Коя е най-високата степен на окисление на титана. Съединения на титан, цирконий и хафний

Откриването на TiO 2 е направено почти едновременно и независимо от англичанина У. Грегор и немския химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, изучавайки състава на магнитен железен пясък (Крийд, Корнуол, Англия, 1789 г.), изолира нова "земя" (оксид) от неизвестен метал, който той нарече менакен. През 1795 г. немският химик Клапрот открива нов елемент в минерала рутил и го нарича титан, а по-късно установява, че рутилът и менакенската пръст са оксиди на един и същи елемент. Първата проба от метален титан е получена през 1825 г. от Й. Я. Берцелиус. Проба от чист Ti е получена от холандците A. van Arkel и J. de Boer през 1925 г. чрез термично разлагане на пари на титанов йодид TiI 4.

Физични свойства:

Титанът е лек, сребристо-бял метал. Пластмаса, заварена в инертна атмосфера.
Има висок вискозитет, по време на обработка е склонен към залепване към режещия инструмент и поради това е необходимо прилагането на специални покрития върху инструмента, различни смазочни материали.

Химични свойства:

При нормална температура той е покрит със защитен пасивиращ оксиден филм, устойчив на корозия, но когато се натроши на прах, той гори във въздуха. Титановият прах може да експлодира (точка на възпламеняване 400°C). При нагряване на въздух до 1200 ° C титанът изгаря с образуването на оксидни фази с променлив състав TiO x .
Титанът е устойчив на разредени разтвори на много киселини и основи (с изключение на HF, H 3 PO 4 и концентрирана H 2 SO 4), но лесно реагира дори със слаби киселини в присъствието на комплексообразуващи агенти, например с флуороводородна киселина HF образува комплексен анион 2-.
При нагряване титанът взаимодейства с халогени. С азот над 400°C титанът образува нитрида TiN x (x=0,58-1,00). Когато титанът взаимодейства с въглерода, се образува титанов карбид TiC x (x=0,49-1,00).
Титанът абсорбира водород, образувайки съединения с променлив състав TiH x . При нагряване тези хидриди се разлагат с отделяне на Н2.
Титанът образува сплави с много метали.
В съединенията титанът проявява степени на окисление +2, +3 и +4. Най-стабилното състояние на окисление е +4.

Най-важните връзки:

Титанов диоксид, TiO 2 . Бял прах, жълт при нагряване, плътност 3,9-4,25 g/cm 3 . Амфотерен. В концентриран H 2 SO 4 се разтваря само при продължително нагряване. Когато се слее със сода Na 2 CO 3 или поташ K 2 CO 3, TiO 2 оксидът образува титанати:
TiO 2 + K 2 CO 3 \u003d K 2 TiO 3 + CO 2
Титанов(IV) хидроксид, TiO(OH) 2 *xH 2 O, се утаява от разтвори на титанови соли, внимателно се калцинира, за да се получи TiO 2 оксид. Титановият (IV) хидроксид е амфотерен.
Титанов тетрахлорид, TiCl 4 , при нормални условия - жълтеникава, силно димяща течност във въздуха, което се обяснява със силната хидролиза на TiCl 4 с водни пари и образуването на малки капчици HCl и суспензия от титанов хидроксид. Врящата вода се хидролизира до титанова киселина (??). Титановият (IV) хлорид се характеризира с образуването на присъединителни продукти, например TiCl 4 *6NH 3, TiCl 4 *8NH 3, TiCl 4 *PCl 3 и др. При разтваряне на титанов (IV) хлорид в HCl се образува комплексна киселина Н 2, която е непозната в свободно състояние; неговите Me 2 соли кристализират добре и са стабилни на въздух.
Редукцията на TiCl 4 с водород, алуминий, силиций и други силни редуциращи агенти произвежда титанов трихлорид и дихлорид TiCl 3 и TiCl 2 - твърди вещества със силни редуциращи свойства.
Титанов нитрид- е интерстициална фаза с широка област на хомогенност, кристали с кубична лицево-центрирана решетка. Получаване - чрез азотиране на титан при 1200 ° C или по други методи. Използва се като топлоустойчив материал за създаване на устойчиви на износване покрития.

Приложение:

под формата на сплави.Металът се използва в химическата промишленост (реактори, тръбопроводи, помпи), леки сплави, остеопротези. Това е най-важният структурен материал в самолетостроенето, ракетостроенето и корабостроенето.
Титанът е легираща добавка в някои видове стомана.
Нитинол (никел-титан) е сплав с памет за формата, използвана в медицината и технологиите.
Титановите алуминиди са много устойчиви на окисляване и топлоустойчиви, което от своя страна определя използването им в авиационната и автомобилната индустрия като структурни материали.
Под формата на връзкиБелият титанов диоксид се използва в бои (например титаново бяло), както и в производството на хартия и пластмаси. Хранителна добавка Е171.
Органотитановите съединения (напр. тетрабутоксититан) се използват като катализатор и втвърдител в химическата и бояджийската промишленост.
Неорганичните титанови съединения се използват в химическата, електронната промишленост, производството на фибростъкло като добавка.

Матигоров А.В.
HF Тюменски държавен университет

Цирконият и хафният образуват съединения в степен на окисление +4, титанът също е способен да образува съединения в степен на окисление +3.

