Die Entdeckung von TiO 2 erfolgte nahezu gleichzeitig und unabhängig voneinander durch den Engländer W. Gregor und den deutschen Chemiker M. G. Klaproth. W. Gregor, der die Zusammensetzung von magnetischem Eisensand untersuchte (Creed, Cornwall, England, 1789), isolierte eine neue „Erde“ (Oxid) eines unbekannten Metalls, die er Menaken nannte. 1795 entdeckte der deutsche Chemiker Klaproth ein neues Element im Mineral Rutil und nannte es Titan; später stellte er fest, dass Rutil und Menakenerde Oxide desselben Elements sind. Die erste Probe von Titanmetall wurde 1825 von J. Ya. Berzelius erhalten. Eine reine Ti-Probe wurde 1925 von den Niederländern A. van Arkel und I. de Boer durch thermische Zersetzung von Titaniodiddampf TiI 4 gewonnen
Physikalische Eigenschaften:
Titan ist ein leichtes silberweißes Metall. Kunststoff, in inerter Atmosphäre schweißbar.
Es hat eine hohe Viskosität und neigt während der Bearbeitung dazu, am Schneidwerkzeug festzukleben. Daher sind spezielle Beschichtungen auf dem Werkzeug und verschiedene Schmiermittel erforderlich.
Chemische Eigenschaften:
Bei normalen Temperaturen ist es mit einem schützenden Passivierungsfilm aus Oxid bedeckt und korrosionsbeständig, aber wenn es zu Pulver zerkleinert wird, brennt es an der Luft. Titanstaub kann explodieren (Flammpunkt 400°C). Beim Erhitzen an Luft auf 1200 °C verbrennt Titan unter Bildung von Oxidphasen variabler Zusammensetzung TiO x .
Titan ist beständig gegen verdünnte Lösungen vieler Säuren und Laugen (außer HF, H 3 PO 4 und konzentriertes H 2 SO 4), reagiert jedoch leicht auch mit schwachen Säuren in Gegenwart von Komplexbildnern, beispielsweise mit Flusssäure HF bildet ein komplexes Anion 2-.
Beim Erhitzen interagiert Titan mit Halogenen. Mit Stickstoff über 400 °C bildet Titan das Nitrid TiN x (x=0,58–1,00). Wenn Titan mit Kohlenstoff interagiert, entsteht Titancarbid TiC x (x=0,49–1,00).
Titan absorbiert Wasserstoff und bildet Verbindungen mit variabler Zusammensetzung TiHx. Beim Erhitzen zersetzen sich diese Hydride unter Freisetzung von H2.
Titan bildet mit vielen Metallen Legierungen.
Titan weist in Verbindungen die Oxidationsstufen +2, +3 und +4 auf. Die stabilste Oxidationsstufe ist +4.
Die wichtigsten Verbindungen:
Titandioxid, TiO 2 . Weißes Pulver, beim Erhitzen gelb, Dichte 3,9–4,25 g/cm 3 . Amphoter. In konzentriertem H 2 löst sich SO 4 nur bei längerem Erhitzen. Beim Schmelzen mit Na 2 CO 3 Soda oder K 2 CO 3 Kali bildet TiO 2 Oxid Titanate:
TiO 2 + K 2 CO 3 = K 2 TiO 3 + CO 2
Titan(IV)-hydroxid, TiO(OH) 2 *xH 2 O, wird aus Lösungen von Titansalzen ausgefällt; durch vorsichtiges Kalzinieren wird TiO 2 -Oxid erhalten. Titan(IV)hydroxid ist amphoter.
Titantetrachlorid TiCl 4 ist unter normalen Bedingungen eine gelbliche Flüssigkeit, die an der Luft stark raucht, was durch die starke Hydrolyse von TiCl 4 durch Wasserdampf und die Bildung winziger HCl-Tröpfchen und einer Suspension von Titanhydroxid erklärt wird. Kochendes Wasser hydrolysiert zu Titansäure (??). Titan(IV)-chlorid zeichnet sich durch die Bildung von Additionsprodukten aus, beispielsweise TiCl 4 *6NH 3, TiCl 4 *8NH 3, TiCl 4 *PCl 3 usw. Beim Lösen von Titan(IV)-chlorid in HCl entsteht die Komplexsäure H2, die im freien Zustand unbekannt ist; seine Me 2 -Salze kristallisieren gut und sind an der Luft stabil.
Durch die Reduktion von TiCl 4 mit Wasserstoff, Aluminium, Silizium und anderen starken Reduktionsmitteln werden Titantrichlorid und -dichlorid TiCl 3 und TiCl 2 erhalten – feste Substanzen mit stark reduzierenden Eigenschaften.
Titannitrid- repräsentiert die interstitielle Phase mit einem breiten Homogenitätsbereich, Kristalle mit einem kubisch flächenzentrierten Gitter. Vorbereitung – Titannitrieren bei 1200 °C oder andere Methoden. Es wird als hitzebeständiges Material zur Herstellung verschleißfester Beschichtungen verwendet.
Anwendung:
In Form von Legierungen. Das Metall wird in der chemischen Industrie (Reaktoren, Rohrleitungen, Pumpen), Leichtmetalllegierungen und Osteoprothesen verwendet. Es ist das wichtigste Strukturmaterial im Flugzeug-, Raketen- und Schiffbau.
Titan ist in einigen Stahlsorten ein Legierungszusatz.
Nitinol (Nickel-Titan) ist eine Legierung mit Formgedächtnis, die in Medizin und Technik eingesetzt wird.
Titanaluminide sind sehr oxidationsbeständig und hitzebeständig, was wiederum ihren Einsatz als Strukturwerkstoffe in der Luftfahrt und im Automobilbau bestimmte.
In Form von Verbindungen Weißes Titandioxid wird in Farben (zum Beispiel Titanweiß) sowie bei der Herstellung von Papier und Kunststoffen verwendet. Lebensmittelzusatzstoff E171.
Organische Titanverbindungen (z. B. Tetrabutoxytitan) werden als Katalysator und Härter in der chemischen Industrie sowie in der Farben- und Lackindustrie eingesetzt.
Anorganische Titanverbindungen werden in der chemischen Elektronik- und Glasfaserindustrie als Zusatzstoffe eingesetzt.
