산화 바나듐(V)

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1. 개요
2. 화학적 성질
3. 제조
4. 용도
5. 생물 반응
6. 주요 생산국
참조

1. 개요

산화 바나듐(V)은 V₂O₅의 화학식을 갖는 바나듐의 산화물로, 철강 첨가, 촉매, 에너지 저장, 열화상 검출 등 다양한 용도로 사용된다. 화학적으로는 환원 반응, 산-염기 반응, 기타 반응을 보이며, 공업적으로는 바나듐 광석이나 잔류물을 처리하여 생산된다. 주요 용도로는 페로바나듐 생산, 황산 제조 촉매, 말레산 무수물 및 프탈산 무수물 생산 촉매 등이 있으며, 바나듐 레독스 흐름 전지 및 리튬 이온 배터리 음극 재료로도 사용된다. 산화 바나듐(V)은 인간에게 급성 독성을 보이며, 흡입 시 더욱 위험하며, 주요 생산국으로는 남아프리카 공화국, 중국 등이 있다.

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산화 바나듐(V) - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
산화 바나듐(V)
산화 바나듐 오산화 바나듐 단층
IUPAC 명칭	오산화 이바나듐
다른 이름	오산화 바나듐 무수 바나듐산 이바나듐 오산화물
화학식	V2O5
몰 질량	181.8800 g/mol
외형	노란색 고체
밀도	3.35 g/cm³
용해도	0.7 g/L (20 °C)
녹는점	681 °C
끓는점	1750 °C (분해)
자기 감수율	+128.0·10⁻⁶ cm³/mol
구조
결정 구조	사방정계
공간군	Pmmn, No. 59
배위	왜곡된 삼각 쌍뿔 (V)
격자 상수 a	1151 pm
격자 상수 b	355.9 pm
격자 상수 c	437.1 pm
열화학
표준 생성 자유 에너지	-1419.5 kJ/mol
표준 생성 엔탈피	-1550.6 kJ/mol
엔트로피	131.0 J/(mol·K)
열용량	127.7 J/(mol·K)
위험성
GHS 그림 문자	[[파일:GHS08\|30x30px\|alt=건강 위험]][[파일:GHS06\|30x30px\|alt=독성]][[파일:GHS09\|30x30px\|alt=환경 유해성]]
GHS 신호어	위험
H 문구	H341, H361, H372, H332, H302, H335, H411
NFPA 704	4, 0, 0
인화점	불연성
LD50	10 mg/kg (쥐, 경구) 23 mg/kg (생쥐, 경구)
LCLo	500 mg/m³ (고양이, 23 분) 70 mg/m³ (쥐, 2 시간)
PEL	C 0.5 mg V₂O₅/m³ (호흡기, 고체) C 0.1 mg V₂O₅/m³ (흄)
관련 화합물
다른 음이온	산화 염화 바나듐
다른 양이온	오산화 니오븀 오산화 탄탈럼
다른 작용기	산화 바나듐(II) 산화 바나듐(III) 산화 바나듐(IV)
다른 작용기 종류	바나듐 산화물
식별
CAS 등록번호	1314-62-1
UN 번호	2862
EC 번호	215-239-8
RTECS 번호	YW2450000
PubChem CID	14814
ChemSpider ID	14130
InChI	1/5O.2V/rO5V2/c1-6(2)5-7(3)4
InChIKey	GNTDGMZSJNCJKK-HHIHJEONAP
KEGG	C19308

2. 화학적 성질

산화 바나듐(V)은 다양한 화학 반응성을 나타낸다. 대표적으로 다른 바나듐 산화물로 환원될 수 있으며, 산과 염기 모두와 반응하는 양쪽성 특징을 가진다. 또한, 특정 조건에서는 다른 물질을 산화시키는 산화제로 작용하기도 한다. 이러한 반응 과정에서 바나듐의 산화 상태가 변하면서 용액의 색깔이 다양하게 변하는 특징을 보이기도 한다. 자세한 반응 메커니즘과 조건은 하위 섹션에서 다룬다.

