Свойство титана

Соляная и серная кислоты (при комнатной температуре) слабо взаимодействуют с металлом, однако, при нагреве происходит усиленное  растворение металла с образованием низших хлоридов или моносульфата. Данная реакция сходна с взаимодействием титана с плавиковой кислотой, однако менее токсична. До конца не изучены реакции, происходящие при взаимодействии титана с хлорной кислотой. Она используется при электрополировании титановых поверхностей и для химического анализа. Фосфорная кислота реагирует с титаном при температуре несколько выше комнатной, но вследствие образования нерастворимых фосфатов титана применение ее не нашло широкого распространения. Азотная кислота слабо взаимодействует с титаном, другие неорганические кислоты не оказывают коррозионного воздействия на металл.

Титан активно взаимодействует  с водородом, причем реакция начинается при температурах немногим превышающих  комнатную. Взаимодействие заключается в активном поглощении водорода титаном — 1 г титана способен поглотить до 400 см³ водорода. При малых концентрациях газа, его атомы внедряются в решетку металла, при высоких концентрациях происходит образование гидрида TiH. Высокая концентрация водорода в титане приводит к образованию хрупких сплавов, непригодных к использованию в промышленности. Однако растворимость водорода в титане является обратимой, и этот газ можно удалить почти полностью отжигом в вакууме.

Нагретый титан  разлагает пары воды и двуокись углерода. При температуре выше 800° C титан  взаимодействует с парами воды, что  сопровождается образованием окисла металла  и улетучиванием водорода. При  еще более высоких температурах горячий металл способен поглощать  углекислый газ с образованием окисла и карбида.

Известно, что жидкий титан имеет большое химическое сродство к углероду, однако эта  примесь негативно сказывается  на свойствах титана и его сплавов, вследствие чего, необходимо по возможности  снижать концентрацию углерода в  титановых сплавах. В то же время, получаемый при температуре 1760 °C карбид титана TiC, активно используется при изготовлении быстрорежущих и износостойких инструментов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Свойства соединений

Оксиды титана:

Ti(IV) — TiO₂ — Двуокись титана. Имеет амфотерный характер. Наиболее устойчив и имеет наобольшее практическое значение.

Ti(III) — Ti₂O₃ — окись титана. Имеет основной характер. Устойчив в растворе и является сильным восстановителем, как и остальные соединения Ti(III).

TI(II) — TiO₂ - Закись титана. Имеет основной характер. Наименее устойчив.

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 Н₂SO₄растворяется 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, бесцветные и окрашенные.

Диоксид титана не растворяется в воде и разбавленных минеральных кислотах (кроме плавиковой) и разбавленных растворах щелочей.

Медленно растворяется в концентрированной серной кислоте:

TiO₂+ 2H₂SO₄ = Ti(SO4)₂ + 2H₂O

С пероксидом водорода образует ортотитановую кислоту H4TiO4:

TiO₂ + 2H₂O₂ = H₄TiO₄

В концентрированных  растворах щелочей:

TiO₂ + 2NaOH = Na₂TiO₃+ H₂O

При нагревании диоксид  титана с аммиаком образует нитрид титана:

2TiO₂ + 2NH₃ = 2TiN + 3H₂O + O₂

В насыщенном растворе гидрокарбоната калия:

TiO₂ + 2KHCO₃ = K₂TiO₃ + H₂O + 2CO₂

При сплавлении с  оксидами, гидроксидами и карбонатами образуются титанаты и двойные оксиды:

TiO₂ + BaO = BaO∙TiO₂(BaTiO₃)

TiO₂ + BaCO₃ = BaO∙TiO2 + CO₂(BaTiO₃)

TiO₂ + Ba(OH)₂ = BaO∙TiO₂(BaTiO₃)

Гидроскида Ti(IV) — Ti(OH)₄ или H₄TiO₄ - ортотитановой кислоты по видимому вообще не существует, а осадок, выпадающий при добавлении оснований к растворам солей Ti(IV), представляет собой гидратированную форму TiO₂. Это вещество растворяется в кончентрированных щелочах, и из таких растворов можно выделить гидратированные титанаты общей формулы: M₂TiO₃∙nH₂O и M₂Ti₂O₅∙nH₂O.

