Министерство Образования и Науки РФ
Министерство по Атомной Энергетике РФ
Северская Государственная Технологическая Академия
Кафедра ХиТМСЭ
Свойства титана и его соединений
Северск – 2005
Введение
Титан находится в побочной подгруппе четвертой группы, следовательно относится к переходным элементам. Переходные элементы обладают определенными схожими свойствами.
Общая характеристика переходных элементов. Особенности переходных элементов определяются, прежде всего, электронным строением их атомов, во внешнем электронном слое которых содержаться, как правило, два s-электрона (иногда один; исключение составляет палладий: в его невозбужденном атоме нет 6s-электронов). Невысокие значения энергии ионизации этих атомов указывают на сравнительно слабую связь внешних электронов с ядром; так, для ванадия, хрома, марганца, железа, кобальта энергии ионизации составляют соответственно 6,74; 6,76; 7,43; 7,90 и 7,86 эВ. Именно поэтому переходные элементы в образуемых ими соединениях имеют положительную окисленность и выступают в качестве характерных металлов, проявляя тем самым сходство с металлами главных подгрупп.
Однако между металлами главных и побочных подгрупп есть и существенные различия. Они также связаны с особенностями электронного строения переходных элементов, а именно с тем, что во втором снаружи электронном слое их атомов имеется не полностью занятый электронами d-подуровень. Для образования химических связей атомы переходных элементов могут использовать не только внешний электронный слой (как это имеет место у элементов главных групп), но также d-электроны и свободные d-орбитали предшествующего слоя. Поэтому для переходных элементов значительно более характерна переменная валентность, чем для металлов главных подгрупп. Возможность создания химических связей с участием d-электронов и свободных d-орбиталей обусловливает и ярко выраженную способность переходных элементов к образованию устойчивых комплексных соединений. С этим же связана характерная окраска многих соединений переходных элементов, тогда как соединения металлов главных подгрупп в большинстве случаев бесцветны.
Почти все элементы главных подгрупп IV-VII групп периодической системы представляют собой неметаллы, в то время как элементы побочных подгрупп – металлы. Поэтому в правой части периодической системы различия в свойствах элементов главных и побочных подгрупп проявляются особенно резко. Однако в тех случаях, когда элементы главной и побочной подгруппы находятся в высшей степени окисленности, их аналогичные соединения проявляют существенное сходство. Так, хром, расположенный в побочной подгруппе VI группы, образует кислотный оксид Cr2O3, близкий по свойствам к триоксиду серы SO3. Оба эти вещества в обычных условиях находятся в твердом состоянии и образуют при взаимодействии с водой кислоты состава H2ЭО4. Точно также оксиды марганца и хлора, соответствующие высшей степени окисленности этих элементов, - Mn2O7 и Cl2O7 – обладают сходными свойствами и представляют собой ангидриды сильных кислот, отвечающих общей формуле HЭО4.
Подобная близость Свойств объясняется тем, что в высшей степени окисленности атомы элементов лавных и побочных подгрупп приобретают сходное электронное строение. Например, атом хрома имеет электронную структуру 1s22s22p63s23p63d54s1. Когда хром находится в степени окисленности +6 (например, в оксиде CrО3), шесть электронов его атома (пять 3d- и один 4s-электрон) вместе с валентными электронами соседних атомов (в случае CrО3 – атомов кислорода) образуют общие электронные пары, осуществляющие химические связи. Остальные электроны, непосредственно не участвующие в образовании связей, имеют конфигурацию 1s22s22p63s23p6, отвечающую электронной структуре благородного газа. Аналогично у атома серы, находящегося в степени окисленности +6 (например, в триоксиде серы SO3), шесть электронов участвуют в образовании ковалентных связей, а конфигурация остальных (1s22s22p6) также соответствует электронной структуре благородного газа.
Мы знаем, что в пределах одного периода у элементов главных подгрупп, т.е. у s- и p-элементов, с возрастанием их порядкового номера число электронов во внешнем электронном слое атомов возрастает, что приводит к довольно быстрому переходу от типичных металлов к типичным неметаллам. У переходных элементов возрастание порядкового номера не сопровождается существенным изменением структуры внешнего электронного слоя; поэтому химические свойства этих элементов изменяются в периоде хотя и закономерно, но гораздо менее резко, чем у элементов главных подгрупп.
В пределах одной декады переходных элементов (например, от скандия до цинка) максимальная устойчивая степень окисленности элементов сначала возрастает (благодаря увеличению числа d-электронов, способных участвовать в образовании химических связей), а затем убывает (вследствие усиления взаимодействия d-электронов с ядром по мере увеличения его заряда). Так, максимальная степень окисленности скандия, титана, ванадия, хрома и марганца совпадает с номером группы, тогда как для железа она равна шести, для кобальта, никеля и меди – трем, а для цинка – двум. В соответствии с этим изменяется и устойчивость соединений, отвечающих определенной степени окисленности элемента. Например, оксиды TiO2 и VO, содержащие титан и ванадий в степени окисленности +2, - сильные восстановители, а аналогичные оксиды меди и цинка (CuO и ZnO) восстановительных свойств не проявляют.
В главных подгруппах устойчивость соединений, в которых элемент проявляет высшую степень окисленности, с увеличением порядкового номера элемента, как правило, уменьшается. Так, соединения, в которых степень окисленности углерода или кремния равна +4, вполне устойчивы, тогда как аналогичные соединения свинца (например, PbO2) мало устойчивы и легко восстанавливаются. В побочных подгруппах проявляется обратная закономерность: с возрастанием порядкового номера элемента устойчивость высших окислительных состояний повышается. Так, соединения хрома (VI) – сильные окислители, а для молибдена(VI) и вольфрама(VI) окислительные свойства нехарактерны.
В пределах каждой побочной подгруппы отмечается значительное сходство в свойствах элементов пятого и шестого периодов. Это связано с явлением лантаноидного сжатия.[1,c.646]
1. История открытия и нахождение в природе
Впервые титан был открыт в виде двуокиси титана в 1789г. английским ученым МакГрегором. Позднее многим исследователям удавалось получить металлический титан. К числу таких исследователей можно отнести Берцелиуса (1825г.), получившего металлический титан восстановлением фтортитаната калия натрием; Нильсона и Петерсона (1887г.), которые получили металлический титан восстановлением четыреххлористого титана натрием; Муассана (1895г.), получившего металл содержащий около 2% примесей, восстановлением двуокиси титана углеродом с последующим рафинированием, и многих других. Однако, долгое время титан ошибочно считали непригодным для использования в качестве конструкционного материала, так как получаемый металл являлся хрупким из-за большого количества примесей. только в начале этого столетия был получен титан с новыми свойствами, которые ставят его в ряд с самыми ценными материалами.[7,c.6]
Титан является перспективным металлом не только благодаря его качествам, но и потому, что запасы его в земной коре очень велики.[7,c.7]
Титан очень распространен в природе; его содержание в земной коре составляет 0,61% (масс.), т.е. выше, чем содержание таких широко используемых в технике металлов, как медь, свинец и цинк. [1,c.648]
Минералы, содержащие титан, находятся в природе повсеместно. В настоящее время насчитывается около восьмидесяти минералов, в состав которых входит титан.[7,c.7] Важнейшими из них являются: титаномагнетиты FeTiO3×nFe3O4, ильменит , сфенCaTiSiO5 и рутилTiO2.[1,c.648]
Месторождения титана разделяются на россыпные и коренные. Почти все используемые для производства титана руды добываются из россыпных месторождений. Месторождения ильменита встречаются во многих странах. Производство ильменитовых концентратов, которые обычно содержат 50-60% двуокиси титана и применяются в основном для получения пигментов титана, в последние годы достигло почти 2,5 млн. т в год. Самым крупным производителем ильменитовых руд являются США, на долю которых приходится 31% всего выпуска, Канада – 22%, Австралия – 21% и Норвегия – 13% (1986г.).
Рутил представляет собой более высококачественное сырье для получения титана, однако его месторождения обнаружены в немногих странах. Крупнейшими поставщиками рутиловых концентратов являются в настоящее время Австралия, США и Индия.
В России для производства титана используют ильменит и титаномагнетит, запасы которых исчисляются десятками миллионов тонн. Основным спутником титана в этих рудах является железо, которое находится в низ в виде закиси, находящейся в химическом соединении или механической смеси с двуокисью титана.[7,c8]
2. Получение
Имеется целый ряд способов получения металлов из руд, содержащих их окислы. К ним прежде всего относится прямое восстановление окислов углем или другими восстановителями. Однако применение такого способа часто оказывается невозможным вследствие высокой прочности окисла или вследствие образования твердых растворов получаемого металла с восстановителем или примесями, имеющимися в сырье. В таком случае приходится применять более сложные схемы, например перевод металла в другое соединение (хлорид, нитрид, фторид и т.д.), а затем очистку этого соединения от примесей и получение элемента путем восстановления другим элементом или электролизом. Выбор технологической схемы получения элемента зависит от многих факторов. Прежде всего исходят из оценки физико-химических свойств соединений и степени сложности аппаратурного оформления.