Титан, цирконий, гафний и их соединения

Физические свойства. Титан, цирконий, гафний — серебристо-белые металлы, пластичны, имеют высокие температуры плавления, при наличии примесей N, О, С становятся хрупкими; при нагревании сильно поглощают водород, азот. Способны к воспламенению на воздухе.

Химические свойства. При нормальных условиях металлы инертны, так как на воздухе их поверхность покрывается оксидной и нитридной пленками, что придает металлам высокую коррозионную стойкость.

1. Взаимодействие с простыми веществами:

О взаимодействуют с простыми веществами — кислородом, азотом, галогенами, серой, углеродом, кремнием, бором, фосфором при нагревании:

2. Взаимодействие со сложными веществами:

О нерастворимы в воде, растворах щелочей и кислот, исключение составляют кислоты-комплексообразователи и кислоты-окислители:

Соединения

Оксиды Э02 — тугоплавкие белые вещества нестехиометрического строения, имеют слоистую структуру, состоящую из цепей октаэдров. В ряду Ti02-^Zr02-»Hf02 наблюдаются усиление основных свойств и ослабление их окислительной активности.

Оксид титана ТЮ2 растворяется в концентрированных кислотах, расплавах щелочей и карбонатов щелочных металлов:

Оксид циркония Zr02 растворяется в концентрированной HF, а также в расплавах щелочей и карбонатов щелочных металлов:

Оксид Ti203, как и TiO, при нагревании на воздухе окисляется до ТЮ2, в разбавленных серной и соляной кислотах превращается в сульфаты и хлориды Ti(III).

Гидроксиды Э02 яН20 (Э = Ti, Zr) — студенистые осадки переменного состава. Имеют различное строение в зависимости от времени приготовления: свежеполученный раствор Э—ОН (a-форма) растворяется в кислотах, переходит во времени в О—Э—О (p-форма). В ряду Ti^Zr^Hf наблюдается усиление основных свойств; так, Hf(OH)4 — амфотерное соединение. Черный Ti(OH)2, сильный восстановитель, не растворяется в воде:

Гидроксид Ti(OH)3 легко окисляется:

Получение осуществляется по реакции:

Кислоты Ti+4 — ортотитановая (а-титановая) Н2ТЮ4 и ме- татитановая (р-титановая) Н2ТЮ3 — очень слабые, растворяются в неорганических кислотах, сплавляются со щелочами с образованием орто-, мета-, полититанатов.

Соли. Известны дигалогениды металлов Э+2Г2 (Э = Ti, Zr), тригалогениды Э+3Г3 (Э = Ti, Zr, Hf), тетрагалогениды Э+4Г4 (Э = Ti, Zr, Hf) — активные кислоты Льюиса, склонные к реакциям присоединения, сульфиды Ti+2S, Ti+32S3; нитриды, карбиды и бориды Ti, Zr, Hf — тугоплавкие, твердые, химически стойкие соединения.

В пределах подгруппы IV6 сверху вниз уменьшается способность соединений металлов подвергаться гидролизу.

Комплексные соединения. Элементы подгруппы IV6 образуют ацидокомплексы и полиядерные гидроксооксоаквакомплек- сы. Устойчивость ацидокомплексов с галогенидными лигандами падает от F к I и растет при переходе от титана к гафнию. Известны H2[TiCl6], K3[ZrF7], Na4[HfF8]. Цирконий и гафний в водных растворах H2S04 находятся в виде комплексных анионов разного состава [Zr(S04)30]4-, [Zr(S04)3OH]3_.

Применение. Титан и его сплавы — очень ценный конструкционный материал высокой прочности, легкий, тугоплавкий,

химически стойкий при обычной температуре. Титан используют в качестве легирующей добавки, как материал для протезирования. Соединения титана применяются: ТЮ2 в качестве катализатора в органических синтезах, в лакокрасочной промышленности; ВаТЮ3 как материал для электрических конденсаторов большой емкости, TiC для удаления кислорода из стали, TiN для шлифовки драгоценных камней.

Цирконий используют как конструкционный материал для ядерных реакторов; ZrC для резки стекол и шлифовки, Zr02 с примесью НЮ2 — фианиты имеют очень высокий показатель преломления, твердые, прочные и химически стойкие, применяются в технике и для изготовления украшений.

Гафний используют для изготовления регулировочных стержней и защитных устройств в атомных реакторах; сплав ТаС (80 %) + HfC (20 %) — наиболее тугоплавкий из твердых веществ (/пл = 4215 °С) применяется для изделий с максимальной термостойкостью.

Токсикология. Соединения титана вызывают заболевания дыхательных путей. При отравлении соединениями циркония человек испытывает головные боли и боли в сердце. Гекса- фторцирконаты относят к промышленным ядам токсического действия. Соединения гафния малотоксичны.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

  • 1. Какова общая электронная конфигурация атомов элементов IV группы подгруппы германия в невозбужденном состоянии?
  • 2. Как изменяются металлические свойства в ряду Ge -> Sn -» Pb?
  • 3. Как изменяются кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства в рядах GeO -» SnO —> РЬО и Ge02 —> Sn02 -» РЬ02?
  • 4. Белое металлическое олово при длительном выдерживании на морозе переходит в порошкообразную серую форму (явление «оловянная чума»). С чем связан такой переход?
  • 5. Благодаря каким механическим свойствам титан используют в современном авиастроении?
  • 6. В чем растворяются металлы группы IV6? Напишите уравнения реакций.
  • 7. Кто впервые получил титан?
  • 8. Напишите реакцию синтеза курчатовия.
  • 9. Перечислите области применения титана и циркония.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >