Шевельков А. В. - Неорганическая химия II - Элементы 4 группы

• Обсуждение элементов четвертой группы периодической таблицы.  

• Важность понижения степени окисления и необходимость методов описания координационных соединений.  

• Историческое название подгруппы титана.  

• Включение элементов: титан, цирконий, гафний и резерфордий.  

• Резерфордий известен около полувека, но его химия почти неизвестна.  

• Четные элементы с четырьмя электронами на внешнем уровне.  

• Особенности электронной конфигурации титана и гафния.  

• Сходство циркония и гафния по многим показателям.  

• Радиус и электроотрицательность циркония и гафния.  

• Различия в радиусах и электроотрицательности между титаном и цирконием.  

• Влияние электронной конфигурации на свойства элементов.  

• Основные степени окисления элементов: +4 для всех.  

• Устойчивость степени окисления +3 для титана и +2 для циркония и гафния.  

• Особенности химических свойств и стремление к окислению.  

• Высокие температуры плавления и кипения.  

• Условное определение тугоплавких металлов.  

• Плотность металлов и их структура.  

• Ильные катионы и их значение.  

• Растворимость титана в кислотах.  

• Нерастворимость циркония и гафния в обычных кислотах.  

• Металлы устойчивы к коррозии благодаря оксидной пленке.  

• Концентрированная азотная кислота при комнатной температуре усиливает оксидную пленку, препятствуя растворению.  

• При нагревании металлы растворяются в кислотах, образуя различные продукты.  

• Цирконий и гафний растворяются в серной кислоте при 100°C.  

• Серная кислота является окислителем, переводя элементы в степень окисления +4.  

• В лабораторных условиях используется неконцентрированная азотная кислота с HF для растворения.  

• В азотной кислоте с HF образуются комплексные кислоты с разным координационным числом.  

• Координационное число может быть 6, 7 или 8 в зависимости от металла.  

• Теория Пирсона объясняет легкость комплексообразования.  

• Титан растворяется в кислотах-неокислителях, образуя фиолетовые растворы.  

• Растворение в HF приводит к синему окрашиванию раствора.  

• Титан также растворяется в щелочах при нагревании, образуя нерастворимые продукты.  

• При нагревании происходит легкое окисление с образованием диоксидов.  

• Взаимодействие с галогенами приводит к образованию тетрагалогенидов.  

• В условиях вакуума или аргона возможны реакции с йодом, образующие йодиды.  

• Цирконий реагирует с серой, образуя цирконий-сульфид.  

• Титан реагирует с азотом, образуя нитрид титана, используемый для имитации позолоты.  

• Карбид циркония используется как твердое вещество.  

• Титан является одним из самых распространенных элементов земной коры.  

• Цирконий занимает 25-е место по распространенности.  

• Гафний является редким и рассеянным элементом, не образующим собственных минералов.  

• Титан получают из минералов, таких как ильменит и рутил.  

• Циркон, минерал циркония, используется как полудрагоценный камень.  

• Получение титана основано на двух процессах.  

• Минералы могут вскрываться с выделением летучего титан-хлор-четыре и гидролизом для получения производного железа.  

• При использовании перовскита кальций-титан-три образуется хлорид кальция, используемый для посыпки дорог.  

• Титан-хлор-четыре отгоняется и восстанавливается магнием для получения технического титана.  

• Технический титан перерабатывается в чистый титан с помощью процесса Ван Аркеля-Дебура.  

• Метод основан на химической транспортной реакции титана с йодом.  

• Проволока нагревается до 1000 градусов Цельсия, титан и йод реагируют, и титан оседает на проволоке.  

• Цирконий вскрывается хлоридным или серно-кислым методом, образуя летучие или нелетучие продукты.  

• Нелетучий продукт переводится в комплексное фторидное соединение и восстанавливается натрием.  

• Гафний сложно отделить от титана, и его применение ограничено из-за высокой стоимости.  

• Титан используется в конструкционных материалах благодаря своей прочности, коррозионной стойкости и жаропрочности.  

• Цирконий применяется в сплавах, металлургии и как отражатель нейтронов.  

• Гафний ограничен в применении из-за высокой стоимости и сложности получения.  

• Титан, цирконий и гафний образуют тетрагалогениды с высокими температурами плавления и координационными числами.  

• Тетрахлорид титана имеет температуру плавления -23 градуса Цельсия и кипение 136 градусов Цельсия.  

• Галогениды титана, циркония и гафния легкоплавкие и летучие, особенно фториды.  

• Галогены, такие как фтор, хлор и бром, являются сильными окислителями для титана, циркония и гафния.  

