Оксид ванадия(V)
 | |
 | |
| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК Пентаоксид диванадия | |
| Другие имена Пятиокись ванадия Ванадовый ангидрид Divanadium pentoxide | |
| Идентификаторы | |
3D model ( JSmol ) | |
| ЧЭБИ | |
| ХимическийПаук | |
| Информационная карта ECHA | 100.013.855 |
| Номер ЕС |
|
| КЕГГ | |
ПабХим CID | |
| номер РТЭКС |
|
| НЕКОТОРЫЙ | |
| Число | 2862 |
Панель управления CompTox ( EPA ) | |
| Характеристики [3] | |
| V2OV2O5 | |
| Молярная масса | 181.8800 g/mol |
| Появление | Желтое твердое вещество |
| Плотность | 3,35 г/см 3 [1] |
| Температура плавления | 681 ° C (1258 ° F; 954 К) [1] |
| Точка кипения | 1750 ° C (3180 ° F; 2020 К) [1] (разлагается) |
| 0,7 г/л (20 °С) [1] | |
| +128.0·10 −6 см 3 /моль [2] | |
| Структура [4] | |
| орторомбический | |
| Пммн, №59 | |
а = 23:51, b = 155,9, c = 16:57. | |
| Distorted trigonal bipyramidal (V) | |
| Термохимия [5] | |
Теплоемкость ( С ) | 127,7 Дж/(моль·К) |
Стандартный моляр энтропия ( S ⦵ 298 ) | 131,0 Дж/(моль·К) |
Стандартная энтальпия образование (Δ f H ⦵ 298 ) | -1550,6 кДж/моль |
Свободная энергия Гиббса (Δ f G ⦵ ) | -1419,5 кДж/моль |
| Опасности | |
| СГС Маркировка : | |
   | |
| Опасность | |
| Х302 , Х332 , Х335 , Х341 , Х361 , Х372 , Х411 | |
| NFPA 704 (огненный алмаз) | |
| точка возгорания | Невоспламеняющийся |
| Летальная доза или концентрация (LD, LC): | |
ЛД 50 ( средняя доза ) | 10 мг/кг (крыса, перорально) 23 мг/кг (мышь, перорально) [7] |
LC Lo ( самый низкий из опубликованных ) | 500 мг/м 3 (кот, 23 мин) 70 мг/м 3 (крыса, 2 часа) [7] |
| NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США): | |
МЕХ (Допускается) | С 0,5 мг V 2 O 5 /м 3 (соответственно) (твердый) [6]
|
| Паспорт безопасности (SDS) | КМГС 0596 |
| Родственные соединения | |
Другие анионы | Окситрихлорид ванадия |
Другие катионы | Оксид ниобия(V) Оксид тантала(V) |
| Оксид ванадия(II) Оксид ванадия(III) Оксид ванадия(IV) | |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |
Оксид ванадия(V) ( ванадия ) представляет собой неорганическое соединение с формулой V 2 O 5 . Обычно известный как пятиокись ванадия , это твердое вещество коричнево-желтого цвета, хотя при свежем осаждении из водного раствора его цвет становится темно-оранжевым. Из-за своей высокой степени окисления он является одновременно амфотерным оксидом и окислителем . С промышленной точки зрения это наиболее важное соединение ванадия , являющееся основным предшественником сплавов ванадия и широко используемым промышленным катализатором. [8]
Минеральная форма этого соединения — щербинаит — крайне редка, почти всегда встречается среди фумарол . Минерал тригидрат V 2 O 5 ·3H 2 O также известен под названием навахоит.
Химические свойства
[ редактировать ]Восстановление до низших оксидов
[ редактировать ]При нагревании смеси оксидов ванадия(V) и оксидов ванадия(III) происходит сопропорционирование с образованием оксида ванадия(IV) в виде твердого вещества темно-синего цвета: [9]
- В 2 О 5 + В 2 О 3 → 4 ВО 2
На восстановление также могут влиять щавелевая кислота , окись углерода и диоксид серы . Дальнейшее восстановление с использованием водорода или избытка CO может привести к образованию сложных смесей оксидов, таких как V 4 O 7 и V 5 O 9, прежде чем будет достигнута черная окраска V 2 O 3 .
