Металлы IV группы побочной подгруппы (Ti, Zr, Hf)

Титан(Titanium)    

Титан входит в десятку самых распространённых элементов земной коры, в почвах и горных породах его обычно от 0,5 до 1,5 %. Однако некоторые местности особенно богаты титаном. Так, на острове Святой Елены, «где угасал Наполеон», содержание этого элемента достигает 2,5 %. Самые же богатые титаном почвы — краснозёмы двух островов Западного Самоа в Тихом океане: в них титана до 12%! Будь этот регион поближе к промышленно развитым странам, вероятно, открытие столь распространённого элемента состоялось бы намного раньше.

По сравнению с другими часто встречающимися металлами титан дороже, поскольку его очень сложно извлекать из руд: он исключительно прочно связан с кислородом. Как и все наиболее распространённые элементы, титан неизбежно присутствует в живых организмах. У взрослого человека в селезенке, надпочечниках и щитовидной железе содержится примерно 20 мг титана. Однако его роль в точности пока не выяснена. Точно установлено, что титан совершенно не ядовит. В медицинской литературе описан случай, когда человек съел почти полкилограмма TiO2 – и никаких последствий.

рутил фото
Кристаллы рутила

Еще в начале ХХ в. никто не предполагал, что через каких-нибудь 30—50 лет малоизвестный металл титан войдет в число самых важных конструкционных материалов и сплавов, используемых в современной технике.

Однако все по порядку. Хотя минералы титана — рутил TiО2 и ильменит FeTiО6 широко распространены в природе, этот элемент долгие годы оказывался «в тени», его соединения не являлись предметом специальных исследований. Лишь в 1795 г. известный немецкий химик Мартин Клапрот выделю титан из рутила. Новооткрытый элемент был назван в честь титанов – сыновей Урана (Неба) и Геи (Земли), низверженных Зевсом в царство тьмы. В 1910 г. металлический титан чистотой 99% удалось получить американскому исследователю Майклу Хантеру при восстановлении тетрахлорида титана металлическим натрием:

TiCl4 + 4Na → Ti + 4NaCl.

Изучив свойства полученного металла, Хантер пришел к выводу, что большого будущего у титана нет – он слишком хрупок и непригоден к механической обработке. Прошло еще 15 лет, и два нидерландских химика А. ванн Аркель и И. де Бур, открыли новый способ получения тугоплавких металлов высокой степени чистоты. Они нагревали титан с небольшим количеством йода в специальном приборе. Образующийся тетрайодид титана подвергался термическому разложению в вакууме, выделяющийся при этом титан конденсировался на раскаленной вольфрамовой нити, а освобождающийся йод вступал в реакцию с новой порцией титана, вновь образуя йодид. Титан, очищенный йодидным способом, содержал всего 0,05 % примесей, и его свойства значительно отличались от тех, которые описал Хантер.

Титан фото
Титан

Как оказалось, чистый титан обладает невероятной пластичностью – из него можно получить тончайшую фольгу. По прочности титан превосходит железо, а его коррозионная стойкость исключительно высока – металл можно хранить в морской воде. Наконец, титан тугоплавок (tпл = 1668оС). Благодаря этим замечательным свойствам он стал незаменимым конструкционным материалом. Титан составляет основу большинства сплавов, используемых в судостроении, авиационной, космической и ядерной технике.

Распространенность титана в земной коре очень велика, и хотя производство его обходится недешево, нет сомнений в том, что титан – металл не только нашего времени, но и будущего.

Химические свойства титана

Хотя прочная оксидная плёнка надежно защищает титан от окисления, он довольно легко растворяется в плавиковой и концентрированной соляной кислотах:

Ti + 6HF = H2TiF6 + 2H2

2Ti + 6HCl = 2TiCl3 + 3H2

Свойства титана удивительным образом изменяются при высоких температурах. Нагретый до 800 — 1000 оС, он реагирует не только с галогенами и кислородом, но и с бором, серой, углеродом и даже азотом, образуя твёрдые и хрупкие соединения, примеси которых сильно ухудшают механические свойства металла.

В соединениях титан проявляет, как правило, две степени окисления: +3 и +4. Белый тугоплавкий (tпл =1870 о С) порошок оксида титана (IV) TiO2 получается при сгорании титана в атмосфере кислорода. Прокаленный при высокой температуре TiО2 химически инертен и используется для приготовления титановых белил. Свежеосажденный TiО2 проявляет свойства амфотерного оксида — растворяется в концентрированных щелочах и сильных кислотах с образованием бесцветных растворов титанатов и солей титанила TiО2+.

TiO2∙nH2O + 2NaOH = Na2TiO3∙nH2O + H2O

TiO2∙nH2O + H2SO4 = TiOSO4 + (n+1)H2O

При спекании TiО2 с оксидом, пероксидом или карбонатом щелочного или щёлочноземельного металла образуются безводные титанаты:

TiO2 + K2CO3 = K2TiO3 + CO2

2TiO2 + 2BaO2 = 2BaTiO3 + O2

Титанат бария BaTiO3 (tпл= 1705оС) проявляет свойства пьезоэлектрика и используется в технике.

При производстве титана рутил TiО2 переводят в хлорид TiCl4 нагреванием с углём в токе хлора:

TiO2 + 2C + 2Cl2 = TiCl4 + 2CO

Тетрахлорид титана TiCl4 — летучая бесцветная жидкость (tпл = -24 oС, = 136 оC), легко гидролизующаяся водой. Для получения металла ее восстанавливают натрием или магнием в атмосфере аргона. Такой способ производства титана гораздо проще, нежели прямое восстановление рутила.

