«Титаны Возрождения» - Микеланджело-архитектор. Улыбка. Ренато Гуттузо. Микеланджело. Возвращение во Флоренцию. Значение знаменитой загадочной улыбки Моны Лизы становилось предметом бесконечных исследований. В 1501 году Микельанджело возвращается во Флоренцию. Мона Лиза (Джоконда), 1503 год. В обрамлении зеленых занавесей на светлых облаках идет Мария с Младенцем на руках.

«Периодическая система Менделеева» - Периодическая система элементов менделеева. Элементы, расположенные по возрастанию Z (H, He, Li, Be...), образуют 7 периодов. Для самих же «элементов» ничего подобного не известно. Д.И. Менделеев в молодые годы. Периодическая система элементов д.И.Менделеева. Заряд ядра Z равен атомному (порядковому) номеру элемента в системе.

«Элементы комбинаторики» - Подбор комбинаторных задач. Правило. Определение: В чем состоит комбинаторное правило умножения? Что такое комбинаторика? Что такое размещения? Пусть имеется n элементов и требуется выбрать один за другим некоторые k элементов. Что такое сочетания? Тема урока: «элементы комбинаторики» (практикум). Понятие науки « Комбинаторика».

«Периодическая система химических элементов» - Вокруг тебя творится мир живой. А. 3 Б. 6 В.16 Г. 32 5. Сколько протонов в атоме хлора? 1–В 2-В 3-Г 4-А 5-А 6-В 7-Б 8-В 8 ответов- «5» 7 ответов- «4» 6 ответов- «3». А. 2 Б. 3 В. 5 Г. 11. Стихи Степана Щипачева. Тестирование. 15-16 баллов – «5» -зеленый вагончик. Строение атома». Станция: «Отдыхай-ка».

«Водород в периодической системе» - Атом водорода. 1)Окисление: Окислительно-восстановительная реакция между водородом и фтором. Гремучий газ. 2) Восстановление: Положение водорода в периодической системе.

«Химические элементы в клетке» - Классификация химических элементов. Катионы и анионы клетки. Какие химические элементы преобладают в земной коре? Используя материал учебника, скажите, какова роль элементов в клетке? Актуализация знаний. В состав клетки входят органические и неорганические вещества. Используя п. 2.2. составьте схему «Классификация химических элементов, водящих в состав клетки».

• Титан - элемент главной подгруппы IV группы. Его электронная формула следующая:

• +22Тi 1s2|2s22p6|3s23p63d2|4s2

• Как и у многих других d-элементов, в атоме титана Тi подвижными являются не только электроны наружного энергетического уровня, но и два электрона d-подуровня. Поэтому титан в соединениях проявляет степени окисления + 2 и +4 (реже +3).

Нахождение в природе

• Важнейшими минералами, содержащими титан, являются: титаномагнетиты FeTiO3 *nFe3O4 , ильменит FeTiO3 , рутил TiO2 и др.

• Титановые руды распространены относительно широко, но содержание в них титана небольшое.

Получение

• Поскольку богатых титановых руд в земной коре нет, их приходится обогащать. Для получения титана концентрат обогащенных руд обрабатывают хлором в присутствии углерода:

• TiO2+2Cl2+2C=TiCl4+2CO

• Затем титан из хлорида титана (IV) восстанавливают натрием или магнием:

Получение

• Полученный титан содержит примеси. Для выделения чистого титана образующуюся смесь нагревают в вакууме. При этом магний и хлорид магния испаряются. Выделившийся титан переплавляют и получают компактный ковкий металл. Так как при этом производственном про­цессе используется дорогой металл магний Мg, себестоимость титана сравнительно велика.

^ Физические свойства

• Титан - серебристо-белый металл. Сравнительно легкий - немного тяжелее алюминия, но примерно в три раза прочнее его. Тугоплавкий (1665°С). В обычных условиях отличается высокой прочностью и вязкостью. Поддается различным видам обработки.

^ Химические свойства

Титан, как и алюминий, довольно активный металл. Однако благодаря образованию на поверхности металла плотной защитной оксидной пленки он обладает исключительно высокой стойкостью против коррозии превышающей стойкость нержавеющей стали. При обычных условиях на титан не действуют ни кислород воздуха, ни морская вода, ни даже царская водка. При повышенной температуре его химическая активность повы­шается. Так, например, титан реагирует с хлором:

Химические свойства

• При высокой температуре реагирует с кислородом:

Применение

Титан и его сплавы в связи с их легкостью, прочностью, термической и коррозионной стойкостью при­меняются для изготовления деталей самолетов, космиче­ских кораблей, ракет, подводных лодок, трубопроводов, котлов высокого давления, различных аппаратов для хи­мической промышленности. Титан широко используется в виде листов для обшивки корпусов судов, обеспечивающих высокую прочность и стойкость в морской воде.

• Титан, как и тантал, не действует на живые ткани организма, поэтому он применяется в хирургии для скрепления костей при переломах.

• Высокой кроющей способностью обладают титановые белила, основной составной частью которых является оксид титана (IV) ТiO2.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский Авиационный Институт

(национальный исследовательский университет)

Тема: Строение и свойства атомов химических элементов. Титан

Студент: Байтурина Р.Р.

Москва 2016

Содержание

• 2.Нахождение в природе
• 3. Получение
• 6.1 Характер гидроксидов
• Литература

1. Титан. Общая характеристика. История открытия

Титан (Titanium),Ti, - химический элемент IV группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер 22, атомный вес 47,90. Состоит из 5 устойчивых изотопов; получены также искусственно радиоактивные изотопы.

