Магнитогорский лицей российской академии наук
кафедра химии и биологии
реферат
тема:
«ТИТАН»
Составил: Григоренко
М.В.
Проверила: Мещерова
Е.В.
Магнитогорск - 1998
оглавление
Общая характеристика. История открытия 3
Нахождение в природе 4
Физические и химические свойства 5
получение 7
Некоторые наиболее важные соединения 8
ТИТАН ЧЕТЫРЁХХЛОРИСТЫЙ 8
ДВУОКИСЬ ТИТАНА 9
Применение 10
Биологическая роль 11
Литература 12
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 в 1954 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 используется
способность 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
Большая Советская Энциклопедия. Второе издание, т. 42. Государственное
научное издательство «Большая Советская энциклопедия». М. 1956;
Химическая технология и металлургия титана. Сборник переводов, ч. 1—2, M.,
1954;
Титан и его сплавы. Сборник переводов, ч. 1—4, M., 1953—54