釩在化合物中,主要為+Ⅴ氧化態(tài),但也可以還原成+Ⅳ、+Ⅲ、+Ⅱ等低氧化態(tài)。由于氧化態(tài)為+Ⅴ的釩具有較大的電荷半徑比,所以在水溶液中不存在簡單的V5+離子,而是以釩氧基(VO2+、VO3+)或含氧酸根(VO3-、VO43-)等形式存在。同樣,氧化態(tài)為+Ⅳ的釩在水溶液中是以VO2+離子形式存在。釩的化合物中以釩(Ⅴ)為最穩(wěn)定,其次是釩(Ⅳ)化合物,其它的都不穩(wěn)定。
釩的標準電勢圖如下:
五氧化二釩是釩的重要化合物之一,它可由加熱分解偏釩酸銨制得。
2NH4VO3=V2O5+2NH3+H2O
工業(yè)上多由含釩的各種類型的鐵礦石作為提釩的主要來源。如在用高爐熔煉鐵礦石時,80~90%的釩進入生鐵中。隨后在含釩生鐵煉成鋼的過程中,可以獲得富釩爐渣。由爐渣進一步提取釩的化合物。
例如,用食鹽和釩爐渣在空氣中焙燒,這時發(fā)生如下的反應(yīng):
V2O5+2NaCl+1/2O2=2NaVO3+Cl2
然后,用水從燒結(jié)塊中浸出NaVO3,再用酸中和此溶液,可以從中析出五氧化二釩的水合物。
經(jīng)過脫水干燥的五氧化二釩,可用金屬熱還原法(如用鈣)而得金屬釩。
V2O5+5Ca=5CaO+2V
此外,也可以用鎂還原三氯化釩等方法制備金屬釩。
五氧化二釩呈橙黃色至深紅色,無嗅,無味,有毒。它約在923K熔融,冷卻時成橙色針狀晶體。它在迅速結(jié)晶時會因放出大量熱而發(fā)光。五氧化二釩微溶于水,每100g水能溶解0.07gV2O5,溶液呈黃色。V2O5為兩性偏酸的氧化物。主要為酸性,因此易溶于堿溶液面生成釩酸鹽。在強堿性溶液中,則能生成正釩酸鹽M3VO4。
V2O5+6NaOH=2Na3VO4+3H2O
另一方面,V2O5也具有微弱的堿性,它能溶解在強酸中。在pH=1的酸性溶液中,能生成VO2+離子。從電極電勢可以看出,在酸性介質(zhì)中VO2+是一種較強的氧化劑。
VO2++2H++e-=VO2++H2O E°=1.0V
當(dāng)五氧化二釩溶解在鹽酸中時,釩(Ⅴ)能被還原成釩(Ⅳ)狀態(tài),并放出氯。
V2O5+6HCl=2VOCl2+Cl2+3H2O
VO2+離子也可以被Fe2+,草酸、酒石酸和乙醇等還原劑還原為VO2+,
VO2++Fe2++2H+=VO2++Fe3++H2O
2VO2++H2C2O4+2H+=(加熱)2VO2++2CO2+2H2O
上述反應(yīng)可用于氧化還原容量法測定釩。
V2O5用H2還原時,可制得一系列低氧化態(tài)氧化物,如深藍色的二氧化釩VO2,黑色的三氧化二釩V2O3和黑色粉末狀的一氧化釩VO等。
五氧化二釩是一種重要的催化劑,用于接觸法合成三氧化硫,芳香碳氫化合物的磺化反應(yīng),用氫還原芳香碳氫化合物等許多的工藝中。
釩酸鹽可分為偏釩酸鹽MⅠVO3和正釩酸鹽M3ⅠVO4,焦釩酸鹽M4ⅠV2O7,多釩酸鹽如M3ⅠV3O9等。
在釩酸鹽的酸性溶液中,加入還原劑(如鋅粉),可以觀察到溶液的顏色由黃色逐漸轉(zhuǎn)變成藍色、綠色、最后成紫色,這些顏色各相應(yīng)于V(Ⅳ)、V(Ⅲ)和V(Ⅱ)的化合物。
向釩酸鹽溶液中加酸,使pH值逐漸下降,則生成不同縮合度的多釩酸鹽。隨著pH值的下降,多釩酸根中含釩原子越多,就是縮合度增大。其縮合平衡為:
2VO43-+2H+ ?2HVO42- ?V2O74-+H2O (pH≥13)
3V2O74-+6H+ ?2V3O93-+3H2O (pH≥8.4)
10V3O93-+12H+ ?3V10O286-+6H2O (8>pH>3)
縮合度增大,溶液的色逐漸加深,即由淡黃色變到深紅色。溶液轉(zhuǎn)為酸性后,縮合度就不改變,而是獲得質(zhì)子的反應(yīng)。
[V10O28]6-+H+ ?[HV10O28]5-
[HV10O28]5-+H+ ?[H2V10O28]4-
在pH≈2時,則有五氧化二釩水合物的紅棕色沉淀析出。如果加入足夠的酸(pH=1)溶液中存在穩(wěn)定的黃色VO2+離子。
[H2V10O28]4-+14H+ ?10VO2++8H2O (pH=1)
在釩酸鹽的溶液中加過氧化氫,若溶液是弱堿性,中性或弱酸性時,得到黃色的二過氧釩酸離子[VO2(O2)2]3-(也有認為是[VO2(H2O2)2]+)離子,若溶液是強酸性時,得到紅棕色的過氧釩陽離子[V(O2)]3+(也有認為是[VO2(H2O2)]+)離子,兩者之間存在下列平衡:
[VO2(O2)2]3-+6H+ ?[V(O2)]3++H2O2+2H2O
釩酸鹽與過氧化氫的反應(yīng),在分析上可作為鑒定釩和比色測定之用。