В 1791 году английский химик У. Грегор нашёл в песке из местечка Менакан (Англия, Корнуолл) новую "землю", названную им менакановой. В 1795 году немецкий химик М. Клаирот открыл в минерале рутиле неизвестную еще землю, металл которой он назвал Титан [в греч. мифологии титаны - дети Урана (Неба) и Геи (Земли)]. В 1797 году Клапрот доказал тождество этой земли с открытой У. Грегором. Чистый титан выделен в 1910 году американским химиком Хантером посредством восстановления четырёххлористого титана натрием в железной бомбе.

2.Нахождение в природе

Титан относится к числу наиболее распространённых в природе элементов, его содержание в земной коре составляет 0,6% (весовых). Встречается главным образом в виде двуокиси TiO 2 или её соединений - титанатов. Известно свыше 60 минералов, в состав которых входит титан Он содержится также в почве, в животных и растительных организмах. Ильменит FeTiO 3 и рутил TiO 2 служат основным сырьём для получения титана. В качестве источника титана приобретают значение шлаки от плавки титано-магнетитов и ильменита.

3. Получение

Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40.45 % ТiO2, - 30 % FеО,20 % Fе2О3 и 5.7 % пустой породы. Название этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита FеО-ТiO2.

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом, где оксиды железа и титана восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак - разливают отдельно в изложницы. Основной продукт этого процесса - титановый шлак - содержит 80.90 % ТiO 2, 2.5 % FеО и примеси SiO2, А12О3, СаО и др. Побочный продукт этого процесса - чугун - используют в металлургическом производстве.

Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных печах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся при пропускании через нее электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы внутрь печи - хлор. При температуре 800. 1250°С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды СаС12> МgС12 и др.:

ТiO2 + 2С + 2С12 = ТiСl + 2СО

Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благодаря различию температуры кипения этих хлоридов методом ректификации в специальных установках. Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при температуре 950.1000°С. В реактор загружают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаном происходит реакция

ТiС12 = Тi + 2МgС12.

Производство титана является технически сложным процессом. Двуокись титана TiO2 - химически прочное соединение. Металлический титан (tПЛ = 1725°С), обладает большой активностью. Он бурно реагирует с азотом при температуре 500-600°С и кислородом воздуха при 1200-1300°С, поглощает водород, взаимодействует с углеродом и т.д. Наиболее широкое распространение получил магниетермический способ, осуществляемый по следующей технологической схеме: титановая руда ® обогащение ® плавка на титановый шлак ® получение четыреххлористого титана TiCl4 ® восстановление титана магнием.

титан химический элемент атом

4. Физические и химические свойства

Титан существует в двух состояниях: аморфный - темносерый порошок, плотность 3,392-3,395г/см 3 , и кристаллический, плотность 4,5 г/см 3 . Для кристаллического титана известны две модификации с точкой перехода при 885° (ниже 885° устойчивая гексагональная форма, выше - кубическая); t° пл около 1680°; t° кип выше 3000°. Титан активно поглощает газы (водород, кислород, азот), которые делают его очень хрупким. Технический металл поддаётся горячей обработке давлением. Совершенно чистый металл может быть прокатан на холоду. На воздухе при обыкновенной температуре титан не изменяется, при накаливании образует смесь окисиTi 2 O 3 и нитрида TiN. В токе кислорода при красном калении окисляется до двуокиси TiO 2 . При высоких температурах реагирует с углеродом, кремнием, фосфором, серой и др. Устойчив к морской воде, азотной кислоте, влажному хлору, органическим кислотам и сильным щелочам. Растворяется в серной, соляной и плавиковой кислотах, лучше всего - в смеси HFиHNO 3 . Добавление к кислотам окислителя предохраняет металл от коррозии при комнатной температуре. Галогениды четырёхвалентного титана, за исключениемTiCl 4 - кристаллические тела, легкоплавкие и летучие в водном растворе гидрализованы, склонны к образованию комплексных соединений, из которых в технологии и аналитической практике имеет значение фтортитанат калияK 2 TiF 6 . Важное значение имеют карбид TiCи нитрид TiN - металлоподобные вещества, отличающиеся большой твёрдостью (карбид титан тверже карборунда), тугоплавкостью (TiC,t° пл = 3140°; TiN,t° пл = 3200°) и хорошей электропроводностью.

5. Электронное строение атома

Электронная формула титана имеет вид: 1s 2 |2s 2 2p 6 |3s 2 3p 6 3d 2 |4s 2 .

Порядковый номер титана в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева - 22. Номер элемента обозначает заряд ярда, следовательно у титана заряд ядра - +22, масса ядра - 47,87. Титан находится в четвертом периоде, в побочной подгруппе. Номер периода указывает на количество электронных слоев. Номер группы обозначает количество валентных электронов. Побочная подгруппа указывает на то, что титан относится к d-элементам.

Титан имеет два валентных электрона на s-орбитали внешнего слоя и два валентных электрона на d-орбитали предвнешнего слоя.

Квантовые числа для каждого валентного электрона:

Распределение валентных электронов по энергетическим уровням:

В возбужденном состоянии один электрон с 4s-орбитали перескакивает на 3d, образуя ковалентность равную четырем:

С галогенами и водородом Ti (IV) образует соединения видаTiX 4 , имеющие sp 3 >q 4 вид гибридизации.

Титан - металл. Является первым элементом d-группы. Наиболее устойчивым и распространенным являетсяTi +4 . Так же существуют соединения с более низкими степенями окисления - Ti 0 ,Ti -1 ,Ti +2 ,Ti +3 , но эти соединения легко окисляются воздухом, водой или другими реагентами вTi +4 . Отрыв четырех электронов требует больших затрат энергии, поэтому ион Ti +4 реально не существует и соединенияTi (IV) обычно включают связи ковалентного характера. Ti (IV) в некоторых отношениях сходен с элементами - Si,Ge,Sn и Pb, особенно сSn.

