристика

1.2.а  Рельеф и климат

1.2.б  Направление ветров

1.2.в Ландшавтные природные особенности 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 
 

 В своей  работе я представляю выявить закономерности пространственного распределения ванадия по северо-западной части города Апатиты. Передо мной стоят задачи: 

1. Исследовать  уровень содержания и особенности распределения ванадия

2. Выявить закономерности  пространственного распределения  ванадия. 

Вана́дий - элемент  побочной подгруппы пятой группы, четвёртого периода периодической  системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 23. Обозначается символом V (лат. Vanadium). Простое вещество ванадий - пластичный металл серебристо-серого цвета. 

ВАНАДИЙ (лат. Vanadium), V (читается «ванадий»), химический элемент  с атомным номером 23, атомная масса 50,9415. Природный ванадий представляет собой смесь двух нуклидов: стабильного 51V (99,76% по массе) и слабо радиоактивного 52V (период полураспада более 3,9·1017 лет). Конфигурация двух внешних электронных слоев 3s2p6d34s2. В периодической системе Менделеева расположен в четвертом периоде в группе VВ. Ванадий образует соединения в степенях окисления от +2 до +5 (валентности от II до V).  

Ванадий - весьма распространенный элемент: его содержание в земной коре составляет 1,92 %, что  больше содержания таких элементов, как Pb, Sn, Со, Ni, Zn, Сг. В свободном виде в природе он не встречается. Минералы, богатые ванадием, встречаются редко. Это ванадинит (содержит 19 % V205), патронит (17-29 %), деклуазит (22 %), купродеклуазит (17-22 %), карнотит (20 %), роскоэлит (21-29 %).

Минерал ванадий был открыт в первой половине XIX века шведским учёным. Наверное, поэтому его так и назвали – в честь Ванадис, богини красоты в древнескандинавской мифологии. Этот минерал содержится в организме человека в очень малых количествах, а в природе не встречается в свободном виде – это рассеянный элемент. В природе он содержится во многих средах – в земной коре и в воде, и поэтому многие продукты питания тоже содержат ванадий, но в небольших количествах. 

В начале XIX в. в  Швеции были найдены новые богатые  месторождения железной руды. Одна за другой сооружались доменные печи. Но что примечательно: при одинаковых условиях некоторые из них давали железо удивительной ковкости, в то время как из других получался более хрупкий металл. После многих безуспешных попыток наладить процесс выплавки высококачественного металла в «плохих» домнах металлурги обратились за помощью к химикам, и в 1830 г. Нильсу Сефстрему удалось выделить из шлака «лучших» домен неизвестный черный порошок. Сефстрем сделал вывод, что изумительную ковкость металлу придает присутствие в руде какого-то неизвестного элемента, содержащегося в черном порошке. 

Этот новый  элемент Сефстрем назвал ванадием в  честь легендарной Ванадис –  богини красоты древних скандинавов. 

Открытие нового элемента всегда было большой честью для ученого. Поэтому можно представить себе огорчение мексиканского минералога Андреса Мануэля дель Рио, который еще в 1801 г. обнаружил в свинцовой руде никогда не встречавшийся прежде элемент и назвал его эритронием. Но, усомнившись в собственных выводах, дель Рио отказался от своего открытия, решив, что встретился с недавно открытым хромом. 

Еще большее  разочарование постигло блестящего немецкого химика Фридриха Вёлера. В те же годы, что и Сефстрему, ему довелось исследовать железные руды, привезенные из Мексики Л. Гумбольдтом. Те самые, что исследовал дель Рио. Вёлер тоже нашел в них что-то необычное, но его исследования прервала болезнь. Когда он возобновил работу, было уже поздно – Сефстрем обнародовал свое открытие. Свойства нового элемента совпадали с теми, что были занесены в один из лабораторных журналов Вёлера. 

И только в 1869 г., спустя 39 лет после открытия Сефстрем а, элемент №23 впервые был выделен  в относительно чистом виде. Английский химик Г. Роско, действуя водородом  на хлористый ванадий, получил элементарный ванадий чистотой около 96%. 

Химики называют ванадий ультрамикроэлементом –  так называют те элементы, содержание которых в организме не превышает 0,000001%. Со второй половины XIX века, в  течение почти 100 лет, учёные спорили: нужен ли ванадий в организме вообще, или следует считать его токсичным и вредным? Однако в 1974 году роль ванадия в организме человека была признана положительной, так как выяснилось, что он является участником очень многих химических реакций, и важен для обменных процессов, а значит, и для поддержания здоровья. 
 

Ванадий - типичный рассеянный элемент, в литосфере  большая его часть встречается  в комплексных полиметаллических  рудах: титаномагнетитовых, ильменит-магнетитовых, уран-ванадиевых, свинцово-цинковых, медных и др. В некоторых магнетитовых, титаномагнетитовых, осадочных железных рудах и ванадийсодержащих фосфоритах бывает до 2,5-3,0 %. Основные запасы комплексных полиметаллических руд сосредоточены в ЮАР, Китае, России, США. 

 В России  ванадий впервые был найден в Ферганской долине, позднее его обнаружили в керченских железных рудах, после чего было налажено производство отечественного феррованадия. Богатейшими источниками ванадия оказались уральские титаномагнетиты. 

 Прогнозируется, что в ближайшем будущем источниками извлечения ванадия могут быть оолитовые бурые железняки (железо-фосфористые руды), характеризующиеся низким содержанием V205 (0,07-0,2 %), но большими запасами; углисто-кремнистые сланцы (0,02-0,04 %); золы углей и горючих сланцев (0,2 %); железомарганцевые конкреции океанов (0,1 %).

