Титан и его соединения

9 заданий

Металл-«титан»

В 1791 году священник Уильям Грегор обнаружил в корнуоллском песке «новую землю». В 1795 году Мартин Клапрот назвал содержащийся в ней элемент в честь титанов — детей Земли. Титан занимает девятое место по распространённости в земной коре, однако чистый металл удалось получить лишь в XX веке (урок 171).

Титан вдвое легче стали и почти так же прочен. Он устойчив к коррозии в морской воде и большинстве кислот, поскольку его поверхность покрывает тонкая плёнка \(\ce{TiO2}\). Если плёнка повреждается, она быстро образуется снова. Такое защитное действие поверхностного слоя называют пассивацией. Благодаря сочетанию прочности и коррозионной стойкости из титана делают обшивку самолётов, лопатки компрессоров и импланты: титан не вызывает отторжения и срастается с костью. В СССР из него также изготавливали корпуса глубоководных подводных лодок.

Защитная плёнка не означает, что титан не вступает в реакции. При нагревании он соединяется с кислородом, азотом, углеродом и водородом. Металл можно растворить и в кислотах, если условия реакции позволяют преодолеть пассивацию или перевести титан в устойчивое растворимое соединение.

scienceРеакции металлического титана

\(\ce{2Ti + 6HCl ->[t] 2TiCl3 + 3H2 ^}\) — титан реагирует с горячей концентрированной соляной кислотой; раствор соединения титана(III) имеет фиолетовую окраску.
\(\ce{Ti + 6HF -> H2[TiF6] + 2H2 ^}\) — плавиковая кислота растворяет титан, поскольку фторид-ионы связывают Ti(IV) в прочный комплекс.
\(\ce{Ti + 4HNO3 -> H2TiO3 v + 4NO2 ^ + H2O}\) — горячая азотная кислота окисляет титан с образованием титановой кислоты.
\(\ce{Ti + O2 ->[t] TiO2}\); \(\ce{2Ti + N2 ->[t] 2TiN}\); \(\ce{Ti + C ->[t] TiC}\); \(\ce{Ti + H2 ->[t] TiH2}\) — при нагревании титан реагирует с кислородом, азотом, углеродом и водородом; нитрид титана используют для создания золотистых износостойких покрытий.

auto_awesomeТитан для самолёта SR-71

Самый быстрый самолёт-разведчик SR-71 почти целиком изготовлен из титана. Согласно известной истории, американцы закупали руду и металл для него через подставные фирмы в СССР, который в то время был главным производителем титана.

Диоксид титана

Защитную плёнку на металле образует диоксид титана \(\ce{TiO2}\). Его наиболее известные кристаллические разновидности, или модификации, — рутил, анатаз и брукит. Самая устойчивая из них — рутил. Его показатель преломления составляет около 2,7, то есть он больше, чем у алмаза. Поэтому мелкий порошок диоксида титана хорошо рассеивает свет всего видимого диапазона и почти не поглощает его. Это делает \(\ce{TiO2}\) белым пигментом, который применяют в белилах, бумаге, пластмассах, зубной пасте и солнцезащитных кремах.

Диоксид титана не растворяется в воде, разбавленных кислотах и щелочах. Чтобы перевести его в раствор, используют горячую концентрированную серную или плавиковую кислоту. При сплавлении со щелочами и карбонатами образуются титанаты — соединения, содержащие титан и кислород.

Для промышленного получения диоксида титана применяют два способа. При сернокислотном способе ильменит разлагают серной кислотой. Затем охлаждением выделяют \(\ce{FeSO4*7H2O}\), раствор сульфата титанила кипятят, а выпавший гидратированный диоксид прокаливают. При хлорном способе рутил сначала хлорируют до \(\ce{TiCl4}\). Полученное вещество очищают перегонкой и окисляют кислородом; выделившийся хлор возвращают в процесс.

scienceПолучение и реакции диоксида титана

\(\ce{FeTiO3 + 2H2SO4 -> TiOSO4 + FeSO4 + 2H2O}\) — при разложении ильменита серной кислотой образуются сульфат титанила и сульфат железа(II).
\(\ce{TiOSO4 + 2H2O ->[кипячение] TiO(OH)2 v + H2SO4}\); \(\ce{TiO(OH)2 ->[t] TiO2 + H2O}\) — при кипячении раствора сульфат титанила подвергается гидролизу, а при прокаливании осадка образуется диоксид титана.
\(\ce{TiCl4 + O2 ->[1000 °C] TiO2 + 2Cl2}\) — при окислении хлорида титана(IV) образуются диоксид титана и хлор.
\(\ce{TiO2 + 2NaOH ->[сплавление] Na2TiO3 + H2O}\); \(\ce{TiO2 + BaCO3 ->[t] BaTiO3 + CO2}\) — при сплавлении диоксида титана со щёлочью или нагревании с карбонатом образуются титанаты.
\(\ce{TiO2 + 6HF -> H2[TiF6] + 2H2O}\) — в плавиковой кислоте диоксид титана растворяется с образованием фторидного комплекса.

history_eduРасщепление воды под действием света

В 1972 году Акира Фудзисима и Кэнъити Хонда осветили ультрафиолетом электрод из \(\ce{TiO2}\), помещённый в воду. На этом электроде выделился кислород, а на платиновом противоэлектроде — водород. Открытие положило начало исследованиям фотокатализа на диоксиде титана — химических реакций, которые протекают на его поверхности под действием света. Так, самоочищающиеся стёкла и плитка, покрытые анатазом, разлагают загрязнения на свету.

