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
Densidad	3.357 g/cm3
Punto de fusión	690 °C, 963 K, 1274 °F
Punto de ebullición	1750 °C, 2023 K, 3182 °F (descomp.)
Solubilidad en agua	0.8 g/L (20 °C)
Estructura
Estructura cristalina	Ortorrómbica
Grupo espacial	Pmmn, No. 59
Parámetro de red	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.

Precipitado del “pastel rojo”, hidruro? Del V₂O_{5 .}

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 NO_x 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 (VO₄^3-), 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