酸化バナジウム(V)

酸化バナジウム(V)
	五酸化バナジウム単分子膜
	酸化バナジウム(V)
名称
	IUPAC名五酸化二バナジウム
	その他の名称五酸化バナジウム、無水; バナジウム、五; 酸化二バナジウム
識別番号
CAS番号	1314-62-1 Y;
3Dモデル（JSmol）	インタラクティブ画像;
ChEBI	CHEBI:30045 Y;
ケムスパイダー	14130 Y;
ECHA情報カード	100.013.855
EC番号	215-239-8;
KEGG	C19308 N;
パブケム CID	14814;
RTECS番号	YW2450000;
UNII	BVG363OH7A Y;
国連番号	2862
コンプトックスダッシュボード（EPA）	DTXSID2023806;
	InChI InChI=1S/5O.2V Y キー: GNTDGMZSJNCJKK-UHFFFAOYSA-N Y; InChI=1/5O.2V/rO5V2/c1-6(2)5-7(3)4 キー: GNTDGMZSJNCJKK-HHIHJEONAP;
	スマイルズ O=[V](=O)O[V](=O)=O;
プロパティ
化学式	V 2 O 5
モル質量	181.8800 g/モル
外観	黄色の固体
密度	3.35 g/cm 3
融点	681℃ (1,258°F; 954 K)
沸点	1,750℃（3,180°F; 2,020 K）（分解）
水への溶解度	0.7 g/L (20℃)
磁化率(χ)	+128.0·10 −6 cm 3 /モル
構造
結晶構造	斜方晶系
空間群	Pmmn、59番
格子定数	a = 1151 pm、b = 355.9 pm、c = 437.1 pm
配位幾何学	歪んだ三方両錐体（V）
熱化学
熱容量（℃）	127.7 J/(mol·K)
標準モル; エントロピー ( S ⦵ 298 )	131.0 J/(mol·K)
; 標準生成エンタルピー (Δ f H ⦵ 298 )	−1550.6 kJ/mol
ギブスの自由エネルギー (Δ f G ⦵ )	−1419.5 kJ/mol
危険有害性
	GHSラベル：
ピクトグラム
信号語	危険
危険有害性情報	H302、H332、H335、H341、H361、H372、H411
NFPA 704（ファイアダイヤモンド）	4 0 0
引火点	不燃性
	致死量または濃度（LD、LC）：
LD 50（中間投与量）	10 mg/kg（ラット、経口）; 23 mg/kg（マウス、経口）
LC Lo (公表最低額)	500 mg/m 3（ネコ、23分）; 70 mg/m 3（ラット、2時間）
	NIOSH（米国健康曝露限界）：
PEL（許可）	C 0.5 mg V 2 O 5 /m 3（それぞれ）（固体） ; C 0.1 mg V 2 O 5 /m 3（煙）
安全データシート（SDS）	ICSC 0596
関連化合物
その他の陰イオン	オキシ三塩化バナジウム
その他の陽イオン	酸化ニオブ(V) 酸化; タンタル(V)
関連するバナジウム酸化物	酸化バナジウム(II) 酸化; バナジウム(III); 酸化バナジウム(IV)
	特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）における材料のものです。 N 検証する（何ですか？） YN 情報ボックス参考文献

バナジウム合金および工業用触媒の前駆体

化合物

酸化バナジウム(V)（バナジア）は、化学式 V ₂O ₅の無機化合物です。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、水溶液から沈殿した直後は濃いオレンジ色です。高い酸化数のため、両性酸化物であると同時に酸化剤としても機能します。工業的観点からは、バナジウムの最も重要な化合物であり、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触媒です。^[8]

この化合物の鉱物形態であるシュチェルビナイトは非常に希少で、ほとんどの場合、噴気孔で発見されます。三水和物鉱物であるV ₂ O ₅ ·3H ₂ Oは、ナバホアイトとも呼ばれます。

化学的性質

低級酸化物への還元

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、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)が得られます。 ^[9]

V ₂ O ₅ + V ₂ O ₃ → 4 VO ₂

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ます。水素または過剰のCOを用いてさらに還元すると、黒色のV ₂ O _{3に達する前に、V}₄ O ₇やV ₅ O ₉などの酸化物の複雑な混合物が生成されます。

