Oxyde de vanadium(V)

composé chimique

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

Pentoxyde de vanadium
Image illustrative de l’article Oxyde de vanadium(V)
Image illustrative de l’article Oxyde de vanadium(V)
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
InChI
Apparence poudre cristalline jaune à rouge ou solide de formes variables[1].
Propriétés chimiques
Formule O5V2V2O5
Masse molaire[2] 181,88 ± 0,001 7 g/mol
O 43,98 %, V 56,02 %,
Propriétés physiques
fusion 690 °C[1]
ébullition (décomposition) : 1 750 °C[1]
Solubilité dans l'eau : 8 g·l-1[1]
Masse volumique 3,4 g·cm-3[1]
Thermochimie
S0solide 130,4 J K−1 mol−1[3]
ΔfH0liquide −1 491,2 kJ mol−1[3]
ΔfH0solide −1 550,6 kJ mol−1[3]
Cp 130,5 J K−1 mol−1 à 25°C[3]
Cristallographie
Système cristallin Orthorhombique[4]
Classe cristalline ou groupe d’espace Pmmn (no 59)
Paramètres de maille a = 11,552 Å, b = 3,619 Å, c = 4,797 Å[4]
Précautions
SGH[6]
SGH07 : Toxique, irritant, sensibilisant, narcotiqueSGH08 : Sensibilisant, mutagène, cancérogène, reprotoxiqueSGH09 : Danger pour le milieu aquatique
Danger
H302, H332, H335, H341, H361d, H372 et H411
Transport
-
   2862   
Classification du CIRC
Groupe 2B : Peut-être cancérogène pour l'homme[5]

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[7].

Propriétés

modifier

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[8].

Production

modifier

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[9].

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[10]. 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 VnO2n+1[8].

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

modifier

Synthèse de l'acide sulfurique

modifier

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

modifier

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[11] 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

modifier

L'oxyde de vanadium(V) est aussi l'un des catalyseurs couramment utilisés dans les procédés de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote[12].

Fabrication d'alliages avec le fer

modifier

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[13].

Voir aussi

modifier

Références

modifier
  1. a b c d et e PENTAOXYDE DE DIVANADIUM, Fiches internationales de sécurité chimique
  2. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  3. a b c et d (en) « divanadium pentaoxide », sur webbook.nist.gov (consulté le ).
  4. a et b (en) « mp-25279: V2O5 », sur materialsproject.org (consulté le ).
  5. IARC Working Group on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, « Evaluations Globales de la Cancérogénicité pour l'Homme, Groupe 2B : Peut-être cancérogènes pour l'homme »(Archive.orgWikiwixArchive.isGoogleQue faire ?), sur monographs.iarc.fr, CIRC, (consulté le ).
  6. Numéro index 023-001-00-8 dans le tableau 3.1 de l'annexe VI du règlement CE N° 1272/2008 (16 décembre 2008)
  7. G. Bauer, V. Güther, H. Hess, A. Otto, O. Roidl, H. Roller et S. Sattelberger, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, (ISBN 3527306730, DOI 10.1002/14356007.a27_367), « Vanadium and Vanadium Compounds »
  8. a et b A. Gies, Synthèse et caractérisation de couches minces de V2O5 dopé ou non pour une utilisation dans des microbatteries au lithium, Thèse de l'Université de Bordeaux, (lire en ligne), p. 24
  9. (en) D. T. Cestarolli et E. M. Guerra, Transition Metal Compound, Intechopen, (DOI 10.5772/intechopen.96860, lire en ligne), « Vanadium Pentoxyde (V2O5): their obtaining methods and wide applications »
  10. (en) G. Brauer, Handbook of Preparative Inorganic Chemistry, 2nd Ed., Academic Press, , « Vanadium, Niobium, Tantalum »
  11. Kurt Lohbeck, Herbert Haferkorn, Werner Fuhrmann et Norbert Fedtke, « Maleic and Fumaric Acids », Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH,‎ (DOI 10.1002/14356007.a16_053)
  12. ADEME, Technique de la réduction catalytique sélective, (lire en ligne)
  13. P. Blazet et V. Hermant, « Métallurgie extractive du vanadium », Techniques de l'Ingénieur,‎ , article no M 2244 V1