Matigorov A.V.
HF Staatliche Universität Tjumen
Zirkonium und Hafnium bilden Verbindungen in der Oxidationsstufe +4; Titan ist auch in der Lage, Verbindungen in der Oxidationsstufe +3 zu bilden.
Verbindungen mit der Oxidationsstufe +3. Titan(III)-Verbindungen werden durch Reduktion von Titan(IV)-Verbindungen gewonnen. Zum Beispiel:
1200 ºС 650 ºС
2TiO 2 + H 2 ¾® Ti 2 O 3 + H 2 O; 2TiCl 4 + H 2 ¾® 2TiCl 3 + 2HCl
Titan(III)-Verbindungen haben eine violette Farbe. Titanoxid ist in Wasser praktisch unlöslich und weist basische Eigenschaften auf. Oxid-, Chlorid-, Ti 3+-Salze – starke Reduktionsmittel:
4Ti +3 Cl 3 + O 2 + 2H 2 O = 4Ti +4 OCl 2 + 4HCl
Bei Titan(III)-Verbindungen sind Disproportionierungsreaktionen möglich:
2Ti +3 Cl 3 (t) ¾® Ti +4 Cl 4 (g) + Ti +2 Cl 2 (t)
Bei weiterer Erhitzung disproportioniert auch Titan(II)-chlorid:
2Ti +2 Cl 2 (t) = Ti 0 (t) + Ti +4 Cl 4 (g)
Verbindungen mit der Oxidationsstufe +4. Oxide von Titan(IV), Zirkonium(IV) und Hafnium(IV) sind feuerfeste, chemisch eher inerte Stoffe. Sie weisen die Eigenschaften amphoterer Oxide auf: Sie reagieren bei längerem Kochen langsam mit Säuren und interagieren beim Schmelzen mit Alkalien:
TiO 2 + 2H 2 SO 4 = Ti(SO 4) 2 + 2H 2 O;
TiO 2 + 2NaOH = Na 2 TiO 3 + H 2 O
Am häufigsten wird Titanoxid TiO 2 verwendet; es wird als Füllstoff bei der Herstellung von Farben, Gummi und Kunststoffen verwendet. Zirkonoxid ZrO 2 wird zur Herstellung feuerfester Tiegel und Platten verwendet.
Hydroxide Titan(IV), Zirkonium(IV) und Hafnium(IV) sind amorphe Verbindungen variabler Zusammensetzung – EO 2 ×nH 2 O. Frisch gewonnene Stoffe sind recht reaktiv und lösen sich in Säuren, Titanhydroxid ist auch in Laugen löslich. Gealterte Sedimente sind äußerst inert.
Halogenide(Chloride, Bromide und Iodide) Ti(IV), Zr(IV) und Hf(IV) haben eine molekulare Struktur, sind flüchtig und reaktiv und werden leicht hydrolysiert. Beim Erhitzen zersetzen sich Jodide zu Metallen, aus denen hochreine Metalle gewonnen werden. Zum Beispiel:
TiI 4 = Ti + 2I 2
Fluoride von Titan, Zirkonium und Hafnium sind polymer und wenig reaktiv.
Salze Elemente der Titan-Untergruppe in der Oxidationsstufe +4 sind zahlreich und hydrolytisch instabil. Normalerweise entstehen bei der Reaktion von Oxiden oder Hydroxiden mit Säuren keine Zwischensalze, sondern Oxo- oder Hydroxo-Derivate. Zum Beispiel:
TiO 2 + 2H 2 SO 4 = TiOSO 4 + H 2 O; Ti(OH) 4 + 2HCl = TiOCl 2 + H 2 O
Eine große Anzahl anionischer Komplexe von Titan, Zirkonium und Hafnium wurde beschrieben. Am stabilsten in Lösungen und am leichtesten zu bilden sind Fluoridverbindungen:
EO 2 + 6HF = H 2 [EF 6 ] + 2H 2 O; EF 4 + 2KF = K 2 [EF 6 ]
Titan und seine Analoga zeichnen sich durch Koordinationsverbindungen aus, in denen das Peroxidanion die Rolle des Liganden übernimmt:
E(SO 4) 2 + H 2 O 2 = H 2 [E(O 2)(SO 4) 2 ]
In diesem Fall nehmen Lösungen von Titan(IV)-Verbindungen eine gelb-orange Farbe an, die den analytischen Nachweis von Titan(IV)-Kationen und Wasserstoffperoxid ermöglicht.
Hydride (EN 2), Carbide (ES), Nitride (EN), Silizide (ESi 2) und Boride (EV, EV 2) sind metallähnliche Verbindungen variabler Zusammensetzung. Binäre Verbindungen verfügen über wertvolle Eigenschaften, die ihren Einsatz in der Technik ermöglichen. Beispielsweise ist eine Legierung aus 20 % HfC und 80 % TiC eine der feuerfeststen, Fp. 4400 ºС.
Bei hohen Temperaturen verbindet sich Titan mit Halogenen, Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff und anderen Elementen. Dies ist die Grundlage für die Verwendung von Titanlegierungen mit Eisen ( Ferrotitan) als Zusatz zu Stahl. Titan verbindet sich mit dem in der Stahlschmelze vorhandenen Stickstoff und Sauerstoff und verhindert so deren Freisetzung beim Erstarren des Stahls – der Guss ist homogen und enthält keine Hohlräume.
Titan bildet in Verbindung mit Kohlenstoff Karbid. Aus Titan- und Wolframcarbiden unter Zusatz von Kobalt werden Legierungen erhalten, deren Härte der von Diamant nahe kommt.
Titandioxid TiO 2 ist eine weiße, feuerfeste Substanz, die in Wasser und verdünnten Säuren unlöslich ist. Dies ist ein amphoteres Oxid, dessen basische und saure Eigenschaften jedoch schwach ausgeprägt sind.
In der Natur gefunden als Rutil(kubisches System), seltener in der Form Anatas(tetragonales System) und Brookit(Rhombensystem). Bei Rutil ist jedes Ti 4+ -Ion von sechs O 2--Ionen umgeben, und jedes O 2--Ion ist von drei Ti 4+-Ionen umgeben. In den anderen beiden Kristallformen sind die unmittelbaren Nachbarn der Ionen gleich.
