מבנה ותכונות כימיות של ונדיום פנטאוקסיד

1. מבנה קריסטל

יחידה בסיסית

פולידרון קואורדינציה: נוצר מבנה שכבותVO₅ טטרהדרוניםוטטרהדרונים VO₄, מחוברים על ידי קצוות או פינות משותפים.

כוחות בין-שכבות: שכבות מוחזקות יחד על ידי חלשיםואן-der-כוחות ואלסויכול להתקלף בקלות (כמו גרפיט).

קבוצת חלל

מערכת קריסטל: מערכת אורתורהומבית (קבוצת מרחבחחח).

אפשרויות תא:

a=11,51 Å, b=4,37 Å, c=3,56 Å.

כל תא יחידה מכיל2 אטומי ונדיוםו5 אטומי חמצן.

מאפיינים מבניים

אורכי קשרי חמצן-וונדיום:

קשרים קצרים (~1.58 Å): V=O קשרים כפולים (חמצן קודקוד טטרהדרלי).

קשרים ארוכים (~1.78-2.02 Å): VO קשרים בודדים (חמצן תוך-שכבתי מגשר).

אניזוטרופיה שכבתית: נהרס בקלות לאורךציר b, וכתוצאה מכך V₂O₅ מקבל לעתים קרובות צורה קשקשית או דמוית מחט.

2. תכונות כימיות

תכונות חיזור

חומר מחמצן חזק:

בטמפרטורות גבוהות ניתן לחמצן HCl, HBr וכו'. לְדוּגמָה:
V2O5+6HCl Δ2VOCl2+Cl2+3H2O

מגיב עם חומרים מפחיתים (למשל H2, C) ליצירת תחמוצות נמוכות (VO2, V2O3 או מתכת ונדיום).

ריפוי עצמי:

מתפרק כאשר מחומם ל690 מעלות ומעלה:
2V2O5 Δ4VO2+O2↑

חומצה-תגובת בסיס (אמפוטרית)

מגיב עם חומצותעם חינוךיוני ונדאט- (VO₂⁺), למשל, כאשר מומס בחומצה גופרתית:
V2​O5​+2H2​SO4​→2VO2​SO4​+H2​O

מגיב עם אלקליותעם חינוךונדאטים(לדוגמה, נתרן metavanadate NaVO₃):
V2​O5​+2NaOH→2NaVO3​+H2​O

לאחר פירוק נוסף באלקליות חזקות, הוא נוצרחסר צבע [VO₄]³-(orthovanadate).

פעילות קטליטית

תעשיית חומצה גופרתית: מזרז את החמצון של SO₂ לSO₃ (המנגנון כרוך במחזור V⁵⁺↔V⁴⁺):
2SO2​+O2​V2​O5​​2SO3​

חמצון סלקטיבי: למשל, החמצון של בנזן לאנהידריד מאלאי, ופרופאן - לחומצה אקרילית.

תגובה עם חומרים אורגניים

חמצון של אלכוהול ואלדהידים: לדוגמה, אתנול מתחמצן לאצטאלדהיד ולאחר מכן לחומצה אצטית.

תגובות פולימריזציה: פועל כזרז לסינתזה של פולימרים מסוימים (למשל פוליאתילן).

3. מאפיינים אלקטרוניים ומבנה הלהקה

מאפייני מוליכים למחצה: מרווח רצועה בערך2.3 eV(ספיגה בטווח האור הנראה).

העברת חיובים: d⁰ תצורה אלקטרונית V⁵⁵⁺ מאפשרת לו לקבל בקלות אלקטרונים ולהשתתף במחזורי חיזור.

4. תופעות ותגובות מיוחדות

כימיה של אינטרקלציה: ניתן לשלב יוני Li ו-Na בין שכבות, המשמשות בסוללות ליתיום-יון נתרן:
V2O5+xLi++xe-→LixV2O5

רגישות לאור: יכול לזרז פירוק של חומרים אורגניים (כגון פירוק של צבעים) בהשפעת אור אולטרה סגול.