خامس أكسيد الفاناديوم V2O5

في الكيمياء إن مركب خامس أكسيد الفاناديوم أو أكسيد الفاناديوم (V) (الفاناديا) وفي الإنجليزية: (vanadium pentoxide) هو عبارة عن مركب كيميائي غير عضوي يمتلك الصيغة الكيميائية التالية: (V2O5)، تُعرف هذه المادة الصلبة البرتقالية والمعروفة عمومًا باسم خامس أكسيد الفاناديوم بأنها أهم مركب للفاناديوم.

خامس أكسيد الفاناديوم

خامس أكسيد الفاناديوم عبارة عن مركب غير عضوي، يشير الفاناديوم (V) إلى أن الفاناديوم في حالة الأكسدة +5، وذرات الأكسجين في المركب في حالة الأكسدة -2، وعند التسخين تفقد الأكسجين بشكل عكسي، فيما يتعلق بهذه القدرة.

كما يحفز (V2O5) العديد من تفاعلات الأكسدة الهوائية المفيدة والتي يدعم أكبر نطاق منها إنتاج حمض الكبريتيك من ثاني أكسيد الكبريت، وهو عبارة عن مادة صلبة برتقالية سامة وبسبب حالتها المرتفعة من الأكسدة فهي عبارة عن أكسيد متذبذب وعامل مؤكسد، على نقيض معظم أكاسيد المعادن فإنه يذوب قليلاً في الماء بسبب التحلل المائي.

الخواص الكيميائية لخامس أكسيد الفاناديوم

التفاعلات الحمضية القاعدية

• خامس أكسيد الفاناديوم (V2O5) هو عبارة عن أكسيد متذبذب، وبالتالي فإنه يتفاعل مع الأحماض القوية غير المختزلة لتشكيل محاليل تحتوي على أملاح صفراء شاحبة تحتوي على مراكز ديوكسوفاناديوم (V):

V2O5 + 2 HNO3 → 2 “VO2 (NO3)” + H2O

• كما أنه يتفاعل مع القلويات القوية لتكوين (polyoxovanadates) والتي لها بنية معقدة تعتمد على الأس الهيدروجيني، إذا تم استخدام هيدروكسيد الصوديوم المائي الزائد، فإن المنتج عبارة عن ملح عديم اللون، ميتافانادات الصوديوم (Na3VO4)، إذا تمت إضافة الحمض ببطء إلى محلول (Na3VO4) يتعمق اللون تدريجيًا عبر البرتقالي إلى الأحمر قبل أن يترسب (V2O5) البني المائي حول الرقم الهيدروجيني 2.

• تحتوي هذه المحاليل بشكل أساسي على الأيونات (HVO4 -2) و (V2O7 -4) بين الرقم الهيدروجيني 9 و 13، ولكن أقل من الرقم الهيدروجيني 9 أكثر الأنواع الغريبة مثل (⁻V₄O₁₂⁴⁻ and HV₁₀O₂₈⁵)، وعندما يتفاعل كلوريد الثيونيل مع خامس أكسيد الفاناديوم يحوله إلى (VOCl3) تبعا للمعادلة التالية:

V2O5 (s) + 3 SOCl2 (l) → 2 VOCl3 (l) + 3 SO2 (g)

تفاعلات الأكسدة والاختزال

• يتم اختزال (V2O5) بسهولة في الوسائط الحمضية إلى أنواع الفاناديوم المستقرة (IV)، أيون الفاناديل الأزرق (VO(H2O)5 +2)، يوضح هذا التحويل خصائص الأكسدة والاختزال لـ (V2O5)، على سبيل المثال: يتأكسد حمض الهيدروكلوريك وحمض الهيدروبروميك إلى الهالوجين المقابل على سبيل المثال المعادلة التالية:

V₂O₅(s) + 6 HCl + 7 H₂O → 2 [VO(H₂O)₅]²⁺ + 4 Cl⁻ + Cl₂

• يتم اختزال (V2O5) الصلب بواسطة حمض الأكساليك وثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت لإعطاء أكسيد الفاناديوم (VO2) كمادة صلبة زرقاء عميقة، ويمكن أن يؤدي الاختزال الإضافي باستخدام الهيدروجين أو ثاني أكسيد الكربون الزائد إلى خلائط معقدة من الأكاسيد مثل (V4O7 و V5O9) قبل الوصول إلى الأسود (V2O3).

• ويتم اختزال مركبات الفاناديل أو الفاناديل (V) في المحلول الحمضي بواسطة ملغم الزنك من خلال المسار الملون المثير للاهتمام – (عديم اللون “VO3-” ← أصفر “VO2 +”← أزرق “VO2 +” ← أخضر “V3 +” ← أرجواني “V2 +”) بالطبع يتم ترطيب الأيونات بدرجات متفاوتة.

تحضير خامس أكسيد الفاناديوم

• يتم إنتاج خامس أكسيد الفاناديوم من الدرجة التقنية كمسحوق أسود يستخدم لإنتاج معدن الفاناديوم والفيروفاناديوم، إذ تتم معالجة خام الفاناديوم أو البقايا الغنية بالفاناديوم بكربونات الصوديوم لإنتاج ميتافانادات الصوديوم (NaVO3) ثم يتم تحمض هذه المادة إلى الرقم الهيدروجيني 2-3 باستخدام حمض الكبريتيك (H2SO4) لإنتاج راسب من “الكعكة الحمراء”، ويتم بعد ذلك صهر العجينة الحمراء عند 690 درجة مئوية لإنتاج خام (V2O5) الخام.