В основную химическую промышленность ванадий пришел не сразу. Его служба человечеству началась в  производстве цветного стекла, красок и керамики. Изделия из фарфора  и продукцию гончарных мастеров с помощью соединений ванадия покрывали золотистой глазурью, а стекло окрашивали солями ванадия в голубой или зеленый цвет. В красильном деле ванадий появился вскоре после опубликования в 1842 г. сообщения выдающегося русского химика Н.Н. Зинина о получении им анилина из нитробензола. Реакция Зинина открывала новые возможности для развития производства синтетических красителей. Соединения ванадия нашли применение в этой отрасли химии и принесли ей значительную пользу. Ведь достаточно всего одной весовой части V2O5, чтобы перевести 200 тыс. весовых частей бесцветной соли анилина в красящее вещество – черный анилин. Столь же эффективным оказалось применение соединений ванадия в индиговом крашении. Так элемент №23 пришел в ситцепечатание, в производство цветных хлопчатобумажных и шелковых тканей. 

Промышленность  нуждалась в ванадии и его  соединениях, но руд, богатых этим элементом, было немного. Инженеры французской  сталелитейной фирмы «Крезо», видимо, обратили внимание на то, что первые соединения ванадия Сефстрем получил не из руды, а из металлургических шлаков, и в 1882 г. наладили их производство на той же основе. На протяжении 10 лет завод «Крезо» ежегодно выбрасывал на мировой рынок по 60 т пятиокиси ванадия V2O5. Однако вскоре спрос на соединения ванадия для получения черного анилина резко упал, и производство их значительно сократилось. 

Но в начале первой мировой войны химикам  вновь пришлось обратиться к элементу №23. В эти годы сражающимся странам  потребовались громадные количества серной кислоты. Ведь без нее невозможно получить нитроклетчатку основу боевых порохов. Известно, что серная кислота получается окислением сернистого ангидрида SO2 серный ангидрид SO3 с последующим присоединением воды. Однако SO2 непосредственно с кислородом реагирует крайне медленно. Окисление сернистого ангидрида может происходить при восстановлении двуокиси азота (на этой реакции основан нитрозный способ производства серной кислоты), но более чистая и концентрированная кислота получается, если реакцию окисления SO2 в SO3, проводить в присутствии некоторых твердых катализаторов (контактный метод производства). 
 

Первым катализатором  сернокислотного контактного производства была дорогостоящая платина. Ее, естественно, не хватало, требовались заменители. Ими оказались пятиокись ванадия V2O5 и некоторые соли ванадиевых кислот, например Ag3VO4. Они почти с таким же успехом, как и платина, ускоряют окисление SO2, в SO3, но обходятся значительно дешевле, да и требуется их меньше. И главное, они не боятся контактных ядов, выводящих из строя платиновые катализаторы. 

Катализаторы  на основе ванадия играют большую  роль и в современной химии. Их по-прежнему можно встретить в  большинстве цехов по производству серной кислоты, не обходятся без  них и такие важные процессы, как  крекинг нефти, получение уксусной кислоты путем окисления спирта многие другие. 

Ванадий и сталь 

Если химическая промышленность нуждается, прежде всего, в соединениях ванадия, то металлургии  необходимы сам металл и его сплавы. Ванадий – один из главных легирующих элементов. 

Поучительный, но, в общем-то, случайный опыт шведских металлургов с «плохими» и «хорошими» донами не стал основной для широкого внедрения ванадия в металлургию. Произошло это значительно позже. 

В 1905 г., на заре автомобилестроения, во время  гонок в Англии одна из французских машин разбилась вдребезги. Один из обломков двигателя этой машины попал в руки Генри Форда, присутствовавшего на состязаниях. Обломок удивил будущего «автомобильного короля»: металл, из которого он был изготовлен, сочетал исключительную твердость с вязкостью и легкостью. Вскоре лаборатория Форда установила, что этот металл – сталь с добавками ванадия. 

Не считаясь с затратами, Форд организовал исследования. После нескольких неудач из его лаборатории  вышла ванадиевая сталь необходимого качества. Она сразу дала возможность облегчить автомобили, сделать новые машины прочнее, улучшить их ходовые качества. Снизив цены на автомобили благодаря экономии металла, Форд смог привлечь массу покупателей. Это дало ему повод сказать: «Если бы не было ванадия, то не было бы и моего автомобиля». 

Однако  еще за 10 лет до того, как Форд узнал о существовании ванадиевой стали, французские инженеры выплавляли ее и получали высококачественные броневые плиты. Из этой стали были сделаны  и первые пушки, установленные на самолетах. 

Необходимость броневой защиты для пехоты и артиллерийских расчетов стала особенно очевидной  в ходе первой мировой войны, когда  пришлось столкнуться с орудийным  и пулеметно-ружейным огнем невиданной прежде интенсивности. Первоначально  для изготовления касок и щитов орудий применяли сталь с большим содержанием кремния и никеля, но испытания на полигоне показали ее непригодность. Сталь, содержащая всего 0,2% ванадия, оказалась более прочной и вязкой. К тому же она была легче. Хромованадиевая сталь еще прочнее. Она хорошо сопротивляется удару и истиранию. Кроме того, она обладает достаточно высокой усталостной прочностью. Поэтому со стали широко применять в военной технике: для изготовления коленчатых валов корабельных двигателей, отдельных деталей торпед, авиамоторов, бронебойных снарядов.