Óxido de vanádio (IV) - Vanadium(IV) oxide
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| Nomes | |
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Nome IUPAC
Óxido de vanádio (IV)
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| Outros nomes
Dióxido de vanádio
Tetróxido de divanádio |
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| Identificadores | |
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Modelo 3D ( JSmol )
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100.031.661 
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PubChem CID
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Painel CompTox ( EPA )
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| Propriedades | |
| VO 2 | |
| Massa molar | 82,94 g / mol |
| Aparência | Pó preto-azulado |
| Densidade | 4,571 g / cm 3 (monoclínico) 4,653 g / cm 3 (tetragonal) |
| Ponto de fusão | 1.967 ° C |
| + 99,0 · 10 −6 cm 3 / mol | |
| Estrutura | |
| Distorcida rutilo (<70 ° C, monoclínica) rutilo (> 70 ° C, tetragonal) |
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| Perigos | |
| Riscos principais | tóxico |
| Frases R (desatualizado) | 36/37/38 |
| Frases S (desatualizado) | 26-36 / 37/39 |
| NFPA 704 (diamante de fogo) | |
| Ponto de inflamação | Não inflamável |
| Compostos relacionados | |
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Outros ânions
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Dissulfeto de vanádio Disseleneto de vanádio Ditelureto de vanádio |
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Outros cátions
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Óxido de nióbio (IV) Óxido de tântalo (IV) |
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Óxido de vanádio (II) Óxido de vanádio (III) Óxido de vanádio (V) |
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Exceto onde indicado de outra forma, os dados são fornecidos para materiais em seu estado padrão (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). |
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 verificar (o que é ?)
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| Referências da Infobox | |
O óxido de vanádio (IV) ou dióxido de vanádio é um composto inorgânico com a fórmula VO 2 . É um sólido azul escuro. O dióxido de vanádio (IV) é anfotérico , dissolvendo-se em ácidos não oxidantes para dar o íon vanadil azul , [VO] 2+ e em álcali para dar o íon [V 4 O 9 ] 2 - marrom , ou em pH alto [VO 4 ] 4− . O VO 2 tem uma transição de fase muito próxima à temperatura ambiente (~ 66 ° C). Resistividade elétrica, opacidade, etc, podem alterar várias ordens. Devido a essas propriedades, tem sido usado em revestimento de superfície, sensores e imagem. As aplicações potenciais incluem o uso em dispositivos de memória, interruptores de mudança de fase, sistemas de comunicação aeroespacial e computação neuromórfica .
Propriedades
Estrutura
Em temperaturas abaixo de T c = 340 K (67 ° C), VO
2 tem uma estrutura cristalina monoclínica ( grupo espacial P2 1 / c). Acima de T c , a estrutura é tetragonal , como rutilo TiO
2 . Na fase monoclínica, os íons V 4+ formam pares ao longo do eixo c, levando a distâncias VV curtas e longas alternadas de 2,65 Å e 3,12 Å. Em comparação, na fase rutilo os íons V 4+ são separados por uma distância fixa de 2,96 Å. Como resultado, o número de íons V 4+ na célula unitária cristalográfica dobra da fase rutilo para a fase monoclínica.
A morfologia de equilíbrio do rutilo VO
2 as partículas são aciculares, confinadas lateralmente por (110) superfícies, que são os planos de terminação mais estáveis. A superfície tende a ser oxidada em relação à composição estequiométrica, com o oxigênio adsorvido na superfície (110) formando espécies de vanadil. A presença de íons V 5+ na superfície do VO
2 filmes foi confirmado por espectroscopia de fotoelétrons de raios-X .
Eletrônico
No rutilo para a temperatura de transição monoclínica (67 ° C), VO
2 também exibe uma transição de metal para semicondutor em sua estrutura eletrônica: a fase rutilo é metálica enquanto a fase monoclínica é semicondutora. O gap óptico do VO 2 na fase monoclínica de baixa temperatura é de cerca de 0,7 eV.
Térmico
O VO 2 metálico contradiz a lei de Wiedemann-Franz que sustenta que a razão da contribuição eletrônica da condutividade térmica ( κ ) para a condutividade elétrica ( σ ) de um metal é proporcional à temperatura . A condutividade térmica que poderia ser atribuída ao movimento do elétron era de 10% do valor previsto pela lei de Wiedemann-Franz. A razão para isso parece ser a maneira fluídica com que os elétrons se movem através do material, reduzindo o movimento aleatório típico dos elétrons. Condutividade térmica ~ 0,2 W / m⋅K, condutividade elétrica ~ 8,0 × 10 ^ 5 S / m.
