Loading article…
五酸化バナジウム（バナジア）は、化学式V 2 O 5で表される無機化合物です。一般に五酸化バナジウムとして知られ、濃い黄色の固体ですが、水溶液から析出したばかりのときは濃いオレンジ色をしています。高い酸化状態のため、両性酸化物であり、酸化剤でもあります。工業的な観点からは、バナジウム合金の主要な前駆体であり、広く使用されている工業用触媒であるため、バナジウムの最も重要な化合物です。[ 8 ]
この化合物の鉱物形態であるシェルビナイトは極めて稀で、ほとんどの場合、噴気孔内で発見される。鉱物の三水和物であるV₂O₅・3H₂Oは、ナバジョアイトという名前でも知られている。
酸化バナジウム(V)と酸化バナジウム(III)の混合物を加熱すると、不均化反応が起こり、濃い青色の固体として酸化バナジウム(IV)が生成する。 [ 9 ]
還元は、シュウ酸、一酸化炭素、二酸化硫黄によっても促進される。水素または過剰なCOを用いたさらなる還元により、黒色のV₂O₃に到達する前に、V₄O₇やV₅O₉などの複雑な酸化物混合物が生成される可能性がある。
V₂O₅は両性酸化物であり、ほとんどの遷移金属酸化物とは異なり、わずかに水溶性で、淡黄色の酸性溶液を生成する。したがって、V₂O₅は強い非還元性酸と反応して、ジオキソバナジウム(V)中心を含む淡黄色の塩を含む溶液を生成する。
また、強アルカリと反応してポリオキソバナデートを形成し、その構造はpHに依存します。[ 10 ]過剰の水酸化ナトリウム水溶液を使用すると、無色の塩であるオルトバナジン酸ナトリウム、Na3VO4が生成されます。Na3VO4 の溶液に酸をゆっくりと加えると、色が徐々にオレンジから赤に濃くなり、pH 2 付近で褐色の水和 V2O5が沈殿します。これらの溶液は、 pH 9 から pH 13 の間では主にHVO2−4 および V2O4−7イオンを含みますが、 pH 9 未満では、V4O4−12 や HV10O5−28 (デカバナデート)などのより特殊な種が優勢になります。
塩化チオニルで処理すると、揮発性の液体であるオキシ塩化バナジウム、VOCl 3に変化する。[ 11 ]
塩酸と臭化水素酸は対応するハロゲンに酸化される。
酸性溶液中のバナジン酸塩またはバナジル化合物は、亜鉛アマルガムによって以下の色鮮やかな経路を経て還元される。
これらのイオンはすべて、程度は異なるものの、水和されている。
工業用グレードの V 2 O 5は、バナジウム金属およびフェロバナジウムの製造に使用される黒色粉末として製造されます。[ 10 ]バナジウム鉱石またはバナジウムに富む残渣を炭酸ナトリウムとアンモニウム塩で処理して、メタバナジン酸ナトリウム、NaVO 3を生成します。この材料をH 2 SO 4 を使用して pH 2〜3に酸性化して、「レッドケーキ」の沈殿物を生成します (上記参照)。次に、レッドケーキを 690 °C で溶融して、粗 V 2 O 5を生成します。
バナジウム金属を過剰な酸素で加熱すると酸化バナジウム(V)が生成されますが、この生成物には他の低級酸化物が混入しています。より満足のいく実験室での調製法は、メタバナジン酸アンモニウム を500～550 ℃で分解することです。 [ 13 ]
量的な観点から見ると、酸化バナジウム(V)の主な用途はフェロバナジウムの製造である（上記参照）。この酸化物は、鉄くずとフェロシリコンとともに加熱され、石灰が添加されてケイ酸カルシウムスラグが生成される。アルミニウムも使用される場合があり、その場合は鉄バナジウム合金と副産物としてアルミナが生成される。
硫酸の工業生産に現在用いられている唯一のプロセスである接触法では、酸化バナジウム(V)が酸素移動触媒として用いられる。[ 14 ]触媒相は、酸化バナジウム(V)と助触媒として添加されたアルカリ金属硫酸塩から形成される溶融塩である。この溶融塩中では、実際の触媒種とみなされる反応性錯体[(VO) 2O (SO4 ) 4 ] 4−が形成される。酸素と二酸化硫黄はこの錯体に配位し、バナジウムの酸化状態を変化させることなく三酸化硫黄を形成する。[ 14 ]
反応は約 420 ～ 620 °C で行われます。低温では触媒はバナジウム (IV) 化合物の生成により不活性化され、高温では分解が始まります。[ 14 ]工業的な変換は、触媒が 4 層に重ねて配置され、プロセスガスがベッド間で冷却されて必要な温度範囲を維持する多床接触炉で行われます。
無水マレイン酸は、V₂O₅触媒を用いたブタンの空気酸化によって生成される。
無水マレイン酸はポリエステル樹脂やアルキド樹脂の製造に使用されます。[ 16 ]
フタル酸無水物は、350～ 400 ℃でオルトキシレンまたはナフタレンをV₂O₅触媒で酸化することによっても同様に生成される。オルトキシレンからフタル酸無水物へのバナジウム酸化物触媒酸化の式は以下のとおりである。
ナフタレンから無水フタル酸へのバナジウム酸化物触媒酸化の式：[ 17 ]
無水フタル酸は可塑剤の前駆体であり、ポリマーに柔軟性を与えるために使用される。
高い熱抵抗係数を持つため、酸化バナジウム(V)は、熱画像撮影用のボロメータやマイクロボロメータアレイの検出材料として利用されています。また、ppmレベル（最大0.1ppm）のエタノールセンサーとしても応用されています。
バナジウムレドックス電池は、風力発電所などの大規模発電施設を含むエネルギー貯蔵に使用されるフロー電池の一種です。[ 18 ]酸化バナジウムはリチウムイオン電池の正極としても使用されます。[ 19 ]
五酸化バナジウムは釉薬の成分としてよく使用され、緑や黄色から青や灰色まで幅広い色を生み出します。[ 20 ]
酸化バナジウム(V)はヒトに対して非常に軽度の急性毒性を示し、LD 50は約470 mg/kgです 。より大きな危険性は粉塵の吸入によるもので、14日間の曝露でLD 50は4～ 11 mg/kgの範囲です。 [ 8 ]高pHでのV2O5の加水分解によって生成されるバナジン酸塩( VO3−4 )は、リン酸( PO3−4 )を処理する酵素を阻害するようです。しかし、その作用機序は不明のままです。[ 10 ]