viernes, 8 de junio de 2012

Pentóxido de Vanadio





PENTÓXIDO DE VANADIO
















Carlos Manuel Berlanga Cruzado

Pentóxido de Vanadio


Nomenclatura IUPAC: Pentóxido de divanadio
Propiedades
Fórmula molecular
V2O5
Masa molecular
181.8800 g/mol
Apariencia
Sólido amarillo
3.357 g/cm3
690 °C, 963 K, 1274 °F
Punto de ebullición
1750 °C, 2023 K, 3182 °F (descomp.)
0.8 g/L (20 °C)
Estructura
Grupo espacial
Pmmn, No. 59
a = 1151 pm, b = 355.9 pm,c = 437.1 pm
Coordinación geométrica
Bipiramidal trigonal distorsionada (V)




Comúnmente conocido como el pentóxido de Vanadio, este sólido de color amarillo/marrón es el compuesto de Vanadio más estable y común.
Al calentarse pierde oxígeno de manera reversible. En relación a esta propiedad, el V2O5 cataliza varias reacciones útiles de oxidación aeróbica, siendo la más conocida la producción del ácido sulfúrico a partir del dióxido de azufre. Es un sólido venenoso que, debido a su alto estado de oxidación, es tanto como un óxido anfótero como un agente oxidante. Al contrario que la mayoría de los óxidos de los metales, se disuelve ligeramente en agua dando un color amarillo pálido y generando una disolución ácida. Cuando este compuesto se forma por la precipitación de la disolución acuosa, el color que toma es un naranja intenso en lugar del color amarillo/marrón.
La forma mineral de este compuesto, la shcherbinaita, es extremadamente rara, casi siempre encontrada entre fumaroles.
Un mineral trihidrato, el V2O5·3H2O, se conoce también con el nombre de navajoíta.


Propiedades químicas

·        Reacciones ácido-base

El V2O5 es un óxido anfótero. Así, reacciona con ácidos fuertes no reductores para formar disoluciones conteniendo las sales amarillas pálidas con centros dioxovanadio(V).

V2O5 + 2 HNO3  2 VO2(NO3) + H2O

También reacciona con bases fuertes para formas polioxovanadatos, los cuales tienen una estructura de complejo que depende del pH.
Si se usa un exceso de hidróxido sódico acuoso, el producto es una sal incolora, el ortovanadato sódico Na3VO4. Si a una disolución de esta sal se le añade ácido lentamente, el color se va tornando naranja gradualmente hasta llegar al rojo antes de que la sal hidratada de V2O5, de color marrón, precipite alrededor de pH 12.
Estas disoluciones contienen principalmente iones HVO42− y V2O74− entre pH 9 y 13, pero debajo de pH 9 predominan especies más exóticas como V4O124− y HV10O285−.

El cloruro de tionilo convierte al pentóxido de vanadio en VOCl3.

V2O5 + 3 SOCl2  2 VOCl3 + 3 SO2
·        Reacciones redox

El V2O5 se reduce fácilmente en medio ácido a especies estables de vanadio(IV), el ión azul vanadilo (VO(H2O)52+). Esta conversión refleja las propiedades redox del V2O5. Por ejemplo, el ácido clorhídrico y el ácido bromhídrico son oxidados por el correspondiente halógeno.
Ejemplo:

V2O5 + 6HCl + 7H2O 2[VO(H2O)5]2+ + 4Cl + Cl2


El sólido V2O5 es reducido por el ácido oxálico, monóxido de carbono y el dióxido de azufre para dar óxido de vanadio (IV), el VO2, que es un sólido azul intenso. Continuando la reacción usando hidrógeno o exceso de CO puede llevar a la formación de mezclas complejas de óxidos como el V4O7 y el V5O9 antes de formarse finalmente el V2O3.

Los vanadatos o los vanadilos(V) en medio ácido son reducidos por amalgama de zinc,siguiendo un camino durante el cual se dan cambios de colores como podemos ver a continuación.

VO2+
VO2+
V3+
V2+
amarillo
azul
verde
morado


Los iones están, por supuesto, todos hidratados en diferentes grados.









Preparación



 El naranja, forma parcialmente hidratada del V2O5.

Descripción: http://bits.wikimedia.org/static-1.20wmf2/skins/common/images/magnify-clip.png
Precipitado del “pastel rojo”, hidruro? Del V2O5 .
A escala técnica, el V2O5 se produce como polvo negro usado para la producción de vanadio metálico y ferrovanadio. Las menas de vanadio o los residuos ricos en vanadio son tratados con carbonato sódico para producir metavanadato sódico , NaVO3.
Este material es entonces acidificado hasta pH 2-3 usando ácido sulfúrico dando lugar a un precipitado llamado “pastel rojo”.
Después, este pastel rojo se funde a unos 690 ºC para producir el V2O5 crudo.

