PENTÓXIDO DE VANADIO
Carlos Manuel
Berlanga Cruzado
Pentóxido de Vanadio
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Nomenclatura IUPAC: Pentóxido de divanadio
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Propiedades
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Fórmula molecular
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V2O5
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Masa molecular
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181.8800 g/mol
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Apariencia
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Sólido amarillo
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3.357 g/cm3
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690 °C, 963 K, 1274 °F
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Punto de ebullición
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1750 °C, 2023 K, 3182 °F (descomp.)
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0.8 g/L (20 °C)
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Estructura
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Grupo espacial
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Pmmn, No. 59
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a = 1151
pm, b = 355.9 pm,c = 437.1 pm
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Coordinación
geométrica
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Bipiramidal trigonal
distorsionada (V)
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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+
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→
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VO2+
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→
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V3+
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→
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V2+
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amarillo
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azul
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verde
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morado
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Los iones están, por supuesto, todos
hidratados en diferentes grados.
Preparación
El naranja, forma parcialmente hidratada del V2O5.
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
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
