stringtranslate.com

Оксид ванадия(V)

Оксид ванадия ( V) ( ванадия ) представляет собой неорганическое соединение формулы 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

Восстановление до низших оксидов

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

V 2 O 5 представляет собой амфотерный оксид. В отличие от большинства оксидов переходных металлов, он слегка растворяется 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 используется избыток водного гидроксида натрия , продукт представляет собой бесцветную соль ортованадат натрия Na 3 VO 4 . Если к раствору Na 3 VO 4 медленно добавить 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 V 2 O 7 4. − между pH 9 и pH 13, но ниже pH 9 преобладают более экзотические виды, такие как V 4 O 12 4- и HV 10 O 28 5- ( декаванадат ).

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

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 − + Cl 2

Ванадаты или соединения ванадила в растворе кислоты восстанавливаются амальгамой цинка по красочному пути:

ВО 2+ _желтый→ВО 2+синий→В 3+зеленый→В 2+фиолетовый[12]

Все ионы в разной степени гидратированы.

Подготовка

Оранжевая, частично гидратированная форма V 2 O 5
Осадок «красного кека», представляющий собой водный V 2 O 5

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 нагревании металлического ванадия 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

Производство феррованадия

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 шлака силиката кальция . Также можно использовать алюминий , получая в качестве побочного продукта железо-ванадиевый сплав вместе с оксидом алюминия .

Производство серной кислоты

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

2ВО 2 +½О 2 → В 2 О 5

Он также используется в качестве катализатора при избирательном 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

Предлагаемые ранние стадии катализируемого ванадием окисления нафталина во фталевый ангидрид , где V 2 O 5 представлен в виде молекулы, а не его истинной расширенной структуры [14]

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 -катализируемому окислению 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

Благодаря высокому коэффициенту термического сопротивления оксид ванадия (V) находит применение в качестве детекторного материала в болометрах и матрицах микроболометров 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

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 ( VO3−
4), образующийся в результате гидролиза 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 ]

Рекомендации

  1. ^ abcd Хейнс, с. 4,94
  2. ^ Хейнс, с. 4.131
  3. ^ 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..
  4. ^ Шкловер, В.; Хайбах, Т.; Рид, Ф.; Неспер, Р.; Новак П. (1996), "Кристаллическая структура продукта внедрения Mg 2+ в монокристаллы V 2 O 5 ", J. Solid State Chem. , 123 (2): 317–23, Бибкод : 1996JSSCh.123..317S, doi : 10.1006/jssc.1996.0186.
  5. ^ Хейнс, с. 5.41
  6. ^ ab Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0653». Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  7. ^ ab «Ванадиевая пыль». Непосредственно опасные для жизни и здоровья концентрации (IDLH) . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  8. ^ abc 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 3527306730.
  9. ^ Брауэр, с. 1267
  10. ^ abc Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1984). Химия элементов. Оксфорд: Пергамон Пресс . стр. 1140, 1144. ISBN. 978-0-08-022057-4..
  11. ^ Брауэр, с. 1264
  12. ^ «Степени окисления ванадия». РСК Образование . Проверено 4 октября 2019 г.
  13. ^ Брауэр, с. 1269
  14. ^ «Окисление нафталина Гиббса-Воля». Комплексные органические реакции и реагенты . 2010. дои : 10.1002/9780470638859.conrr270. ISBN 9780470638859.
  15. ^ Теддер, Дж. М.; Нечватал, А.; Табб, А.Х., ред. (1975), Основная органическая химия: Часть 5, Промышленная продукция , Чичестер, Великобритания: John Wiley & Sons..
  16. ^ Конант, Джеймс; Блатт, Альберт (1959). Химия органических соединений (5-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: Компания Macmillan. п. 511.
  17. ^ Хранение энергии REDT. «Использование VRFB для возобновляемых источников энергии».
  18. ^ Шриджеш, М.; Шеной, Сулакшана; Шридхаран, Кишор; Куфиан, Д.; Ароф, АК; Нагараджа, HS (2017). «Закаленный в расплаве оксид ванадия, встроенный 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

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с оксидом ванадия (V) .