Для титана характерно комплексообразование с соответствующими галогеноводороднымиф кислотами и особенно с их солями. Наиболее типичны комплексные производные с общей формулой Мe₂TiГ₆ (где Мe — одновалентный металл). Они хорошо кристаллизуются и подвергаются гидролизу гораздо менее, чем исходные галогениды TiГ₄. Это указывает на устойчивость комплексных ионов TiГ₆ в растворе.

Окраска производных  титана сильно зависит от природы  входящего в них галогена:

Устойчивость солей  комплексных кислот типа Н₂ЭГ₆, в общем, возрастает по ряду Ti-Zr-Hf и уменьшается в ряду галогенов F-Cl-Br-I.

Производные трёхвалентных  элементов более или менее  характерны лишь для титана. Тёмно-фиолетовый оксид Тi₂O₃(т. пл. 1820 °С) может быть получен прокаливанием TiO₂ до 1200 °C в токе водорода. В качестве промежуточного продукта при 700-1000 °С образуется синий Ti₂O₃.

В воде Ti₂O₃ практически нерастворим. Его гидроксид образуется в виде тёмно-коричневого осадка при действии щелочей на растворы солей трёхвалентного титана. Он начинает осаждаться из кислых растворов при рН = 4, имеет только основные свойства и в избытке щелочи не растворяется. Однако производящиеся от HTiO₂ титаниты металлов (Li, Na, Mg, Mn) были получены сухим путём. Известна также сине-чёрная “титановая бронза” состава Na0,2TiO₂.

Гидроксид титана (III) легко окисляется кислородом воздуха. Если в растворе нет других способных окисляться веществ, одновременно с окислением Ti(OH)₃ идёт образование пероксида водорода. В присутствии Са(ОН)₂ (связывающего Н₂О₂) реакция протекает по уравнению:

2Ti(ОН)₃ + O₂ + 2H₂O = 2Ti(OH)₄ + H₂O₂

Азотнокислые соли Тi(OH)₃ восстанавливает до аммиака.

Фиолетовый порошок  ТiCl₃ может быть получен пропусканием смеси паров ТiCl₄ c избытком водорода сквозь нагретую до 650 °С трубку. Нагревание вызывает его возгонку (с частичным образованием димерных молекул Ti₂Cl₆) и затем дисмутацию по схеме:

2TiCl₃ = TiCl₄ + TiCl₂

Интересно, что уже  при обычных условиях тетрахлорид титана постепенно восстанавливается металлической медью, образуя чёрное соединение состава CuTiCl₄ (т. е. СuCl·TiCl₃).

Трёххлористый титан  образуется также при действии на TiCl₄ водорода в момент выделения (Zn + кислота). При этом бесцветный раствор окрашивается в характерный для ионов Ti³⁺ фиолетовый цвет, и из него может быть выделен кристаллогидрат состава ТiCl₃·6H₂O. Известен и малоустойчивый зелёный кристаллогидрат того же состава, выделяющийся из насыщенного HCl раствора TiCl₃. Структуре обеих форм, равно как и аналогичных кристаллогидратов СrCl₃, отвечают формулы [Ti(Н₂O)₆]Cl₃ и [Ti(Н₂O)₄Cl₂]Cl·2Н₂О. При стоянии в открытом сосуде раствор TiCl₃ постепенно обесцвечивается ввиду окисления Ti³⁺ до Ti⁴⁺ кислородом воздуха по реакции:

4TiCl₃ + O₂ +2H₂O = 4TiOCl₂ + 4HCl.

Ион Тi3+ является одним  из очень немногих восстановителей, довольно быстро восстанавливающих (в  кислой среде) перхлораты до хлоридов. В присутствии платины Тi³⁺ окисляется водой (с выделением водорода).

Безводный Ti₂(SO₄)₃ имеет зелёный цвет. В воде он нерастворим, а раствор его в разбавленной серной кислоте имеет обычную для солей Ti³⁺ фиолетовую окраску. От сульфата трёхвалентного титана производятся комплексные соли, главным образом типов Мe[Ti(SO₄)₂]·12H₂O (где Мe — Сs или Rb) и Me[Ti₃(SO₄)₅] (с переменным в зависимости от природы катиона содержанием кристаллизационной воды).