Absolut reines Titandioxid ist farblos. In der Natur ist es meist mit Eisenoxiden verunreinigt und daher gefärbt.
Völlig unlöslich in Wasser und verdünnten Säuren. In warmer konzentrierter Schwefelsäure löst es sich langsam unter möglicher Bildung auf Titansulfit Ti(SO 4) 2, das jedoch aufgrund der leichten Umwandlung durch Hydrolyse in nicht in reiner Form isoliert werden kann Titanylsulfit(TiO)SO 4 . Dieses in kaltem Wasser lösliche Salz hydrolysiert beim Erhitzen ebenfalls zu H 2 SO 4 und hydratisiertem Titandioxid, dem sogenannten c-Titan oder Metatitansäure. Die Leichtigkeit, mit der diese Hydrolyse abläuft, weist auf die schwachen basischen Eigenschaften von Titanhydroxid hin. Titansulfat ergibt mit Alkalisulfaten (die der zum Lösen von Titandioxid verwendeten Schwefelsäure zugesetzt werden) Doppelsalze, beispielsweise K 2, die hydrolysebeständiger sind als einfache Sulfate.
Alkalimetallhydroxide und -carbonate fällen aus Sulfatlösungen in der Kälte gelartiges, hydratisiertes Titandioxid aus, das sogenannte L-Titansäure, das sich von β-Titansäure durch seine höhere Reaktivität unterscheidet (b-Titansäure löst sich beispielsweise in Alkalien, in denen β-Titansäure unlöslich ist). Vierwertiges Titanhydroxid bzw. Titansäure Ti(OH) 4 selbst kann nicht isoliert werden, es ähnelt darin Kieselsäure und Zinnsäure. L- und b-Titansäuren, die mehr oder weniger dehydratisierte Derivate von Titan(IV)-hydroxid sind, sind mit b- und b-Zinnsäuren völlig vergleichbar.
Eine neutrale oder angesäuerte Lösung von Titanylsulfat sowie anderen Titansalzen wird mit Wasserstoffperoxid dunkelorange gefärbt (Wasserstoffperoxid-Nachweisreaktion). Aus diesen Lösungen fällt Ammoniak aus Peroxotitansäure H 4 TiO 5 hat eine gelbbraune Farbe und die Formel Ti(OH) 3 O-OH.
TiO 2 wird zur Herstellung von feuerfestem Glas, Glasur, Emaille, hitzebeständigem Laborglas sowie zur Herstellung von Weißölfarbe mit hoher Deckkraft verwendet ( Titanweiß).
Durch die Fusion von TiO 2 mit BaCO 3 erhält man Bariumtitanat BaTiO3. Dieses Salz hat eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante und verfügt darüber hinaus über die Fähigkeit, sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zu verformen. Bariumtitanatkristalle werden in elektrischen Kondensatoren mit hoher Kapazität und kleiner Größe, in Ultraschallgeräten, in Tonabnehmern und in hydroakustischen Geräten verwendet.
Titanchlorid(IV) TiCl 4, das auf die gleiche Weise wie SiCl 4 gewonnen wird, ist eine farblose Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von 136 °C und einem Schmelzpunkt von -32 °C, die durch Wasser zu TiO 2 und 4HCl hydrolysiert wird. Titan(IV)-chlorid ergibt mit Alkalimetallhalogeniden Doppelchloride, die ein 2-Komplexion enthalten. Titanfluorid(IV) TiF 4 wird in Form eines weißen Pulvers mit einem Schmelzpunkt von 284 °C isoliert; es hydrolysiert und bildet sich auch leicht mit HF Hexafluortitan(IV) Säure H 2 TiF 6, ähnlich Hexafluorkieselsäure.
Wasserfrei Titanchlorid(III) TiCl 3 wird in Form eines violetten Pulvers erhalten, indem TiCl 4 -Dampf zusammen mit H 2 durch ein auf etwa 700 °C erhitztes Kupferrohr geleitet wird. In Form einer wässrigen Lösung (violette Farbe) wird es durch Reduktion von TiCl 4 in Salzsäure mit Hilfe von Zink oder elektrolytisch gewonnen. Es wird auch Titan(III)sulfat gewonnen. Kristallisiert aus einer wässrigen Lösung von Titan(III)-chlorid violettes Hexahydrat TiCl 3 ?6H 2 O.
Titanchlorid(II) TiCl 2, schwarz lackiert, wird durch thermische Zersetzung von TiCl 3 bei 700 °C in einer Wasserstoffatmosphäre gewonnen:
Eine farblose wässrige Lösung dieses Chlorids oxidiert an der Luft schnell, färbt sich zunächst violett und wird dann wieder farblos, da sich zunächst eine Ti(III)-Verbindung und dann eine Ti(IV)-Verbindung bildet.
Titancarbonitride, -oxycarbide und -oxynitride. Es wurde festgestellt, dass die Art der Abhängigkeit der Auflösung feuerfester interstitieller Phasen (TIPs) – Titancarbide, -nitride und -oxide – von der Zusammensetzung mit einer Änderung des Metallizitätsgrads der Ti-Ti-Bindungen im TiC-TiN-TiO korreliert Reihe, nämlich: Mit zunehmendem Metallizitätsgrad der Phasen in dieser Richtung nimmt ihre chemische Beständigkeit in HCl und H 2 SO 4 ab und in HNO 3 zu. Da sich Carbide, Nitride und Titanmonoxid durch vollständige gegenseitige Löslichkeit auszeichnen, ist zu erwarten, dass ein ähnliches Muster auftritt, wenn ihre festen Lösungen mit Säuren interagieren.
