Титан и его соединения

9 заданий

Металл-«титан»

В 1791 году священник Уильям Грегор нашёл в корнуоллском песке «новую землю», а в 1795 году Мартин Клапрот назвал элемент в честь титанов — детей Земли. Титан — девятый по распространённости элемент коры, но чистый металл получили лишь в XX веке (урок 171).

Титан вдвое легче стали и почти так же прочен, а в морской воде и большинстве кислот не корродирует: поверхность покрыта тонкой, мгновенно залечивающейся плёнкой \(\ce{TiO2}\). Из титана делают обшивку самолётов, лопатки компрессоров, импланты (титан не вызывает отторжения и срастается с костью), а в СССР — корпуса глубоководных подводных лодок. При высокой температуре титан жадно соединяется с кислородом, азотом, углеродом и водородом.

scienceТитан-металл

\(\ce{2Ti + 6HCl ->[t] 2TiCl3 + 3H2 ^}\) — горячая концентрированная кислота; раствор фиолетовый.
\(\ce{Ti + 6HF -> H2[TiF6] + 2H2 ^}\) — плавиковая кислота растворяет титан легко: фторид связывает Ti(IV) в прочный комплекс.
\(\ce{Ti + 4HNO3 -> H2TiO3 v + 4NO2 ^ + H2O}\) — горячая азотная кислота окисляет до титановой кислоты.
\(\ce{Ti + O2 ->[t] TiO2}\); \(\ce{2Ti + N2 ->[t] 2TiN}\) (золотистые износостойкие покрытия); \(\ce{Ti + C ->[t] TiC}\); \(\ce{Ti + H2 ->[t] TiH2}\).

auto_awesomeТитан из «вражеской» страны

Самый быстрый самолёт-разведчик SR-71 почти целиком сделан из титана. Руду и металл для него американцы, по известной истории, закупали через подставные фирмы в СССР — главном в то время производителе титана.

Диоксид титана

\(\ce{TiO2}\) существует в трёх модификациях: рутил (самая устойчивая), анатаз и брукит. У рутила огромный показатель преломления (около 2,7 — больше, чем у алмаза): тонкий порошок рассеивает весь видимый свет и ничего не поглощает. Поэтому диоксид титана — лучший белый пигмент: белила, бумага, пластмассы, зубная паста, солнцезащитные кремы.

Химически \(\ce{TiO2}\) инертен: не растворяется в воде и разбавленных кислотах и щелочах. Его переводят в раствор горячей концентрированной серной кислотой, плавиковой кислотой или сплавлением с щелочами и карбонатами (образуются титанаты).

Сернокислотный способ: ильменит разлагают серной кислотой, охлаждением выводят \(\ce{FeSO4*7H2O}\), раствор сульфата титанила кипятят — выпадает гидратированный диоксид, его прокаливают. Хлорный способ: рутил хлорируют до \(\ce{TiCl4}\), очищают перегонкой и сжигают в кислороде; хлор возвращается.

scienceДиоксид титана

\(\ce{FeTiO3 + 2H2SO4 -> TiOSO4 + FeSO4 + 2H2O}\).
\(\ce{TiOSO4 + 2H2O ->[кипячение] TiO(OH)2 v + H2SO4}\); \(\ce{TiO(OH)2 ->[t] TiO2 + H2O}\).
\(\ce{TiCl4 + O2 ->[1000 °C] TiO2 + 2Cl2}\).
\(\ce{TiO2 + 2NaOH ->[сплавление] Na2TiO3 + H2O}\); \(\ce{TiO2 + BaCO3 ->[t] BaTiO3 + CO2}\).
\(\ce{TiO2 + 6HF -> H2[TiF6] + 2H2O}\).

history_eduВода, расщеплённая светом

В 1972 году Акира Фудзисима и Кэнъити Хонда осветили ультрафиолетом электрод из \(\ce{TiO2}\) в воде — на нём выделился кислород, на платиновом противоэлектроде — водород. Открытие дало начало фотокатализу: самоочищающиеся стёкла и плитка, покрытые анатазом, разлагают грязь на свету.

Титан(III) и титан(II)

Восстановлением соединений Ti(IV) (цинком в кислоте, водородом при нагревании, электролизом) получают титан(III). Аквакатион \(\ce{[Ti(H2O)6]^3+}\) — фиолетовый: единственный d-электрон поглощает зелёно-жёлтый свет (около 500 нм). Ti(III) — сильный восстановитель: \(E^\circ(\ce{TiO^2+}/\ce{Ti^3+}) \approx +0{,}1\) В; раствор на воздухе обесцвечивается. На этом основана титанометрия — титрование окислителей (например, \(\ce{Fe^3+}\)) раствором \(\ce{TiCl3}\).

Титан(II) (\(\ce{TiCl2}\), TiO) — ещё более сильный восстановитель: разлагает воду с выделением водорода.

Качественная реакция на Ti(IV): в кислом растворе с пероксидом водорода образуется жёлто-оранжевый пероксокомплекс \(\ce{[TiO(H2O2)]^2+}\). Та же реакция служит чувствительной пробой на \(\ce{H2O2}\).

scienceНизшие степени окисления

\(\ce{2TiCl4 + Zn -> 2TiCl3 + ZnCl2}\); \(\ce{2TiCl4 + H2 ->[t] 2TiCl3 + 2HCl}\).
\(\ce{Ti^3+ + Fe^3+ + H2O -> TiO^2+ + Fe^2+ + 2H+}\) — титанометрия.
\(\ce{5Ti^3+ + MnO4- + H2O -> 5TiO^2+ + Mn^2+ + 2H+}\).
\(\ce{4TiCl3 + O2 + 2H2O -> 4TiOCl2 + 4HCl}\) — окисление на воздухе.
\(\ce{TiOSO4 + H2O2 -> [TiO(H2O2)]SO4}\) — жёлто-оранжевая окраска.

boltЦвет подсказывает степень окисления

Ti(IV) — \(d^0\), бесцветен; Ti(III) — \(d^1\), фиолетовый. Фиолетовый раствор, обесцвечивающийся на воздухе, — почти наверняка титан(III); бесцветный, желтеющий с \(\ce{H2O2}\), — титан(IV).

push_pinГлавное

Ti — \(3d^24s^2\); главная степень окисления +4, также +3 (фиолетовый \(\ce{[Ti(H2O)6]^3+}\), восстановитель, \(E^\circ(\ce{TiO^2+}/\ce{Ti^3+}) \approx +0{,}1\) В) и +2 (сильнейший восстановитель). Металл лёгкий (4,5 г/см³), прочный, пассивирован плёнкой \(\ce{TiO2}\); растворяется в горячей HCl (→ \(\ce{TiCl3}\)) и в HF (→ \(\ce{H2[TiF6]}\)). \(\ce{TiO2}\) (рутил, анатаз) — белый пигмент и фотокатализатор; получают сернокислотным (ильменит → \(\ce{TiOSO4}\) → гидролиз → прокаливание) и хлорным (\(\ce{TiCl4 + O2 -> TiO2 + 2Cl2}\)) способами. Сплавление с щелочами и карбонатами даёт титанаты (\(\ce{BaTiO3}\)). \(\ce{TiO^2+}\) с \(\ce{H2O2}\) — жёлто-оранжевый пероксокомплекс.

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