Vanadium

Halaman ini memperhatikan beberapa aspek tentang kimia vanadium. Termasuk didalamnya penggunaan vanadium(V) oksida sebagai katalis pada Proses Contact, dan perubahan berbagai tingkat oksidasi vanadium.

Vanadium(V) oksida sebagai katalis Proses Contact

Reaksi keseluruhan

Selama berlangsungnya proses kontak untuk membuat asam sulfat, belerang dioksida diubah menjadi belerang trioksida. Hal ini dilakukan dengan cara melewatkan belerang dioksida dan oksigen diatas padatan katalis vanadium(V) oksida.

Bagaimana jalannya reaksi

Hal ini merupakan contoh yang baik untuk melihat kemampuan logam transisi dan persenyawaannya untuk digunakan sebagai katalis karena kemampuan yang dimiliki oleh logam transisi dan persenyawaannya untuk mengubah tingkat oksidasinya (bilangan oksidasi).

Belerang dioksida di oksidasi menjadi belerang trioksida dengan vanadium(V) oksida. Pada saat proses berlangsung, vanadium(V) oksida di reduksi menjadi vanadium(IV) oksida.

Vanadium(IV) dioksida kemudian di oksidasi kembali oleh oksigen.

Meskipun katalis berubah-ubah selama proses reaksi berlangsung, pada akhir proses reaksi sifat kimia dari katalis tersebut sama dengan pada awal proses reaksi.

Tingkat oksidasi vanadium

Vanadium memiliki berbagai tingkat oksidasi pada persenyawaannya yang terdiri dari +5, +4, +3, dan +2. Bagian ini menunjukkan perubahannya. Pembahasan dapat dimulai dengan sedikit gambaran, dan kemudian memperhatikan proses reaksi pada saat potensial redoks standar (potensial elektroda standar).

Pengamatan perubahan di laboratorium

Reduksi tingkat vanadium(V) menjadi vanadium(II)

Sumber vanadium yang biasa pada tingkat oksidasi +5 adalah amonium metavanadat, NH₄VO₃. Zat ini sangat tidak larut dalam air dan biasanya larut dengan mudah dalam larutan natrium hidroksida.

Larutan dapat di reduksi dengan menggunakan seng dan asam – baik itu asam klorida maupun asam sulfat, biasanya dengan konsentrasi asam yang sedang.

Keberadaan ion vanadium yang tepat dalam larutan sangatlah rumit, dan berubah-ubah sesuai dengan pH larutan. Reaksi terjadi dalam kondisi asam ketika ion yang paling utama dalam larutan adalah VO²⁺ – disebut ion dioksovanadium(V).

Catatan: Ion biasanya ditulis sebagai VO²⁺ tetapi penulisan yang lebih akurat adalah [VO₂(H₂O)₄]⁺.

Jika kamu melakukan reaksi pada labu yang kecil, pada keadaan normal biasanya labu disumbat dengan kapas mentah. Hal ini dilakukan untuk menyediakan jalan keluar buat hidrogen (yang dihasilkan dari reaksi antara seng dengan asam). Pada saat yang bersamaan penyumbatan ini dilakukan untuk membatasi terlalu banyaknya udara yang masuk pada labu. Penyumbatan dilakukan untuk mencegah re-oksidasi vanadium yang memiliki tingkat oksidasi yang lebih rendah (khususnya tingkat +2) oleh oksigen di udara.

Reaksi biasanya dipanaskan sehingga perubahan yang terjadi berada pada rentang waktu yang memungkinkan.

Reduksi ditunjukkan oleh dua tahap. Satu hal yang penting adalah penampakan warna, tetapi proses perubahan terus berlanjut dari awal sampai akhir.

Reduksi dari +5 ke +4

Suatu hal yang penting untuk memperhatikan bahwa warna hijau yang kamu lihat tidak benar-benar menunjukkan tingkat oksidasi yang sebenarnya. Warna ini hanyalah campuran warna kuning tingkat +5 dan warna biru tingkat +4.

Hati-hatilah dengan kedua rumus ion vanadium – kedua-duanya sangatlah membingungkan!