Allerdings stimmen die in der Literatur verfügbaren Informationen über die Abhängigkeit des Auflösungsgrads von TiC x O y und TiN x O y von der Zusammensetzung in Mineralsäuren nicht gut mit dieser Annahme überein. Somit ist die Löslichkeit von TiC x O y (Fraktion<56 мкм) в конц. HCl отсутствует вообще (20ўЄC, 6 ч и 100ўЄС, 3 ч), а в H 2 SO 4 - отсутствует при 20ўЄC (6 ч), но монотонно возрастает от 3% (TiC 0.30 O 0.78) до 10% (TiC 0.86 O 0.12) при 100ўЄC (3 ч). Степень растворения TiC x O y (фракция 15-20 мкм) в 92%-ной H 2 SO 4 (100ўЄC, 1 ч), напротив, уменьшается с ростом содержания углерода от 16% (TiC 0.34 O 0.66) до 2%(TiC 0.78 O 0.22). Степень растворения TiC x O y в конц. HCl (D= 1,19 g/cm) erreicht unter gleichen Bedingungen 1-2 %, ohne jedoch eine Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Phase erkennen zu lassen. Der Auflösungsgrad von TiN x O y in konz. HNO 3 ist niedrig (2,5–3,0 %) und hängt nicht von der Zusammensetzung des Oxynitrids ab (20 °C, 6 Stunden). Andererseits schwankt der Auflösungsgrad von TiN x O y in HNO 3 unter den gleichen Bedingungen in sehr weiten Grenzen: von 98 % für TiC 0,88 O 0,13 bis 4,5 % für TiC 0,11 O 0,82. Es ist schwierig, etwas Bestimmtes über die Art des Zusammenhangs zwischen dem Auflösungsgrad und der Zusammensetzung von Titancarbonitrid in Salz- und Schwefelsäure zu sagen. Der Auflösungsgrad von TiC x O y in HCl ist sehr gering (0,3 %) und hängt nicht von der Zusammensetzung des Carbonitrids ab (60 °C, 6 Stunden). Allerdings am Ende H 2 SO 4 ist eine Größenordnung höher (3,0-6,5 %) und zeichnet sich durch ein Minimum (2 %) für eine Probe der Zusammensetzung TiC 0,67 O 0,26 aus.
Die erhaltenen experimentellen Daten erlauben es uns zu behaupten, dass die Art der Abhängigkeit der Auflösung von TiC x N y, TiC x O y und TiN x O y von der Zusammensetzung in HCl, H 2 SO 4 und HNO 3 ziemlich eindeutig ist und, darüber hinaus ähnlich dem, was zuvor für TiC x , TiN x und TiO x festgestellt wurde. Dies bedeutet, dass die Gründe für das qualitativ unterschiedliche Verhalten dieser Abhängigkeiten in HCl und H2SO4 einerseits und in HNO3 andererseits allen untersuchten Verbindungen des TI-C-N-O-Systems gemeinsam sein sollten, d. h. bestimmt durch den Grad der Metallizität der Ti-Ti-Bindung und die Passivierungsfähigkeit der resultierenden Wechselwirkungsprodukte.
Lithiumtitanate Und Zink Li 2 ZnTi 3 O 8 und Li 2 Zn 3 Ti 4 O 12 haben eine kubische Spinellstruktur mit einer unterschiedlichen Kationenverteilung über die Positionen. Es wurde festgestellt, dass es sich bei diesen Verbindungen um feste Lithium-leitende Elektrolyte handelt. In Li 2 ZnTi 3 O 8 sind Lithium- und Titankationen im Verhältnis 1:3 auf oktaedrischen Positionen angeordnet, die Hälfte der Lithium- und Zinkatome ist statistisch auf tetraedrische Positionen verteilt: (Li 0,5 Zn 0,5)O 4 . Die chemische Kristallformel von Li 2 Zn 3 Ti 4 O 12 kann als (Zn)O 4 geschrieben werden. Basierend auf der Analyse der IR- und Raman-Spektren wird eine andere Methode für die Verteilung von Lithium- und Zinkatomen in der Struktur dieser Spinelle vorgeschlagen: Lithium hat eine tetraedrische Koordination, und Zink und Titan haben eine oktaedrische Koordination. Es wurde auch eine starke Verzerrung der TiO 6 -Oktaeder festgestellt: Beispielsweise liegt in Li 2 Zn 3 Ti 4 O 12 die Umgebung von Ti 4+-Ionen nahe an der Fünffachkoordination. Die geringe Ionenleitfähigkeit dieser Titanate bei erhöhten Temperaturen wird durch die tetraedrische Koordination der Lithiumatome erklärt.
Am Beispiel der Halogenidspinelle Li 2 MX 4 (M=Mg 2+ ,Mn 2+ ,Fe 2+ ; starken Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit. Da es keine gemeinsamen Kanten zwischen identischen kationischen Positionen in der Spinellstruktur gibt, sind mehrere verschiedene Positionen am Ionentransfer beteiligt. Hohe Werte der Ionenleitfähigkeit in Chloridspinellen wurden als Folge einer Störung der Struktur von Verbindungen beobachtet, die mit dem Übergang von Lithiumatomen bei erhöhten Temperaturen aus den tetraedrischen Positionen 8 verbunden ist A um Oktaederplätze freizugeben 16 Mit. In diesem Fall verwandelte sich die Spinellstruktur in eine Struktur vom NaCl-Typ. Eine aufschlussreiche Methode zur Untersuchung der Unordnung in der Struktur von Chloridspinellen war die Untersuchung der Raman-Spektren von Verbindungen bei hohen Temperaturen.
Allgemeine Charakteristiken. Geschichte der Entdeckung
Titan, Ti, ist ein chemisches Element der Gruppe IV des Periodensystems der Elemente von D. I. Mendelejew. Seriennummer 22, Atomgewicht 47,90. Besteht aus 5 stabilen Isotopen; Es wurden auch künstlich radioaktive Isotope gewonnen.
Im Jahr 1791 fand der englische Chemiker W. Gregor im Sand der Stadt Menakan (England, Cornwall) eine neue „Erde“, die er Menakan nannte. Im Jahr 1795 entdeckte der deutsche Chemiker M. Clairot im Mineral Rutil eine noch unbekannte Erde, deren Metall er Titan [auf Griechisch] nannte. In der Mythologie sind die Titanen die Kinder von Uranus (Himmel) und Gaia (Erde). Im Jahr 1797 bewies Klaproth die Identität dieses Landes mit dem von W. Gregor entdeckten. Reines Titan wurde 1910 vom amerikanischen Chemiker Hunter isoliert, indem er Titantetrachlorid mit Natrium in einer Eisenbombe reduzierte.
