Подгруппа титана

В подгруппу титана входят элементы побочной подгруппы IV группы – титан, цирконий, гафний и искусственно полученный

курчатовий.

Металлические свойства выражены у этих элементов сильнее, чем у металлов главной подгруппы четвертой группы – олова и свинца.

Атомы элементов подгруппы титана имеют в наружном слое по два электрона, а во втором снаружи слое – по 10 электронов, из которых два – на d-подуровне.

Поэтому наиболее характерная степень окисленности металлов подгруппы титана равна +4.

В свободном состоянии титан и его аналоги – типичные металлы, по внешнему виду похожие на сталь.

Все они тугоплавки, устойчивы по отношению к воздуху и к воде.

Титан

Титан очень распространен в природе.

Его содержание в земной коре составляет 0,6% (масс), т.е. выше, чем содержание таких широко

используемых в технике металлов, как медь,

свинец и цинк.

Важнейшими из них являются:

титаномагнетиты FeTi03·nFe304,

ильменит FeTi03,

сфен CaTiSi05,

рутил ТiO2.

При промышленном получении титана руду или

концентрат переводят в диоксид титана ТiO2, который затем подвергают хлорированию. Однако даже при 800 –1000°С хлорирование протекает медленно.

Титан

С достаточной для практических целей скоростью хлорирование происходит в присутствии углерода, связывающего кислород в основном в СО:

2+2Cl2 +2C = TiCl4 +2CO ↑.

Получающийся хлорид титана (IV) восстанавливают

магнием:TiCl4 +2Mg = Ti +2MgCl2.

Образующуюся смесь подвергают нагреванию в вакууме.

При этом магний и его хлорид испаряются и осаждаются в конденсаторе.

Остаток – губчатый титан – переплавляют, получая компактный ковкий металл.

Примеси кислорода, азота, углерода резко ухудшают механические свойства титана.

Титан

Поскольку при высоких температурах титан реагирует с

данными неметаллами, его восстановление проводят в

герметичной аппаратуре в атмосфере аргона, а

очистку и переплавку – в высоком вакууме.

Для получения небольших количеств титана высокой

чистоты применяют йодидный метод.

Металлический титан плавится при 1665°С; плотность его равна 4,505 г/см3.

Титан – довольно активный металл; стандартный электродный потенциал системы Ti/Ti2+ равен –1,63 В.

Однако благодаря образованию на поверхности

металла плотной защитной пленки титан обладает исключительно высокой стойкостью против коррозии,

превышающей стойкость нержавеющей стали.

Титан

Он не окисляется на воздухе, в морской воде и не

изменяется в ряде агрессивных химических сред, в

частности в разбавленной и концентрированной

азотной кислоте и даже в царской водке.

Благодаря исключительно высокому сопротивлению

коррозии титан прекрасный материал для изготовления химической аппаратуры.

Но главное свойство титана, способствующее все большему его применению в современной технике, – высокая жаростойкость как самого титана, так и его

сплавов с алюминием и другими металлами.

Титан

Кроме того, эти сплавы, обладая жаропрочностью, способны сохранять высокие механические свойства

при повышенных температурах.

Все это делает сплавы титана весьма ценными материалами для самолето- и ракетостроения.

Титан лишь немного тяжелее алюминия, но в 3 раза прочнее его.

Это открывает перспективы применения титана в различных областях машиностроения.

Достаточно указать, что использование деталей из

титана и его сплавов в двигателях внутреннего сгорания позволяет снизить массу этих двигателей

примерно на 30%.

Титан

При высокой температуре титан соединяется с

галогенами, кислородом, серой, азотом и другими элементами.

На этом основано применение сплавов титана с железом (ферротитана) в качестве добавки к стали.

Титан соединяется с находящимися в расплавленной стали азотом и кислородом и этим предотвращает выделение последних при затвердевании стали, –

литье получается однородным и не содержит пустот.

Соединяясь с углеродом, титан образует карбид.

Из карбидов титана и вольфрама с добавкой кобальта получают сплавы, по твердости приближающиеся к алмазу.

Титан

Диоксид титана ТiO2 – белое тугоплавкое вещество, нерастворимое в воде и разбавленных кислотах.

Это – амфотерный оксид, но как основные, так и кислотные свойства выражены у него слабо.

Применяется ТiO2:

при изготовлении тугоплавких стекол,

глазури,

эмали,

жароупорной лабораторной посуды,

а также для приготовления белой масляной краски

(титановые белила).

Титан

Сплавлением ТiO2 с ВаСО3 получают титанат

бария ВаТiO2.

Эта соль имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость и, кроме того, обладает способностью деформироваться под действием

электрического поля.

Кристаллы титаната бария применяются:

в электрических конденсаторах высокой емкости и малых размеров,

в ультразвуковой аппаратуре,

в звукоснимателях,

в гидроакустических устройствах.

Цирконий

Цирконий — довольно распространенный элемент: содержание его в земной коре составляет 0,025% (масс).

Однако цирконий очень распылен и сколько-нибудь значительные скопления его встречаются редко.

В свободном состоянии цирконий представляет собой блестящий металл плотностью 6,45 г/см3, плавящийся при 1855°С.

Не содержащий примесей цирконий очень пластичен и легко поддается холодной и горячей обработке.

Как и у титана, механические свойства циркония резко ухудшаются при содержании в нем примесей неметаллов, особенно кислорода.

Цирконий

Одно из наиболее ценных свойств металлического циркония – его высокая стойкость против коррозии в различных средах.

Так, он не растворяется в соляной и в азотной кислотах и в щелочах.

Цирконий почти не захватывает медленные (тепловые)

нейтроны.

Это его свойство в сочетании с высокой стойкостью против коррозии и механической прочностью при повышенных температурах делает цирконий и сплавы на его основе одним из главных конструкционных материалов для энергетических атомных реакторов.

К важнейшим сплавам циркония относятся циркаллои – сплавы, содержащие небольшие количества олова, железа, хрома и никеля.

Цирконий

При производстве стали присадки циркония служат,

для удаления из нее кислорода, азота, серы.

Кроме того, цирконий используется в качестве

легирующего компонента некоторых броневых,

нержавеющих и жаропрочных сталей.

Добавка циркония к меди значительно повышает ее

прочность, почти не снижая электропроводность.

Сплав на основе магния с добавкой 4 – 5% цинка и 0,6 – 0,7% циркония вдвое прочнее чистого магния и

не теряет прочности при 200°С.

Качество алюминиевых сплавов также значительно повышается при добавлении к ним циркония.

Цирконий

Диоксид циркония ZrО2 обладает высокой

температурой плавления (около 2700°С), крайне

малым коэффициентом термического расширения и

стойкостью к химическим воздействиям.

Он применяется для изготовления различных огнеупорных изделий, например тиглей.

В стекольной промышленности ZrО2 используемся в производстве тугоплавких стекол, в керамической – при получении эмалей и глазурей.

Карбид циркония ZrC ввиду его большой твердости применяют в качестве шлифовального материала, а

также для замены алмазов при резке стекла.

Гафний

Гафний не имеет собственных минералов и в

природе обычно сопутствует цирконию.

По химическим свойствам он весьма сходен с

цирконием, но отличается от него способностью

интенсивно захватывать нейтроны, благодаря

чему этот элемент используется в регулирующих и защитных устройствах атомных реакторов.

При этом применяют как металлический гафний,

так и некоторые его соединения, например,

диоксид гафния HfO2.

Последний применяется также при изготовлении

оптических стекол с высоким показателем преломления.