6. Свойства соединений титана

Оксиды титана:

Ti (IV) - TiO 2 - Двуокись титана. Имеет амфотерный характер. Наиболее устойчив и имеет наобольшее практическое значение.

Ti (III) - Ti 2 O 3 - окись титана. Имеет основной характер. Устойчив в растворе и является сильным восстановителем, как и остальные соединенияTi (III).

TI (II) - TiO 2 - Закись титана. Имеет основной характер. Наименее устойчив.

Двуокись титана, ТiO2, - соединение титана с кислородом, в котором титан четырёхвалентен. Белый порошок, желтый в нагретом состоянии. Встречается в природе главным образом в виде минерала рутила, t° пл выше 1850°. Плотностъ 3,9 - 4,25 г/см 3 . Практически нерастворима в щелочах и кислотах, за исключениемHF. В концентрированной Н 2 SO 4 растворяется лишь при длительном нагревании. При сплавлении двуокиси титана с едкими или углекислыми щелочами образуются титанаты, которые легко гидролизуются с образованием на холоду ортотитановой кислоты (или гидрата) Ti (OH) 4 , легко растворимой в кислотах. При стоянии она переходит в мстатитановую кислоту (форма), имеющую микрокристаллическую структуру и растворимую лишь в горячей концентрированной серной и фтористоводородной кислотах. Большинство титанатов практически нерастворимы в воде. Основные свойства двуокиси титана выражены сильнее кислотных, но соли, в которых титан является катионом, также в значительной мере гидролизуются с образованием двухвалентного радикала титанила TiO 2 + . Последний входит в состав солей в качестве катиона (например, сернокислый титанил TiOSO 4 *2H 2 O). Двуокись титана является одним из важнейших соединений титана, служит исходным материалом для получения других его соединений, а также частично металлического титана. Используется главным образом как минеральная краска, кроме того, как наполнитель в производстве резины и пластических металлов. Входит в состав тугоплавких стекол, глазурей, фарфоровых масс. Из нее изготовляют искусственные драгоценные камни, бесцветные и окрашенные.

Диоксид титана не растворяется в воде и разбавленных минеральных кислотах (кроме плавиковой) и разбавленных растворах щелочей.

Медленно растворяется в концентрированной серной кислоте:

TiO 2 + 2H 2 SO 4 = Ti (SO4) 2 + 2H 2 O

С пироксидом водорода образует ортотитановую кислоту H4TiO4:

TiO 2 + 2H 2 O 2 = H 4 TiO 4

В концентрированных растворах щелочей:

TiO 2 + 2NaOH = Na 2 TiO 3 + H 2 O

При нагревании диоксид титана с аммиаком образует нитрид титана:

2TiO 2 + 2NH 3 = 2TiN + 3H 2 O + O 2

В насыщенном растворе гидрокарбоната калия:

TiO 2 + 2KHCO 3 = K 2 TiO 3 + H 2 O + 2CO 2

При сплавлении с оксидами, гидроксидами и карбонатами образуются титанаты и двойные оксиды:

TiO 2 + BaO = BaO TiO 2 (BaTiO 3)

TiO 2 + BaCO 3 = BaO TiO2 + CO 2 (BaTiO 3)

TiO 2 + Ba (OH) 2 = BaO TiO 2 (BaTiO 3)

Гидроксиды титана:

H 2 TiO 3 - П.Р. = 1,0 10 -29

H 2 TiO 4 - П.Р. = 3,6 10 -17

TIO (OH) 2 - П.Р. = 1,0 10 -29

Ti (OH) 2 - П.Р. = 1,0 10 -35

Гидроскида Ti (IV) - Ti (OH) 4 или H 4 TiO 4 - ортотитановой кислоты по видимому вообще не существует, а осадок, выпадающий при добавлении оснований к растворам солейTi (IV), представляет собой гидратированную формуTiO 2 . Это вещество растворяется в концентрированных щелочах, и из таких растворов можно выделить гидратированные титанаты общей формулы: M 2 TiO 3 nH 2 OиM 2 Ti 2 O 5 nH 2 O.

Для титана характерно комплексообразование с соответствующими галогеноводородными кислотами и особенно с их солями. Наиболее типичны комплексные производные с общей формулой Мe 2 TiГ 6 (где Мe - одновалентный металл). Они хорошо кристаллизуются и подвергаются гидролизу гораздо менее, чем исходные галогенидыTiГ 4 . Это указывает на устойчивость комплексных ионовTiГ 6 в растворе.

Окраска производных титана сильно зависит от природы входящего в них галогена:

Устойчивость солей комплексных кислот типа Н 2 ЭГ 6 , в общем, возрастает по ряду Ti-Zr-Hf и уменьшается в ряду галогенов F-Cl-Br-I.

Производные трёхвалентных элементов более или менее характерны лишь для титана. Тёмно-фиолетовый оксид Тi 2 O 3 (т. пл.1820°С) может быть получен прокаливанием TiO 2 до 1200°C в токе водорода. В качестве промежуточного продукта при 700-1000°С образуется синий Ti 2 O 3 .

В воде Ti 2 O 3 практически нерастворим. Его гидроксид образуется в виде тёмно-коричневого осадка при действии щелочей на растворы солей трёхвалентного титана. Он начинает осаждаться из кислых растворов при рН = 4, имеет только основные свойства и в избытке щелочи не растворяется. Однако производящиеся от HTiO 2 титаниты металлов (Li, Na, Mg, Mn) были получены сухим путём. Известна также сине-чёрная "титановая бронза” состава Na0,2TiO 2 .

Гидроксид титана (III) легко окисляется кислородом воздуха. Если в растворе нет других способных окисляться веществ, одновременно с окислением Ti (OH) 3 идёт образование пероксида водорода. В присутствии Са (ОН) 2 (связывающего Н 2 О 2) реакция протекает по уравнению:

2Ti (ОН) 3 + O 2 + 2H 2 O = 2Ti (OH) 4 + H 2 O 2

Азотнокислые соли Тi (OH) 3 восстанавливает до аммиака.

Фиолетовый порошок ТiCl 3 может быть получен пропусканием смеси паров ТiCl 4 c избытком водорода сквозь нагретую до 650°С трубку. Нагревание вызывает его возгонку (с частичным образованием димерных молекул Ti 2 Cl 6) и затем дисмутацию по схеме:

2TiCl 3 = TiCl 4 + TiCl 2

Интересно, что уже при обычных условиях тетрахлорид титана постепенно восстанавливается металлической медью, образуя чёрное соединение состава CuTiCl 4 (т.е. СuCl·TiCl 3).

Трёххлористый титан образуется также при действии на TiCl 4 водорода в момент выделения (Zn + кислота). При этом бесцветный раствор окрашивается в характерный для ионов Ti 3+ фиолетовый цвет, и из него может быть выделен кристаллогидрат состава ТiCl 3 ·6H 2 O. Известен и малоустойчивый зелёный кристаллогидрат того же состава, выделяющийся из насыщенного HCl раствора TiCl 3 . Структуре обеих форм, равно как и аналогичных кристаллогидратов СrCl 3 , отвечают формулы Cl 3 и Cl·2Н 2 О. При стоянии в открытом сосуде раствор TiCl 3 постепенно обесцвечивается ввиду окисления Ti 3+ до Ti 4+ кислородом воздуха по реакции:

4TiCl 3 + O 2 +2H 2 O = 4TiOCl 2 + 4HCl.

Ион Тi3+ является одним из очень немногих восстановителей, довольно быстро восстанавливающих (в кислой среде) перхлораты до хлоридов. В присутствии платины Тi 3+ окисляется водой (с выделением водорода).

Безводный Ti 2 (SO 4) 3 имеет зелёный цвет. В воде он нерастворим, а раствор его в разбавленной серной кислоте имеет обычную для солей Ti 3+ фиолетовую окраску. От сульфата трёхвалентного титана производятся комплексные соли, главным образом типов Мe ·12H 2 O (где Мe - Сs или Rb) и Me (с переменным в зависимости от природы катиона содержанием кристаллизационной воды).

Теплота образования TiO (т. пл.1750°С) составляет 518 кДж/моль. Он получается в виде золотисто-жёлтой компактной массы нагреванием в вакууме до 1700°С спрессованной смеси TiO 2 + Ti. Интересным способом его образования является термическое разложение (в высоком вакууме при 1000°С) нитрила титанила.

Похожий по виду на металл, тёмно-коричневый TiS получен прокаливанием TiS 2 в токе водорода (первоначально при этом образуются сульфиды промежуточного состава, в частности Ti 2 S 3). Известны также TiSe, TiTe и силицид состава Ti 2 Si.

Все TiГ 2 образуются при нагревании соответствующих галогенидовTiГ 3 без доступа воздуха за счёт их разложения по схеме:

2TiГ 3 =TiГ 4 +TiГ 2

При несколько более высоких температурах галогениды TiГ 2 сами подвергаются дисмутации по схеме: 2TiГ 2 =TiГ 4 +Ti

Двухлористый титан может быть получен также восстановлением TiCl4 водородом при 700°С. Он хорошо растворим в воде (и спирте), а с жидким аммиаком даёт серый аммиакат TiCl 2 ·4NH 3 . Раствор TiCl 2 может быть получен восстановлением TiCl 4 амальгамой натрия. В результате окисления кислородом воздуха бесцветный раствор TiCl 2 быстро буреет, затем становится фиолетовым (Ti 3+) и, наконец, вновь обесцвечивается (Ti 4+). Получаемый действием щёлочи на раствор TiCl 2 чёрный осадок Ti (OH) 2 исключительно легко окисляется.

6.1 Характер гидроксидов

Титан благодаря легкости, термической, механической и коррозионной стойкости - важный конструкционный материал. Титановые сплавы при температуре 300-350 0 С в 10 раз прочнее алюминиевых. Для титана наиболее характерна степень окисления +4, но известны также соединения Ti (III) и реже Ti (II). Так, для титана известны оксиды TiO, Ti 2 O 3 и TiO 2 . Титан в двух - и трехвалентном состоянии отличается высокой восстановительной способностью. В последние годы ведутся работы по изысканию способов получения и стабилизации соединений титана (II) и титана (III).

Из гидроксидов титана наиболее устойчив гидроксид титана (IV) белого цвета TiO 2 ·nH 2 O. В зависимости от условий получения он может содержать переменные количества связанных с атомом титана групп-OH, структурную воду, кислотные оcтатки и адсорбированные катионы. Структура гидроксидов формируется в результате сложных процессов гидролиза и поликонденсации. Гидроксид титана, иногда условно называемый "титановой кислотой", который образуется при гидролизе тетрахлорида титана в водном растворе аммиака, представляет собой комплексные частицы состава 3+ . На следующей стадии гидролиза происходит поликонденсанция ионов 3+ с образованием олигомерных гидроксо- и оксопроизводных. Такую свежеосажденную титановую кислоту иногда называют альфа-титановой кислотой. Ее брутто-состав приближенно описывают формулой TiO 2 ·2H 2 O или Ti (OH) 4 . При осаждении на холоду она содержит большое число гидроксогрупп и поэтому является более реакционноспособной, амфотерна, причём и основные и кислотные свойства выражены очень слабо.