In der Natur sein
Titan ist eines der häufigsten Elemente in der Natur; sein Gehalt in der Erdkruste beträgt 0,6 % (nach Gewicht). Es kommt hauptsächlich in Form von TiO 2 -Dioxid oder seinen Verbindungen – Titanaten – vor. Es sind über 60 Mineralien bekannt, die Titan enthalten. Es kommt auch im Boden sowie in tierischen und pflanzlichen Organismen vor. Ilmenit FeTiO 3 und Rutil TiO 2 dient als Hauptrohstoff für die Titanproduktion. Als Titanquelle gewinnen Schmelzschlacken zunehmend an Bedeutung. Titan-Magnetite und Ilmenit.
Physikalische und chemische Eigenschaften
Titan liegt in zwei Zuständen vor: amorph – dunkelgraues Pulver, Dichte 3,392–3,395 g/cm 3 und kristallin, Dichte 4,5 g/cm 3. Für kristallines Titan sind zwei Modifikationen mit einem Übergangspunkt bei 885° bekannt (unter 885° eine stabile sechseckige Form, darüber eine kubische); t° pl etwa 1680°; Die Temperatur kippt über 3000°. Titan absorbiert aktiv Gase (Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff), was es sehr zerbrechlich macht. Technisches Metall lässt sich warm umformen. Absolut reines Metall lässt sich in der Kälte walzen. An der Luft verändert sich Titan bei normalen Temperaturen nicht; beim Erhitzen bildet es eine Mischung aus Ti 2 O 3-Oxid und TiN-Nitrid. Im Sauerstoffstrom wird es bei Rotglut zu TiO 2 -Dioxid oxidiert. Bei hohen Temperaturen reagiert es mit Kohlenstoff, Silizium, Phosphor, Schwefel usw. Beständig gegen Meerwasser, Salpetersäure, feuchtes Chlor, organische Säuren und starke Laugen. Es löst sich in Schwefel-, Salz- und Flusssäure, am besten in einer Mischung aus HF und HNO 3. Die Zugabe eines Oxidationsmittels zu Säuren schützt das Metall bei Raumtemperatur vor Korrosion. Vierwertige Titanhalogenide, mit Ausnahme von TiCl 4, sind kristalline Körper, die in wässriger Lösung schmelzbar und flüchtig sind, hydrolysiert sind und zur Bildung komplexer Verbindungen neigen, von denen Kaliumfluortitanat K 2 TiF 6 in Technologie und analytischer Praxis wichtig ist. Karbid TiC und Nitrid TiN sind wichtige metallähnliche Stoffe, die sich durch hohe Härte (Titankarbid ist härter als Karborund), Feuerfestigkeit (TiC, t° pl = 3140°; TiN, t° pl = 3200°) und gute elektrische Leitfähigkeit auszeichnen.
Chemisches Element Nr. 22. Titan.
Die elektronische Formel von Titan lautet: 1s 2 |2s 2 2p 6 |3s 2 3p 6 3d 2 |4s 2.
Die Seriennummer von Titan im Periodensystem der chemischen Elemente D.I. Mendeleev - 22. Die Elementzahl gibt die Ladung des Yard an, daher hat Titan eine Kernladung von +22 und eine Kernmasse von 47,87. Titan befindet sich in der vierten Periode, in einer sekundären Untergruppe. Die Periodenzahl gibt die Anzahl der elektronischen Schichten an. Die Gruppennummer gibt die Anzahl der Valenzelektronen an. Die Nebengruppe weist darauf hin, dass Titan zu den d-Elementen gehört.
Titan hat zwei Valenzelektronen im s-Orbital der äußeren Schicht und zwei Valenzelektronen im d-Orbital der äußeren Schicht.
Quantenzahlen für jedes Valenzelektron:
Ti(IV) bildet mit Halogenen und Wasserstoff Verbindungen vom Typ TiX 4, die vom Hybridisierungstyp sp 3 →q 4 sind.
Titan ist ein Metall. Ist das erste Element der d-Gruppe. Am stabilsten und gebräuchlichsten ist Ti +4. Es gibt auch Verbindungen mit niedrigeren Oxidationsstufen – Ti 0, Ti -1, Ti +2, Ti +3, aber diese Verbindungen werden leicht durch Luft, Wasser oder andere Reagenzien zu Ti +4 oxidiert. Das Entfernen von vier Elektronen erfordert viel Energie, sodass das Ti +4-Ion tatsächlich nicht existiert und Ti(IV)-Verbindungen normalerweise kovalente Bindungen beinhalten. Ti(IV) ähnelt in mancher Hinsicht den Elementen Si, Ge, Sn und Pb, insbesondere Sn.
Eigenschaften von Titanverbindungen.
Titanoxide:
Ti(IV) – TiO 2 – Titandioxid. Es hat einen amphoteren Charakter. Am stabilsten und mit der größten praktischen Bedeutung.
Ti(III) – Ti 2 O 3 – Titanoxid. Hat einen Grundcharakter. Es ist in Lösung stabil und wie andere Ti(III)-Verbindungen ein starkes Reduktionsmittel.
TI(II) – TiO 2 – Titanoxid. Hat einen Grundcharakter. Am wenigsten stabil.
Titandioxid, TiO2, ist eine Verbindung von Titan mit Sauerstoff, wobei Titan vierwertig ist. Weißes Pulver, beim Erhitzen gelb. Es kommt in der Natur hauptsächlich in Form des Minerals Rutil vor, bei Temperaturen über 1850°. Dichte 3,9 - 4,25 g/cm3. In Laugen und Säuren praktisch unlöslich, mit Ausnahme von HF. In konzentriertem H 2 löst sich SO 4 nur bei längerem Erhitzen. Beim Schmelzen von Titandioxid mit ätzenden oder kohlensäurehaltigen Alkalien entstehen Titanate, die in der Kälte leicht zu Orthotitansäure (oder Hydrat) Ti(OH) 4 hydrolysieren, das in Säuren leicht löslich ist. Beim Stehen verwandelt es sich in Mstatitansäure (Form), die eine mikrokristalline Struktur aufweist und nur in heißer konzentrierter Schwefel- und Flusssäure löslich ist. Die meisten Titanate sind in Wasser praktisch unlöslich. Die basischen Eigenschaften von Titandioxid sind stärker ausgeprägt als die sauren, aber auch Salze, in denen Titan ein Kation ist, werden unter Bildung des zweiwertigen Titanylradikals TiO 2 + deutlich hydrolysiert. Letzteres ist als Kation in der Zusammensetzung von Salzen enthalten (z. B. Titanylsulfat TiOSO 4 * 2H 2 O). Titandioxid ist eine der wichtigsten Titanverbindungen und dient als Ausgangsstoff für die Herstellung anderer Titanverbindungen sowie teilweise metallischen Titans. Es wird hauptsächlich als Mineralfarbe, aber auch als Füllstoff bei der Herstellung von Gummi und Kunststoffmetallen verwendet. Enthalten in feuerfesten Gläsern, Glasuren und Porzellanmassen. Daraus werden künstliche Edelsteine, farblos und gefärbt, hergestellt.
