Oxyde de vanadium(V)

L'oxyde de vanadium(V) ou pentoxyde de vanadium (V₂O₅) est la forme la plus oxydée du vanadium.

Pentoxyde de vanadium
Identification
Nom UICPA	Oxyde de Vanadium (V)
Synonymes	Pentoxyde de vanadium Pentoxyde de divanadium C.I. 77938 Anhydride vanadique
No CAS	1314-62-1
No ECHA	100.013.855
No CE	215-239-8
SMILES	[V](O[V](=O)=O)(=O)=O PubChem, vue 3D
InChI	InChI : vue 3D InChI=1/5O.2V/rO5V2/c1-6(2)5-7(3)4
Apparence	poudre cristalline jaune à rouge ou solide de formes variables.
Propriétés chimiques
Formule	O5V2V2O5
Masse molaire	181,88 ± 0,001 7 g/mol O 43,98 %, V 56,02 %,
Propriétés physiques
T° fusion	690 °C
T° ébullition	(décomposition) : 1 750 °C
Solubilité	dans l'eau : 8 g·l-1
Masse volumique	3,4 g·cm-3
Thermochimie
S0solide	130,4 J K−1 mol−1
ΔfH0liquide	−1 491,2 kJ mol−1
ΔfH0solide	−1 550,6 kJ mol−1
Cp	130,5 J K−1 mol−1 à 25°C
Cristallographie
Système cristallin	Orthorhombique
Classe cristalline ou groupe d’espace	Pmmn (no 59) orthorhombique Hermann-Mauguin : $P2_{1}/m~2_{1}/m~2/n\,$ Hermann-Mauguin court : $Pmmn\,$ Schoenflies : $D_{2h}^{13}\,$
Paramètres de maille	a = 11,552 Å, b = 3,619 Å, c = 4,797 Å
Précautions
SGH
Danger H302, H332, H335, H341, H361d, H372 et H411 H302 : Nocif en cas d'ingestion H332 : Nocif par inhalation H335 : Peut irriter les voies respiratoires H341 : Susceptible d'induire des anomalies génétiques (indiquer la voie d'exposition s'il est formellement prouvé qu'aucune autre voie d'exposition ne conduit au même danger) H361d : Susceptible de nuire au fœtus. H372 : Risque avéré d'effets graves pour les organes (indiquer tous les organes affectés, s'ils sont connus) à la suite d'expositions répétées ou d'une exposition prolongée (indiquer la voie d'exposition s'il est formellement prouvé qu'aucune autre voie d'exposition ne conduit au même danger) H411 : Toxique pour les organismes aquatiques, entraîne des effets à long terme
Transport
-    2862    Numéro ONU : 2862 : PENTOXYDE DE VANADIUM sous forme non fondue
Classification du CIRC
Groupe 2B : Peut-être cancérogène pour l'homme
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

On s'en sert comme catalyseur souvent sur un support d'alumine. Il est utilisé dans la synthèse de l'acide sulfurique où il catalyse l'oxydation du dioxyde de soufre en trioxyde.

C'est aussi un précurseur pour la production d'alliage de vanadium.

Propriétés

V₂O₅ est un solide brun-jaune. Il cristallise dans le système orthorhombique, c'est une structure lamellaire formée par des pyramides à base tétragonale VO₅ reliées entre elles par une arête. La cohésion entre les différents plans est due à des interactions de Van der Waals.

Production

Il existe de nombreuses méthodes de synthèse en fonction de la pureté, de la structure et de la morphologie que l'on veut obtenir: méthode sol-gel, hydrothermale/solvothermale, dépôt chimique en phase vapeur, electrospinning.

Un minerai de vanadium ou un sous-produit riche en vanadium est traité par du carbonate de sodium et un sel d'ammonium pour obtenir du métavanadate d'ammonium NH₄VO₃. En acidifiant le milieu par de l'acide sulfurique, on observe la précipitation de V₂O₅ hydraté de couleur rouge-orangé. Une calcination à 690°C permet ensuite d'obtenir de l'oxyde de vanadium liquide qui forme en refroidissant un solide de couleur brun-jaune.

De l'oxyde de vanadium(V) de grande pureté peut être obtenu en calcinant directement du métavanadate d'ammonium à 550°C. Si on calcine directement du vanadium en présence d'air, on obtient en général du V₂O₅ moins pur car contenant des oxydes de vanadium de type V_nO_2n+1.

En utilisant le dépôt chimique en phase vapeur ou le dépôt physique en phase vapeur (pulvérisation cathodique), on peut obtenir de l'oxyde de vanadium(V) en couche mince sur un support.

Utilisations

Synthèse de l'acide sulfurique

La synthèse de H₂SO₄ nécessite de produire du trioxyde de soufre par oxydation de dioxyde de soufre, ce qui doit se faire à une température modérée.

SO₂ + 0.5 O₂ → SO₃

Cette réaction se fait par le procédé contact dans lequel on utilise un catalyseur à base de V₂O₅ pour faire cette réaction. Si on excepte les combustibles, l'acide sulfurique est la molécule la plus synthétisée dans le monde avec une production annuelle de l'ordre de 165 millions de tonnes.

Synthèses en chimie organique

V₂O₅ est aussi un catalyseur d'oxydation utilisé dans plusieurs synthèses de produits chimiques. Par exemple les anhydrides maléique et phtalique sont produits en utilisant ce catalyseur, ce qui permet de faire l'oxydation des précurseurs (le butane pour l'anhydride maléique et l'ortho-xylène pour l'anhydride phtalique) à température modérée (350 à 400°C) :

C₄H₁₀ + 4 O₂ → C₂H₂(CO)₂O + 8 H₂O

C₆H₄(CH₃)₂ + 3 O₂ → C₆H₄(CO)₂O + 3 H₂O

Des acides organiques sont aussi produits par cette méthode: acide adipique, acide oxalique, etc.

Réduction des oxydes d'azote

L'oxyde de vanadium(V) est aussi l'un des catalyseurs couramment utilisés dans les procédés de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote.

Fabrication d'alliages avec le fer

Ces alliages contenant entre 35 et 85% de vanadium sont des additifs permettant d'améliorer la dureté des aciers, il améliore aussi la résistance à la corrosion. On les utilise par exemple dans les aciers HSLA pour les outils.

Pour obtenir ces alliages, on réduit de l'oxyde de vanadium en vanadium métal par du silicium ou de l'aluminium en présence de fer à haute température, le vanadium se dissout alors dans le fer pour créer un alliage.

C'est l'utilisation la plus importante en termes de quantité puisqu'elle consomme plus de 80% de la production mondiale de vanadium.

Voir aussi

• Catalyseur hétérogène
• Oxydation et réduction en chimie organique