Ti (OH) 4 (альфа-форма) подвержен процессу старения, который происходит довольно быстро даже при комнатной температуре. Старение происходит за счет превращения гидроксильных мостиков в оксоловые. Такой процесс называют оксоляцией. Ему способствует повышение температуры, увеличение концентрации солей титана, щелочная среда и длительное хранение раствора. Оксоловый полимер (бета-титановая кислота TiO 2 ·nH 2 O, n=1 или H 2 TiO 3) содержит меньшее число ОН-групп и молекул воды, за счет дополнительных связей Ti-O-Ti между разными макромолекулами приобретает каркасное строение и поэтому отличается химической инертностью - не реагирует с растворами кислот и щелочей .

Гидроксид титана (III) Ti (OH) 3 - серо-фиолетовый осадок, не растворимый в воде, обладает только основными свойствами, т.е. не растворяется в щелочах, взаимодействует с кислотами, образуя соответствующие соли: 2Ti (OH) 3 + H 2 SO 4 = Ti 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O.

Соединения Ti (III) неустойчивы и являются восстановителями. Поэтому гидроксид титана (III) и его соли легко окисляются кислородом воздуха:

4Ti (OH) 3 + O 2 + (n - 6) H 2 O = 4TiO 2 ·nH 2 O .

Гидроксид титана (II) Ti (OH) 2 образуется в виде черного осадка при обработке галогенидов титана (II) щелочами. Активный восстановитель. Легко окисляется в присутствии воды с выделением водорода:

2Ti (OH) 2 + 2H 2 O = 2Ti (OH) 3 v + H 2 или Ti (OH) 2 + 2H 2 O = H 4 TiO 4 v + H 2 .

Экспериментально методом гидролиза TiOSO 4 горячей водой получен гидроксид титана (IV) в виде белого осадка: TiOSO 4 + (x+1) H 2 O = TiO 2 ·xH 2 Ov + H 2 SO 4 .

Опытным путем установлено, что гидроксид титана (IV) проявляет амфотерные, преимущественно основные, свойства: Ti (OH) 4 + 2H 2 SO 4 = H 2 + 2H 2 O.

При взаимодействии со щелочью осадок не растворяется. Это объясняется тем, что кислотные свойства гидроксида титана (IV) выражены очень слабо, и в условиях учебного лабораторного эксперимента не всегда удается их обнаружить даже у свежеосажденного Ti (OH) 4 . Для получения соединений Ti (III) к полученному гидроксиду титана (IV) добавляли концентрированную серную кислоту и цинковую пыль:

2Ti (OH) 4 + Zn + 4H 2 SO 4 = Ti 2 (SO 4) 3 + ZnSO 4 + 8H 2 O

При добавлении щелочи должен выпасть осадок гидроксида титана (III) серо - фиолетового цвета: Ti 2 (SO 4) 3 + 6NaOH= 2Ti (OH) 3 v +3Na 2 SO 4 .

Однако выпал белый осадок, т.е. образуется гидроксид титана (IV). Это объясняется тем, что соединения Ti (III) неустойчивы, являются восстановителями и быстро окисляются на воздухе. Опытным путем доказано, что гидроксиды титана в низших степенях окисления в водных растворах неустойчивы, и в присутствии кислорода невозможно получить гидроксиды титана (III) и (II) из соединений титана (IV).

7. Применение элемента и его соединений

Благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии титан - прекрасный материал для изготовления химической аппаратуры. Но главное свойство титана, способствующее все большему его применению в современной технике, - высокая жаростойкость как самого титана, так и его сплавов с алюминием и другими металлами. Кроме того эти сплавы обладают жаропрочностью - способностью сохранять высокие механические свойства при высоких температурах. Все это делает сплавы титана весьма ценными материалами для самолето- и ракетостроения. Несмотря на сравнительно высокую стойкость титана, применение его в химическом машиностроении вполне оправдывается, так как окупается продолжительностью службы изготовленного из него оборудования. Многие области техники уже не могут обходиться без титана.

Титан лишь немного тяжелее алюминия, но в три раза прочнее его. Это открывает перспективы применения титана в различных областях машиностроения. Достаточно указать, что использование деталей из титана и его сплавав в двигателях внутреннего сгорания позволяет снизить массу этих двигателей примерно на 30%.

Широкие возможности применения титана в технике вызвали бурное развитие его производства. В 1948 г. был получен первый промышленный титан в количестве 2,5 т, в 1954 г. мировое производство этого металла составило 7000 т, а в 1957 г. достигло 30 000 т. Таких темпов роста не наблюдалось в производстве ни одного другого из металлов.

Металлический титан похож на сталь; чистый титан ковок уже на холоду. Он применяется для производства жаропрочных карбидов. Для промышленных целей давно уже получают ферротитан, добавление которого в малых количествах (0,1%) в специальные стали повышает их тягучесть и увеличивает сопротивление на разрыв.

Сплавы с алюминием отличаются хорошей свариваемостью; прочность их по сравнению с чистым титаном значительно выше. Однако такие сплавы недостаточно хорошо поддаются горячей пластической деформации. Для улучшения технологичности сплавов при ковке и прокатке в их состав вводят марганец, молибден, хром ванадий и другие элементы. Повышение содержания алюминия в сплавах титана приводит к повышению жаропрочности.