Titandioxid ist in Wasser und verdünnten Mineralsäuren (außer Flusssäure) und verdünnten Alkalilösungen unlöslich.
Löst sich langsam in konzentrierter Schwefelsäure auf:
TiO 2 + 2H 2 SO 4 = Ti(SO4) 2 + 2H 2 O
Mit Wasserstoffperoxid entsteht Orthotitansäure H4TiO4:
TiO 2 + 2H 2 O 2 = H 4 TiO 4
In konzentrierten Alkalilösungen:
TiO 2 + 2NaOH = Na 2 TiO 3 + H 2 O
Titandioxid und Ammoniak bilden beim Erhitzen Titannitrid:
2TiO 2 + 2NH 3 = 2TiN + 3H 2 O + O 2
In einer gesättigten Lösung von Kaliumbicarbonat:
TiO 2 + 2KHCO 3 = K 2 TiO 3 + H 2 O + 2CO 2
Beim Schmelzen mit Oxiden, Hydroxiden und Carbonaten entstehen Titanate und Doppeloxide:
TiO 2 + BaO = BaO∙TiO 2 (BaTiO 3)
TiO 2 + BaCO 3 = BaO∙TiO2 + CO 2 (BaTiO 3)
TiO 2 + Ba(OH) 2 = BaO∙TiO 2 (BaTiO 3)
Titanhydroxide:
H 2 TiO 3 – P.R. = 1,0∙10 -29
H 2 TiO 4 - P.R. = 3,6∙10 -17
TIO(OH) 2 - P.R. = 1,0∙10 -29
Ti(OH) 2 - P.R. = 1,0∙10 -35
Hydrooxid Ti(IV) - Ti(OH) 4 oder H 4 TiO 4 - Orthotitansäure existiert offenbar überhaupt nicht, und der Niederschlag, der ausfällt, wenn Basen zu Lösungen von Ti(IV)-Salzen hinzugefügt werden, ist eine hydratisierte Form von TiO 2 . Diese Substanz löst sich in konzentrierten Alkalien und aus solchen Lösungen können hydratisierte Titanate der allgemeinen Formel isoliert werden: M 2 TiO 3 ∙nH 2 O und M 2 Ti 2 O 5 ∙nH 2 O.
Titan zeichnet sich durch Komplexbildung mit den entsprechenden Halogenwasserstoffsäuren und insbesondere mit deren Salzen aus. Am typischsten sind komplexe Derivate mit der allgemeinen Formel Me 2 TiG 6 (wobei Me ein einwertiges Metall ist). Sie kristallisieren gut und hydrolysieren viel weniger als die ursprünglichen TiG 4 -Halogenide. Dies zeigt die Stabilität von TiG 6 -Komplexionen in Lösung an.
Die Farbe von Titanderivaten hängt stark von der Art des enthaltenen Halogens ab:
Die Stabilität von Salzen komplexer Säuren vom Typ H 2 EG 6 nimmt im Allgemeinen in der Ti-Zr-Hf-Reihe zu und in der F-Cl-Br-I-Halogenreihe ab.
Derivate dreiwertiger Elemente sind mehr oder weniger nur für Titan charakteristisch. Dunkelviolettes Oxid Ti 2 O 3 (Fp. 1820 °C) kann durch Kalzinieren von TiO 2 auf 1200 °C in einem Wasserstoffstrom erhalten werden. Als Zwischenprodukt entsteht bei 700-1000 °C blaues Ti 2 O 3.
Ti 2 O 3 ist in Wasser praktisch unlöslich. Sein Hydroxid entsteht in Form eines dunkelbraunen Niederschlags, wenn Alkalien auf Lösungen dreiwertiger Titansalze einwirken. Es beginnt aus sauren Lösungen bei pH = 4 auszufallen, hat nur basische Eigenschaften und löst sich nicht in überschüssigem Alkali. Aus HTiO 2 hergestellte Metalltitanite (Li, Na, Mg, Mn) wurden jedoch trocken erhalten. Bekannt ist auch blauschwarze „Titanbronze“ der Zusammensetzung Na0,2TiO 2 .
Titan(III)-hydroxid wird leicht durch Luftsauerstoff oxidiert. Befinden sich in der Lösung keine weiteren oxidationsfähigen Stoffe, entsteht gleichzeitig mit der Oxidation von Ti(OH) 3 Wasserstoffperoxid. In Gegenwart von Ca(OH) 2 (bindendes H 2 O 2) läuft die Reaktion nach der Gleichung ab:
2Ti(OH) 3 + O 2 + 2H 2 O = 2Ti(OH) 4 + H 2 O 2
Nitratsalze Ti(OH) 3 werden zu Ammoniak reduziert.
Lila TiCl 3 -Pulver kann erhalten werden, indem man eine Mischung aus TiCl 4 -Dampf mit überschüssigem Wasserstoff durch ein auf 650 °C erhitztes Rohr leitet. Durch Erhitzen kommt es zu seiner Sublimation (unter teilweiser Bildung dimerer Ti 2 Cl 6-Moleküle) und anschließender Dismutation gemäß dem Schema:
2TiCl 3 = TiCl 4 + TiCl 2
Interessant ist, dass Titantetrachlorid selbst unter normalen Bedingungen allmählich durch metallisches Kupfer reduziert wird und eine schwarze Verbindung der Zusammensetzung CuTiCl 4 (d. h. CuCl·TiCl 3) entsteht.