• Нагревание циркониевого порошка с йодом при 150 градусах Цельсия приводит к бурной реакции.  

• Хлориды синтезируются реакцией оксида с углеродом и хлором или с хлором и це-хлор-четыре.  

• Галогениды титана гигроскопичны и быстро гидролизуются.  

• Галогениды циркония и гафния гидролизуются медленнее и не до конца.  

• Хлорид циркония образует оксихлорид, который затем превращается в диоксид циркония.  

• Фториды образуют прочные комплексы, что приводит к растворению металлов в смеси кислот.  

• Титан образует гексахлоротитановую кислоту, которая является промышленным реактивом.  

• Галогениды титана легко растворяются в неполярных органических растворителях.  

• Титан образует тригалогениды и дигалогениды, которые являются истинными производными.  

• У циркония и гафния устойчивость галогенидов определяется образованием кластеров.  

• Низшие галогениды титана являются истинными соединениями, а у циркония это кластерные соединения.  

• Оксиды титана, циркония и гафния имеют высокие температуры плавления.  

• Гафний оксид является самым устойчивым соединением.  

• Оксиды существуют в различных кристаллических модификациях, таких как рутил и баделлит.  

• Рутил получают из рутила, реагируя с серной кислотой.  

• Титан оксид в форме рутила используется в титановых белилах, а в форме анатаза - в катализаторах.  

• Титан оксид является одним из самых масштабных производимых соединений переходных металлов.  

• Оксиды химически инертны и реагируют при высоких температурах.  

• Титан оксид реагирует с карбонатом калия при 900°C и с кальцием при 1200°C.  

• Сульфат четырехвалентного титана получается только высокотемпературной реакцией.  

• Титановая кислота может содержать от одной до восьми молекул воды на формулу титана.  

• Первая реакция приводит к образованию соединения кальция титану три, которое имеет структуру перовскита.  

• Перовскит назван в честь графа Перовского, коллекционера минералов.  

• Титановая кислота существует в двух формах: альфа и бета.  

• Альфа-форма растворима в кислотах и щелочах, бета-форма не реагирует с кислотами и щелочами.  

• Альфа-форма титановой кислоты переходит в бета-форму при хранении.  

• Процесс старения включает замену о-аш мостиков на о-мостики.  

• Бета-форма может быть получена нагреванием и фильтрацией.  

• Соли титани и цирконила образуются при взаимодействии сульфата титана с серной кислотой.  

• Эти соединения могут переходить в комплексные катионы, такие как циркония четыре о аш восемь о аш два о шестнадцать.  

• Октогидраты солей цирконила могут быть выделены в твердом состоянии.  

• Пероксидные производные титана имеют яркую окраску.  

• Окраска зависит от pH среды и строения комплексного иона.  

• В щелочной среде окраска может быть восстановлена до красной.  

• Радиус металлов увеличивается от титана к цирконию и гафнию.  

• Основные свойства усиливаются с увеличением радиуса.  

• Способность к восстановлению уменьшается по ряду титан-цирконий-гафний.  

• Комплексные соединения в степени окисления +4 не стабилизируются кристаллическим полем.  

• Устойчивость комплексов определяется геометрическими и энергетическими факторами.  

• Примеры комплексов включают цирконий охлор-два и гафний охлор-два.  

• В соединениях трехвалентного титана существует ион титана плюс три.  

• Гексахлор-титановая кислота используется для получения трехвалентного титана.  

• Реакция включает добавление концентрированной соляной кислоты и технического цинка.  

• Восстановление титана в кислой среде происходит быстро и выгодно.  

• Процесс останавливается на степени окисления +3, дальнейшее восстановление неблагоприятно.  

• Можно использовать сульфатные или хлоридные производные титана.  

• Реакция титана с водородом при высокой температуре образует титан оксид.  

• Реакция титана с хлором при 400 градусах дает титан хлорид.  

• Восстановление титана до металла водородом невозможно без высоких температур.  

• Получение соединений титана в степени окисления +3 не представляет сложности.  

• Трехвалентный титан образует актоэдрические комплексы.  

• В водных растворах титан +3 образует фиолетовые комплексы.  

• Трехвалентный титан легко окисляется, стабилизируется в кислой среде.  

• В присутствии сильных окислителей, таких как перманганат, образуются растворимые производные титана +4.  

• Титан +2 также существует, но его соединения легко окисляются.  

• Сравнение титана и кремния показывает сходство в числе валентных электронов.  

• Расположение электронов в атомах титана и кремния различается.  

• На этом завершается обсуждение четвертой группы элементов.