Сплавы титана используют для изготовления широкого ассортимента полуфабрикатов. Из сплавов ВТ-1 и 3А1 изготавливают поковки, штамповки, листы; из сплава ОТ-4 - листы, из сплава ВТ3 - поковки. Жаропрочный сплав ВТ-6 используют для различного типа полуфабрикатов.

В процессе производства титановой губки и при переработке ее в готовые изделия образуется значительное количество отходов. Как правило, отходами являются кричная губка крупностью - 3+0мм и гарниссажная крупностью - 5+0мм. К отходам относятся и те части губки, которые удаляются при первичной обработке блока: верхняя и нижняя пленка и губка из мест соприкосновения блока со стенками реактора. Часть губки отбраковывается при визуальном осмотре ее на ленте транспортера.

Примерно 2/3 общего количества отходов являются кондиционными, но имеют повышенное содержание кислорода, азота и других примесей. Если отходы загрязнены примесями только с поверхности, то после соответствующей обработки их можно использовать для подшихтовки при изготовлении расходуемых электродов.

Отходы с загрязнением по всему сечению бруска пока не находят рационального применения в промышленности. Мелкие куски, четко разделенный сбор которых по сплавам нельзя гарантировать вследствие трудоемкости контроля состава, также относятся к некондиционным отходам. Рациональное использование и переработка отходов титана позволяют значительно увеличить количество изделий без увеличения мощности заводов, производящих титан.

Наиболее рациональным путем использования кондиционных отходов, получаемых при переработке титановой губки а слитки, листы и литые изделия, является возвращение их в повторную плавку. Если технологический процесс литья идет нормально, то качество металла отходов практически не отличается от качества металла отливок. Если отливка считается годной, то ее отходы могут быть использованы для переплава.

Из губки мелких фракций могут быть изготовлены металлокерамические фильтры для очистки магния. Отсевы титановой губки более мелких фракций могут быть использованы для изготовления прессованием различного рода металлокерамических деталей и титановой ленты путем прокатки порошков.

В настоящее время в промышленности широко используется метод предотвращения коррозии основного металла путем пленочного или диффузного покрытия его другим металлом, более стойким в этой среде. Высокая коррозионная стойкость титана во многих средах является одним из самых ценных его качеств. В ряде случаев титановые покрытия обладают более высокими коррозионными свойствами, чем титан, в частности при действии серной и соляной кислот.

Химическая промышленность может использовать значительные количества отходов титана, переработанных тем или иным способом в определенные продукты: двухлористый и треххлористый титан, гидрид титана, титансодержащие хлоридные расплавы и т.д.

Значительные количества некондиционных отходов титана применяются в черной металлургии для раскисления сталей. Учитывая высокую стоимость титановых отходов, использование их в черной металлургии нельзя признать рациональным.

Соединения титана

При высокой температуре титан соединяется с галогенами, кислородом серой, азотом и другими элементами. На этом основано применение сплавов титана с железом (ферротитана ) в качестве добавки к стали. Титан соединяется с находящимися в расплавленной стали азотом и кислородом и этим предотвращает выделение последних при затвердевании стали, - литье получается однородным и не содержит пустот.

Соединяясь с углеродом, титан образует карбид. Из карбидов титана и вольфрама с добавкой кобальта получают сплавы, по твердости приближающиеся к алмазу.

Диоксид титана TiO 2 - белое тугоплавкое вещество, нерастворимое в воде и разбавленных кислотах. Это - амфотерный оксид, но как основные, так и кислотные свойства у него выражены слабо.

Встречается в природе как рутил (кубическая сингония), реже в виде анатаза (тетрагональная сингония) и брукита (ромбическая сингония). В рутиле каждый ион Ti 4+ окружен шестью ионами О 2- , а каждый ион О 2 - окружен тремя ионами Ti 4+ . В остальных двух кристаллических формах непосредственные соседи ионов те же.

Совершенно чистый диоксид титана бесцветен. В природе он обычно загрязнен окисями железа и поэтому окрашен.

Совершенно не растворяется в воде и в разбавленных кислотах. В теплой концентрированной серной кислоте он растворяется медленно с возможным образованием сульфита титана Ti (SO 4) 2 , который, однако, нельзя выделить в чистом виде из-за легкости его перехода вследствие гидролиза в сульфит титанила ( TiO) SO 4 . Эта растворимая в холодной воде соль при нагревании также гидролизуется с образованием H 2 SO 4 и гидратированного диоксида титана, так называемой в -титановой или метатитановой кислоты . Легкость с которой происходит этот гидролиз, говорит о слабых основных свойствах гидроокиси титана. Сульфат титана дает с сульфатами щелочных металлов (которые добавляются к используемой для растворения диоксида титана серной кислоте) двойные соли, например K 2 , более устойчивые к гидролизу, чем простые сульфаты.

Гидроокиси и карбонаты щелочных металлов осаждают из растворов сульфатов на холоду студенистый гидратированный диоксид титана, так называемую Ь -титановую кислоту , отличающуюся от в-титановой более высокой реакционной способностью (так, например Ь-титановая кислота растворяется в щелочах, в которых в-титановая нерастворима). Гидроокись четырехвалентного титана, или собственно титановую кислоту Ti (OH) 4 , нельзя выделить, в этом она похожа на кремниевую и оловянную кислоты. Ь - и в - титановые кислоты, представляющие собой более или менее дегидратированные производные гидроокиси титана (IV), полностью сравнимы с Ь - и в-оловянными кислотами.