Кислотно-основные реакции
[ редактировать ]V 2 O 5 представляет собой амфотерный оксид и, в отличие от большинства оксидов переходных металлов, слабо растворим в воде , образуя бледно-желтый кислый раствор. Так, V 2 O 5 реагирует с сильными невосстанавливающими кислотами с образованием растворов, содержащих бледно-желтые соли, содержащие центры диоксованадия(V) :
- V 2 O 5 + 2 HNO 3 → 2 VO 2 (NO 3 ) + H 2 O
Он также реагирует с сильной щелочью с образованием полиоксованадатов , имеющих сложную структуру, зависящую от pH . [10] Если избыток водного гидроксида натрия используется , продукт представляет собой бесцветную соль натрия ортованадат Na 3 VO 4 . Если к раствору Na 3 VO 4 медленно добавлять кислоту , цвет постепенно становится более глубоким от оранжевого до красного, а затем коричневый гидратированный V 2 O 5 выпадает в осадок при pH около 2. Эти растворы содержат в основном ионы HVO 4. 2− и В 2 О 7 4− между pH 9 и pH 13, но ниже pH 9 более экзотические виды, такие как V 4 O 12 4− и ХВ 10 О 28 5− ( декаванадат ) преобладают.
При обработке тионилхлоридом он превращается в летучий жидкий оксихлорид ванадия VOCl 3 : [11]
- V 2 O 5 + 3 SOCl 2 → 2 VOCl 3 + 3 SO 2
Другие окислительно-восстановительные реакции
[ редактировать ]Соляная и бромистоводородная кислоты окисляются до соответствующего галогена , например,
- V 2 O 5 + 6HCl + 7H 2 O → 2[VO(H 2 O) 5 ] 2+ + 4Cl − + кл 2
Ванадаты или соединения ванадила в растворе кислоты восстанавливаются амальгамой цинка по красочному пути:
Все ионы в разной степени гидратированы.
Подготовка
[ редактировать ]
Техническая марка V 2 O 5 выпускается в виде черного порошка, используемого для производства металлического ванадия и феррованадия . [10] Ванадиевую руду или богатый ванадием остаток обрабатывают карбонатом натрия и солью аммония с получением метаванадата натрия NaVO 3 . Затем этот материал подкисляют до pH 2–3 с помощью H 2 SO 4 с получением осадка «красного кека» (см. выше ). Красный осадок затем плавят при температуре 690°C с получением сырого V 2 O 5 .
Оксид ванадия(V) образуется при ванадия нагревании металлического с избытком кислорода , но этот продукт загрязнен другими, низшими оксидами. Более удовлетворительный лабораторный препарат предполагает разложение метаванадата аммония при 500–550 °С: [13]
- 2 NH 4 VO 3 → V 2 O 5 + 2 NH 3 + H 2 O
Использование
[ редактировать ]Производство феррованадия
[ редактировать ]С точки зрения количества, оксид ванадия (V) преимущественно используется в производстве феррованадия (см. Выше ). Оксид нагревают с использованием лома железа и ферросилиция с добавлением извести для образования силиката кальция шлака . Также можно использовать алюминий железо-ванадиевый сплав вместе с оксидом алюминия , получая в качестве побочного продукта .
