Некоторые наиболее важные соединения

Общая характеристика. История открытия

Титан (Titanium), Ti,— химический элемент IV группы периодической системы элементов Д. И. Мен­делеева. Порядковый номер 22, атомный вес 47,90. Состоит из 5 устойчивых изотопов; получены также искус­ственно радиоактивные изотопы.

В 1791 году английский химик У. Грегор нашёл в песке из местечка Менакан (Англия, Корнуолл) новую «зем­лю», названную им менакановой. В 1795 году немецкий хи­мик М. Клаирот открыл в минерале рутиле неиз­вестную еще землю, металл которой он назвал Титан [в греч. мифологии титаны — дети Урана (Неба) и Геи (Земли)]. В 1797 году Клапрот доказал тождество этой земли с открытой У. Грегором. Чистый титан выде­лен в 1910 году американским химиком Хантером посредством восстановления четырёххлористого титана натрием в же­лезной бомбе.

Нахождение в природе

Титан относится к числу наиболее распространённых в природе элементов, его содержание в земной коре составляет 0,6% (весовых). Встречается главным образом в ви­де двуокиси TiO₂ или её соединений — титанатов. Известно свыше 60 минералов, в состав которых входит титан Он содержится также в поч­ве, в животных и растительных организмах. Ильме­нит FeTiO₃ и рутил TiO₂ служат основным сырьём для получения титана. В качестве источника титана приобретают значение шлаки от плавки титано-магнетитов и ильменита.

Физические и химические свойства

Титан существует в двух состояниях: аморфный — темносерый порошок, плотность 3,392—3,395г/см³, и кристаллический, плотность 4,5 г/см³. Для кристаллического титана известны две модификации с точкой перехода при 885° (ниже 885° устойчивая гексагональная фор­ма, выше — кубическая); t°пл. ок. 1680°; t кип. выше 3000°. Титан активно поглощает газы (водород, кислород, азот), которые делают его очень хрупким. Технический металл поддаётся горячей обработ­ке давлением. Совершенно чистый металл может быть прокатан на холоду. На воздухе при обыкновенной температуре титан не изменяется, при накаливании образует смесь окиси Ti₂O₃ и нитрида TiN. В токе кислорода при красном калении окисляется до двуокиси TiO₂. При высоких температурах реаги­рует с углеродом, кремнием, фосфором, серой и др. Устойчив к морской воде, азотной кислоте, влажному хлору, органическим кислотам и сильным щелочам. Рас­творяется в серной, соляной и плавиковой кислотах, лучше всего — в смеси HF и HNO₃. Добавление к кислотам окислителя предохраняет металл от кор­розии при комнатной температуре. В соединениях проявляет валентность 2, 3 и 4. Наиболее устойчивы и имеют наибольшее практическое значение соединения Ti(IV). Наименее устойчивы производные Ti(II). Соединения Ti(III) устойчивы в растворе и являются сильными восстановителями. С кислородом титан даёт амфотерную двуокись титана, закись Ti0 и окись Ti₂O₃, имеющие основной характер, а также некоторые промежуточные окислы и перекись TiO₃. Галогениды четырёхвалентного титана, за исключением TiCl₄ — кристаллические тела, легкоплавкие и летучие в водном растворе гидрализованы, склонны к образованию комплексных соединений, из которых в технологии и аналитической практике имеет значение фтортитанат калия K₂TiF₆. Важное значение имеют карбид TiC и нитрид TiN— металлоподобные вещества, отличающиеся большой твёрдостью (карбид титан тверже карборунда), туго­плавкостью (TiC, t°пл. 3140°; TiN, t°пл. 3200°) и хо­рошей электропроводностью.

Получение

Соединения титана получили применение в промышлен­ности в начале 20 в. Организация производства титана относится к 1946 (в 1948 выплавлено 10 m, 72OO т в1954 и ок. 20000 т в 1955). Способ получония основан на восстановлении четырёххлористого титана металлическим магнием в атмосфере аргона или гелия. Компактный металл получается переплавкой в дуговых печах. Компактный металл высокой чистоты образуется при термической диссоциации тетраиодида титана. Большое значение приобрело восстановление TiCI₄ натрием вместо магния.

Некоторые наиболее важные соединения

ТИТАН ЧЕТЫРЁХХЛОРИСТЫЙ

Титан четыреххлористый,— соеди­нение титана с хлором. Легкоподвижная бесцвет­ная жидкость с резким запахом, плотность 1,73 г/см3 (при 20°); (t кип. 136,5°; t° пл.—23°. Во влажном воз­духе сильно дымит вследствие гидролиза. Кипящей водой гидролизуется до титановой кислоты. Для титана четыреххлористого характерно образование продуктов присоедине­ния, например TiCl₄*6NH₃, TiCl₄*8NH₃, TiCl₄*PCl₃ и т. д. При растворении титана четыреххлористого в НСl образуется ком­плексная кислота H₂[TiCl₆], неизвестная в свобод­ном состоянии; её соли Me₂[TiCl₆] хорошо кристал­лизуются и устойчивы на воздухе. Важнейший исход­ный материал для получения титан четыреххлористого — титановые шла­ки, а также ильменит и двуокись титана. Летучий титан четыреххлористый очищают фракционированной перегонкой в ва­кууме. Титан четыреххлористый — исходный продукт для промышлен­ного получения металлического титана, его приме­няют также для образования антикоррозионных, термнчески устойчивых плёнок.