Catatan: Sepeti halnya ion VO²⁺, ion VO²⁺ juga memiliki molekul air yang melekat dengan baik – [VO(H₂O)₅]²⁺.

The reduction from +4 to +2

Perubahan warna terus berlangsung.

Alasan untuk membubuhkan tanda kutip pada ion vanadium(III) adalah bertujuan untuk sebuah penyederhanaan. Khuluk yang pasti yang dimiliki oleh ion kompleks akan tergantung pada asam yang kamu gunakan pada proses reduksi. Penyederhanaan sangat beralasan pada bagian ini.

Re-oksidasi vanadium(II)

Ion vanadium(II) sangat mudah teroksidasi. Jika kamu mencabut kapas mentah dari labu dan menuangkan sebagaian larutan pada tabung reaksi, maka warna akan kembali hijau karena larutan ini bersentuhan dengan oksigen di udara. Larutan kembali teroksidasi menjadi vanadium(III).

Jika larutan dibiarkan untuk jangka waktu yang lama, larutan akan kembali menjadi biru sebagai pengaruh oksidasi udara dan kembali lagi menjadi tingkat vanadium(IV) – ion VO²⁺.

Penambahan asam nitrat (agen pengoksidasi yang sangat kuat) pada larutan vanadium(II) juga dapat menghasilkan ion VO²⁺ yang berwarna biru. Vanadium(II) kembali teroksidasi menjadi vanadium(IV).

Penjelasan perubahan potensial redoks (potensial elektroda)

Penggunaan seng sebagai agen pereduksi

Tingkat pertama dari rangkaian reduksi

Coba perhatikan pada reduksi tingkat pertama – dari VO²⁺ ke VO²⁺. Potensial redoks setengah reaksi untuk vanadium diberikan oleh:

Kesetimbangan yang berkaitan untuk seng adalah:

Prinsip sederhana adalah jika kamu merangkaikan dua setengah reaksi secara bersamaan, salah satu setengah reaksi dengan harga E°yang lebih positif akan bergerak ke kanan; dan satu yang lain dengan harga E°yang negatif (kurang positif) akan bergerak ke kiri

Jadi… jika kamu mencampurkan seng dengan ion VO²⁺ dengan keberadaan asam adalah untuk menyediakan ion H⁺:

Konversi dua kesetimbangan menjadi satu jalan reaksi. Jika kamu menginginkannya, kamu dapat menulis hal itu berurutan ke bawah dan menggabungkannya untuk menghasilkan persamaan ionik untuk reaksi.

Tingkat reaksi yang lain

Berikut ini adalah harga-harga Eo untuk seluruh tahap reduksi dari vanadium(V) menjadi vanadium(II):

… dan berikut adalah harga untuk seng:

Harus diingat bahwa supaya reaksi vanadium bergerak ke arah kanan (sesuai dengan yang kita inginkan), harga E_o-nya harus lebih positif apapun yang kamu reaksikan dengannya.

Dengan kata lain, supaya reaksi dapat berlangsung, seng harus selalu memiliki harga lebih negatif – pada kasus ini.

Seng dapat mereduksi vanadium melalui tiap tahap dari tahapan-tahapan tersebut untuk menghasilkan ion vanadium(II).

Penggunaan agen reduksi yang lain

Andaikata kamu menggantikan seng sebagai agen pereduksi dengan timah. Seberapa jauh reduksi berlangsung kali ini?

Berikut adalah beberapa harga E° :

. . . dan berikut harga untuk timah:

Supaya setiap reaksi dapat terjadi, reaksi vanadium harus memiliki harga E^o lebih positif karena kita menginginkannya supaya reaksi tersebut bergeser kearah kanan. Hal ini berarti bahwa timah harus memiliki harga yang lebih negatif.

Pada persamaan vanadium yang pertama (dari +5 ke +4), harga untuk timah lebih negatif. Ini akan bekerja dengan baik.

Pada persamaan vanadium yang kedua (dari +4 ke +3), harga untuk timah lebih negatif juga. Ini juga akan bekerja dengan baik.

