Соединения Ti, Zr, Hf

Гидриды TI, Zr, Hf — металлоподобные порошкообразные соединения состава МеН₂. Это промежуточные вещества между твердыми растворами и ионными гидридами, они используются для получения Ti, Zr, Hf в виде порошков.

Оксиды ТЮ₂, Zr0₂, НЮ₂ — твердые тугоплавкие белые вещества. Они химически инертны, при длительном нагревании медленно взаимодействуют с кислотами, а при сплавлении — со щелочами и основными оксидами.

Химическая инертность делает возможным использование ТЮ₂ в качестве наполнителей в производстве резины, пластмасс, стекол, красок (титановые белила); Zr0₂ применяется для изготовления огнеупорных тиглей. Полученные искусственно прозрачные кристаллы Zr0₂ (с примесью НЮ₂) — фианиты, имеющие высокие показатели преломления, твердости, прочности и химической стойкости. Они применяются в технике и производстве ювелирных украшений.

Гидроксиды Ме0₂ • лН₂0 — студенистые осадки переменного состава. Свежеприготовленные осадки, имеющие большее число ОН- групп (a-форма), более реакционноспособны, чем «состарившиеся» ((3-форма). Гидроксид титана в a-форме описывают как ортотита- новую кислоту Н₄ТЮ₄, (3-форму — как метатитановую кислоту Н₂ТЮ₃. Это очень слабые электролиты, растворяющиеся в неорганических кислотах. При их сплавлении со щелочами образуются орто-, мета- и полититанаты.

В табл. 3.7 дана кислотно-основная характеристика оксидов, гидроксидов и соответствующих солей Ti, Zr, Hf. Из данных таблицы следует, что основные свойства гидроксидов с увеличением степени окисления металла ослабевают.

Кислородсодержащие соединения Ti, Zr, Hf

Многозарядные ионы Ме⁴⁺ сильно гидролизуются в растворе, при этом образуются устойчивые оксокатионы (ТЮ²⁺, Zr0²⁺, НЮ²⁺):

Оксокатионы обазуют устойчивые соли, которые существуют в твердом состоянии:

При сплавлении со щелочами образуются анионные комплексы — титанаты:

Устойчивость соединений металлов IVB группы с повышением степени окисления увеличивается. У соединений металлов в степени окисления +2 и +3 более выражены восстановительные свойства, они легко окисляются и склонны к диспропорционированию:

Последние две реакции являются эндотермическими, но сопровождаются увеличением энтропии (поскольку образуется газообразный продукт). Такие процессы возможны лишь при высокой температуре.

Применение титана, циркония, гафния

Наибольшее количество титана используется в форме сплавов. Сплавы на основе титана отличаются исключительно высокой прочностью даже при высоких температурах. Они находят различное применение в машиностроении, авиастроении, оборонной промышленности. Высокие антикоррозионные свойства титана и его сплавов используют в судостроении и химическом машиностроении.

Титан и цирконий, обладающие способностью связывать газы, применяются как геттеры в технике высокого вакуума. Присадки циркония и титана используют для раскисления и очистки стали от азота.

Чистый, свободный от гафния цирконий служит конструкционным материалом в атомных установках, поскольку он имеет малое сечение захвата тепловых нейтронов, хорошие антикоррозионные и механические свойства.

Металлический гафний обладает высоким сечением захвата тепловых нейтронов, поэтому его используют в регулирующих и защитных устройствах атомных реакторов.