Нейтральный или подкисленный раствор сульфата титанила, а также других солей титана окрашивается перекисью водорода в темно-оранжевый цвет (реакция обнаружения перекиси водорода). Аммиак осаждает из этих растворов пероксотитановую кислоту H 4 TiO 5 желто-коричневого цвета, имеющую формулу Ti (OH) 3 O-OH.

Применяется TiO 2 при изготовлении тугоплавких стекол, глазури, эмали, жароупорной лабораторной посуды, а также для приготовления белой масляной краски, обладающей высокой кроющей способностью (титановые белила ).

Сплавлением TiO 2 с BaCO 3 получают титанат бария BaTiO 3 . Эта соль имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость и, кроме того, обладает способностью деформироваться под действием электрического поля. Кристаллы титаната бария применяются в электрических конденсаторах высокой емкости и малых размеров, в ультразвуковой аппаратуре, в звукоснимателях, в гидроакустических устройствах.

Хлорид титана (IV) TiCl 4 , получаемый тем же способом, что и SiCl 4 , представляет собой бесцветную жидкость с температурой кипения 136?C и температурой плавления - 32?С, гидролизующуюся водой с образованием TiO 2 и 4HCl. С галогенидами щелочных металлов хлорид титана (IV) дает двойные хлориды, содержащие комплексный ион 2- . Фторид титана (IV) TiF 4 выделяют в виде белого порошка с температурой плавления 284?С; он также легко гидролизуется и образует с HF гексафторотитановую (IV) кислоту H 2 TiF 6 , подобную гексафторкремниевой кислоте.

Безводный хлорид титана (III) TiCl 3 получают в виде фиолетового порошка пропусканием паров TiCl 4 вместе с Н 2 через медную трубку, нагретую примерно до 700?C. В виде водного раствора (фиолетового цвета) его получают восстановлением TiCl 4 в соляной кислоте при помощи цинка или электролитически. Так же получают и сульфат титана (III). Из водного раствора хлорида титана (III) выкристаллизовывается фиолетовый гексагидрат TiCl 3 ?6H 2 O.

Хлорид титана (II) TiCl 2 , окрашенный в черный цвет, получают термическим разложением TiCl 3 при 700?С в атмосфере водорода:

Бесцветный водный раствор этого хлорида быстро окисляется на воздухе, при этом он вначале окрашивается в фиолетовый цвет, а затем снова становится бесцветным вследствие образования сначала соединения Ti (III), а затем соединения Ti (IV).

Карбонитриды, оксикарбиды и оксинитриды титана. Обнаружено, что характер зависимости растворения тугоплавких фаз внедрения (ТФВ) - карбидов, нитридов и оксидов титана - от состава коррелирует с изменением степени металличности связей Ti-Ti в ряду TiC-TiN-TiO, а именно: с увеличением степени металличности фаз в этом направлении их химическая стойкость в HCl и H 2 SO 4 снижается, а в HNO 3 - растет. Поскольку карбиды, нитриды и монооксид титана характеризуются полной взаимной растворимостью, то можно ожидать, что и при взаимодействии их твердых растворов с кислотами будет проявляться аналогичная закономерность.

Однако имеющиеся в литературе сведения о зависимости степени растворения TiC x O y и TiN x O y от состава в минеральных кислотах плохо согласуются с этим предположением. Так, растворимость TiC x O y (фракция <56 мкм) в конц. HCl отсутствует вообще (20?C, 6 ч и 100?С, 3 ч), а в H 2 SO 4 - отсутствует при 20?C (6 ч), но монотонно возрастает от 3% (TiC 0.30 O 0.78) до 10% (TiC 0.86 O 0.12) при 100?C (3 ч). Степень растворения TiC x O y (фракция 15-20 мкм) в 92% -ной H 2 SO 4 (100?C, 1 ч), напротив, уменьшается с ростом содержания углерода от 16% (TiC 0.34 O 0.66) до 2% (TiC 0.78 O 0.22). Степень растворения TiC x O y в конц. HCl (d =1,19 г/см) в тех же условиях достигает 1-2%, не обнаруживая, однако, какой-либо зависимости от состава фазы. Степень растворения TiN x O y в конц. HNO 3 - низкая (2,5-3,0%) и не зависит от состава оксинитрида (20?C, 6 ч). С другой стороны степень растворения TiN x O y в HNO 3 в тех же условиях варьирует в очень широких пределах: от 98% для TiC 0.88 O 0.13 до 4,5% для TiC 0.11 O 0.82 . Трудно сказать что-либо определенное о характере зависимости степень растворения - состав карбонитрида титана в соляной и серной кислотах. Степень растворения TiC x O y в HCl очень мала (0,3%) и не зависит от состава карбонитрида (60?C, 6 ч). Однако в конц. H 2 SO 4 она на порядок выше (3,0-6,5%) и характеризуется минимумом (2%) для образца состава TiC 0.67 O 0.26 .

Полученные экспериментальные данные позволяют утверждать, что характер зависимости растворения TiC x N y , TiC x O y и TiN x O y от состава в HCl, H 2 SO 4 и HNO 3 является вполне определенным и, более того, подобным установленному ранее для TiC x , TiN x и TiO x . Это означает, что и причины качественно различного хода этих зависимостей в HCl и H 2 SO 4 , с одной стороны, и в HNO 3 с другой, должны быть общими для всех исследованных соединений системы TI-C-N-O, т.е. определяться степенью металличности связи Ti-Ti и пассивирующей способностью образующихся продуктов взаимодействия.