• إن خامس أكسيد الفاناديوم هو أيضًا عبارة عن المنتج الرئيسي عند تسخين معدن الفاناديوم بالأكسجين الزائد ولكن هذا المنتج يتلوث بأكاسيد سفلية أخرى، علما أنه يتضمن التحضير المختبري الأكثر إرضاءً تحلل ميتافانادات الأمونيوم عند حوالي 200 درجة مئوية تبعا للتفاعل الكيميائي التالي:

2NH4VO3 → V2O5 (s) + 2NH3 + H2O

استخدامات خامس أكسيد الفاناديوم

إنتاج حامض الكبريتيك

• أهم استخدام لخامس أكسيد الفاناديوم في تصنيع حامض الكبريتيك وهو مادة كيميائية صناعية مهمة بإنتاج سنوي بلغ 145 مليون طن في عام 1986 ميلادي، يخدم الفاناديوم (V) الغرض الأساسي المتمثل في تحفيز الأكسدة الطاردة للحرارة بشكل معتدل لثاني أكسيد الكبريت إلى ثالث أكسيد الكبريت عن طريق الهواء في عملية التلامس:

2SO2 + O2 → 2 SO3

• إن اكتشاف هذا التفاعل البسيط الذي يعتبر (V2O5) هو العامل المحفز الأكثر فاعلية فيه، سمح لحمض الكبريتيك بأن يصبح المادة الكيميائية السلعية الرخيصة كما هو الحال اليوم، يتم البدء بالتفاعل عند حوالي 400 و 620 درجة مئوية، إذ أن تحت الـ 400 درجة مئوية يكون خامس أكسيد الفاناديوم غير نشيط كعامل محفز وأعلى من 620 درجة مئوية يبدأ في الانهيار.

• نظرًا لأنه من المعروف أنه يمكن اختزال (V2O5) إلى (VO2) بواسطة (SO2)، فإن إحدى الدورات التحفيزية المحتملة هي كما يلي:

SO2 + V2O5 (s) → SO3 (g) + 2 VO2 (s) متبوعًا

2 VO2 (s) +1/2 O2 (g) → V2O5

• ومن المفارقات أنه يستخدم أيضًا كمحفز في التخفيض التحفيزي الانتقائي لانبعاثات أكاسيد النيتروجين في بعض محطات الطاقة، نظرًا لفعاليته في تحويل ثاني أكسيد الكبريت إلى ثالث أكسيد الكبريت وبالتالي حمض الكبريتيك، يجب توخي الحذر بشكل خاص مع درجات حرارة التشغيل ووضع وحدة (SCR) لمحطة توليد الطاقة عند إطلاق الوقود المحتوي على الكبريت.

أكسدة أخرى

أنهيدريد الماليك هو مادة صناعية مهمة أخرى تُستخدم في تصنيع راتنجات البوليستر وراتنجات الألكيد، ويمكن لأكسيد الفاناديوم (V) أن يحفز إنتاجه من مجموعة متنوعة من مواد البدء العضوية مثل ن- بيوتان، فورفورال وبنزين، وآخرها هو الطريقة التجارية المعتادة، في عملية ذات صلة يمكن إنتاج أنهيدريد الفثاليك المستخدم في تصنيع مواد بلاستيكية لتصنيع (PVC)، عن طريق الأكسدة المحفزة (V2O5) لأورثو زيلين أو النفثالين عند 350-400 درجة مئوية.

تطبيقات أخرى

• من حيث الكمية، فإن الاستخدام الرئيسي لأكسيد الفاناديوم (V) هو في إنتاج الفيروفاناديوم، يتم تسخين الأكسيد باستخدام خردة الحديد والألمنيوم، لإنتاج سبائك الحديد والفاناديوم مع الألومينا كمنتج ثانوي، وفي عام 2005 ميلادي، تسبب نقص (V2O5) في ارتفاع الأسعار إلى حوالي 40 دولارًا للكيلوجرام، مما أدى بدوره إلى ارتفاع سعر (ferrovanadium).

• نظرًا لارتفاع معامل المقاومة الحراري، يجد أكسيد الفاناديوم (V) استخدامه كمادة كاشف في مقاييس الضغط ومصفوفات الميكروبولومتر للتصوير الحراري، وتشمل الاستخدامات الجديدة المحتملة تحضير سيراميك الفانادات البزموت لاستخدامه في خلايا وقود الأكسيد الصلب.

وفي نهاية ذلك فإنه وعلى الرغم من كون الفاناديوم شديد السمية عند البشر، إلا أنه يوجد في بعض الكائنات الحية، ولا سيما (Ascidiacea) (بخاخات البحر)، وتحتوي هذه الكائنات الحية على بروتين الفانابين، والذي لا يزال دوره غير واضح، ويبدو أن الفانادات (VO43−)، الذي يتكون عندما يتشكل (V2O5) عن طريق التحلل المائي لـ (V2O5) عند درجة حموضة عالية، يثبط الإنزيمات التي تعالج الفوسفات (PO4 -3)، ومع ذلك فإن طريقة العمل الدقيقة لا تزال بعيدة المنال.