Общая химия - Николай Глинка

- 627 -

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 TiO 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 соединений молибдена (VI) и вольфрама(VI) окислительные свойства не характерны.

В пределах каждой побочной подгруппы отмечается значительное сходство в свойствах элементов пятого и шестого периода. Как указывалось в § 221, это связано с явлением лантаноидного сжатия.

ПОДГРУППА ТИТАНА

В подгруппу титана входят элементы побочной подгруппы IV группы — титан, цирконий, гафний и искусственно полученный (см. стр. 107) курчатовий. Металлические свойства выражены у этих элементов сильнее, чем у металлов главной подгруппы четвертой группы — олова и свинца.

Атомы элементов подгруппы титана имеют в наружном слое по два электрона, а во втором снаружи слое — по 10 электронов, из которых два — на d-подуровне. Поэтому наиболее характерная степень окисленности металлов подгруппы титана равна +4.

В свободном состоянии титан и его аналоги — типичные металлы, по внешнему виду похожие на сталь. Все они тугоплавки, устойчивы по отношению к воздуху и к воде. 224. Титан (Titanium).

Титан очень распространен в природе; его содержание в земной коре составляет 0,6% (масс.), т. е. выше, чем содержание таких широко используемых в технике металлов, как медь, свинец и цинк.

Минералы, содержащие титан, находятся в природе повсеместно. Важнейшими из них являются: титаномагнетиты FeTiO3·Fe3O4, ильменит FeTiO3, сфен CaTiSiO5 и рутил TiO2. В СССР месторождения титановых руд находятся на Урале.

При промышленном получении титана руду или концентрат переводят в диоксид титана TiO2, который затем подвергают хлорированию. Однако даже при 800-1000°C хлорирование протекает медленно. С достаточной для практических целей скоростью оно происходит в присутствии углерода, связывающего кислород в основном в СО:

Получающийся хлорид титана(IV) восстанавливают магнием

а образующуюся смесь подвергают нагреванию в вакууме. При этом магний и его хлорид испаряются и осаждаются в конденсаторе. Остаток — губчатый титан — переплавляют, получая компактный ковкий металл.

Примеси кислорода, азота, углерода резко ухудшают механические свойства титана, а при большом содержании превращают его в хрупкий материал, непригодный для практического использования. Поскольку при высоких температурах титан реагирует с названными неметаллами, его восстановление проводят в герметичной аппаратуре в атмосфере аргона, а очистку и переплавку — в высоком вакууме.

Для получения небольших количеств титана высокой чистоты применяют иодидный метод (см. § 193).

Металлический титан плавится при 1665°C плотность его равна 4,505 г/см3. Титан — довольно активный металл; стандартный электродный потенциал системы Ti/Ti2+ равен —1,63 В. Однако благодаря образованию на поверхности металла плотной защитной пленки титан обладает исключительно высокой стойкостью против коррозии, превышающей стойкость нержавеющей стали.

- 629 -

Он не окисляется на воздухе, в морской воде и не изменяется в ряде агрессивных химических сред, в частности в разбавленной и концентрированной азотной кислоте и даже в царской водке.

Благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии титан — прекрасный материал для изготовления химической аппаратуры. По 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 повышенных температурах. Все это делает сплавы титана весьма ценными материалами для самолето- и ракетостроения.

Титан лишь немного тяжелее алюминия, но в 3 раза прочнее его. Это открывает перспективы применения титана в различных областях машиностроения. Достаточно указать, что использование деталей из титана и его сплавов в двигателях внутреннего сгорания позволяет снизить массу этих двигателей примерно на 30%.

Широкие возможности применения титана в технике вызвали бурное развитие его производства. В 1948 г. был получен первый промышленный титан в количестве 2,5 т, в 1954 г. мировое производство этого металла составило 7000 т, а в 1957 г. достигло 30 000 т. Таких темпов роста не наблюдалось в производстве ни одного из других металлов.

При высокой температуре титан соединяется с галогенами, кислородом, серой, азотом и другими элементами. На этом основано применение сплавов титана с железом (ферротитана) в качестве добавки к стали. Титан соединяется с находящимися в расплавленной стали азотом и кислородом и этим предотвращает выделение последних при затвердевании стали—литье получается однородным и не содержит пустот.

Соединяясь с углеродом, титан образует карбид. Из карбидов титана и вольфрама с добавкой кобальта получают сплавы, по твердости приближающиеся к алмазу.

Диоксид титана TiO2 — белое тугоплавкое вещество, нерастворимое в воде и разбавленных кислотах. Это — амфотерный оксид, но как основные, так и кислотные свойства выражены у него слабо.

Применяется TiO2 при изготовлении тугоплавких стекол, глазури, эмали, жароупорной лабораторной посуды, а также для приготовления белой масляной краски, обладающей высокой кроющей способностью (титановые белила).

Сплавлением TiO2 с BaCO3 получают титанат бария BaTiO3. Эта соль имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость и, кроме того, обладает способностью деформироваться под действием электрического поля. Кристаллы титаната бария применяются в электрических конденсаторах высокой емкости и малых размеров, в ультразвуковой аппаратуре, в звукоснимателях, в гидроакустических устройствах.

225. Цирконий (Zirconium). Гафний (Hafnium).

- 630 -

Цирконий - довольно распространенный элемент: содержание его в земной коре составляет 0,025% (масс.). Однако цирконий очень распылен и сколько-нибудь значительные скопления его встречаются редко.

В свободном состоянии цирконий представляет собой блестящий металл плотностью 6,45 г/см3, плавящийся при 1855°C. Не содержащий примесей цирконий очень пластичен и легко поддается холодной и горячей обработке. Как и у титана, механические свойства циркония резко ухудшаются при содержании в нем примесей неметаллов, особенно кислорода.

Одно из наиболее ценных свойств металлического циркония — его высокая стойкость против коррозии в различных средах. Так, он не растворяется в соляной и в азотной кислотах и в щелочах.

Цирконий почти не захватывает медленные (тепловые) нейтроны. Это его свойство в сочетании с высокой стойкостью против коррозии и механической прочностью при повышенных температурах делает цирконий и сплавы на его основе одним из главных конструкционных материалов для энергетических атомных реакторов. К важнейшим сплавам циркония относятся циркалои — сплавы, содержащие небольшие количества олова, железа, хрома и никеля.