2. 1. 환원 반응

산화 바나듐(V)과 산화 바나듐(III)의 혼합물을 가열하면 불균등화 반응이 일어나 짙은 파란색 고체인 이산화 바나듐을 생성한다.^[8]

:V₂O₅ + V₂O₃ → 4 VO₂

또한 옥살산, 일산화 탄소, 이산화 황을 사용하여 환원시킬 수도 있다. 수소 또는 과량의 CO를 사용한 추가 환원은 검은색 V₂O₃에 도달하기 전에 V₄O₇ 및 V₅O₉와 같은 복잡한 산화물 혼합물을 생성할 수 있다.

2. 2. 산-염기 반응

V₂O₅는 양쪽성 산화물이다. 대부분의 전이 금속 산화물과는 달리 물에 약간 용해되어 옅은 황색의 산성 용액을 만든다. 따라서 V₂O₅는 강한 비환원성 산과 반응하여 다이옥소바나듐(V) 이온(VO₂⁺)을 포함하는 옅은 황색 용액을 형성한다.

:V₂O₅ + 2 HNO₃ → 2 VO₂(NO₃) + H₂O

또한 강한 알칼리와 반응하여 폴리옥소바나데이트를 형성하는데, 이 물질의 구조는 pH에 따라 복잡하게 변한다.^[9] 예를 들어, 과량의 수성 수산화 나트륨(NaOH)과 반응시키면 무색의 염인 오르토바나드산 나트륨(Na₃VO₄)이 생성된다. 이 Na₃VO₄ 용액에 산을 천천히 첨가하면 용액의 색깔이 주황색에서 빨간색으로 점차 짙어지다가, pH 2 부근에서 갈색의 수화된 V₂O₅가 침전된다. 이 용액은 pH 9와 13 사이에서는 주로 HVO₄²⁻ 와 V₂O₇⁴⁻ 이온을 포함하지만, pH 9 이하에서는 V₄O₁₂⁴⁻ 와 HV₁₀O₂₈⁵⁻ (데카바나데이트)와 같은 더 복잡한 형태의 이온들이 주로 존재한다.

염화 티오닐(SOCl₂)로 처리하면 휘발성 액체인 바나듐 옥시클로라이드(VOCl₃)로 전환된다.^[10]

:V₂O₅ + 3 SOCl₂ → 2 VOCl₃ + 3 SO₂

2. 3. 기타 반응

염산과 브롬화 수소산은 V₂O₅에 의해 해당 할로젠으로 산화된다. 염산과의 반응은 다음과 같다.

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

산성 용액에서 바나데이트 또는 바나딜 화합물은 아말감 아연에 의해 환원되면서 다음과 같이 용액의 색깔이 변한다.

이 과정에서 생성되는 이온들은 모두 다양한 정도로 수화된다.

3. 제조

공업용 산화 바나듐(V)(V₂O₅)는 바나듐 금속과 페로바나듐 생산에 사용되는 검은색 분말로 생산된다.^[9] 바나듐 광석이나 바나듐이 풍부한 잔류물을 탄산나트륨과 암모늄 염으로 처리하면 메타바나듐산 나트륨(NaVO₃)이 생성된다. 이 물질을 황산(H₂SO₄)을 사용하여 pH 2~3으로 산성화하면 "레드 케이크"라고 불리는 침전물이 얻어진다. 이 레드 케이크를 690°C에서 녹이면 조악한 형태의 V₂O₅가 만들어진다.