Производство серной кислоты
[ редактировать ]Еще одним важным применением оксида ванадия (V) является производство серной кислоты , важного промышленного химиката, годовой мировой объем производства которого в 2001 году составил 165 миллионов тонн, а его приблизительная стоимость составила 8 миллиардов долларов США. Оксид ванадия (V) служит важнейшей цели, катализируя умеренно экзотермическое окисление диоксида серы до триоксида серы воздухом в контактном процессе :
- 2 ТАК 2 + О 2 ⇌ 2 ТАК 3
Открытие этой простой реакции, для которой V 2 O 5 является наиболее эффективным катализатором, позволило серной кислоте стать дешевым химическим продуктом, которым она является сегодня. Реакцию проводят при температуре от 400 до 620 °C; ниже 400 °С V 2 O 5 неактивен как катализатор, а выше 620 °С начинает разрушаться. Поскольку известно, что V 2 O 5 может быть восстановлен до VO 2 с помощью SO 2 , один вероятный каталитический цикл выглядит следующим образом:
- SO 2 + В 2 О 5 → SO 3 + 2VO 2
с последующим
- 2VO 2 +½O 2 → В 2 О 5
Он также используется в качестве катализатора при селективном каталитическом сокращении (SCR) выбросов NO x на некоторых электростанциях и дизельных двигателях. Из-за его эффективности в преобразовании диоксида серы в триоксид серы и, следовательно, в серную кислоту, необходимо уделять особое внимание рабочим температурам и размещению установки SCR на электростанции при сжигании серосодержащего топлива.
Другие окисления
[ редактировать ]
Малеиновый ангидрид получают V 2 O 5 -катализируемым окислением бутана воздухом:
- C 4 H 10 + 4 O 2 → C 2 H 2 (CO) 2 O + 8 H 2 O
Малеиновый ангидрид используется для производства полиэфирных и алкидных смол . [15]
Фталевый ангидрид получают аналогично V 2 O 5 -катализируемым окислением ортоксилола или нафталина при 350–400 °С. Уравнение катализируемого оксидом ванадия окисления о-ксилола во фталевый ангидрид:
- C 6 H 4 (CH 3 ) 2 + 3 O 2 → C 6 H 4 (CO) 2 O + 3 H 2 O
Уравнение катализируемого оксидом ванадия окисления нафталина во фталевый ангидрид: [16]
- C 10 H 8 + 4½ O 2 → C 6 H 4 (CO) 2 O + 2CO 2 + 2H 2 O
Фталевый ангидрид является предшественником пластификаторов , используемых для придания полимерам гибкости.
Аналогичным образом производятся и другие промышленные соединения, в том числе адипиновая кислота , акриловая кислота , щавелевая кислота и антрахинон . [8]
Другие приложения
[ редактировать ]Благодаря своему высокому коэффициенту термического сопротивления оксид ванадия (V) находит применение в качестве детекторного материала в болометрах и микроболометров матрицах для тепловидения . Он также находит применение в качестве датчика этанола на уровне ppm (до 0,1 ppm).
Ванадиевые окислительно-восстановительные батареи представляют собой тип проточных батарей, используемых для хранения энергии , в том числе на крупных энергетических объектах, таких как ветряные электростанции . [17] Оксид ванадия также используется в качестве катода в литий-ионных батареях. [18]
Биологическая активность
[ редактировать ]
Оксид ванадия(V) проявляет очень умеренную острую токсичность для человека, его ЛД50 составляет около 470 мг/кг. Большую опасность представляет вдыхание пыли, где LD50 колеблется в пределах 4–11 мг/кг при 14-дневном воздействии. [8] Ванадате ( VO 3−
4 ), образующийся при гидролизе V 2 O 5 при высоком pH, по-видимому, ингибирует ферменты, перерабатывающие фосфат (PO 4 3− ). Однако способ действия остается неясным. [10] [ нужен лучший источник ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Хейнс, с. 4,94
- ^ Хейнс, с. 4.131
- ^ Уэст, Роберт С., изд. (1981). Справочник CRC по химии и физике (62-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. п. Б-162. ISBN 0-8493-0462-8 . .
- ^ Шкловер, В.; Хайбах, Т.; Рид, Ф.; Неспер, Р.; Новак П. (1996), "Кристаллическая структура продукта Mg 2+ внедрение в V 2 O 5 монокристаллы », J. Solid State Chem. , 123 (2): 317–23, Bibcode : 1996JSSCh.123..317S , doi : 10.1006/jssc.1996.0186 .