Съединения със степен на окисление +3. Съединенията на титан (III) се получават чрез редукция на съединения на титан (IV). Например:

1200 ºС 650 ºС

2TiO 2 + H 2 ¾® Ti 2 O 3 + H 2 O; 2TiCl 4 + H 2 ¾® 2TiCl 3 + 2HCl

Съединенията на титан (III) са лилави. Титановият оксид практически не се разтваря във вода, проявява основни свойства. Оксид, хлорид, Ti 3+ соли са силни редуциращи агенти:

4Ti +3 Cl 3 + O 2 + 2H 2 O \u003d 4Ti +4 OCl 2 + 4HCl

За съединенията на титан (III) са възможни реакции на диспропорциониране:

2Ti +3 Cl 3 (t) ¾® Ti +4 Cl 4 (g) + Ti +2 Cl 2 (t)

При по-нататъшно нагряване титановият (II) хлорид също диспропорционира:

2Ti +2 Cl 2 (t) \u003d Ti 0 (t) + Ti +4 Cl 4 (g)

Съединения със степен на окисление +4.Титан (IV), цирконий (IV) и хафний (IV) оксиди са огнеупорни, химически доста инертни вещества. Те проявяват свойствата на амфотерни оксиди: бавно реагират с киселини по време на продължително кипене и взаимодействат с основи по време на топене:

TiO 2 + 2H 2 SO 4 \u003d Ti (SO 4) 2 + 2H 2 O;

TiO 2 + 2NaOH \u003d Na 2 TiO 3 + H 2 O

Титановият оксид TiO 2 намира най-широко приложение, използва се като пълнител при производството на бои, каучук и пластмаси. Циркониевият оксид ZrO 2 се използва за производството на огнеупорни тигли и плочи.

Хидроксидититан (IV), цирконий (IV) и хафний (IV) - аморфни съединения с променлив състав - EO 2 × nH 2 O. Прясно получените вещества са доста реактивни и се разтварят в киселини, титановият хидроксид също е разтворим в основи. Старите седименти са изключително инертни.

Халогениди(хлориди, бромиди и йодиди) Ti(IV), Zr(IV) и Hf(IV) имат молекулна структура, летливи и реактивни са и лесно се хидролизират. При нагряване йодидите се разлагат и образуват метали, които се използват при производството на метали с висока чистота. Например:

TiI 4 = Ti + 2I 2

Флуоридите на титан, цирконий и хафний са полимерни и слабо реактивни.

солелементите от титанова подгрупа в степен на окисление +4 са малко и хидролитично нестабилни. Обикновено, когато оксиди или хидроксиди реагират с киселини, не се образуват средни соли, а оксо- или хидроксо производни. Например:

TiO 2 + 2H 2 SO 4 \u003d TiOSO 4 + H 2 O; Ti (OH) 4 + 2HCl \u003d TiOСl 2 + H 2 O

Описани са голям брой анионни комплекси на титан, цирконий и хафний. Най-стабилни в разтвори и лесно образуващи се флуорни съединения:

EO 2 + 6HF \u003d H 2 [EF 6] + 2H 2 O; EF 4 + 2KF \u003d K 2 [EF 6]

Титанът и неговите аналози се характеризират с координационни съединения, в които пероксидният анион играе ролята на лиганд:

E (SO 4) 2 + H 2 O 2 \u003d H 2 [E (O 2) (SO 4) 2]

В този случай разтворите на титанови (IV) съединения придобиват жълто-оранжев цвят, което дава възможност за аналитично откриване на титанови (IV) катиони и водороден пероксид.

Хидридите (EN 2), карбидите (ES), нитридите (EN), силицидите (ESi 2) и боридите (EV, EV 2) са съединения с променлив състав, подобни на метали. Бинарните съединения имат ценни свойства, които им позволяват да се използват в технологиите. Например сплав от 20% HfC и 80% TiC е една от най-огнеупорните, т.т. 4400 ºС.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Титанразположени в четвъртия период на група IV от вторичната (B) подгрупа на периодичната система. Обозначение - Ti. Под формата на просто вещество титанът е сребристо-бял метал.

Отнася се за леки метали. Огнеупорен. Плътност - 4.50 g/cm 3 . Точките на топене и кипене са съответно 1668 o C и 3330 o C.

Титанът е устойчив на корозия, когато е изложен на въздух при нормална температура, което се обяснява с наличието на защитен филм от TiO 2 състав на повърхността му. Химически стабилен в много агресивни среди (разтвори на сулфати, хлориди, морска вода и др.).

Степента на окисление на титан в съединения

Титанът може да съществува под формата на просто вещество - метал, а степента на окисление на металите в елементарно състояние е нула, тъй като разпределението на електронната плътност в тях е равномерно.

В своите съединения титанът може да проявява окислителни състояния (+2) (Ti +2 H 2, Ti +2 O, Ti +2 (OH) 2, Ti +2 F 2, Ti +2 Cl 2, Ti +2 Br 2), (+3) (Ti +3 2 O 3, Ti +3 (OH) 3, Ti +3 F 3, Ti +3 Cl 3, Ti +3 2 S 3) и (+4) (Ti +4 F4, Ti +4 H4, Ti +4 Cl4, Ti +4 Br4).

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

Упражнение	Валентност III и степен на окисление (-3) азот показва в съединението: а) N 2 H 4; б) NH3; c) NH4CI; г) N 2 O 5
Решение	За да дадем правилен отговор на поставения въпрос, последователно ще определим валентността и степента на окисление на азота в предложените съединения. а) валентността на водорода винаги е равна на I. Общият брой единици на валентността на водорода е 4 (1 × 4 = 4). Разделете получената стойност на броя на азотните атоми в молекулата: 4/2 \u003d 2, следователно валентността на азота е II. Този отговор е неправилен. б) валентността на водорода винаги е равна на I. Общият брой единици на валентността на водорода е 3 (1 × 3 = 3). Разделяме получената стойност на броя на азотните атоми в молекулата: 3/1 \u003d 2, следователно валентността на азота е III. Степента на окисление на азота в амоняка е (-3): Това е правилният отговор.
Отговор	Вариант (б).

ПРИМЕР 2

Упражнение	Хлорът има една и съща степен на окисление във всяко от двете съединения: а) FeCl3 и Cl2O5; b) KClO 3 и Cl 2 O 5; в) NaCl и HClO; г) KClO 2 и CaCl 2.
Решение	За да дадем правилен отговор на поставения въпрос, последователно ще определим степента на окисление на хлора във всяка двойка от предложените съединения. а) Степента на окисление на желязото е (+3), а на кислорода - (-2). Нека вземем стойността на степента на окисление на хлора като "x" и "y" съответно в железен (III) хлорид и хлорен оксид: y×2 + (-2)×5 = 0; Отговорът е неправилен. б) Степените на окисление на калия и кислорода са съответно (+1) и (-2). Нека вземем стойността на степента на окисление на хлора като "x" и "y" в предложените съединения: 1 + x + (-2)×3 = 0; y×2 + (-2)×5 = 0; Отговорът е правилен.
Отговор	Вариант (б).

Вечен, мистериозен, космически - всички тези и много други епитети се приписват на титана в различни източници. Историята на откриването на този метал не беше тривиална: в същото време няколко учени работиха върху изолирането на елемента в неговата чиста форма. Процесът на изучаване на физичните, химичните свойства и определяне на областите на неговото приложение днес. Титанът е металът на бъдещето, мястото му в човешкия живот все още не е окончателно определено, което дава на съвременните изследователи огромно поле за творчество и научни изследвания.

Характеристика

Химическият елемент е обозначен в периодичната таблица на Д. И. Менделеев със символа Ti. Намира се във вторичната подгрупа на група IV от четвъртия период и има пореден номер 22. Титанът е бяло-сребрист метал, лек и издръжлив. Електронната конфигурация на атома има следната структура: +22)2)8)10)2, 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 2 4S 2. Съответно титанът има няколко възможни степени на окисление: 2, 3, 4; в най-стабилните съединения той е четиривалентен.

Титан - сплав или метал?

Този въпрос интересува мнозина. През 1910 г. американският химик Хънтър получава първия чист титан. Металът съдържа само 1% примеси, но в същото време количеството му се оказва незначително и не дава възможност за по-нататъшно изследване на свойствата му. Пластичността на полученото вещество се постига само под въздействието на високи температури, при нормални условия (стайна температура) пробата е твърде крехка. Всъщност този елемент не интересуваше учените, тъй като перспективите за използването му изглеждаха твърде несигурни. Трудността при получаването и изследването допълнително намали потенциала за неговото приложение. Едва през 1925 г. химиците от Холандия I. de Boer и A. Van Arkel получават титанов метал, чиито свойства привличат вниманието на инженери и дизайнери по целия свят. Историята на изследването на този елемент започва през 1790 г., точно по това време, паралелно, независимо един от друг, двама учени откриват титана като химичен елемент. Всеки от тях получава съединение (оксид) на вещество, като не успява да изолира метала в чист вид. Откривателят на титана е английският минералог монах Уилям Грегор. На територията на своята енория, разположена в югозападната част на Англия, младият учен започва да изучава черния пясък на долината Менакен. Резултатът беше освобождаването на лъскави зърна, които бяха титаново съединение. По същото време в Германия химикът Мартин Хайнрих Клапрот изолира ново вещество от минерала рутил. През 1797 г. той също доказва, че елементите, отворени паралелно, са подобни. Титановият диоксид е мистерия за много химици повече от век и дори Берцелиус не успя да получи чист метал. Най-новите технологии на 20 век значително ускориха процеса на изучаване на споменатия елемент и определиха първоначалните насоки за неговото използване. В същото време обхватът на приложение непрекъснато се разширява. Само сложността на процеса на получаване на такова вещество като чист титан може да ограничи неговия обхват. Цената на сплавите и метала е доста висока, така че днес не може да измести традиционното желязо и алуминий.

произход на името

Менакин е първото име за титан, което се използва до 1795 г. Така по териториална принадлежност У. Грегор нарича новия елемент. Мартин Клапрот дава на елемента името "титан" през 1797 г. По това време неговите френски колеги, водени от доста уважаван химик А. Л. Лавоазие, предложиха да се наименуват новооткритите вещества в съответствие с техните основни свойства. Германският учен не беше съгласен с този подход, той съвсем разумно вярваше, че на етапа на откриване е доста трудно да се определят всички характеристики, присъщи на дадено вещество, и да се отразят в името. Трябва обаче да се признае, че терминът, интуитивно избран от Клапрот, напълно съответства на метала - това многократно е подчертавано от съвременните учени. Има две основни теории за произхода на името титан. Металът би могъл да бъде определен в чест на елфическата кралица Титания (персонаж от германската митология). Това име символизира едновременно лекотата и здравината на веществото. Повечето учени са склонни да използват версията за използването на древногръцката митология, в която мощните синове на богинята на земята Гея се наричат ​​титани. В полза на тази версия говори и името на открития по-рано елемент уран.

Да бъдеш сред природата

От металите, които са технически ценни за хората, титанът е четвъртият най-разпространен в земната кора. Само желязото, магнезият и алуминият се характеризират с голям процент в природата. Най-високото съдържание на титан се отбелязва в базалтовата обвивка, малко по-малко в гранитния слой. В морската вода съдържанието на това вещество е ниско - приблизително 0,001 mg / l. Химическият елемент титан е доста активен, така че не може да се намери в чист вид. Най-често той присъства в съединения с кислород, докато има валентност четири. Броят на минералите, съдържащи титан, варира от 63 до 75 (в различни източници), докато на сегашния етап на изследване учените продължават да откриват нови форми на неговите съединения. За практическа употреба от голямо значение са следните минерали:

1. Илменит (FeTiO 3).
2. Рутил (TiO 2).
3. Титанит (CaTiSiO 5).
4. Перовскит (CaTiO 3).
5. Титаномагнетит (FeTiO 3 + Fe 3 O 4) и др.

Всички съществуващи руди, съдържащи титан, са разделени на разсипни и основни. Този елемент е слаб мигрант, той може да пътува само под формата на скални късове или движещи се тинести дънни скали. В биосферата най-голямо количество титан има във водораслите. При представители на сухоземната фауна елементът се натрупва в роговите тъкани, косата. Човешкото тяло се характеризира с наличието на титан в далака, надбъбречните жлези, плацентата, щитовидната жлеза.

Физически свойства

Титанът е цветен метал със сребристо-бял цвят, който прилича на стомана. При температура от 0 0 C плътността му е 4,517 g / cm 3. Веществото има ниско специфично тегло, което е характерно за алкалните метали (кадмий, натрий, литий, цезий). По отношение на плътността титанът заема междинна позиция между желязото и алуминия, докато характеристиките му са по-високи от тези на двата елемента. Основните свойства на металите, които се вземат предвид при определяне на обхвата на тяхното приложение, са твърдостта. Титанът е 12 пъти по-здрав от алуминия, 4 пъти по-здрав от желязото и медта, като същевременно е много по-лек. Пластичността и неговата граница на провлачване позволяват обработка при ниски и високи температури, както в случая с други метали, т.е. занитване, коване, заваряване, валцуване. Отличителна черта на титана е неговата ниска топло- и електропроводимост, като тези свойства се запазват при повишени температури, до 500 0 C. В магнитно поле титанът е парамагнитен елемент, не се привлича като желязото и не се избутва като мед. Много високите антикорозионни характеристики в агресивни среди и при механични натоварвания са уникални. Повече от 10 години престой в морска вода не промени външния вид и състава на титановата плоча. Желязото в този случай би било напълно унищожено от корозия.

Термодинамични свойства на титан

1. Плътността (при нормални условия) е 4,54 g/cm 3 .
2. Атомното число е 22.
3. Група метали - огнеупорни, леки.
4. Атомната маса на титана е 47,0.
5. Точка на кипене (0 С) - 3260.
6. Моларен обем cm 3 / mol - 10,6.
7. Точката на топене на титана (0 С) е 1668.
8. Специфична топлина на изпарение (kJ / mol) - 422,6.
9. Електрическо съпротивление (при 20 0 C) Ohm * cm * 10 -6 - 45.

Химични свойства

Повишената устойчивост на корозия на елемента се обяснява с образуването на малък оксиден филм на повърхността. Предотвратява (при нормални условия) газове (кислород, водород) в околната атмосфера на елемент като метален титан. Свойствата му се променят под въздействието на температурата. Когато се повиши до 600 0 C, възниква реакция на взаимодействие с кислорода, което води до образуването на титанов оксид (TiO 2). При абсорбиране на атмосферни газове се образуват крехки съединения, които нямат практическо приложение, поради което заваряването и топенето на титан се извършват във вакуумни условия. Обратимата реакция е процесът на разтваряне на водород в метала, протича по-активно с повишаване на температурата (от 400 0 C и повече). Титанът, особено неговите малки частици (тънка плоча или тел), гори в азотна атмосфера. Химическа реакция на взаимодействие е възможна само при температура от 700 0 C, което води до образуването на TiN нитрид. Образува силно твърди сплави с много метали, често като легиращ елемент. Той реагира с халогени (хром, бром, йод) само в присъствието на катализатор (висока температура) и при взаимодействие със сухо вещество. В този случай се образуват много твърди огнеупорни сплави. С разтвори на повечето алкали и киселини титанът не е химически активен, с изключение на концентрирана сярна (с продължително кипене), флуороводородна, гореща органична (мравчена, оксалова).

Място на раждане

Илменитовите руди са най-разпространените в природата - техните запаси се оценяват на 800 милиона тона. Отлаганията на рутил са много по-скромни, но общият обем - при запазване на растежа на производството - трябва да осигури на човечеството за следващите 120 години такъв метал като титан. Цената на готовия продукт ще зависи от търсенето и повишаването на нивото на технологичност, но средно варира в диапазона от 1200 до 1800 рубли / кг. В условията на постоянно техническо усъвършенстване, цената на всички производствени процеси се намалява значително с навременната им модернизация. Китай и Русия имат най-големи запаси, Япония, Южна Африка, Австралия, Казахстан, Индия, Южна Корея, Украйна, Цейлон също имат база от минерални ресурси. Находищата се различават по обем на производство и процентно съдържание на титан в рудата, продължават геоложки проучвания, което позволява да се предположи намаляване на пазарната стойност на метала и по-широкото му използване. Русия е най-големият производител на титан.

Касова бележка

За производството на титан най-често се използва титанов диоксид, който съдържа минимално количество примеси. Получава се чрез обогатяване на илменитови концентрати или рутилови руди. В електродъговата пещ се извършва топлинна обработка на рудата, която е придружена от отделяне на желязо и образуване на шлака, съдържаща титанов оксид. Сулфатният или хлоридният метод се използва за обработка на несъдържащата желязо фракция. Титановият оксид е сив прах (вижте снимката). Титановият метал се получава чрез поетапната му обработка.

Първата фаза е процесът на синтероване на шлаката с кокс и излагане на хлорни пари. Полученият TiCl 4 се редуцира с магнезий или натрий, когато се изложи на температура от 850 0 C. Титановата гъба (пореста стопена маса), получена в резултат на химическа реакция, се пречиства или разтопява в слитъци. В зависимост от по-нататъшната посока на използване се образува сплав или чист метал (примесите се отстраняват чрез нагряване до 1000 0 C). За производството на вещество със съдържание на примеси 0,01% се използва йодидният метод. Основава се на процеса на изпаряване на неговите пари от титаниева гъба, предварително обработена с халоген.

Приложения

Температурата на топене на титана е доста висока, което, като се има предвид лекотата на метала, е безценно предимство при използването му като конструктивен материал. Поради това намира най-голямо приложение в корабостроенето, авиационната индустрия, производството на ракети и химическата промишленост. Титанът доста често се използва като легираща добавка в различни сплави, които имат повишена твърдост и топлоустойчивост. Високите антикорозионни свойства и способността да издържат на най-агресивните среди правят този метал незаменим за химическата промишленост. Титанът (неговите сплави) се използва за направата на тръбопроводи, резервоари, клапани, филтри, използвани при дестилацията и транспортирането на киселини и други химически активни вещества. Той е в търсенето при създаването на устройства, работещи в условия на повишени температурни показатели. Титановите съединения се използват за направата на издръжливи режещи инструменти, бои, пластмаси и хартия, хирургически инструменти, импланти, бижута, довършителни материали и се използват в хранително-вкусовата промишленост. Всички посоки са трудни за описание. Съвременната медицина, поради пълната биологична безопасност, често използва метален титан. Цената е единственият фактор, който засега влияе върху широчината на приложение на този елемент. Справедливо е да се каже, че титанът е материалът на бъдещето, чрез изучаване на който човечеството ще премине към нов етап на развитие.

1941 Температура на кипене 3560 Уд. топлина на топене 18,8 kJ/mol Уд. топлина на изпарение 422,6 kJ/mol Моларен топлинен капацитет 25,1 J/(K mol) Моларен обем 10,6 cm³/mol Кристална решетка на просто вещество Решетъчна структура шестоъгълна
плътно опакован (α-Ti) Параметри на решетката a=2,951 c=4,697 (α-Ti) Поведение ° С/а 1,587 Температура Дебай 380 Други характеристики Топлопроводимост (300 K) 21,9 W/(m K) № CAS 7440-32-6

Енциклопедичен YouTube

1 / 5

✪ Титан / титан. Химията е лесна

✪ Титанът е НАЙ-ЗДРАВИЯТ МЕТАЛ НА ЗЕМЯТА!

✪ Химия 57. Елементът е титан. Елемент Меркурий - Академия на забавните науки

✪ Производство на титан. Титанът е един от най-здравите метали в света!

✪ Иридий - най-РЕДКИЯ метал на Земята!

субтитри

Здравейте всички! Александър Иванов е с вас и това е проектът "Химията е проста" А сега ще го осветим малко с титан! Ето как изглеждат няколко грама чист титан, които са получени преди много време в университета в Манчестър, когато той дори още не е бил университет Тази проба е от същия музей Ето какъв е основният минерал, от който е титанът извлечен изглежда като Това е рутил Има повече от 100 известни минерала, които съдържат титан През 1867 г. всичко, което хората знаеха за титана, се побираше в учебник на 1 страница До началото на 20-ти век нищо наистина не се промени През 1791 г. английският химик и минералогът Уилям Грегор открива нов елемент в минерала менакинит и го нарича "менакин" Малко по-късно, през 1795 г., немският химик Мартин Клапрот открива нов химичен елемент в друг минерал - рутил. Титанът получава името си от Клапрот, който го наименува в чест на кралицата на елфите Титания.Въпреки това, според друга версия, името на елемента идва от титаните, могъщите синове на богинята на земята - Геите Въпреки това, през 1797 г. се оказа, че Грегор и Клапрот са открили същия химичен елемент.Но името този, който Клапрот даде, остана. Но нито Грегор, нито Клапрот успяха да получат метален титан. Те получиха бял кристален прах, който беше титанов диоксид. За първи път метален титан беше получен от руския учен Д.К. Кирилов през 1875 г. Но както се случва без подходящо покритие, работата му не е забелязана.След това чист титан е получен от шведите Л. Нилсон и О. Петерсън, както и от французина Моасан.И едва през 1910 г. американският химик М. Хънтър подобри предишните методи за получаване на титан и получи няколко грама чист 99% титан.Ето защо в повечето книги Хънтър посочва как ученият, който е получил метален титан. в състава си го прави много крехък и крехък, което не позволява механична обработка Следователно някои титанови съединения намериха широкото си използване преди самия метал Титановият тетрахлорид се използва през Първата световна война за създаване на димни завеси На открито титановият тетрахлорид се хидролизира за образуване на титанов оксихлорид и титанов оксид Белият дим, който виждаме, са частиците оксихлорид и титанов оксид Какво точно представляват тези частици Можем да потвърдим, ако капнем няколко капки титанов тетрахлорид във вода. Титановият тетрахлорид в момента се използва за получаване на метален титан. Методът за получаване на чист титан не се е променил от сто години. Първо, титановият диоксид се превръща с хлор в титанов тетрахлорид , за което говорихме по-рано.След това с помощта на магнезиеватермия се получава титанов метал от титанов тетрахлорид, който се образува под формата на гъба.Този процес се извършва при температура от 900 ° C в стоманени реторти Поради суровите условия на реакция, за съжаление нямаме възможност да покажем този процес.В резултат на това се получава титанова гъба, която се претопява в компактен метал.За получаване на свръхчист титан се използва метод за рафиниране на йодид, който ще разкажем подробно във видеото за циркония. Както вече забелязахте, титановият тетрахлорид е прозрачна безцветна течност при нормални условия. Но ако вземем титанов трихлорид, той е твърдо лилаво нещо. само един хлорен атом по-малко в молекулата и вече различно състояние Титановият трихлорид е хигроскопичен. Следователно е възможно да се работи с него само в инертна атмосфера Титановият трихлорид се разтваря добре в солна киселина Вие сега наблюдавате този процес В разтвора се образува комплексен йон 3 Какво представляват комплексните йони, ще ви кажа някои друг път следващия път. Междувременно просто се ужасете :) Ако към получения разтвор се добави малко азотна киселина, тогава се образува титанов нитрат и се отделя кафяв газ, което всъщност виждаме. Има качествена реакция на титаниеви йони. Капваме водороден прекис , Както можете да видите, протича реакция с образуването на ярко оцветено съединение Това е пертитанова киселина.През 1908 г. титановият диоксид започва да се използва в Съединените щати за производството на бяло, което заменя бялото, което се основава на олово и цинк Титаниевото бяло беше много по-добро по качество от оловните и цинковите аналози Освен това титановият оксид се използваше за производството на емайл, който се използваше за метални и дървени покрития в корабостроенето В момента титановият диоксид се използва в хранително-вкусовата промишленост като бяло багрило - това е добавка E171, която може да се намери в ракови пръчици, зърнени закуски, майонеза, дъвки, млечни продукти и др. Също така титановият диоксид се използва в козметиката - той влиза в соц. да имаш слънцезащитен крем "Всичко, което блести, не е злато" - знаем тази поговорка от детството. И по отношение на съвременната църква и титана тя работи в буквалния смисъл. И изглежда какво общо може да има между църквата и титана? И ето какво: всички модерни куполи на църкви, които блестят със злато, всъщност нямат нищо общо със злато. Всъщност всички куполи са покрити с титанов нитрид. Също така металните свредла са покрити с титанов нитрид. Само през 1925 г. високо беше получен титан с чиста чистота, което направи възможно изследването му физични и химични свойства И те се оказаха фантастични Оказа се, че титанът, тъй като е почти два пъти по-лек от желязото, превъзхожда много стомани по здравина Освен това, въпреки че титанът е един път и половина по-тежък от алуминия, той е шест пъти по-здрав от него и запазва здравината си до 500 ° C. - поради високата си електропроводимост и немагнетизъм, титанът е от голям интерес в електротехниката Титанът е силно устойчив на корозия Благодарение на свойствата си титанът се е превърнал в материал за космически технологии В Русия, във Верхняя Салда, има корпорация VSMPO-AVISMA, която произвежда титан за световната космическа индустрия. От Верхне Салдинское титан правят Boeing, Airbuss, Rolls- Ро кубчета лед, различно химическо оборудване и много други скъпи боклуци Въпреки това, всеки от вас може да закупи лопата или лост от чист титан! И това не е шега! И ето как финият титанов прах реагира с атмосферния кислород Благодарение на такова цветно горене, титанът намери приложение в пиротехниката И това е всичко, абонирайте се, вдигнете пръста си, не забравяйте да подкрепите проекта и да кажете на приятелите си! Чао!

