8.2. Элементы iiiв подгруппы (подгруппа скандия)

Элементы IIIВ-подгруппы полные электронные аналоги (скандий - Sc, иттрий - Y, лантан - La и радиоактивный актиний - Ac) с общей электронной формулой (n-1)d¹ns². Наличие на d-подуровне единственного электрона обуславливает повышенную активность данных элементов и образование ими соединений в степени окисления +3. В ряду Sc – Y – La – Ac химическая активность заметно возрастает: скандий напоминает по свойствам алюминий, а его аналоги приближаются к щелочноземельным металлам. Для скандия типично координационное число 6, для иттрия и лантана оно достигает 8 и 9.

Скандий, иттрий и лантан рассеянные элементы, самостоятельных рудных месторождений не образуют. Получают их электролизом хлоридов в расплавах или металлотермическим методом.

Химические свойства. При повышенных температурах они реагируют практически со всеми неметаллами, исключая инертные газы. В ряду активности металлов расположены далеко впереди

водорода. Скандий из-за пассивирования с водой не реагирует, а лантан уже при обычных условиях медленно реагирует с водой:

2La + 6H₂O = 2La(OH)₃ + 3H₂

Металлы легко взаимодействуют с разбавленными кислотами, причем разбавленную азотную кислоту восстанавливают до нитрата аммония:

8Sc + 30HNO₃(разб) = 8Sc(NO₃)₃ + 3NH₄NO₃ + 9H₂O

Соединения элементов подгруппы скандия

Оксиды - Э₂О₃ - белые кристаллические тугоплавкие вещества. Получают прямым синтезом или разложением нитратов при 250 ºС:

4Lа(NO₃)₃ = 2Lа₂O₃ + 12NO₂ + 3O₂

В ряду оксидов Sc₂О₃ – Y₂О₃ – La₂О₃ ослабевают кислотные свойства и усиливаются основные, активность взаимодействия с водой возрастает.

La₂O₃ + 3H₂O = 2La(OH)₃

В ряду гидроксидов Sc(ОН)₃ – Y(ОН)₃ – La(ОН)₃ увеличивается растворимость в воде и усиливаются основные признаки, так Sc(OH)₃ - амфотерен, а La(OH)₃ - сильное основание, растворимое в воде (щелочь).

Галогениды и соли скандия, иттрия, лантана напоминают по свойствам галогениды и соли алюминия. К образованию комплексных галогенидов склонен лишь фторид скандия, для которого известны гексафтороскандиаты M⁺¹₃[ScF₆], которые устойчивы и растворимы в воде.

8.3. Элементы ivв подгруппы (подгруппа титана)

Элементы IVB-подгруппы (титан - Ti, цирконий - Zr, гафний - Hf и курчатовий - Ku) полные электронные аналоги с общей электронной формулой (n-1)d²ns². При переходе от Ti к Zr атомные радиусы возрастают, а Zr и Hf из-за лантаноидного сжатия имеют практически одинаковые размеры атомов и ионов, в связи с чем их свойства близки.

Титан - довольно распространенный элемент (кларк равен 0,25 мол.%), основные минералы: рутил - TiO₂, ильменит - FeTiO₃, перовскит - CaTiO₃. Цирконий и гафний - рассеянные элементы. Основные минералы циркония: циркон - ZrSiO₄ и баддалеит - ZrO₂.

Простые вещества титан, цирконий и гафний - серебристо-белые тугоплавкие и прочные металлы, хорошо поддающиеся механической обработке. Титан легкий металл (4,5 г/см³), цирконий и гафний - металлы тяжелые.

Металлы подгруппы титана получают в промышленности металлотермическими методами:

TiCl₄ + 2Mg = 2MgCl₂ + Ti;

K₂[ZrF₆] + 4Na = 4NaF + 2KF + Zr

Титан ввиду его прочности и легкости широко используется в самолетостроении и кораблестроении, из него изготавливают корпуса подводных лодок. Цирконий и в меньшей мере гафний используются как конструкционные материалы в атомной энергетике.

Химические свойства. При обычных условиях титан, цирконий и гафний устойчивы. При нагревании горят в атмосфере кислорода, образуя оксиды ЭО₂, реагируют с азотом (ЭN) при 800 ºС и галогенами (ЭHal₄) при 140 – 400 ºС. Титан при нагревании растворяется в соляной кислоте:

t

2Ti + 6HCl = 2TiCl₃ + 3H₂

Цирконий и гафний взаимодействуют с кислотами лишь в том случае, когда есть условия для их окисления и образования устойчивых анионных координационных соединений. Так они реагируют с плавиковой и концентрированной серной кислотами, а также со смесью HF + HNO₃ или с "царской водкой":

Э + 6HF = H₂[ЭF₆] + 2H₂;

Zr + 5H₂SO₄ = H₂[Zr(SO₄)₃] + 2SO₂ + 4H₂O;

3Zr + 4HNO₃ + 18HCl = 3H₂[ZrCl₆] + 4NO + 8H₂O;

3Э + 4HNO₃ + 18HF = 3H₂[ЭF₆] + 4NO + 8H₂O

К растворам щелочей цирконий и гафний (в меньшей степени титан) устойчивы.