酸塩基反応

V ₂ O _5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、わずかに水に溶け、淡黄色の酸性溶液を与えます。そのため、V ₂ O _{5 は}強い非還元酸と反応し、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形成します。

V ₂ O ₅ + 2 HNO ₃ → 2 VO ₂ (NO ₃ ) + H ₂ O

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、これはpHに依存する複雑な構造を有する。^{[10]過剰量の水酸化}ナトリウム水溶液を使用した場合、生成物は無色の塩、オルトバナデートナトリウム、Na ₃ VO _{4になる。 Na}₃ VO ₄溶液に酸をゆっくり加えると、色はオレンジから赤へと徐々に濃くなり、pH 2 付近で茶色の水和 V ₂ O ₅が沈殿する。これらの溶液には、pH 9 から pH 13 の間で主にイオン HVO ₄²⁻と V ₂ O ₇⁴⁻が含まれるが、pH 9 未満では V ₄ O ₁₂⁴⁻や HV ₁₀ O ₂₈⁵⁻ (デカバナデート) などのより珍しい種が優勢である。

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VOCl3に変換さ_れる。 [ 11 ^]

V ₂ O ₅ + 3 SOCl ₂ → 2 VOCl ₃ + 3 SO ₂

その他の酸化還元反応

塩酸と臭化水素酸は対応するハロゲンに酸化されます。例：

V ₂ O ₅ + 6HCl + 7H ₂ O → 2[VO(H ₂ O) ₅ ] ²⁺ + 4Cl ⁻ + Cl ₂

酸性溶液中のバナデートまたはバナジル化合物は、次のような多彩な経路で亜鉛アマルガムによって還元されます。

イオンはすべて、さまざまな程度に水和されています。

準備

工業用グレードのV ₂ O _{5は、金属}バナジウム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生産されます。^[10]バナジウム鉱石またはバナジウムを多く含む残留物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。この物質をH ₂ SO ₄でpH 2～3に酸性化し、「レッドケーキ」（上記参照）の沈殿物を生成します。このレッドケーキを690℃で溶融して粗V ₂ O ₅を生成します。

酸化バナジウム(V)は、金属バナジウムを過剰酸素で加熱すると生成されますが、この生成物には他の低級酸化物が混入しています。より良好な実験室的調製法としては、メタバナジン酸アンモニウムを500～550℃で分解する方法があります。 ^[13]

2 NH ₄ VO ₃ → V ₂ O ₅ + 2 NH ₃ + H ₂ O

用途

フェロバナジウムの生産

量的に見ると、酸化バナジウム(V)の主な用途はフェロバナジウムの生産です（上記参照）。この酸化物はスクラップ鉄とフェロシリコンとともに加熱され、石灰を加えてケイ酸カルシウムスラグを形成します。アルミニウムも使用される場合があり、副産物としてアルミナとともに鉄バナジウム合金が生成されます

硫酸の製造

酸化バナジウム(V)のもう一つの重要な用途は、硫酸の製造です。硫酸は重要な工業用化学物質であり、2001年には世界で年間1億6,500万トン、推定価値は80億米ドルに達しました。酸化バナジウム(V)は、接触プロセスにおいて、空気による二酸化硫黄から三酸化硫黄への穏やかな発熱酸化を触媒するという重要な役割を果たします

2 SO ₂ + O ₂ ⇌ 2 SO ₃

_{V 2} O ₅が最も効果的な触媒となるこの単純な反応の発見により、硫酸は今日のような安価な汎用化学物質となりました。この反応は400～620℃で進行します。400℃未満ではV ₂ O _{5 は}触媒として不活性であり、620℃を超えると分解が始まります。V ₂ O _{5 は}SO _{2によってVO}₂に還元されることが知られているため、考えられる触媒サイクルの一つは以下のようになります。

SO ₂ + V ₂ O ₅ → SO ₃ + 2VO ₂

続いて

2VO ₂ +½O ₂ → V ₂ O ₅

一部の発電所やディーゼルエンジンでは _、 NOx排出物の選択触媒還元（SCR）触媒としても使用されています。二酸化硫黄を三酸化硫黄、ひいては硫酸に変換する効果が高いため、硫黄含有燃料を燃焼させる際は、発電所のSCRユニットの運転温度と設置場所に特別な注意が必要です。

その他の酸化

ナフタレンから無水フタル酸へのバナジウム触媒酸化における初期段階の提案。V ₂ O ₅は分子として表されているが、実際の拡張構造は示されていない^[14]