El pentóxido de vanadio se produce cuando el vanadio metálico es calentado en exceso de oxígeno, pero este producto está contaminado con otros óxidos en menor estado de oxidación.
Un método de laboratorio más satisfactorio consiste en la descomposición del metavanadato amónico a alredededor de unos 200 ºC.
2 NH4VO3  V2O5 + 2 NH3 + H2O






Aplicaciones

·        Producción de ferrovanadio
En términos de cantidad, la aplicación principal del pentóxido de vanadio es la producción de ferrovanadio. El óxido es calentado con chatarra y ferrosilicio, con cal añadida para formar una escoria de silicato cálcico. También puede usarse el aluminio, produciendo la aleación de hierro-vanadio al mismo tiempo que se obtiene alúmina como subproducto. En 2005 un período de escasez de V2O5 causó una elevación de su precio hasta los 40 dólares por kilogramo, lo que conllevó al mismo tiempo una elevación del precio del ferrovanadio.


·         Producción del ácido sulfúrico
Otra importante aplicación del pentóxido de vanadio es en la fabricación del ácido sulfúrico, un importante producto químico industrial con una producción mundial anual de unos 165 millones de toneladas en 2001, con un valor aproximado de uno 8 billones de dólares. El vanadio(V) hace posible la catálisis de de la oxidación ligeramente exotérmica del dióxido de azufre para dar trióxido de azufre con el aire en el llamado “método de contacto”:
2 SO2 + O2  2 SO3

El descubrimiento de esta reacción, para la cual el V2O5 es el catalizador más efectivo, permitió al ácido sulfúrico convertirse en el barato producto químico que es hoy.
La reacción se lleva a cabo entre 400 y 620 ºC. Por debajo de los 400 ºC, el V2O5 es inactivo catalíticamente, y por encima de los 620 ºC empieza a descomponer.
Desde que se sabe que el V2O5 puede reducirse por acción del SO2  para dar VO2 , el ciclo catalítico que se sigue es el siguiente:

SO2 + V2O5  SO3 + 2VO2
seguido por:
2VO2 +½O2  V2O5

Paradójicamente, también se usa como catalizador en la reacción catalítica selectiva (RCS) de las emisiones de NOx en algunas centrales energéticas. Debido a su efectividad a la hora de convertir dióxido de azufre en trióxido de azufre, y consecuentemente en ácido sulfúrico, se debe tener especial cuidado con las temperaturas a las que se operan así como la ubicación de una central energética RSC a la hora de quemar los carburantes con contenido en azufre.

·         Otras oxidaciones
El anhídrido maleico es otro material industrial importante, usado para la fabricación de resinas de poliester y resinas alquídicas. El pentóxido de vanadio puede catalizar su producción a partir de una variedad de precursores orgánicos como el n-butano, furfural y benceno, este último es el que se usa normalmente en el método comercial.
En un proceso relacionado, el anhídrido ftálico, usado para la frabricación de plastificantes a partir de los cuales se puede obtener PVC, se puede obtener gracias al V2O5, mediante una oxidación catalítica del orto-xileno o el naftaleno a 350-400 ºC.

·         Otras aplicaciones
Debido a su alto coeficiente de resistencia térmica, el pentóxido de vanadio tiene uso como material detector en bolómetros o microbolómetros diseñados para termografías. También tiene aplicación como detector de etanol a niveles por encima de 1 ppm.
Posibles nuevos usos incluyen las prepraración de cerámicas de vanadato de bismuto para uso en pilas de combustible. Otra aplicación nueva se encuentra en las baterias redox de vanadio, un tipo de batería de flujo usada para el almacenamiento de energía, que encuentra un útil uso en, por ejemplo, centrales de energía eólica.

Actividad biológica

El pentóxido de vanadio presenta una mdoerada toxicidad en los humanos, con una DL50(Dosis mortal,50%) de aproximadamente 470 mg/kg. El mayor problema es la inhalación del polvo, donde los rangos de DL50 son de 4-11 mg/kg para una exposición de 14 días. El vanadato (VO43-), formado por la hidrólisis del V2O5 a pH alto, parece inhibir enzimas que procesan el fosfato (PO43−).
De todas maneras,  sigue sin concocerse el mecanismo de acción.




Fuentes: 
Cotton, F.A.; Wilkinson, G.; Murillo, C.A.; Bochman, M. "Advanced Inorganic Chemistry", A comprehensive Text", Gth ed., Wiley & Sons, 1999.
Holleman, A.F. & Wiberg, EGON. "Inorganic Chemistry"; Academic Press 2001http://en.wikipedia.org/wiki/Vanadium_pentoxide

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