Титан(III) и титан(II)

В диоксиде титан имеет степень окисления +4. При восстановлении соединений Ti(IV) можно получить соединения титана(III): для этого используют цинк в кислоте, водород при нагревании или электролиз. В водном растворе аквакатион \(\ce{[Ti(H2O)6]^3+}\) имеет фиолетовую окраску. Его единственный \(d\)-электрон поглощает зелёно-голубой свет с длиной волны около 500 нм.

Титан(III) является сильным восстановителем: \(E^\circ(\ce{TiO^2+}/\ce{Ti^3+}) \approx +0{,}1\) В. Поэтому его раствор окисляется на воздухе и обесцвечивается. Способ титрования окислителей раствором соединения титана(III) называют титанометрией. Например, раствором \(\ce{TiCl3}\) можно титровать \(\ce{Fe^3+}\).

Соединения титана(II), в том числе \(\ce{TiCl2}\) и TiO, обладают ещё более сильными восстановительными свойствами: они реагируют с водой с выделением водорода. Таким образом, при переходе от Ti(IV) к Ti(III), а затем к Ti(II) восстановительные свойства соединений усиливаются.

Для обнаружения Ti(IV) используют качественную реакцию с пероксидом водорода. В кислой среде образуется жёлто-оранжевый пероксокомплекс \(\ce{[TiO(H2O2)]^2+}\). Если в пробе уже присутствует соединение Ti(IV), появление этой окраски служит также чувствительной пробой на \(\ce{H2O2}\).

scienceРеакции соединений титана(III) и титана(IV)

\(\ce{2TiCl4 + Zn -> 2TiCl3 + ZnCl2}\); \(\ce{2TiCl4 + H2 ->[t] 2TiCl3 + 2HCl}\) — цинк и водород восстанавливают хлорид титана(IV) до хлорида титана(III).
\(\ce{Ti^3+ + Fe^3+ + H2O -> TiO^2+ + Fe^2+ + 2H+}\) — при титанометрическом определении железа(III) титан(III) восстанавливает его до железа(II).
\(\ce{5Ti^3+ + MnO4- + H2O -> 5TiO^2+ + Mn^2+ + 2H+}\) — титан(III) восстанавливает перманганат-ион в кислой среде.
\(\ce{4TiCl3 + O2 + 2H2O -> 4TiOCl2 + 4HCl}\) — кислород воздуха окисляет соединение титана(III).
\(\ce{TiOSO4 + H2O2 -> [TiO(H2O2)]SO4}\) — при добавлении пероксида водорода появляется жёлто-оранжевая окраска пероксокомплекса.

boltОкраска и степень окисления титана

Для Ti(IV) характерна конфигурация \(d^0\), поэтому его растворы без окрашенных комплексов бесцветны. У Ti(III) конфигурация \(d^1\), а его водный раствор фиолетовый. Если фиолетовый раствор соединения титана обесцвечивается на воздухе, это указывает на Ti(III). Появление жёлто-оранжевой окраски при добавлении \(\ce{H2O2}\) к кислому раствору соединения титана указывает на Ti(IV).

push_pinГлавное

Электронная конфигурация атома Ti — \(3d^24s^2\). Главная степень окисления титана равна +4; для него также характерны +3 и +2. Титан(III) образует фиолетовый \(\ce{[Ti(H2O)6]^3+}\) и является восстановителем, что согласуется со значением \(E^\circ(\ce{TiO^2+}/\ce{Ti^3+}) \approx +0{,}1\) В; титан(II) обладает ещё более сильными восстановительными свойствами. Металл лёгкий (4,5 г/см³) и прочный, а плёнка \(\ce{TiO2}\) защищает его от коррозии. Титан растворяется в горячей HCl с образованием \(\ce{TiCl3}\) и в HF с образованием \(\ce{H2[TiF6]}\). Диоксид титана, среди модификаций которого есть рутил и анатаз, применяют как белый пигмент и фотокатализатор. Его получают сернокислотным способом: ильменит переводят в \(\ce{TiOSO4}\), затем проводят гидролиз и прокаливание. При хлорном способе протекает реакция \(\ce{TiCl4 + O2 -> TiO2 + 2Cl2}\). Сплавление диоксида со щелочами и карбонатами приводит к образованию титанатов, в том числе \(\ce{BaTiO3}\). Качественная реакция \(\ce{TiO^2+}\) с \(\ce{H2O2}\) сопровождается появлением жёлто-оранжевого пероксокомплекса.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.