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 TiO2или её соединений — титанатов. Известно свыше 60 минералов, в состав которых входит титан Он содержится также в почве, в животных и растительных организмах.ИльменитFeTiO3ирутилTiO2служат основным сырьём для получения титана. В качестве источника титана приобретают значение шлаки от плавкититано-магнетитови 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°плоколо 1680°;t°кипвыше 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 окисиTi2O3и нитридаTiN. В токе кислорода при красном калении окисляется до двуокисиTiO2. 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 смесиHFиHNO3. Добавление к кислотам окислителя предохраняет металл от коррозии при комнатной температуре. Галогениды четырёхвалентного титана, за исключениемTiCl4— кристаллические тела, легкоплавкие и летучие в водном растворе гидрализованы, склонны к образованию комплексных соединений, из которых в технологии и аналитической практике имеет значение фтортитанат калияK2TiF6. Важное значение имеют карбидTiCи нитридTiN— металлоподобные вещества, отличающиеся большой твёрдостью (карбид титан тверже карборунда), тугоплавкостью (TiC,t°пл= 3140°; TiN,t°пл= 3200°) и хорошей электропроводностью.
Химический элемент №22. Титан.
Электронная формула титана имеет вид: 1s2|2s22p6|3s23p63d2|4s2.
Порядковый номер титана в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева – 22. Номер элемента обозначает заряд ярда, следовательно у титана заряд ядра - +22, масса ядра – 47,87. Титан находится в четвертом периоде, в побочной подгруппе. Номер периода указывает на количество электронных слоев. Номер группы обозначает количество валентных электронов. Побочная подгруппа указывает на то, что титан относится к d-элементам.
Титан имеет два валентных электрона на s-орбитали внешнего слоя и два валентных электрона наd-орбитали предвнешнего слоя.
Квантовые числа для каждого валентного электрона:
|
3d1 |
3d2 |
4s1 |
4s2 |
N |
3 |
3 |
4 |
4 |
l |
2 |
2 |
0 |
0 |
ml |
-2 |
-1 |
0 |
0 |
ms |
+1/2 |
+1/2 |
+1/2 |
-1/2 |
Распределение валентных электронов по энергетическим уровням:
↑↓ |
↑ |
↑ |
|
|
|
В возбужденном состоянии один электрон с 4s-орбитали перескакивает на 3d, образуя ковалентность равную четырем:
↑ |
↑ |
↑ |
↑ |
|
|
С галогенами и водородом Ti(IV) образует соединения видаTiX4, имеющиеsp3→q4вид гибридизации.
Титан – металл. Является первым элементом d-группы. Наиболее устойчивым и распространенным являетсяTi+4. Так же существуют соединения с более низкими степенями окисления –Ti0,Ti-1,Ti+2,Ti+3, но эти соединения легко окисляются воздухом, водой или другими реагентами вTi+4. Отрыв четырех электронов требует больших затрат энергии, поэтому ионTi+4реально не существует и соединенияTi(IV) обычно включают связи ковалентного характера.Ti(IV) в некоторых отношениях сходен с элементами –Si,Ge,SnиPb, особенно сSn.