پنتا اکسید وانادیوم که وانادیا نیز نامیده می شود یک ترکیب معدنی به شکل جامد زرد می باشد. این ماده به دلیل داشتن حالت اکسیداسیون بالا، هم اکسید آمفوتریک و هم ماده اکسید کننده است.

از دیدگاه صنعتی، اکسید وانادیم (V) مهمترین ترکیب وانادیوم است که ماده اصلی سازنده آلیاژهای این عنصر و یک کاتالیزور صنعتی است که به طور گسترده استفاده می شود. شکل معدنی این ترکیب، shcherbinaite می باشد که بسیار نادر است.

خواص و مشخصات شناسایی پنتا اکسید وانادیوم

خواص شیمیایی

با گرم شدن مخلوطی از اکسید وانادیوم (V) و اکسید وانادیوم (III)، تناسبی برای ایجاد اکسید وانادیوم (IV)، به عنوان یک ماده جامد با رنگ آبی تیره رخ می دهد:

V_۲O_۵ + V_۲O_۳ → ۴VO_۲

این کاهش همچنین می تواند توسط اسید اگزالیک، مونوکسیدکربن و دی اکسید گوگرد انجام شود. کاهش بیشتر با استفاده از هیدروژن یا CO اضافی می تواند منجر به مخلوط های پیچیده ای از اکسیدها مانند V_۴O_۷ و V_۵O_۹ گردد.

واکنش های اسید باز

پنتا اکسید وانادیوم یک اکسید آمفوتریک است. برخلاف اکثر اکسیدهای فلزی، این ماده کمی در آب حل می شود و یک محلول اسیدی به شکل زرد کم رنگ می دهد. بنابراین این ماده با اسیدهای غیر احیا کننده قوی واکنش می دهد و محلول هایی حاوی نمک های زرد کم رنگ حاوی مراکز دیوکسووانادیوم (V) ایجاد می کند:

V_۲O_۵ + ۲HNO_۳ → ۲VO_۲(NO_۳) + H_۲O

این ترکیب همچنین با قلیایی قوی واکنش داده و پلی اکسی وانادات را تشکیل می دهد، که ساختار پیچیده ای دارند و به pH بستگی دارد. در صورت استفاده بیش از حد از هیدروکسید سدیم آبی، محصول نمک بی رنگ ارتوانادات سدیم خواهد شد.

اگر اسید به آرامی به محلول Na_۳VO_۴ اضافه شود، رنگ به تدریج از نارنجی به قرمز تیره تغییر خواهد کرد، قبل از اینکه پنتااکسید وانادیم هیدراته قهوه ای رنگ در PH حدود ۲ رسوب کند. پس از تصفیه با تیونیل کلرید، به مایع فرار وانادیوم اکسی کلراید تبدیل می شود:

V_۲O_۵ + ۳SOCl_۲ → ۲VOCl_۳ + ۳SO_۲

سایر واکنش های اکسیداسیون

اسید کلریدریک و اسید هیدروبرمیک به هالوژن مربوطه اکسید می شوند، به عنوان مثال:

V_۲O_۵ + ۶HCl + 7H_۲O → ۲[VO(H_۲O)_۵]^۲+ + ۴Cl⁻ + Cl_۲

وانادات یا ترکیبات وانادیل در محلول اسیدی توسط آمالگام روی از طریق مسیر زیر و با تغییر رنگ محلول ها که در تصویر بالا مشاهده می کنید، کاهش می یابد:

VO_۲⁺yellow → VO^۲+blue → V^۳+green → V^۲+purple

یون ها همه در درجات مختلف هیدراته هستند.

تولید پنتا اکسید وانادیوم

درجه فنی این ماده به عنوان یک پودر سیاه استفاده می شود که برای تولید فلز وانادیوم و فروانادیوم به کار می رود. یک سنگ معدن وانادیوم یا باقیمانده غنی از آن با کربنات سدیم و یک نمک آمونیوم تصفیه می شود تا متاوانادات سدیم تولید شود.

سپس این ماده با استفاده از H_۲SO_۴ تا pH 2-3 اسیدی می شود تا رسوبی از “کیک قرمز” بدست آورد (به تصویر بالا نگاه کنید). سپس کیک قرمز در دمای ۶۹۰ درجه سانتی گراد ذوب می شود تا پنتا اکسید وانادیم خام تولید شود.