История

Откриването на TiO 2 е направено почти едновременно и независимо от един англичанин W. Gregor?!и немският химик М. Г. Клапрот. W. Gregor, изучавайки състава на магнитния железен пясък (Крийд, Корнуол, Англия), изолира нова "земя" (оксид) от неизвестен метал, който той нарече менакен. През 1795 г. немският химик Клапрот открива нов елемент в минерала рутил и го нарича титан. Две години по-късно Клапрот установява, че рутилът и менакенската земя са оксиди на един и същи елемент, зад което остава името „титан“, предложено от Клапрот. След 10 години откриването на титан се извършва за трети път. Френският учен L. Vauquelin открива титана в анатаза и доказва, че рутилът и анатазът са идентични титанов оксид.

Първата проба от метален титан е получена през 1825 г. от Й. Я. Берцелиус. Поради високата химическа активност на титана и сложността на неговото пречистване, холандците А. ван Аркел и И. де Бур през 1925 г. получават чиста проба от Ti чрез термично разлагане на пари на титанов йодид TiI 4 .

произход на името

Металът получи името си в чест на титаните, героите от древногръцката митология, децата на Гея. Името на елемента е дадено от Мартин Клапрот в съответствие с неговите възгледи за химическата номенклатура, за разлика от френското училище по химия, където се опитват да назоват елемента по неговите химични свойства. Тъй като самият немски изследовател отбеляза невъзможността да се определят свойствата на нов елемент само от неговия оксид, той избра име за него от митологията, по аналогия с урана, открит от него по-рано.

Да бъдеш сред природата

Титанът е 10-ият най-разпространен в природата. Съдържанието в земната кора е 0,57% от масата, в морската вода - 0,001 mg / l. 300 g/t в ултраосновни скали, 9 kg/t в основни скали, 2,3 kg/t в кисели скали, 4,5 kg/t в глини и шисти. В земната кора титанът е почти винаги четиривалентен и присъства само в кислородни съединения. Не се среща в свободна форма. Титанът при условия на атмосферни влияния и валежи има геохимичен афинитет към Al 2 O 3 . Концентриран е в бокситите на кората на изветряне и в морските глинести седименти. Преносът на титан се извършва под формата на механични фрагменти от минерали и под формата на колоиди. В някои глини се натрупват до 30% TiO 2 от теглото. Титановите минерали са устойчиви на атмосферни влияния и образуват големи концентрации в разсипи. Известни са повече от 100 минерала, съдържащи титан. Най-важните от тях са: рутил TiO 2 , илменит FeTiO 3 , титаномагнетит FeTiO 3 + Fe 3 O 4 , перовскит CaTiO 3 , титанит CaTiSiO 5 . Има първични титанови руди - илменит-титаномагнетит и разсипни - рутил-илменит-циркон.

Място на раждане

Депозитите на титан се намират на територията на Южна Африка, Русия, Украйна, Китай, Япония, Австралия, Индия, Цейлон, Бразилия, Южна Корея, Казахстан. В страните от ОНД Руската федерация (58,5%) и Украйна (40,2%) заемат водещо място по отношение на проучените запаси от титанови руди. Най-голямото находище в Русия е Ярегское.

Запаси и производство

През 2002 г. 90% от добития титан е използван за производството на титанов диоксид TiO 2 . Световното производство на титанов диоксид е 4,5 милиона тона годишно. Потвърдените запаси от титанов диоксид (без Русия) са около 800 милиона тона.За 2006 г., според Геоложката служба на САЩ, по отношение на титанов диоксид и без Русия запасите от илменитови руди възлизат на 603-673 милиона тона, а рутил - 49, 7-52,7 милиона тона. По този начин, при сегашния темп на производство, доказаните световни запаси от титан (с изключение на Русия) ще бъдат достатъчни за повече от 150 години.

Русия има вторите по големина в света запаси от титан след Китай. Основата на минералните ресурси на титан в Русия се състои от 20 находища (от които 11 първични и 9 алувиални), сравнително равномерно разпръснати в цялата страна. Най-голямото от проучените находища (Ярегское) се намира на 25 км от град Ухта (Република Коми). Запасите на находището се оценяват на 2 милиарда тона руда със средно съдържание на титанов диоксид около 10%.

Най-големият производител на титан в света е руската компания VSMPO-AVISMA.