無水マレイン酸は、ブタンを空気で V ₂ O _{5触媒酸化することによって生成されます。}

C ₄ H ₁₀ + 4 O ₂ → C ₂ H ₂ (CO) ₂ O + 8 H ₂ O

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。^[15]

無水フタル酸は、同様にV ₂ O _{5触媒による}オルト-キシレンまたはナフタレンの350～400℃での酸化によって生成されます。酸化バナジウム触媒によるオルト-キシレンの無水フタル酸への酸化の反応式は以下のとおりです。

C ₆ H ₄ (CH ₃ ) ₂ + 3 O ₂ → C ₆ H ₄ (CO) ₂ O + 3 H ₂ O

ナフタレンからフタル酸無水物への酸化バナジウム触媒酸化の反応式：^[16]

C ₁₀ H ₈ + 4½ O ₂ → C ₆ H ₄ (CO) ₂ O + 2CO ₂ + 2H ₂ O

無水フタル酸は可塑剤の原料であり、ポリマーに柔軟性を与えるために使用されます。

アジピン酸、アクリル酸、シュウ酸、アントラキノンなど、他の様々な工業化合物も同様に生産されています。^[8]

その他の用途

高い熱抵抗係数のため、酸化バナジウム(V)は熱画像用のボロメータやマイクロボロメータアレイの検出器材料として使用されています。また、ppmレベル（最大0.1ppm）のエタノールセンサーとしても使用されています

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。^{[17]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。^[18]

生物活性

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、LD50は約470mg/kgです_。より大きな危険性は、粉塵を吸入した場合で、14日間の暴露でLD50は₄～11mg/kgの範囲です。^[8] バナデート（VO³⁻
₄高pH下でのV ₂ O ₅の加水分解によって生成されるリン酸（PO ₄^{3− ）は、}リン酸を処理する酵素を阻害するようです。しかし、その作用機序は未だ解明されていません。^[10]^[^{より良い情報源が必要}^]

参考文献

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引用元

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ヘインズ、ウィリアム・M.編 (2016). CRC化学物理ハンドブック（第97版）. CRC Press . ISBN 978-1-4987-5429-3。

さらに詳しく

「五酸化バナジウム」、硬質金属中のコバルト、硫酸コバルト、ガリウムヒ素、リン化インジウム、五酸化バナジウム（PDF）、IARCヒトに対する発がん性リスク評価に関するモノグラフ86、フランス、リヨン：国際がん研究機関、2006年、 227～ 92頁、ISBN 92-832-1286-X。
Vaidhyanathan, B.; Balaji, K.; Rao, KJ (1998)、「酸化物イオン伝導性安定化バナジン酸ビスマス相のマイクロ波支援固相合成」、Chem. Mater.、10 (11): 3400–4、doi :10.1021/cm980092f。

外部リンク

国際化学物質安全性カード 0596
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NIOSH 化学物質ハザードポケットガイド。「#0654」。国立労働安全衛生研究所（NIOSH）。
五酸化バナジウムおよびその他の無機バナジウム化合物（簡潔な国際化学物質評価文書29）
IPCS 環境保健基準81：バナジウム
IPCS 健康安全ガイド042：バナジウムおよび一部のバナジウム塩

[CRC-1] Haynes, p. 4.94

[2] Haynes, p. 4.131

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[11] Brauer、1264ページ

[12] 「バナジウムの酸化状態」RSC Education。2019年10月4日閲覧

[13] ブラウアー、1269ページ

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[15] Tedder, JM; Nechvatal, A.; Tubb, AH編 (1975) 『基礎有機化学：第5部工業製品』、英国チチェスター：John Wiley & Sons。

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[17] REDT Energy Storage. 「再生可能エネルギー用途におけるVRFBの利用」。2014年2月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年1月21日閲覧。

[18] Sreejesh, M.; Shenoy, Sulakshana; Sridharan, Kishore; Kufian, D.; Arof, AK; Nagaraja, HS (2017). 「溶融急冷酸化バナジウムをグラフェン酸化物シートに埋め込み、アンペロメトリックドーパミンセンシングおよびリチウムイオン電池用途の複合電極として利用する」.応用表面科学. 410 : 336– 343.書誌コード:2017ApSS..410..336S. doi :10.1016/j.apsusc.2017.02.246.