Титанаты лития и цинка Li 2 ZnTi 3 O 8 и Li 2 Zn 3 Ti 4 O 12 имеют кубическую шпинельную структуру с различным распределением катионов по позициям. Установлено, что эти соединения являются твердыми литийпроводящими электролитами. В Li 2 ZnTi 3 O 8 катионы лития и титана упорядочены в октаэдрических позициях в соотношении 1: 3, половина атомов лития и цинк статистически распределены по тетраэдрическим позициям: (Li 0.5 Zn 0.5) O 4 . Кристаллохимическая формула Li 2 Zn 3 Ti 4 O 12 может быть записана как (Zn) O 4 . На основе анализа ИК - и КР-спектров предложен иной способ распределения атомов лития и цинка в структуре данных шпинелей: литий имеет тетраэдрическую координацию, а цинк и титан - октаэдрическую. Отмечено также сильное искажение октаэдров TiO 6: так, в Li 2 Zn 3 Ti 4 O 12 окружение ионов Ti 4+ , близко к пяти координационному. Невысокая ионная проводимость этих титанатов при повышенных температурах объясняется тетраэдрической координацией атомов лития.

На примере галидных шпинелей Li 2 MX 4 (M=Mg 2+ ,Mn 2+ ,Fe 2+ ; X=Cl - ,Br -) установлено, что катионный состав и распределение атомов лития по позициям оказывает сильное влияние на величину электропроводности. Так как в структуре шпинели нет общих граней между одинаковыми катионными позициями, в ионном переносе участвует несколько различных позиций. Высокие значения ионной проводимости в хлоридных шпинелях наблюдались в результате разупорядочения структуры соединений, связанного с переходом атомов лития при повышенных температурах из тетраэдрических позиций 8а в свободные октаэдрические позиции 16с . При этом шпинельная структура превращалась в структуру типа NaCl. Информативным методом исследования разупорядочения структуры хлоридных шпинелей явилось изучение КР-спектров соединений при высоких температурах.

Литература

1. Н.Л. Глинка. Общая химия - Л.: Химия, 1981, - 720 с.;

2. К. Неницеску. Общая химия - М.: Мир, 1968, 816 с.;

3. Н.С. Ахметов. Общая и неорганическая химия - М.: Высшая школа, 743с.;

4. В.А. Жиляев, А.П. Штин. "Взаимодействие карбонитридов, оксикарбидов и оксинитридов титана с концентрированными минеральными кислотами", Журнал неорганической химии, т.48, №8 (Август 2003), с.1402;

5. И.А. Ленидов, Л.А. Переляева и др. "Исследование разупорядочения шпинелей Li 2 x Zn 2-3 x Ti 1+ x O 4 (x=0.33, 0.5) методом спектроскопии комбинационного рассеяния света: Корреляция с ионной проводимостью", Журнал неорганической химии, т.48, №11 (Ноябрь 2003), с.1841;

6. М.М. Годнева, Д.Л. Мотов, Химия подгруппы титана - Л.: Наука, 1980, - 175с.;

7. Сергеев В.В., Галицкий Н. В и др. Металлургия титана - М.: Металлургия, 1971, - 320с.;

8. Под ред. Галицкого Б.А. Титан и его сплавы в химическом машиностроении - М.: Машиностроение, 1968 - 340с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

История открытия элемента и его нахождение в природе. Способы получения металлов из руд, содержащих их окислы. Восстановление двуокиси титана углем, водородом, кремнием, натрием и магнием. Физические и химические свойства. Применение титана в технике.

реферат , добавлен 24.01.2011


Общая характеристика титана как химического элемента IV группы периодической системы Д.И. Менделеева. Химические и физические свойства титана. История открытия титана У. Грегором в 1791 году. Основные свойства титана и его применение в промышленности.

доклад , добавлен 27.04.2011


История и свойства олова. Происхождение названия титана, его аллотропические модификации, химические и физические свойства. Основные характеристики, позволяющие использовать данный металл. Применение титана и его сплавов в отраслях промышленности.

реферат , добавлен 27.05.2014


Общая характеристика химических элементов IV группы таблицы Менделеева, их нахождение в природе и соединения с другими неметаллами. Получение германия, олова и свинца. Физико-химические свойства металлов подгруппы титана. Сферы применения циркония.

презентация , добавлен 23.04.2014


Природные полиморфные модификации двуокиси титана, его физико-химические свойства и применение. Основы усовершенствования фотокатализа. Диоксид титана, легированный углеродом. Вещества, используемые в синтезе диоксида титана. Методика проведения синтеза.

курсовая работа , добавлен 01.12.2014


Титан как металл, элемент IV группы Периодической системы, его физические и химические свойства. Описание технологической схемы производства в металлургическом цехе. Восстановление тетрахлорида титана магнием. Расчет конструкционных размеров аппарата.

курсовая работа , добавлен 14.11.2013


Свойства молибдена и его соединений. История открытия элемента. Электронная структура атома, его расположение в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Химические и физические свойства молибдена, его оксидов и гидроксидов.

курсовая работа , добавлен 24.06.2008


Периодическая система химических элементов. Строение атомов и молекул. Основные положения координационной теории. Физические и химические свойства галогенов. Сравнение свойств водородных соединений. Обзор свойств соединений p-, s- и d-элементов.

лекция , добавлен 06.06.2014


Физические и химические свойства и электронное строение атома олова и его соединений с водородом, галогеном, серой, азотом, углеродом и кислородом. Оксиды и гидроксиды олова. Окислительно-восстановительные процессы. Электрохимические свойства металла.

курсовая работа , добавлен 06.07.2015


Сведения об углероде, восходящие к древности и распространение его в природе. Наличие углерода в земной коре. Физические и химические свойства углерода. Получение и применение углерода и его соединений. Адсорбционная способность активированного угля.