Касова бележка

По правило изходният материал за производството на титан и неговите съединения е титанов диоксид със сравнително малко количество примеси. По-специално, това може да бъде рутилов концентрат, получен по време на обогатяването на титанови руди. Запасите на рутил в света обаче са много ограничени и по-често се използва така нареченият синтетичен рутил или титанова шлака, получена при преработката на илменитови концентрати. За да се получи титанова шлака, илменитовият концентрат се редуцира в електродъгова пещ, докато желязото се разделя на метална фаза (чугун), а нередуцираните титанови оксиди и примеси образуват шлакова фаза. Богатата шлака се обработва по метода на хлорид или сярна киселина.

Концентратът от титанови руди се подлага на сярна киселина или пирометалургична обработка. Продуктът от обработката със сярна киселина е прах от титанов диоксид TiO 2 . Използвайки пирометалургичния метод, рудата се синтерова с кокс и се обработва с хлор, като се получава двойка титанов тетрахлорид TiCl 4:

T i O 2 + 2 C + 2 C l 2 → T i C l 4 + 2 C O (\displaystyle (\mathsf (TiO_(2)+2C+2Cl_(2)\rightarrow TiCl_(4)+2CO)))

Парите на TiCl 4, образувани при 850 ° C, се редуцират с магнезий:

T i C l 4 + 2 M g → 2 M g C l 2 + T i (\displaystyle (\mathsf (TiCl_(4)+2Mg\rightarrow 2MgCl_(2)+Ti)))

В допълнение, така нареченият Cambridge FFC процес, кръстен на своите разработчици Дерек Фрей, Том Фартинг и Джордж Чен, и университета в Кеймбридж, където е създаден, сега започва да набира популярност. Този електрохимичен процес позволява директно непрекъснато редуциране на титан от оксид в стопена смес от калциев хлорид и негасена вар. Този процес използва електролитна баня, пълна със смес от калциев хлорид и вар, с графитен жертвен (или неутрален) анод и катод, направен от оксид, който трябва да бъде редуциран. Когато през ваната премине ток, температурата бързо достига ~1000–1100°C и стопеният калциев оксид се разлага на анода на кислород и метален калций:

2 C a O → 2 C a + O 2 (\displaystyle (\mathsf (2CaO\rightarrow 2Ca+O_(2))))

Полученият кислород окислява анода (в случай на използване на графит), а калцият мигрира в стопилката към катода, където възстановява титана от оксид:

O 2 + C → C O 2 (\displaystyle (\mathsf (O_(2)+C\rightarrow CO_(2)))) T i O 2 + 2 C a → T i + 2 C a O (\displaystyle (\mathsf (TiO_(2)+2Ca\rightarrow Ti+2CaO)))

Полученият калциев оксид отново се дисоциира на кислород и метален калций и процесът се повтаря до пълното превръщане на катода в титанова гъба или изчерпването на калциевия оксид. Калциевият хлорид в този процес се използва като електролит за придаване на електрическа проводимост на стопилката и подвижност на активните калциеви и кислородни йони. При използване на инертен анод (например калаен оксид), вместо въглероден диоксид, на анода се отделя молекулярен кислород, който замърсява околната среда по-малко, но процесът в този случай става по-малко стабилен и освен това при определени условия , разлагането на хлорид става по-енергийно благоприятно, отколкото на калциев оксид, което води до освобождаване на молекулярен хлор.

Получената титанова "гъба" се разтопява и пречиства. Титанът се рафинира по йодиден метод или чрез електролиза, като се отделя Ti от TiCl 4 . За получаване на титанови блокове се използва дъгова, електронен лъч или плазмена обработка.

Физически свойства

Титанът е лек, сребристобял метал. Съществува в две кристални модификации: α-Ti с хексагонална плътно опакована решетка (a=2,951 Å; c=4,679 Å; z=2; пространствена група C6mmc), β-Ti с кубична плътно-центрирана опаковка (a=3,269 Å; z=2; пространствена група Im3m), температура на преход α↔β 883 °C, ΔH преход 3,8 kJ/mol. Точка на топене 1660 ± 20 °C, точка на кипене 3260 °C, плътност на α-Ti и β-Ti е съответно 4,505 (20 °C) и 4,32 (900 °C) g/cm³, атомна плътност 5,71⋅10 22 at/ cm³ [ ] . Пластмаса, заварена в инертна атмосфера. Съпротивление 0,42 µOhm mна 20 °C

Има висок вискозитет, по време на обработка е склонен към залепване към режещия инструмент и поради това е необходимо да се нанасят специални покрития върху инструмента, различни смазочни материали.

При нормална температура е покрит със защитен пасивиращ филм от TiO 2 оксид, поради което е устойчив на корозия в повечето среди (с изключение на алкални).

Титановият прах е склонен да експлодира. Пламна температура - 400 °C. Титановите стружки са запалими.

Титанът, заедно със стоманата, волфрама и платината, е силно устойчив на вакуум, което заедно с неговата лекота го прави много обещаващ за проектиране на космически кораби.

Химични свойства

Титанът е устойчив на разредени разтвори на много киселини и основи (с изключение на H 3 PO 4 и концентрирана H 2 SO 4).

Лесно реагира дори със слаби киселини в присъствието на комплексообразователи, например с флуороводородна киселина, взаимодейства поради образуването на комплексен анион 2−. Титанът е най-податлив на корозия в органични среди, тъй като в присъствието на вода върху повърхността на титанов продукт се образува плътен пасивен филм от оксиди и титанов хидрид. Най-забележимо увеличение на корозионната устойчивост на титан се забелязва при увеличаване на съдържанието на вода в агресивна среда от 0,5 до 8,0%, което се потвърждава от електрохимични изследвания на електродните потенциали на титан в разтвори на киселини и основи в смесена вода - органични среди.

При нагряване на въздух до 1200°C Ti се запалва с ярък бял пламък с образуването на оксидни фази с променлив състав TiO x . Хидроксидът TiO (OH) 2 ·xH 2 O се утаява от разтвори на титанови соли, чрез внимателно калциниране на които се получава оксид TiO 2. TiO(OH) 2 хидроксид xH 2 O и TiO 2 диоксид са амфотерни.

Приложение

В чист вид и под формата на сплави

• Титанът под формата на сплави е най-важният структурен материал в самолетостроенето, ракетостроенето и корабостроенето.
• Металът се използва в: химическата промишленост (реактори, тръбопроводи, помпи, тръбопроводна арматура), военната промишленост (бронежилетки, бронирани и противопожарни прегради в авиацията, корпуси на подводници), промишлени процеси (инсталации за обезсоляване, процеси на целулоза и хартия), автомобилна индустрия , селскостопанска промишленост, хранително-вкусова промишленост, пиърсинг бижута, медицинска промишленост (протези, остеопротези), стоматологични и ендодонтски инструменти, зъбни импланти, спортни стоки, бижута, мобилни телефони, леки сплави и др.
• Леенето на титан се извършва във вакуумни пещи в графитни форми. Използва се и леене под вакуум. Поради технологични затруднения при художественото леене се използва ограничено. Първата монументална скулптура от лят титан в света е паметникът на Юрий Гагарин на площада на негово име в Москва.
• Титанът е легираща добавка в много легирани стомани и повечето специални сплави [ Какво?] .
• Нитинол (никел-титан) е сплав с памет за формата, използвана в медицината и технологиите.
• Титановите алуминиди са много устойчиви на окисление и топлоустойчивост, което от своя страна определя използването им в авиационната и автомобилната индустрия като конструктивни материали.
• Титанът е един от най-разпространените газопоглъщащи материали, използвани във високовакуумните помпи.

Под формата на връзки

• Белият титанов диоксид (TiO 2 ) се използва в бои (като титаниево бяло), както и в производството на хартия и пластмаси. Хранителна добавка Е171.
• Органотитановите съединения (например тетрабутоксититан) се използват като катализатор и втвърдител в химическата и бояджийската промишленост.
• Неорганичните титанови съединения се използват в химическата, електронната промишленост, промишлеността със стъклени влакна като добавки или покрития.
• Титанов карбид, титанов диборид, титанов карбонитрид са важни компоненти на свръхтвърди материали за обработка на метали.
• Титановият нитрид се използва за покриване на инструменти, църковни куполи и в производството на бижута, тъй като има цвят, подобен на златото.
• Бариевият титанат BaTiO 3, оловният титанат PbTiO 3 и редица други титанати са сегнетоелектрици.

Има много титанови сплави с различни метали. Легиращите елементи се разделят на три групи в зависимост от влиянието им върху температурата на полиморфната трансформация: бета стабилизатори, алфа стабилизатори и неутрални втвърдители. Първите понижават температурата на трансформация, вторите я повишават, а вторите не я влияят, а водят до втвърдяване на матрицата в разтвора. Примери за алфа стабилизатори: алуминий, кислород, въглерод, азот. Бета стабилизатори: молибден, ванадий, желязо, хром, никел. Неутрални втвърдители: цирконий, калай, силиций. Бета-стабилизаторите от своя страна се делят на бета-изоморфни и бета-евтектоидни.

Най-често срещаната титанова сплав е сплавта Ti-6Al-4V (в руската класификация - VT6).

Анализ на потребителските пазари

Чистотата и степента на груб титан (титанова гъба) обикновено се определя от неговата твърдост, която зависи от съдържанието на примеси. Най-често срещаните марки са TG100 и TG110 [ ] .

Физиологично действие

Както бе споменато по-горе, титанът се използва и в стоматологията. Отличителна черта на използването на титан е не само силата, но и способността на самия метал да расте заедно с костта, което позволява да се осигури квазиздравостта на зъбната основа.

изотопи

Естественият титан се състои от смес от пет стабилни изотопа: 46 Ti (7,95%), 47 Ti (7,75%), 48 Ti (73,45%), 49 Ti (5,51%), 50 Ti (5, 34%).

Известни са изкуствени радиоактивни изотопи 45 Ti (T ½ = 3,09 h), 51 Ti (T ½ = 5,79 min) и др.

Бележки

1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Гленда О'Конър, Томас Валчик, Шиге Йонеда, Сянг-Кун Джу.Атомни тегла на елементите 2011 (Технически доклад на IUPAC) (английски) // Чиста и приложна химия. - 2013. - кн. 85, бр. 5. - С. 1047-1078. - DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
2. Редакция: Зефиров Н. С. (главен редактор).Химическа енциклопедия: в 5 тома - Москва: Съветска енциклопедия, 1995. - Т. 4. - С. 590-592. - 639 стр. - 20 000 копия. - ISBN 5-85270-039-8.
3. Титан- статия от Физическата енциклопедия
4. J.P. Райли и Скироу Г. Химическа океанография V. 1, 1965 г
5. Депозит титан.
6. Депозит титан.
7. Илменит, рутил, титаномагнетит - 2006
8. Титан (неопределен) . Информационно-аналитичен център "Минерал". Посетен на 19 ноември 2010 г. Архивиран от оригинала на 21 август 2011 г.
9. Корпорация ВСМПО-АВИСМА
10. Koncz, St; Szanto, St.; Waldhauser, H., Der Sauerstoffgehalt von Titan-jodidstäben, Naturwiss. 42 (1955) стр.368-369
11. Титан - метал на бъдещето (Руски).
12. Титан - статия от Химическата енциклопедия
13. Влияние водата върху процеса пасивация титан - 26 февруари 2015 - Химия и химически технологии в бито (неопределен) . www.chemfive.ru Посетен на 21 октомври 2015.
14. Art casting през XX век
15. На световния пазар титан за последните два месеца цените стабилизирани (обзор)

Връзки

• Титан в Популярната библиотека на химичните елементи

з Той Ли Бъда б ° С н О Е не Na мг Ал Si П С