Теплота образования  TiO (т. пл. 1750 °С) составляет 518 кДж/моль. Он получается в виде золотисто-жёлтой компактной массы нагреванием в вакууме до 1700 °С спрессованной смеси TiO₂ + Ti. Интересным способом его образования является термическое разложение (в высоком вакууме при 1000 °С) нитрила титанила. Похожий по виду на металл, тёмно-коричневый TiS получен прокаливанием TiS₂ в токе водорода (первоначально при этом образуются сульфиды промежуточного состава, в частности Ti₂S₃). Известны также TiSe, TiTe и силицид состава Ti₂Si.

Все TiГ₂ образуются при нагревании соответствующих галогенидов TiГ₃ без доступа воздуха за счёт их разложения по схеме:

2TiГ₃ = TiГ₄ + TiГ₂

При несколько более  высоких температурах галогениды TiГ₂ сами подвергаются дисмутации по схеме: 2TiГ₂ = TiГ₄ + Ti

Двухлористый титан  может быть получен также восстановлением TiCl4 водородом при 700 °С. Он хорошо растворим в воде (и спирте), а с жидким аммиаком даёт серый аммиакат TiCl₂·4NH₃. Раствор TiCl₂ может быть получен восстановлением TiCl₄ амальгамой натрия. В результате окисления кислородом воздуха бесцветный раствор TiCl₂быстро буреет, затем становится фиолетовым (Ti³⁺) и, наконец, вновь обесцвечивается (Ti⁴⁺). Получаемый действием щёлочи на раствор TiCl₂ чёрный осадок Ti(OH)₂ исключительно легко окисляется.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Сплавы. Применение металла и его соединений.

5.1 Титановые сплавы

Титановые сплавы получают путём легирования титана следующими элементами (числа в скобках —  максимальная для промышленных сплавов  концентрация легирующей добавки в % по массе): Al (8), V (16), Mo (30), Mn (8), Sn (13), Zr (10), Cr (10), Cu (3), Fe (5), W (5), Ni (32), Si (0,5); реже применяется легирование Nb (2) и Та (5). Как микродобавки применяются Pd (0,2) для повышения коррозионной стойкости и В (0,01) для измельчения зерна. Легирующие добавки имеют различную растворимость в a и b-Ti и изменяют температуру a/b-превращения. Алюминий, а также кислород и азот, предпочтительнее растворяющиеся в a-Ti, повышают эту температуру по мере увеличения их концентрации, что ведёт к расширению области существования a-модификации; такие элементы называются a-стабилизаторами. Sn и Zr хорошо растворяются в обеих аллотропических модификациях титана и очень мало влияют на температуру a/b-превращения; они относятся к так называемым нейтральным упрочнителям. Все остальные добавки к промышленным титановым сплавам предпочтительнее растворяются в b-Ti, являются b-стабилизаторами и снижают температуру полиморфного превращения титана. Их растворимость в aи b-модификациях титана меняется с температурой, что позволяет упрочнять сплавы, содержащие эти элементы, путём закалки и старения.  
В нелегированном титане, а также в сплавах титана с a-стабилизаторами и нейтральными упрочнителями нельзя зафиксировать высокотемпературную b-модификацию путём закалки ввиду наличия мартенситного превращения, в результате которого образуется вторичная a-фаза игольчатой формы. В сплавах же с b-стабилизаторами можно, в зависимости от концентрации, зафиксировать любое количество b-фазы вплоть до 100%. На сплошную b-структуру могут закаливаться двойные сплавы, содержащие не менее 4% Fe, 7% Mn, 7% Cr, 10% Mo, 14% V, 35% Nb, 50% Ta; эти концентрации называются критическими. В закалённых сплавах докритического и критического составов (b-фаза является нестабильной и при последующей низкотемпературной обработке (старении) распадается с образованием дисперсных выделений вторичной a-фазы, что даёт эффект упрочнения. В сплавах закритического состава (например, Ti — 30% Mo) образуется стабильная b-фаза и эффекта упрочнения не наблюдается.  
Использование рентгенофлуоресцентного метода при анализе содержания Титана в образцах: 

Определение процентного  содержания титана в ракетостроительной, кораблестроительной и авиа –  промышленностях, при качественном контроле сырья и готовых изделий.