ТЕМА: МЕТАЛЛЫ ПОБОЧНОЙ ПОДГРУППЫ IV ГРУППЫ ПЕРЕОДИЧЕСКОЙ ТАБЛИЦЫ МЕНДЕЛЕЕВА. Выполнил: Родион. Темиров Подгруппа титана. Подгруппа титана — химические элементы 4-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элементы побочной подгруппы IV группы). По номенклатуре ИЮПАК подгруппа титана содержит в себе титан, цирконий, гафний и резерфордий. Физические свойства - цвет: Титан — серебристо-металлический, цирконий — серебристо-белый, гафний — серебристо-серый; средняя температура плавления: 1919°C; средняя температура кипения: 4099°C Первые три элемента данной подгруппы находятся в природе в заметных количествах. Они относятся к тугоплавким металлам. Последний представитель — резерфордий — радиоактивный элемент. У него нет стабильных изотопов. Его физические и химические свойства не изучены. Свойства. Как четырёхвалентные элементы образуют различные неорганические соединения, как правило в степени окисления +4. Были получены данные, говорящие об их устойчивости к щелочам. С галогенами образуют соответствующие тетрагалогениды с общей формулой MHal4 (где М: Ti, Zr и Hf). При более высоких температурах реагируют с кислородом, азотом, углеродом, бором, кремнием и серой. Вероятно из-за лантаноидного сжатия, гафний и цирконий имеют практически одинаковые ионные радиусы. Ионный радиус Zr+4 составляет 79 пм, а Hf+4 78 пм. Сходство ионных радиусов приводит к образованию схожих по своим свойствам химических соединений[3]. Химия гафния настолько схожа с химией циркония, что их можно различить лишь по физическим свойствам. Основными различиями между двумя элементами следует считать температуру плавления и кипения и растворимость в растворителях. 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. Получение. Производство данных металлов трудно в связи с их реакционной способностью. Образование нитридов, карбидов и оксидов не позволяет получать годные к применению металлы. Этого можно избежать, применяя процесс Кролла (англ.). Оксиды (MO2) реагируют с углём и хлором, образуя тетрахлориды металлов (MCl4). Затем соли реагируют с магнием, в результате чего получаются очищенные металлы и хлорид магния: MO2 + C(кокс) + Cl2 → MCl4 + 2Mg → M + 2MgCl2 Дальнейшая очистка получается химическим переносом (англ.). В закрытой камере металл реагирует с иодом при температуре 500 °C, образуя иодид металла. Затем на вольфрамовой нити соль разогревается до 2000 °C для расщепления вещества на металл и иод ПРИМЕНЕНИЕ. Титан и его сплавы находят своё применение там, где требуются коррозионная стойкость, тугоплавкость и легкость материала. Гафний и цирконий применяются в ядерных реакторах. Гафний имеет высокое сечение захвата тепловых нейтронов, в то время как цирконий — наоборот. Из-за этого свойства цирконий в виде сплавов применяется в качестве облицовки ядерных стержней (ТВЭЛ) в ядерных реакторах, в то время как гафний применяется в управляющих стержнях ядерного реактора. Малые количества гафния и циркония применяются в сплавах обоих элементов для улучшения их свойств. ПРИМЕЧАНИЕ. 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).