As aplicações potenciais incluem a conversão de calor residual de motores e eletrodomésticos em eletricidade ou coberturas de janelas que mantêm os edifícios resfriados. A condutividade térmica variou quando o VO 2 foi misturado a outros materiais. Em uma temperatura baixa, ele pode atuar como um isolante, enquanto conduz calor em uma temperatura mais alta.
Síntese e estrutura
Seguindo o método descrito por Berzelius , VO
2 é preparado por comproporcionamento de óxido de vanádio (III) e óxido de vanádio (V) :
-
V
2 O
5 + V
2 O
3 → 4 VO
2
Em temperatura ambiente, o VO 2 tem uma estrutura de rutilo distorcida com distâncias menores entre pares de átomos de V, indicando ligação metal-metal. Acima de 68 ° C, a estrutura muda para uma estrutura de rutilo não distorcida e as ligações metal-metal são rompidas, causando um aumento na condutividade elétrica e susceptibilidade magnética à medida que os elétrons de ligação são "liberados". A origem deste isolador para a transição de metal permanece controversa e é de interesse tanto para a física da matéria condensada quanto para aplicações práticas, como interruptores elétricos, filtros elétricos ajustáveis, limitadores de potência, nanoosciladores , memristores , transistores de efeito de campo e metamateriais .
Refletância infravermelha
VO
2 expressa propriedades reflexivas dependentes da temperatura. Quando aquecido da temperatura ambiente a 80 ° C, a radiação térmica do material sobe normalmente até 74 ° C, antes de repentinamente parecer cair para cerca de 20 ° C. À temperatura ambiente VO
2 é quase transparente à luz infravermelha. À medida que sua temperatura aumenta, ele muda gradualmente para reflexivo. Em temperaturas intermediárias, ele se comporta como um dielétrico altamente absorvente.
Uma película fina de óxido de vanádio em um substrato altamente refletivo (para comprimentos de onda infravermelhos específicos) como a safira é absorvente ou refletora, dependendo da temperatura. Sua emissividade varia consideravelmente com a temperatura. Quando o óxido de vanádio faz a transição com o aumento da temperatura, a estrutura sofre uma diminuição repentina na emissividade - parecendo mais fria para as câmeras infravermelhas do que realmente é.
Variar os materiais do substrato, por exemplo, óxido de índio e estanho, e modificar o revestimento de óxido de vanádio usando dopagem, deformação e outros processos, alteram os comprimentos de onda e as faixas de temperatura nas quais os efeitos térmicos são observados.
Estruturas em nanoescala que aparecem naturalmente na região de transição dos materiais podem suprimir a radiação térmica conforme a temperatura aumenta. A dopagem do revestimento com tungstênio reduz a faixa térmica do efeito para a temperatura ambiente.
Usos
Gerenciamento de radiação infravermelha
Filmes de dióxido de vanádio dopados e dopados com tungstênio podem atuar como revestimentos "espectralmente seletivos" para bloquear a transmissão infravermelha e reduzir a perda de calor no interior do edifício através das janelas. A variação da quantidade de tungstênio permite regular a temperatura de transição de fase a uma taxa de 20 ° C por 1 por cento atômico de tungstênio. O revestimento tem uma ligeira cor verde-amarelada.
Outras aplicações potenciais de suas propriedades térmicas incluem camuflagem passiva, balizas térmicas, comunicação ou para deliberadamente acelerar ou desacelerar o resfriamento (o que pode ser útil em uma variedade de estruturas, de casas a satélites).
O dióxido de vanádio pode atuar como moduladores ópticos extremamente rápidos , moduladores infravermelhos para sistemas de orientação de mísseis , câmeras, armazenamento de dados e outras aplicações. A transição de fase termocrômica entre a fase semicondutora transparente e a fase condutora reflexiva, ocorrendo a 68 ° C, pode acontecer em tempos tão curtos quanto 100 femtossegundos.
Computação de mudança de fase e memória
A transição de fase isolante-metal em VO 2 pode ser manipulada em nanoescala usando uma ponta de microscópio de força atômica condutora enviesada, sugerindo aplicações em computação e armazenamento de informações.
Veja também
Referências
Fontes citadas
- Haynes, William M., ed. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92ª ed.). CRC Press . ISBN 978-1439855119 .