Водные растворы соединений трёхвалентного титана окрашены в фиолетовый цвет. В инертной атмосфере они устойчивы, но кислород воздуха медленно окисляет их до производных Ti(IV). При действии щелочей на соли Ti(III) образуется пурпурный осадок гидроксида Ti(OH)3.

Поразительна химическая стойкость чистого титана, нередко она более высокая, чем у благородных металлов. На титан, например, не действуют хлорная вода, смесь концентрированных азотной и серной кислот и даже царская водка (золото во всех этих жидкостях растворяется). Объясняется это тем, что уже при обычных условиях на поверхности титана образуется прочная защитная плёнка оксида; под действием же окислителей она становится ещё толще и прочнее.

Исключительно стоек титан и к коррозии. Если в морскую воду погрузить пластинки из алюминия, монеля (медно-никелевого сплава, который используется для чеканки монет), нержавеющей стали и титана толщиной 1 мм, их судьбы окажутся разными. Алюминиевая пластинка уже через несколько дней покроется серыми пятнами (точечная коррозия), а через пять месяцев разрушится. Монелевая — станет тёмно-зелёной из-за взаимодействия меди и никеля с агрессивной морской водой, а примерно год спустя её постигнет судьба алюминиевой. Стальная пластинка продержится года четыре, постепенно покрываясь ржавыми пятнами. Кстати, ракушки и водоросли заметно ускоряют разрушение стали. Титановая же пластинка даже через тысячу лет (!) останется почти невредимой: коррозия проникнет в неё всего на 0,02 мм. В этом отношении титан по стойкости не уступает платине.

Но и у титана есть своя «ахиллесова пята» — он очень «боится» соединений фтора. Во фтороводородной (плавиковой) кислоте обычно стойкий металл растворяется чуть ли не так же быстро, как магниевая стружка в соляной кислоте.

Цирконий(Zirconium) и гафний(Hafnium)

Цирконий фото
Цирконий

Вместе с титаном в состав побочной подгруппы IV группы входят цирконий и гафний. Цирконий был открыт М. Клапротом за несколько лет до титана – в 1789 г. Название ему дали по минералу циркону. Цирконий – не редкий, но рассеянный элемент. В земной коре его больше, чем меди, олова или цинка, однако распыленность циркония настолько велика, что его применение долгое время оставалось ограниченным из-за очень высокой стоимости производства.

Еще более рассеянным элементом оказался гафний. Его открыли голландец Дирк Костер и венгр Дьёрдь Хевеши в 1923 г. в виде примеси к цирконию. Гафний назвали в честь древнего наименования Копенгагена – Гафниа, хотя вначале для него предлагали имя «даний».

Химия циркония и гафния в целом похожа на химию титана. Следует отметить два основных отличия. Первое: для этих двух металлов характерна только одна степень окисления (+4). Второе: цирконий и гафний еще более инертны, чем титан. Растворить их можно лишь в смеси плавиковой и концентрированной азотной кислот:

Zr + 4HNO3 + 7HF = H3ZrF7 + 4NO2 + 4H2O

В этой реакции азотная кислота является окислителем, а плавиковая связывает ионы металла в прочный комплекс. При взаимодействии циркония с йодом образуется йодид циркония ZrI4 – желтое кристаллическое вещество, легко возгоняющееся при температуре около 430оС.

Оксид ZrO2 очень тугоплавок (tпл = 2700оС) и инертен при высоких температурах. С добавками оксидов иттрия или кальция его применяют как огнеупорный материал, используют в производстве защитных плёночных покрытий, а также тугоплавких и прочных стёкол.

Гафний фото
Гафний

Применение циркония

Очень чистый цирконий обладает замечательными свойствами — он жаропрочен, тугоплавок, устойчив к кислотам. Из него изготовляют многие ответственные детали: от кислотостойких клапанов в аппаратах для химической промышленности до скобок и пластин, которыми скрепляют кости при хирургических операциях. Но прежде всего это важнейший конструкционный материал, необходимый при строительстве ядерных реакторов. Цирконий отличается низкой теплопроводностью, большой механической прочностью и стойкостью к коррозии, а главное — не задерживает нейтроны, высвобождающиеся в реакции деления атомных ядер и, следовательно, не мешает протеканию реакции расщепления ядерного топлива на АЭС. Конкурентом циркония в этом отношении мог бы стать магний, но он легкоплавок и к тому же быстро окисляется кислородом воздуха.

При использовании циркония возникли совершенно другие проблемы. В природе цирконий неразлучен со своим верным спутником гафнием: в любой циркониевой руде содержание гафния колеблется от 0,5 до 3%. Но уже 0,5-процентная примесь гафния делает цирконий непригодным для применения в ядерной технике, поскольку гафний захватывает нейтроны в 500 раз интенсивнее циркония. Из гафния делают стержни, замедляющие и даже полностью прекращающие ядерную реакцию деления. Проблему отделения циркония от гафния учёным удалось решить, но при этом цена циркония (чистотой 99,7%) возросла в десятки раз. Тем не менее, замены цирконию нет, и сейчас ежегодно до 10 тыс. тонн этого металла идёт на нужды ядерной техники.

Скачать:

Скачать бесплатно реферат на тему: «Титан»  Титан.doc (20 Загрузок)

Скачать рефераты по другим темам можно здесь

 *на изображении записи минерал рутил

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *