Соли титанила и титанаты, их получение и свойства. Соединения с галогенами, свойства и способы получения. Применение металлов и их соединений.

Соли титана гидролизуются в воде, образуя разнообразные соли титанила — группы TiO² ⁺, ведущей себя как двузарядный ион.

Диоксид титана TiO2— прочное белое вещество, существует в нескольких модификациях (рутил, анатаз).

Диоксид титана амфотерен, то есть проявляет как осно́ вные, так и кислотные свойства (хотя реагирует главным образом с концентрированными кислотами).

Медленно растворяется в концентрированной серной кислоте, образуя соответствующие соли четырёхвалентного титана:

TiO₂ + 2H₂SO₄ → Ti(SO₄)₂ + 2H₂O

В концентрированных растворах щелочей или при сплавлении с ними образуются титанаты — соли титановой кислоты (амфотерного гидроксида титанаTiO(OH)₂)

TiO₂ + 2NaOH → Na₂TiO₃ + H₂O

То же происходит и в концентрированных растворах карбонатов или гидрокарбонатов:

TiO₂ + K₂CO₃ → K₂TiO₃ + CO₂↑

TiO₂ + 2KHCO₃ → K₂TiO₃ + 2CO₂↑ + H₂O

C перекисью водорода даёт ортотитановую кислоту:

TiO₂ + 2H₂O₂ → H₄TiO₄ + О₂↑

Титанаты — соли существующих метатитановой Н₂ТiO₃, ортотитановой Н₄ТiO₄, полититановых H_2nTi_mO_2m+n кислот.

Являются компонентами титанистых шлаков-полупродуктов при переработке некоторых типов титановых руд. Получают титанаты спеканием или сплавлением TiO₂ с оксидами, карбонатами или гидроксидами соответствующих металлов, нагреванием совместно осажденных гидроксидов, карбонатов, оксалатов. Титанаты (III) (устаревшее название титаниты) изучены гораздо меньше. Для щелочных металлов известны MTiO₂; для щелочно-земельных MTi₂O₄, для РЗЭ MTiO₃ (со структурой типа перовскита). Все они не растворимы в воде, разлагаются минеральными кислотами. При нагревании на воздухе окисляются до титанатов (IV).

При нагревании Ti взаимодействует с галогенами. Тетрахлорид титана TiCl₄ при обычных условиях — бесцветная жидкость, сильно дымящая на воздухе, что объясняется гидролизом TiCl₄, содержащимися в воздухе парами воды и образованием мельчайших капелек HCl и взвеси гидроксида титана.

Восстановлением TiCl₄ водородом, алюминием, кремнием, другими сильными восстановителями, получен трихлорид и дихлорид титана TiCl₃ и TiCl₂ — твёрдые вещества, обладающие сильными восстановительными свойствами. Ti взаимодействует с Br₂ и I₂.

Благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии титан – прекрасный материал для изготовления химической аппаратуры. Но главное свойство титана, способствующее все большему его применению в современной технике, — высокая жаростойкость как самого титана, так и его сплавов с алюминием и другими металлами. Кроме того эти сплавы обладают жаропрочностью – способностью сохранять высокие механические свойства при высоких температурах. Все это делает сплавы титана весьма ценными материалами для самолето- и ракетостроения.

56. Общая характеристика d-элементов V группы. Способы получения и свойства. Оксиды, гидроксиды, галогениды – способы получения, свойства.

Подгруппа V включает следующие элементы: ванадий - V, ниобий - Nb, тантал - Ta. Общая электронная формула: (n-1)d³ns². У ниобия наблюдается провал электрона с образованием конфигурации 4d⁴5s¹. Ванадий распространенный элемент, его кларк равен 0, 006 мол.%. Основные минералы: патронит VS_{2-2, 5}, ванадинит Pb₅(VO₄)₃Cl. Ниобий и тантал - редкие и рассеянные элементы, обычно встречаются вместе, образуя минерал состава (Fe, Mn)(ЭО₃)₂ (при преобладающем содержании ниобия - колумбит, при большем содержании тантала - танталат).

