Элементы побочной подгруппы IV группы - типичные металлы. Химически наиболее активен титан. Цирконий и гафний менее активны.
В природе встречаются в виде минералов: FeTiO3 – ильменит, TiO2 – рутил, ZrSiO4 – циркон. Hf своих руд не имеет, встречается в рудах циркония, железа, марганца.
Ti получают пирометаллургическим способом из TiCl4 или TiO2:
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2
TiO2 + 2Mg = Ti + 2MgO
Очистка титана от примесей обычно проводится газотранспортным методом:
Ti + 2J2 → TiJ4 → Ti + 2J2
Цирконий и гафний получают электролизом расплавов их солей.
Чистые металлы вязкие, ударопрочные, с высокими температурами плавления (Ti – 1700оС, Zr – 1900оС, Hf – 2200оС). Ti относится к легким металлам, плотность его 4,5 г/см3.
Химические свойства
1. Характерные степени окисления в соединениях для Ti +4,+3; для Zr и Hf +4. При нагревании все три элемента активно взаимодействуют с различными неметаллами:
Zr + C = ZrC;
Hf + 2S = HfS2;
2Ti + N2 = 2TiN;
Ti + 2Cl2 = TiCl4
Нитриды циркония очень твердые, имеют высокую температуру плавления. Используются в качестве покрытия бурильных коронок.
|
|
Карбиды (TiC, ZrC, HfC) – сталеподобные вещества, устойчивые к химическим воздействиям.
2. С кислотами Ti, Zr и Hf взаимодействуют плохо. Лишь титан растворяется в азотной кислоте:
Ti + 4HNO3 = H2TiO3 + 4NO2 + H2O
Цирконий и гафний легко взаимодействуют только с “царской водкой”:
3Hf + 18HCl + 4HNO3 = 3H2[HfCl6] + 4NO + 8H2O
3. Оксиды TiO2 – амфотерный, ZrO2 – слабоамфотерный, HfO2 – основный могут быть получены при нагревании металлов в атмосфере кислорода или на воздухе. Это тугоплавкие белые порошки, при сплавлении со щелочью образуют соли анионного типа - титанаты и цирконаты. Для гафния аналогичные соли не получены.
4. При взаимодействии с серной кислотой оксиды образуют соответствующие сульфаты, которые быстро гидролизуются до сульфата титанила, цирконила, гафнила:
TiO2 + 2H2SO4 = Ti(SO4)2 + 2H2O
Ti(SO4)2 + H2O = TiOSO4 + H2SO4
У амфотерного TiO2 более выражена кислотная функция. Соответствующая ему метатитановая кислота H2TiO3 существует в двух модификациях α и β. Общая формула титановых кислот xTiO2 · yH2O.
Применение. Титан – третий по значимости (после железа и алюминия) конструкционный материал. Титан применяется в виде сплавов в корабле-, ракето-, машиностроении. Цирконий и гафний применяются в ядерном реакторостроении (цирконий для оболочек тепловыделяющих элементов, гафний – регулирующие стержни для поглощения нейтронов при работе реактора).
Тема 12. V группа ПСЭ