El óxido de vanadio (V) ( vanadia ) es un compuesto inorgánico con la fórmula V 2 O 5 . Comúnmente conocido como pentóxido de vanadio , es un sólido de color amarillo oscuro, aunque cuando se precipita recién 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 ampliamente utilizado. [8]
La forma mineral de este compuesto, la shcherbinaíta, es extremadamente rara y casi siempre se encuentra entre las fumarolas . Un mineral trihidratado , V 2 O 5 ·3H 2 O, también se conoce con el nombre de navajoíta.
Al calentar una mezcla de óxido de vanadio (V) y óxido de vanadio (III) , se produce una proporción para dar óxido de vanadio (IV) , como un sólido de color azul oscuro: [9]
La reducción también puede efectuarse con ácido oxálico , monóxido de carbono y dióxido de azufre . Una reducción posterior con hidrógeno o exceso de CO puede dar lugar a mezclas complejas de óxidos como V 4 O 7 y V 5 O 9 antes de alcanzar el V 2 O 3 negro .
El V 2 O 5 es un óxido anfótero y, a diferencia de la mayoría de los óxidos de metales de transición, es ligeramente soluble en agua , lo que da lugar a una solución ácida de color amarillo pálido. Por lo tanto, 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 hidróxido de sodio acuoso en exceso, el producto es una sal incolora , ortovanadato de sodio , Na 3 VO 4 . Si se añade lentamente ácido a una solución de Na 3 VO 4 , el color se profundiza gradualmente pasando 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 oxicloruro de vanadio líquido volátil , VOCl3 : [ 11]
El ácido clorhídrico y el ácido bromhídrico se oxidan al halógeno correspondiente , por ejemplo,
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 V 2 O 5 de grado técnico 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 un pH de 2-3 utilizando 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 de vanadio se calienta con un exceso de oxígeno , pero este producto está contaminado con otros óxidos de menor calidad. Una preparación de laboratorio más satisfactoria implica la descomposición del metavanadato de amonio a 500–550 °C: [13]
En términos de cantidad, el uso predominante del óxido de vanadio (V) es en la producción de ferrovanadio (véase más arriba). El óxido se calienta con chatarra de hierro y ferrosilicio , y se le añade cal para formar una escoria de silicato de calcio . También se puede utilizar aluminio , lo que produce la aleación de hierro y vanadio junto con alúmina como subproducto.
Otro uso importante del óxido de vanadio(V) es la fabricación de ácido sulfúrico , un importante producto químico industrial con una producción mundial anual de 165 millones de toneladas en 2001, con un valor aproximado de 8 mil millones de dólares estadounidenses. El óxido de vanadio(V) cumple la función crucial de catalizar la oxidación ligeramente exotérmica del dióxido de azufre a trióxido de azufre por el aire en el proceso de contacto :
El descubrimiento de esta reacción sencilla, para la que 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 en día. La reacción se lleva a cabo entre 400 y 620 °C; por debajo de 400 °C, el V 2 O 5 es inactivo como catalizador y por encima de 620 °C comienza a descomponerse. Como se sabe que el V 2 O 5 puede reducirse a VO 2 mediante SO 2 , un posible ciclo catalítico 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 en la conversión de dióxido de azufre en trióxido de azufre y, por lo tanto, en ácido sulfúrico, se debe tener especial cuidado con las temperaturas de funcionamiento y la ubicación de la unidad SCR de una central eléctrica cuando se queman combustibles que contienen azufre.
El anhídrido maleico se produce por la oxidación del butano con aire catalizada por V 2 O 5 :
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 la oxidación catalizada por V 2 O 5 de orto-xileno 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 otros compuestos industriales, entre ellos 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 se utiliza 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 energéticas como 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 DL50 de aproximadamente 470 mg/kg. El mayor peligro se presenta con la inhalación del polvo, donde la DL50 varía de 4 a 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 determinar. [10] [ se necesita una mejor fuente ]