В виде простых веществ ванадий, ниобий и тантал - серые тугоплавкие металлы, химически весьма инертны. При нагревании окисляются кислородом, фтором, хлором, азотом, углеродом:

T t

4V + 5O₂ = 2V₂O₅; 2V + 5F₂ = 2VF₅

t

2Nb + 5Cl₂ = 2NbCl₅

Ванадий при обычных условиях растворим в царской водке и концентрированной плавиковой кислоте. При нагревании растворим в азотной и концентрированной серной кислоте. Ниобия и тантал растворяются в смеси плавиковой и азотной кислоты.

3Ta + 5HNO₃ + 21HF = 3H₂[TaF₇] + 5NO + 10H₂O

В присутствии окислителей ванадий, ниобий и тантал растворяются в щелочах:

4Nb + 5O₂ + 12KOH = 4K₃NbO₄ + 6H₂O

ниобат калия

Получают ванадий, ниобий и тантал металлотермическим способом из оксидов или комплексных фторидов:

t

Nb₂O₅ + 5Ca = 5CaO + 2Nb

t

K₂[TaF₇] + 5Na = 2KF + 5NaF + 2Ta

Продукты взаимодействия ванадия, ниобия и тантала с неметаллами малой активности (водород, азот, углерод, бор) представляют собой соединения переменного состава (ЭН, ЭN, Nb₂N, TaN, ЭС, Э₂С, ЭВ, ЭВ₂) и отличаются высокой устойчивостью к воде и разбавленным кислотам.

Соединения в степени окисления +2 более или менее устойчивы только для ванадия, который образует оксид VO (VO_{0, 9-1, 3}). Оксид ванадия(II) проявляет свойства основного оксида: реагирует с кислотами, образуя соли ванадия(II):

VO + 2H⁺ + 4H₂O = [V(H₂O)₆]²⁺

Соли катиона V²⁺ окрашены в фиолетовый цвет, сильные восстановители, окисляются даже водой:

2V²⁺Cl₂ + 2H₂O = 2V³⁺(OH)Cl₂ + H₂­

Степень окисления +3 также характерна только для ванадия. Основные соединения ванадия(III): оксид - V₂O₃ - и гидроксид - V₂O₃× nH₂O - амфотерные соединения с преобладанием основных свойств, галогениды и соли катиона V³⁺. Производные ванадия(III) - сильные восстановители, в растворах окисляются кислородом воздуха:

4VCl₃ + O₂ + 4HCl = 4VCl₄ + 2H₂O

Соединения в степени окисления +4 для ванадия наиболее устойчивы. VO₂ - амфотерный оксид, легко растворяющийся в растворах кислот и щелочей:

4VO₂ + 2KOH = K₂[V₄O₉] + H₂O

VO₂ + 2H⁺ + 4H₂O = [VO(H₂O)₅]²⁺

Катион VO²⁺ (оксованадил или просто ванадил-катион) окрашен в светло-синий цвет и образует устойчивые соли со многими кислотами.

Галогениды ванадия(IV) гидролитически неустойчивы и в водных растворах быстро переходят в галогениды ванадила:

VCl₄ + H₂O = VOCl₂ + 2HCl

Для ниобия и тантала описаны диоксиды, тетрагалогениды и оксодигалогениды - ЭОCl₂. Все производные Nb(IV), Ta(IV) - сильные восстановители.

Для ванадия(V) известны только оксид V₂O₅ и пентафторид VF₅. Для ниобия и тантала данная степень окисления наиболее устойчива.

Оксиды Э₂О₅ - тугоплавкие кристаллические вещества, проявляющие отчетливо выраженные кислотные свойства:

t

Э₂О₅ + 2КОН = 2КЭО₃ + Н₂О

Галогениды ЭНаl₅ - вещества, имеющие молекулярное строение: фториды ниобия(V) и тантала(V) тетрамерны, хлориды и бромиды имеют димерное строение. Легкорастворимы в органических соединениях, летучи, водой нацело гидролизуются, склонны к образованию анионных координационных соединений:

2NbCl₅ + 5H₂O = Nb₂O₅ + 10HCl

TaF₅ + 2KF = K₂[TaF₇]