Tetapi pada reaksi vanadium yang terakhir (dari +3 ke +2), timah tidak lagi memiliki harga E^o yang lebih negatif. Timah tidak akan mereduksi vanadium(III) manjadi vanadium(II)

Re-oksidasi vanadium(II)

Tingkat oksidasi vanadium(II) lebih mudah teroksidasi kembali menjadi vanadium(III) – atau lebih tinggi.

Oksidasi oleh ion hidrogen

Kamu pasti ingat bahwa reduksi awal yang kita bicarakan adalah mengenai penggunaan seng dan asam pada labu yang disumbat dengan kapas mentah untuk menjaga supaya udara tetap diluar labu. Udara akan mengoksidasi ion vanadium(II) dengan cepat ? tetapi oksidasi juga akan terjadi jika ion hidrigen terdapat dalam larutan!

Larutan vanadium(II) hanya akan tetap stabil selama kamu menjaganya supaya udara tetap diluar dan dengan adanya seng. Seng dibutuhkan untuk menjaga supaya vanadium tereduksi.

Apa yang ajkan terjadi jika seng tidak ada disana? Lihatlah harga E^o berikut:

Reaksi dengan harga E° yang lebih negatif akan bergeser ke kiri; reaksi dengan harga lebih positif (atau kurang negatif) akan bergeser ke kanan.

Hal itu berarti bahwa ion vanadium (II) akan teroksidasi menjadi ion vanadium(III), dan ion hidrogen tereduksi menjadi hidrogen.

Akankah reaksi oksidasi berlanjut – sebagai contoh, ke tingkat vanadium(IV)?

Perhatikan beberapa harga E° dan tentukan:

Supaya kesetimbangan vanadium bergerak ke kiri, maka harus memiliki harga E^o yang lebih negatif. Kesetimbangan di atas tidak memiliki harga E^o yang lebih negatif dan karena itu reaksi tidak akan terjadi.

Oksidasi dengan asam nitrat

Pada arah yang sama, kamu dapat mencoba seberapa jauh asam nitrat akan mengoksidasi vanadium(II).

Berikut adalah tahap pertama:

Reaksi vanadium memiliki harga Eo yang lebih negatif dan jkarena itu reaksi akan bergerak ke kiri; reaksi asam nitrat bergerak ke kanan.

Asam nitrat akan mengoksidasi vanadium(II) menjadi vanadium(III).

Tahap yang kedua meliputi harga E^o:

Asam nitrat lagi-lagi memiliki harga E^o yang lebih positif dan karena itu bergerak ke kanan. Reaksi vanadium yang lebih negatif (kurang positif) bergerak ke kiri.

Asam nitrat tentu saja akan mengoksidasi vanadium(III) menjadi vanadium(IV).

Akankah hal ini akan terjadi untuk vanadium(V)?:

Tidak, itu tidak akan terjadi! Untuk reaksi vanadium supaya bergerak ke kiri untuk membentuk ion dioksovanadium(V), harus memiliki harga Eo yang lebih negatif (kurang positif). Reaksi kesetimbangan di atas tidak memiliki harga yang kurang positif, dan oleh karena itu reaksi tidak akan terjadi.

Catatan: Berikut adalah beberapa kemungkinan setengah-reaksi yang mungkin terjadi yang melibatkan asam nitrat dengan berbagai harga E_o. Dua diantaranya benar-benar memiliki harga E_o lebih positif di atas +1,00 dan karena itu, secara prinsip, asam nitrat dapat mengoksidasi vanadium(IV) menjadi vanadium(V) – tetapi membutuhkan produk asam nitrat dalam bentuk yang lain.

Pada prakteknya, jika kamu melakukan reaksi ini di laboratorium, larutan membiru ? menghasilkan tingkat vanadium (IV). Hanya karena harga E_o yang menunjukkan pada kamu bahwa kemungkinan reaksi dapat terjadi, kamu tidak dapat mengasumsikan bahwa hal itu akan benar-benar terjadi. Reaksi itu mungkin melibatkan rintangan energi aktivasi yang sangat besar, yang menyebabkan reaksi akan berjalan dengan sangat-sangat lambat!