- ^ Хейнс, с. 5.41
- ^ Jump up to: а б Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0653» . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
- ^ Jump up to: а б «Ванадиевая пыль» . Непосредственно опасные для жизни и здоровья концентрации (IDLH) . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
- ^ Jump up to: а б с Бауэр, Гюнтер; Гютер, Фолькер; Гесс, Ганс; Отто, Андреас; Ройдл, Оскар; Роллер, Хайнц; Саттельбергер, Зигфрид (2000). «Ванадий и соединения ванадия». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . дои : 10.1002/14356007.a27_367 . ISBN 3-527-30673-0 .
- ^ Брауэр, с. 1267
- ^ Jump up to: а б с Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1984). Химия элементов . Оксфорд: Пергамон Пресс . стр. 1140, 1144. ISBN. 978-0-08-022057-4 . .
- ^ Брауэр, с. 1264
- ^ «Степени окисления ванадия» . РСК Образование . Проверено 4 октября 2019 г.
- ^ Брауэр, с. 1269
- ^ «Окисление нафталина Гиббса-Воля». Комплексные органические реакции и реагенты . 2010. С. 1227–1229. дои : 10.1002/9780470638859.conrr270 . ISBN 978-0-470-63885-9 .
- ^ Теддер, Дж. М.; Нечватал, А.; Табб, А.Х., ред. (1975), Основная органическая химия: Часть 5, Промышленная продукция , Чичестер, Великобритания: John Wiley & Sons .
- ^ Конант, Джеймс; Блатт, Альберт (1959). Химия органических соединений (5-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: Компания Macmillan. п. 511.
- ^ Энергетическое хранилище REDT. «Использование VRFB для возобновляемых источников энергии» . Архивировано из оригинала 1 февраля 2014 г. Проверено 21 января 2014 г.
- ^ Шриджеш, М.; Шеной, Сулакшана; Шридхаран, Кишор; Куфиан, Д.; Ароф, АК; Нагараджа, HS (2017). «Закаленный в расплаве оксид ванадия, внедренный в листы оксида графена в качестве композитных электродов для амперометрического измерения дофамина и применения литий-ионных батарей». Прикладная наука о поверхности . 410 : 336–343. Бибкод : 2017ApSS..410..336S . дои : 10.1016/j.apsusc.2017.02.246 .
Цитируемые источники
[ редактировать ]- Брауэр, Г. (1963). «Ванадий, Ниобий, Тантал». В Брауэр, Г. (ред.). Справочник по препаративной неорганической химии, 2-е изд . Нью-Йорк: Академическая пресса.
- Хейнс, Уильям М., изд. (2016). Справочник CRC по химии и физике (97-е изд.). ЦРК Пресс . ISBN 978-1-4987-5429-3 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- «Пентоксид ванадия», Кобальт в твердых металлах и сульфате кобальта, арсенид галлия, фосфид индия и пентоксид ванадия (PDF) , Монографии МАИР по оценке канцерогенных рисков для человека 86, Лион, Франция: Международное агентство по исследованию рака, 2006 г., стр. 227–92, ISBN. 92-832-1286-Х .
- Вайдхьянатан, Б.; Баладжи, К.; Рао, К.Дж. (1998), "Твердотельный синтез оксидных ионпроводящих стабилизированных фаз ванадата висмута с помощью микроволновой печи", Chem. Матер. , 10 (11): 3400–4, doi : 10,1021/см980092f .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Международная карта химической безопасности 0596
- Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0653» . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
- Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0654» . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
- Пятиокись ванадия и другие неорганические соединения ванадия ( Краткий международный документ химической оценки 29)
- МПХБ Критерий гигиены окружающей среды 81: Ванадий
- IPCS Руководство по охране труда и технике безопасности 042: Ванадий и некоторые соли ванадия.