ДВУОКИСЬ ТИТАНА

Двуокись титана, ТiO2, — соединение ти­тана с кислородом, в котором титан четырёхвалентен. Белый порошок, желтый в нагретом состоянии. Встречается в природе главным образом в виде минерала ру­тила, t°пл. выше 1850°. Плотностъ 3,9 — 4,25 г/см³. Практически нерастворима в щелочах и кислотах, за исключением HF. В концентрированной Н₂SO₄ растворяется лишь при длительном на­гревании. При сплавлении двуокиси титана с едкими или угле­кислыми щелочами образуются титанаты, которые легко гидролизуются с образованием на холоду ортотитановой кислоты (или гидрата) Ti(OH)₄, легко рас­творимой в кислотах. При стоянии она переходит в мстатитановую кислоту (форма), имеющую микрокристаллическую структуру и растворимую лишь в горя­чей концентрированной серной и фтористоводородной кислотах. Большинство титанатов практически нерастворимы в воде. Основные свойства двуокиси титана выра­жены сильнее кислотных, но соли, в которых титан является катионом, также в значительной мере гид­ролизуются с образованием двухвалентного радикала титанила TiO₂⁺. Последний входит в состав солей в качестве катиона (например, сернокислый титанил TiOSO₄*2H₂O). Двуокись титана является одним из важнейших соединений титана, служит исходным материа­лом для получения других его соединений, а также частично металлического титана. Используется главным образом как минеральная краска, кроме того, как наполнитель в производстве резины и пластических металлов.Входит в состав тугоплавких стекол, глазурей, форфоровых масс. Из нее изготов­ляют искусственные драгоценные камни, босцветные и окрашенные.

Применение

Высокие механические и антикоррозион­ные свойства, значительная прочность (вдвое проч­нее железа) при относительно небольшой плотности (значительно легче железа) делают титан весьма цен­ным конструкционным металлом, благодаря чему он весьма быстро получил большое значение в совре­менной технике. Основная масса титана потребляется во­енной промышленностьюстью, главным образом, в самолётостроении, (дви­гатели, в том числе и реактивные, бронированные ка­бины и т. п.) и в судостроении. В пиротехнике используетсяспособность титана воспламеняться. В вакуумной тех­нике он применяется в качестве газопоглотителя. Карбид титана входит в состав твёрдых сплавов и в угли дуговых ламп и используется в качестве шли­фовального материала. Нитрид титана применяется для шлифовки драгоценных камней. Растворы солей трёхвалентного титана (хлорида, сульфата) применяются в качестве восстановителя в аналитической практике и в текстильной промышленности (беление). Двойные оксалаты калия TiO(KC₂0₄)₂*2Н₂0 или аммония использу­ются в качестве протравы тканей, кожи, дерева. Сверхвысокая диэлектрическая постоянная титаната ба­рия ВаТiO₃ даёт возможность применять его для изготовления электрических конденсаторов исключитель­но большой ёмкости.

Биологическая роль

Титан — постоянная со­ставная часть растительных и животных организ­мов. В животных органиамах титан открыт английским химиком Г. Ризом в 1835, в растительных — немецким химиком А. Адергольдом в 1852.

Растения поглощают титан из почв, концентрируя его в сотни и тысячи раз, животные — из растительной пищи. Титан в организмах обычно содержится в тысяч­ных — десятитысячных долях процента (на живой вес), причём растения содержат его больше, чем жи­вотные. Среди растительных организмов наиболь­шее количество титана найдено у водоросли Clado-phora glomerata (0,032% на живой вес), среди живот­ных — у жука навозника обыкновенного (0,0049% на живой вес).

В органах человека среднее содержание титан дости­гает 0,02 мг на 100 г свежего вещества; наиболее бо­гаты титаном селезёнка, надпочечники и щитовидная желе­за. Доказано преимущественное накопление титана у млекопитающих животных и птиц эпителиальными образованиями, например в рогах, волосах, перьях. Повышенное содержание титана наблюдается в плацен­те; титан служит постоянной составной частью молока (в т. ч. женского). Обмен титана в организме изучен не достаточно, биологическая же роль остаётся пока невыясненной.

Литература

1. Большая Советская Энциклопедия. Второе издание, т. 42. Государственное научное издательство «Большая Советская энциклопедия». М. 1956;

2. Химическая технология и металлургия титана. Сборник переводов, ч. 1—2, M., 1954;

3. Титан и его сплавы. Сборник переводов, ч. 1—4, M., 1953—54