El óxido de vanadio (V) ( vanadia ) es el compuesto inorgánico de fórmula V 2 O 5 . Comúnmente conocido como pentóxido de vanadio , es un sólido marrón/amarillo, aunque cuando recién precipita de una solución acuosa, su color es naranja intenso. Debido a su alto estado de oxidación , es a la vez un óxido anfótero y un agente oxidante . Desde la perspectiva industrial, es el compuesto más importante del vanadio , siendo el principal precursor de las aleaciones de vanadio y es un catalizador industrial muy utilizado. [8]
La forma mineral de este compuesto, la shcherbinaita, es extremadamente rara y casi siempre se encuentra entre las fumarolas . Un mineral trihidrato , V 2 O 5 ·3H 2 O, también se conoce con el nombre de navajoita.
Al calentar una mezcla de óxido de vanadio (V) y óxido de vanadio (III) , se produce una comparación para dar óxido de vanadio (IV) , como un sólido de color azul intenso: [9]
La reducción también puede efectuarse mediante ácido oxálico , monóxido de carbono y dióxido de azufre . Una reducción adicional utilizando hidrógeno o exceso de CO puede conducir a mezclas complejas de óxidos como V 4 O 7 y V 5 O 9 antes de alcanzar el V 2 O 3 negro .
V 2 O 5 es un óxido anfótero . A diferencia de la mayoría de los óxidos de metales de transición, se disuelve ligeramente en agua para dar una solución ácida de color amarillo pálido. Así, el V 2 O 5 reacciona con ácidos fuertes no reductores para formar soluciones que contienen sales de color amarillo pálido que contienen centros de dioxovanadio (V) :
También reacciona con álcalis fuertes para formar polioxovanadatos , que tienen una estructura compleja que depende del pH . [10] Si se utiliza un exceso de hidróxido de sodio acuoso , el producto es una sal incolora , ortovanadato de sodio , Na 3 VO 4 . Si se agrega ácido lentamente a una solución de Na 3 VO 4 , el color se intensifica gradualmente de naranja a rojo antes de que el V 2 O 5 hidratado de color marrón precipite alrededor de pH 2. Estas soluciones contienen principalmente los iones HVO 4 2- y V 2 O 7 4. − entre pH 9 y pH 13, pero por debajo de pH 9 predominan especies más exóticas como V 4 O 12 4− y HV 10 O 28 5− ( decavanadato ).
Tras el tratamiento con cloruro de tionilo , se convierte en el líquido volátil oxicloruro de vanadio , VOCl 3 : [11]
El ácido clorhídrico y el ácido bromhídrico se oxidan al halógeno correspondiente , p. ej.,
Los vanadatos o compuestos de vanadilo en solución ácida se reducen mediante amalgama de zinc a través de la vía colorida:
Todos los iones están hidratados en distintos grados.
El grado técnico V 2 O 5 se produce como un polvo negro que se utiliza para la producción de vanadio metálico y ferrovanadio . [10] Un mineral de vanadio o un residuo rico en vanadio se trata con carbonato de sodio y una sal de amonio para producir metavanadato de sodio , NaVO 3 . Luego, este material se acidifica a pH 2-3 usando H 2 SO 4 para producir un precipitado de "torta roja" (ver arriba). Luego, la torta roja se funde a 690 °C para producir el V 2 O 5 crudo .
El óxido de vanadio (V) se produce cuando el metal vanadio se calienta con un exceso de oxígeno , pero este producto está contaminado con otros óxidos inferiores. Una preparación de laboratorio más satisfactoria implica la descomposición del metavanadato de amonio a 500–550 °C: [13]
En términos de cantidad, el uso dominante del óxido de vanadio (V) es la producción de ferrovanadio (ver arriba). El óxido se calienta con chatarra de hierro y ferrosilicio , y se añade cal para formar una escoria de silicato de calcio . También se puede utilizar aluminio , produciendo la aleación de hierro-vanadio junto con alúmina como subproducto.
Otro uso importante del óxido de vanadio (V) es en la fabricación de ácido sulfúrico , un importante químico industrial con una producción mundial anual de 165 millones de toneladas en 2001, con un valor aproximado de 8 mil millones de dólares. El óxido de vanadio (V) cumple la función crucial de catalizar la oxidación ligeramente exotérmica del dióxido de azufre a trióxido de azufre mediante el aire en el proceso de contacto :
El descubrimiento de esta reacción simple, para la cual el V 2 O 5 es el catalizador más eficaz, permitió que el ácido sulfúrico se convirtiera en el producto químico barato que es hoy. La reacción se realiza entre 400 y 620 °C; por debajo de 400 °C el V 2 O 5 está inactivo como catalizador, y por encima de 620 °C comienza a descomponerse. Como se sabe que el V 2 O 5 se puede reducir a VO 2 mediante SO 2 , un ciclo catalítico probable es el siguiente:
seguido por
También se utiliza como catalizador en la reducción catalítica selectiva (SCR) de emisiones de NOx en algunas centrales eléctricas y motores diésel. Debido a su eficacia para convertir dióxido de azufre en trióxido de azufre y, por tanto, en ácido sulfúrico, se debe tener especial cuidado con las temperaturas de funcionamiento y la ubicación de la unidad SCR de una planta de energía cuando se queman combustibles que contienen azufre.
El anhídrido maleico se produce mediante la oxidación catalizada por V 2 O 5 de butano con aire:
El anhídrido maleico se utiliza para la producción de resinas de poliéster y resinas alquídicas . [15]
El anhídrido ftálico se produce de manera similar mediante oxidación catalizada por V 2 O 5 de ortoxileno o naftaleno a 350–400 °C. La ecuación para la oxidación catalizada por óxido de vanadio de o-xileno a anhídrido ftálico:
La ecuación para la oxidación de naftaleno a anhídrido ftálico catalizada por óxido de vanadio: [16]
El anhídrido ftálico es un precursor de los plastificantes , utilizado para conferir flexibilidad a los polímeros.
De manera similar se producen una variedad de otros compuestos industriales, incluidos el ácido adípico , el ácido acrílico , el ácido oxálico y la antraquinona . [8]
Debido a su alto coeficiente de resistencia térmica , el óxido de vanadio (V) se utiliza como material detector en bolómetros y conjuntos de microbolómetros para imágenes térmicas . También encuentra aplicación como sensor de etanol en niveles de ppm (hasta 0,1 ppm).
Las baterías redox de vanadio son un tipo de batería de flujo que se utiliza para el almacenamiento de energía , incluidas grandes instalaciones eléctricas como los parques eólicos . [17] El óxido de vanadio también se utiliza como cátodo en baterías de iones de litio. [18]
El óxido de vanadio (V) presenta una toxicidad aguda muy modesta para los seres humanos, con una LD50 de aproximadamente 470 mg/kg. El mayor peligro se produce por la inhalación del polvo, donde la LD50 oscila entre 4 y 11 mg/kg para una exposición de 14 días. [8] Vanadato ( VO3-4
), formado por hidrólisis de V 2 O 5 a pH alto, parece inhibir las enzimas que procesan el fosfato (PO 4 3− ). Sin embargo, el modo de acción sigue siendo difícil de alcanzar. [10] [ se necesita una mejor fuente ]