실험실에서는 바나듐 금속을 과량의 산소와 함께 가열하여 산화 바나듐(V)을 만들 수 있지만, 이 방법으로는 다른 낮은 산화 상태의 바나듐 산화물이 불순물로 섞일 수 있다. 더 순수한 산화 바나듐(V)을 얻기 위한 일반적인 실험실 제조법은 메타바나듐산 암모늄(NH₄VO₃)을 500°C에서 550°C 사이의 온도에서 분해하는 것이다.^[12]

:2 NH₄VO₃ → V₂O₅ + 2 NH₃ + H₂O

4. 용도

산화 바나듐(V)은 다양한 산업 분야에서 활용된다. 주요 용도 중 하나는 철강에 첨가되는 합금인 페로바나듐 생산이다. 또한 다양한 화학 반응에서 촉매로 널리 사용되는데, 대표적으로 석유 정제 과정에서의 탈황 공정, 황산 제조 시 이산화황의 산화, 그리고 여러 유기 화합물의 산화 반응 등이 있다.^[18] 이 외에도 바나듐 관련 화합물의 함량을 나타내는 단위로도 쓰인다.^[18]

4. 1. 촉매

산화 바나듐(V)의 중요한 용도 중 하나는 촉매로서의 역할이다. 특히 연간 전 세계 생산량이 2001년 기준 1억 6천 5백만 톤에 달하고, 그 가치가 약 80억달러에 이르는 중요한 산업 화학 물질인 황산 제조에 핵심적으로 사용된다.^[18] 산화 바나듐(V)은 접촉 공법에서 공기를 이용해 아황산 가스(SO₂)를 삼산화 황(SO₃)으로 산화시키는 발열 반응을 촉진한다.

: 2 SO₂ + O₂ ⇌ 2 SO₃

이 반응은 400°C에서 620°C 사이에서 가장 효율적으로 진행된다. 400°C 미만에서는 V₂O₅ 촉매가 비활성화되고, 620°C 이상에서는 분해되기 시작한다. V₂O₅가 이 반응의 가장 효과적인 촉매로 발견되면서 황산을 저렴하게 대량 생산하는 것이 가능해졌다. 촉매 작용 메커니즘은 V₂O₅가 SO₂에 의해 VO₂로 환원된 후, 다시 산소에 의해 V₂O₅로 산화되는 순환 과정을 포함하는 것으로 이해된다.

: SO₂ + V₂O₅ → SO₃ + 2VO₂

: 2VO₂ + ½O₂ → V₂O₅

또한, 산화 바나듐(V)은 일부 발전소나 디젤 엔진에서 질소 산화물(NO_''x'') 배출을 줄이기 위한 선택적 촉매 환원(SCR) 공정의 촉매로도 사용된다. 다만, V₂O₅는 아황산 가스를 황산으로 변환시키는 데에도 효과적이므로, 황 함유 연료를 사용하는 경우 SCR 장치의 작동 온도와 위치 선정에 주의가 필요하다.

유기 화합물 합성에서도 산화 바나듐(V) 촉매가 널리 사용된다. 말레산 무수물은 공기를 이용해 부탄을 V₂O₅ 촉매 하에 산화시켜 생산한다. 말레산 무수물은 폴리에스터 수지 및 알키드 수지 생산에 사용된다.^[14]

: C₄H₁₀ + 4 O₂ → C₂H₂(CO)₂O + 8 H₂O

프탈산 무수물 역시 V₂O₅ 촉매를 사용하여 o-자일렌 또는 나프탈렌을 350°C에서 400°C 사이의 온도에서 산화시켜 생산한다.

o-자일렌 산화 반응:

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

나프탈렌 산화 반응:^[15]

: C₁₀H₈ + 4½ O₂ → C₆H₄(CO)₂O + 2CO₂ + 2H₂O

프탈산 무수물은 중합체에 유연성을 부여하는 가소제의 중요한 전구체이다.

이 외에도 아디프산, 아크릴산, 옥살산, 안트라퀴논 등 다양한 산업 화합물이 산화 바나듐(V) 촉매를 이용한 유사한 산화 반응을 통해 생산된다.^[18] 또한 석유 정제 과정에서의 탈황 공정에도 촉매로 사용된다.^[18]

4. 2. 페로바나듐 생산

양적인 면에서 볼 때, 산화 바나듐(V)의 주요 용도는 페로바나듐 생산에 사용된다. 이 산화물은 철 스크랩 및 페로실리콘과 함께 가열되며, 석회를 첨가하여 규산칼슘 슬래그를 형성한다. 알루미늄 또한 사용될 수 있으며, 이 경우 부산물로 알루미나와 함께 철-바나듐 합금을 생산한다.