Titantrichlorid entsteht auch durch die Einwirkung von Wasserstoff auf TiCl 4 zum Zeitpunkt der Freisetzung (Zn + Säure). In diesem Fall verfärbt sich die farblose Lösung violett, was für Ti 3+ -Ionen charakteristisch ist, und daraus kann ein Kristallhydrat der Zusammensetzung TiCl 3 ·6H 2 O isoliert werden. Ein wenig stabiles grünes Kristallhydrat der gleichen Zusammensetzung ist ebenfalls bekannt , freigesetzt aus einer mit HCl gesättigten TiCl 3 -Lösung. Die Struktur beider Formen sowie ähnlicher Kristallhydrate von CrCl 3 entspricht den Formeln Cl 3 und Cl 2H 2 O. Beim Stehen in einem offenen Gefäß verfärbt sich die TiCl 3 -Lösung aufgrund der Oxidation von Ti 3+ allmählich zu Ti 4+ durch Luftsauerstoff gemäß der Reaktion:
4TiCl 3 + O 2 + 2H 2 O = 4TiOCl 2 + 4HCl.
Ti3+-Ionen sind eines der wenigen Reduktionsmittel, die (in einer sauren Umgebung) Perchlorate recht schnell zu Chloriden reduzieren. In Gegenwart von Platin wird Ti 3+ durch Wasser oxidiert (unter Freisetzung von Wasserstoff).
Wasserfreies Ti 2 (SO 4) 3 hat eine grüne Farbe. Es ist in Wasser unlöslich und seine Lösung in verdünnter Schwefelsäure hat die für Ti 3+ -Salze übliche violette Farbe. Aus dreiwertigem Titansulfat werden komplexe Salze hergestellt, hauptsächlich der Typen Me·12H 2 O (wobei Me für Cs oder Rb steht) und Me (mit unterschiedlichem Kristallwassergehalt je nach Art des Kations).
Die Bildungswärme von TiO (Schmelzpunkt 1750 °C) beträgt 518 kJ/mol. Es wird in Form einer goldgelben kompakten Masse durch Erhitzen einer komprimierten TiO 2 + Ti-Mischung im Vakuum auf 1700 °C erhalten. Ein interessanter Weg seiner Entstehung ist die thermische Zersetzung (im Hochvakuum bei 1000 °C) von Titanylnitril. Ähnlich wie Metall wird dunkelbraunes TiS durch Kalzinieren von TiS 2 in einem Wasserstoffstrom erhalten (zunächst entstehen Sulfide mittlerer Zusammensetzung, insbesondere Ti 2 S 3). Bekannt sind auch TiSe, TiTe und Silizid der Zusammensetzung Ti 2 Si.
Alle TiG 2 entstehen durch Erhitzen der entsprechenden TiG 3-Halogenide ohne Luftzugang aufgrund ihrer Zersetzung nach folgendem Schema:
2TiG 3 = TiG 4 + TiG 2
Bei etwas höheren Temperaturen dismutieren die TiG 2 -Halogenide selbst nach dem Schema: 2TiG 2 = TiG 4 + Ti
Titandichlorid kann auch durch Reduktion von TiCl4 mit Wasserstoff bei 700 °C gewonnen werden. Es ist in Wasser (und Alkohol) gut löslich und ergibt mit flüssigem Ammoniak graues Ammoniak TiCl 2 4NH 3 . Eine TiCl 2 -Lösung kann durch Reduktion von TiCl 4 mit Natriumamalgam hergestellt werden. Durch Oxidation durch Luftsauerstoff verfärbt sich die farblose TiCl 2 -Lösung schnell braun, wird dann violett (Ti 3+) und verfärbt sich schließlich wieder (Ti 4+). Der durch die Einwirkung von Alkali auf eine TiCl 2 -Lösung erhaltene schwarze Niederschlag von Ti(OH) 2 wird äußerst leicht oxidiert.
Titan(II)-hydroxid- anorganische Verbindung Titanmetallhydroxid mit der Formel Ti(OH) 2, schwarzes Pulver, wasserunlöslich.
Quittung
- Behandlung von Lösungen zweiwertiger Titanhalogenide mit Alkalien:
Physikalische Eigenschaften
Titan(II)-hydroxid bildet einen schwarzen Niederschlag, der durch Zersetzung allmählich heller wird.
Chemische Eigenschaften
- Zersetzt sich bei Lagerung in Gegenwart von Wasser:
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Literatur
- Chemische Enzyklopädie / Redaktion: Knunyants I.L. und andere. - M.: Sowjetische Enzyklopädie, 1995. - T. 4. - 639 S. - ISBN 5-82270-092-4.
- Handbuch für Chemiker / Redaktion: Nikolsky B.P. und andere. – 3. Aufl., rev. - L.: Chemie, 1971. - T. 2. - 1168 S.
- Ripan R., Ceteanu I. Anorganische Chemie. Chemie der Metalle. - M.: Mir, 1972. - T. 2. - 871 S.
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Auszug zur Charakterisierung von Titan(II)-hydroxid
Die Schönheit ging zu ihrer Tante, aber Anna Pawlowna hielt Pierre immer noch in ihrer Nähe und schien, als hätte sie noch einen letzten notwendigen Befehl zu erledigen.– Ist sie nicht großartig? - sagte sie zu Pierre und zeigte auf die majestätische Schönheit, die davonsegelte. - Et quelle tenue! [Und wie sie sich hält!] Für ein so junges Mädchen und solch ein Fingerspitzengefühl, solch eine meisterhafte Fähigkeit, sich zu halten! Es kommt von Herzen! Glücklich wird derjenige sein, der es sein wird! Mit ihr wird der unsäkularste Ehemann unfreiwillig den brillantesten Platz der Welt einnehmen. Oder? Ich wollte nur deine Meinung wissen“, und Anna Pawlowna ließ Pierre frei.
Pierre antwortete Anna Pawlowna aufrichtig mit Ja auf ihre Frage nach Helens Kunst, sich zu halten. Wenn er jemals an Helen gedacht hat, dann besonders an ihre Schönheit und an ihre ungewöhnliche ruhige Fähigkeit, in der Welt stillschweigend würdig zu sein.