اکسید وانادیوم (V) هنگامی تولید می شود که فلز وانادیم با اکسیژن اضافی گرم شود، اما این محصول به دلیل حضور سایر اکسیدها به صورت ناخالص وجود دارد. یک آزمون رضایت بخش تر شامل تجزیه متاوانادات آمونیوم در دمای ۵۰۰-۵۵۰ درجه سانتیگراد می باشد:

۲NH_۴VO_۳ → V_۲O_۵ + ۲NH_۳ + H_۲O

کاربردهای اکسید وانادیوم (V)

تولید فرو وانادیم

از نظر کمی، استفاده غالب از اکسید وانادیوم (V) در تولید فروانادیوم است (نگاه کنید به بالا). این اکسید با آهن قراضه و فروسیلیسیم گرم می شود و آهک به آن اضافه می گردد تا یک سرباره سیلیکات کلسیم ایجاد شود. همچنین ممکن است از آلومینیوم استفاده شود و آلیاژ آهن وانادیوم به همراه آلومینا به عنوان محصول جانبی تولید شود.

تولید اسید سولفوریک

یکی دیگر از موارد مهم استفاده از اکسید وانادیم (V) در تولید اسید سولفوریک، یک ماده شیمیایی مهم صنعتی با تولید جهانی سالانه ۱۶۵ میلیون تن در سال ۲۰۰۱، با ارزش تقریبی ۸ میلیارد دلار است.

اکسید وانادیوم (V) هدف اصلی برای کاتالیزاسیون اکسیداسیون گرمازا به آرامی به دی اکسید گوگرد به تری اکسید گوگرد توسط هوا در فرآیند تماس است:

۲SO_۲ + O_۲ ⇌ ۲SO_۳

کشف این واکنش ساده، که پنتا اکسید وانادیوم موثرترین کاتالیزور برای آن است، باعث شد اسید سولفوریک به ماده شیمیایی ارزان کالای امروزی تبدیل شود. واکنش بین ۴۰۰ تا ۶۲۰ درجه سانتیگراد انجام می شود.

در دمای زیر ۴۰۰ درجه سانتیگراد، اکسید وانادیوم (V) به عنوان کاتالیزور غیرفعال است و در بالای ۶۲۰ درجه سانتیگراد شروع به تجزیه می کند. از آنجا که مشخص شده است که این ماده می تواند توسط SO_۲ به VO_۲ کاهش یابد، یک چرخه احتمالی کاتالیزوری به شرح زیر است:

SO_۲ + V_۲O_۵ → SO_۳ + ۲VO_۲

و به دنبال آن:

۲VO_۲ +½O_۲ → V_۲O_۵

همچنین از این ترکیب به عنوان کاتالیزور در کاهش کاتالیزوری انتخابی (SCR) انتشار NOx در برخی نیروگاه ها استفاده می شود. با توجه به اثربخشی آن در تبدیل دی اکسید گوگرد به تری اکسید گوگرد و در نتیجه اسید سولفوریک، در هنگام شلیک سوخت های حاوی گوگرد باید مراقبت ویژه ای از درجه حرارت عملکرد و قرارگیری واحد SCR نیروگاه برق وجود داشته باشد.

سایر اکسیداسیون ها

انیدرید مالئیک توسط اکسیداسیون بوتان با هوا و با استفاده از کاتالیزور پنت اکسید وانادیوم تولید می شود:

C_۴H_۱۰ + ۴O_۲ → C_۲H_۲(CO)_۲O + 8H_۲O

از آنیدرید مالئیک برای تولید رزین های پلی استر و رزین های آلکید استفاده می شود. انیدرید فتالیک به طور مشابه توسط اکسیداسیون ارتو زایلن یا نفتالین با اکسید وانادیم (V) کاتالیز شده در دمای ۳۵۰-۴۰۰ درجه سانتی گراد تولید می شود. این معادله برای اکسیداسیون زایلن است:

C_۶H_۴(CH_۳)_۲ + ۳O_۲ → C_۶H_۴(CO)_۲O + 3H_۲O

انیدرید فتالیک پیش ماده ترکیبات پلاستیک کننده است که برای ایجاد انعطاف پذیری به پلیمرها استفاده می شود. انواع مختلفی از ترکیبات صنعتی از جمله اسید آدیپیک، اسید اکریلیک، اسید اگزالیک و آنتراکینون نیز به همین ترتیب تولید می شوند.

کاربردهای دیگر پنتا اکسید وانادیوم

اکسید وانادیم (V) به دلیل ضریب مقاومت حرارتی بالا، به عنوان ماده ردیاب در بولومترها و آرایه های میکروبولومتر برای تصویربرداری حرارتی استفاده می شود. این ماده همچنین به عنوان یک سنسور اتانول در سطح ppm (حداکثر ۰.۱ ppm) کاربرد دارد.

باتری های اکسیداسیون وانادیوم نوعی باتری دبی است که برای ذخیره انرژی در مزارع بادی استفاده می شود. پنتا اکسید وانادیوم با LD50 حدود ۴۷۰ میلی گرم بر کیلوگرم سمیت حاد بسیار کمی را برای انسان از خود نشان می دهد، خطر بیشتر با استنشاق گرد و غبار است.