주요 생산 업체는 다음과 같다.

국가	기업	비고
남아프리카 공화국	하이벨트사
남아프리카 공화국	엑스트라타사
중국	판강집단	슬래그로부터 바나듐 회수

4. 3. 기타 응용

산화 바나듐(V)는 높은 열 저항 계수를 가져 볼로미터 및 마이크로볼로미터 어레이의 열화상 검출 물질로 사용된다. 또한, 0.1ppm 수준의 미량 에탄올까지 검출하는 센서로도 활용된다.

에너지 저장 기술 중 하나인 바나듐 레독스 흐름 전지는 산화 바나듐(V)를 활용하는데, 이는 풍력 발전소와 같은 대규모 전력 시설의 안정적인 운영에 기여할 수 있다.^[16] 리튬 이온 배터리의 음극 재료로도 연구되고 있다.^[17]

이 외에도 산화 바나듐(V)는 다양한 산업 공정에서 촉매로 중요한 역할을 수행한다. 석유 정제 과정에서의 탈황 공정, 황산 제조 시 이산화황을 삼산화황으로 산화시키는 공정, 그리고 다양한 유기 산화 반응 등에도 촉매로 널리 사용된다. 또한, 바나듐 관련 제품에서 성분의 함량을 나타내는 단위로도 사용된다.

5. 생물 반응

산화 바나듐(V)은 인체에 급성 독성을 나타내며, 반수 치사량(LD₅₀)은 약 470 mg/kg이다. 먼지 형태로 흡입할 경우 독성이 더 강해지는데, 14일 동안 노출되었을 때의 LD₅₀은 4~11 mg/kg 범위에 해당한다.^[26]^[18]

V₂O₅가 높은 pH 조건에서 가수분해되어 생성되는 바나데이트(VO₄³⁻)는 인산염(PO₄³⁻)을 처리하는 효소를 억제하는 것으로 추정된다. 그러나 정확한 작용 방식은 아직 명확히 밝혀지지 않았다.^[9]

6. 주요 생산국

주요 생산자로는 남아프리카 공화국의 하이벨트사, 엑스트라타사와 중국의 판강집단이 있다. 또한, 판강집단은 슬래그로부터 바나듐을 회수하고 있다.

참조

_[1] 서적 RubberBible62nd
_[2] 문서 Haynes
_[3] 문서 Haynes
_[4] 논문 Crystal structure of the product of Mg2+ insertion into V2O5 single crystals
_[5] 문서 Haynes
_[6] 문서 Vanadium dust IDLH
_[7] 문서 PGCH
_[8] 문서 Brauer
_[9] 서적 Greenwood&Earnshaw1st
_[10] 문서 Brauer
_[11] 웹사이트 The oxidation states of vanadium https://edu.rsc.org/[...] 2019-10-04
_[12] 문서 Brauer
_[13] 서적 Comprehensive Organic Name Reactions and Reagents
_[14] 논문 Basic Organic Chemistry: Part 5, Industrial Products John Wiley & Sons
_[15] 서적 The Chemistry of Organic Compounds The Macmillan Company
_[16] 웹사이트 Using VRFB for Renewable applications http://www.redtenerg[...] 2014-01-21
_[17] 논문 Melt quenched vanadium oxide embedded in graphene oxide sheets as composite electrodes for amperometric dopamine sensing and lithium ion battery applications 2017
_[18] 서적 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry
_[19] 서적 RubberBible62nd
_[20] 문서 Haynes
_[21] 문서 Haynes
_[22] 논문 Crystal structure of the product of Mg²⁺ insertion into V₂O₅ single crystals
_[23] 문서 Haynes
_[24] 문서 Vanadium dust IDLH
_[25] 문서 PGCH
_[26] 서적 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry

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