Tante nahm zwei junge Leute in ihre Ecke, aber es schien, als wollte sie ihre Verehrung für Helen verbergen und ihre Angst vor Anna Pawlowna stärker zum Ausdruck bringen. Sie sah ihre Nichte an, als würde sie fragen, was sie mit diesen Leuten machen sollte. Anna Pawlowna entfernte sich von ihnen, berührte erneut Pierres Ärmel mit dem Finger und sagte:
- J"espere, que vous ne direz plus qu"on s"ennuie chez moi, [Ich hoffe, du sagst nicht noch einmal, dass mir langweilig ist] - und sah Helen an.
Helen lächelte mit einem Gesichtsausdruck, der verriet, dass sie die Möglichkeit nicht wahrnahm, dass jemand sie sehen und nicht bewundert werden könnte. Tante räusperte sich, schluckte ihren Sabber herunter und sagte auf Französisch, dass sie sich sehr freue, Helen zu sehen; dann wandte sie sich mit derselben Begrüßung und derselben Miene an Pierre. Mitten in einem langweiligen und stolpernden Gespräch blickte Helen zu Pierre zurück und lächelte ihn mit diesem klaren, schönen Lächeln an, mit dem sie jeden anlächelte. Pierre war an dieses Lächeln so gewöhnt, es drückte für ihn so wenig aus, dass er ihm keine Beachtung schenkte. Tante sprach zu dieser Zeit über die Sammlung von Schnupftabakdosen, die Pierres verstorbener Vater, Graf Bezukhy, besaß, und zeigte ihre Schnupftabakdose. Prinzessin Helen wollte das Porträt des Mannes ihrer Tante sehen, das auf dieser Schnupftabakdose angefertigt wurde.
„Das wurde wahrscheinlich von Vines gemacht“, sagte Pierre, nannte den Namen des berühmten Miniaturisten, beugte sich zum Tisch, um eine Schnupftabakdose aufzuheben, und lauschte der Unterhaltung an einem anderen Tisch.
Er stand auf und wollte umhergehen, aber die Tante reichte Helen die Schnupftabakdose direkt hinter ihr vorbei. Helen beugte sich vor, um Platz zu schaffen, und blickte lächelnd zurück. Sie trug, wie immer abends, ein Kleid, das der damaligen Mode entsprechend vorne und hinten sehr offen war. Ihre Büste, die Pierre immer wie Marmor vorkam, war so weit von seinen Augen entfernt, dass er mit seinen kurzsichtigen Augen unwillkürlich die lebendige Schönheit ihrer Schultern und ihres Halses wahrnahm, und so nah an seinen Lippen, dass er sich ein wenig bücken musste um sie zu berühren. Er hörte die Wärme ihres Körpers, den Geruch von Parfüm und das Knarren ihres Korsetts, wenn sie sich bewegte. Er sah nicht ihre marmorne Schönheit, die eins mit ihrem Kleid war, er sah und fühlte den ganzen Charme ihres Körpers, der nur von Kleidern bedeckt war. Und als er dies sah, konnte er nichts anderes sehen, so wie wir nicht zu einer Täuschung zurückkehren können, die einmal erklärt wurde.
„Dir ist also bis jetzt gar nicht aufgefallen, wie schön ich bin? – Helen schien zu sagen. „Ist dir aufgefallen, dass ich eine Frau bin?“ „Ja, ich bin eine Frau, die zu jedem gehören kann, auch zu dir“, sagte ihr Blick. Und in diesem Moment spürte Pierre, dass Helen nicht nur seine Frau sein konnte, sondern auch sein musste, dass es nicht anders sein konnte.
Er wusste es in diesem Moment so sicher, wie er es gewusst hätte, als er mit ihr unter dem Mittelgang gestanden hätte. Wie wird es sein? und wann? Er wusste nicht; Er wusste nicht einmal, ob es gut sein würde (er hatte sogar das Gefühl, dass es aus irgendeinem Grund nicht gut war), aber er wusste, dass es so sein würde.
Pierre senkte den Blick, hob ihn immer wieder und wollte sie als eine so ferne, fremde Schönheit sehen, wie er sie jeden Tag zuvor gesehen hatte; aber er konnte dies nicht mehr tun. Er konnte nicht, so wie jemand, der zuvor im Nebel auf einen Unkrauthalm geschaut und darin einen Baum gesehen hatte, nach dem Anblick des Grashalms nicht wieder einen Baum darin sehen konnte. Sie war ihm schrecklich nahe. Sie hatte bereits Macht über ihn. Und zwischen ihm und ihr gab es keine Barrieren mehr außer den Barrieren seines eigenen Willens.
- Gut, ich liebe dich in deiner kleinen Münze. Je vois, que vous y etes tres bien, [Okay, ich lasse dich in deiner Ecke. Ich sehe, dass du dich dort wohl fühlst“, sagte Anna Pawlownas Stimme.
Und Pierre, der sich voller Angst daran erinnerte, ob er etwas Verwerfliches getan hatte, errötete, sah sich um. Es kam ihm so vor, als wüsste jeder genau wie er, was mit ihm passiert sei.
Als er sich nach einer Weile dem großen Kreis näherte, sagte Anna Pawlowna zu ihm:
– Darauf, dass Sie Ihr Haus in Petersburg verschönern. [Man sagt, Sie dekorieren Ihr Haus in St. Petersburg.]
(Es stimmte: Der Architekt sagte, er brauche es, und Pierre dekorierte, ohne zu wissen warum, sein riesiges Haus in St. Petersburg.)
„Das ist gut, aber du musst dem Prinzen Vasile nicht trauen. Es ist ein guter Freund einer Freundin mit dem Prinzen“, sagte sie und lächelte Prinz Vasily an. - J"en sais quelque selected. N"est ce pas? [Das ist gut, aber entfernen Sie sich nicht von Prinz Wassili. Es ist gut, so einen Freund zu haben. Ich weiß etwas darüber. Stimmt das nicht?] Und du bist noch so jung. Sie brauchen Rat. Seien Sie mir nicht böse, wenn ich die Rechte alter Frauen ausnutze. „Sie verstummte, so wie Frauen immer schweigen und erwarteten, etwas zu sagen, nachdem sie über ihre Jahre gesprochen hatten. – Wenn Sie heiraten, ist das eine andere Sache. – Und sie hat sie zu einem Look kombiniert. Pierre sah Helen nicht an, und sie sah ihn nicht an. Aber sie war ihm immer noch schrecklich nahe. Er murmelte etwas und errötete.
