Глава 1. Титан.

1.1. Теоретическая часть.

Титан входит в IVB (4) группу Периодической системы элементов. Валентная электронная

2

конфигурация титана 3d²4s. Наиболее характерные степени окисления +4 и +3. Титан растворяется в кислотах–неокислителях (HCl, HBr и т. д.), образуя аквакомплекс [Ti (H2O)6]³⁺ светло–фиолетового цвета. Кислотами–окислителями титан окисляется до Ti (IV), например:

Ti + 5H2SO4 = H2[Ti (SO4)3] + 2SO2↑ + 4H2O Наиболее известные оксиды титана – TiO2, Ti2O3. Оксид Ti (IV) с водой не взаимодействует, поэтому гидроксид Ti (OH)4 или титановую кислоту H2TiO3 получают косвенным путём, например:

TiCl4 + 4NaOH = Ti (OH)4 + 4NaCl

K2TiO3 + 2HCl = H2TiO3 + 2KCl Гидроксид титана (IV) окрашен в белый цвет. Он амфотерен, причём и основные и кислотные его свойства выражены очень слабо. Свежеосаждённый Ti (OH)4, α–форма, растворяется в кислотах (например, в H2SO4) с образованием титанил–иона TiO²⁺:

Ti (OH)4 + H2SO4 = TiOSO4 + 3H2O Если концентрированная серная кислота берётся в избытке, образуется комплексные

2–_:

соединения состава [TiO(SO4)2]^2– или [Ti (SO4)3]Ti (OH)4 + 2H2SO4 = H2[TiO(SO4)2] + 2H2O Ti (OH)4 + 3H2SO4 = H2[Ti (SO4)3] + 4H2O

Поскольку кислотные свойства Ti (OH)4 очень слабы, он реагирует только с концентрированными растворами щелочей в свежеосаждённом состоянии (α–форма). При этом образуются гидроксокомплексы:

2NaOH + Ti (OH)4 = Na2[Ti (OH)6]

В условиях учебного лабораторного эксперимента не всегда удаётся обнаружить кислотные свойства даже у свежеосаждённого Ti (OH)4. Ti (OH)4 (α–форма) подвержен процессу старения , который происходит довольно быстро даже при комнатной температуре. Конечным продуктом старения является гидратированный оксид

TiO⋅x H2O (β–форма), которому приписывается условная формула H2TiO3. Нагревание ускоряет процесс старения. Полностью состаренный Ti (OH)4 химически инертен и не взаимодействует с растворами кислот и щелочей. При прокаливании Ti (OH)4 претерпевает ряд превращений:

–H2O – H2O –O2 Ti (OH)4  ⎯→ H2TiO3⋅  ⎯→ TiO2  ⎯→ Ti2O3

α-форма β-форма белый фиолетовый Последний этап этой цепи, представляющий собой процесс внутримолекулярного окисления–восстановления TiO2 в Ti2O3, требует длительного времени. Все растворимые соединения титана подвергаются сильному гидролизу:

K2TiO3 + 2H2O ⇔ 2KOH + H2TiO3 (или Ti (OH)4)

TiCl4 + H2O ⇔ TiOCl2 + 2HCl Присутствие в растворе анионов слабых кислот, например сульфид–иона (S^2–), приводит к тому, что реакция гидролиза становится практически необратимой:

TiCl4 + (NH4)2S + 4H2O = Ti (OH)4↓ + H2S↑ + 2NH4Cl + 2HCl Качественной реакцией на ион Ti (IV) является реакция образования комплексных пероксотитанатов, имеющих в своем составе лиганд (О2^2–).

TiCl4 + 3H2O + H2O2 = H4TiO5 + 4HCl, или TiOSO4 + H2O2 + H2SO4 = H2[Ti (O2)(SO4)2] + H2O В сильнокислой среде пероксотитанаты имеют яркий оранжево–красный цвет. Соединения Ti (III) менее устойчивы, чем соединения Ti (IV). Их можно получить восстановлением соединений Ti (IV) с помощью цинка в кислой среде:

2TiCl4 + Zn = ZnCl2 + 2TiCl3

Оксид титана (III) Ti2O3 не взаимодействует с водой, поэтому соответствующий гидроксид получают косвенным путём:

TiCl3 + 3NaOH = Ti (OH)3↓ + 3NaCl Ti (OH)3 представляет собой осадок серо–фиолетового цвета. Гидроксид титана (III) обладает только основными свойствами. Он взаимодействует с кислотами, образуя соответствующие соли:

2Ti (OH)3 + 3H2SO4 = Ti2(SO4)3 + 6H2O

В водных растворах Ti (III) существует в виде аквакомплекса [Ti (H2O)6]³⁺ фиолетового цвета. Соединения Ti (III) неустойчивы и являются восстановителями. Поэтому гидроксид титана (III) и его соли постепенно окисляются кислородом воздуха:

2Ti (OH)3 + O2 + 2H2O = 2Ti (OH)4 + H2O2

2TiCl3 + 3/2O2 = 3TiOCl2 Если в качестве окислителей взять растворы KMnO4 или CuCl2, то окисление Ti (III) в Ti (IV) происходит практически мгновенно:

3Ti2(SO4)3 + 8H2O + 2KMnO4 = 6TiOSO4 + K2SO4 + 2H2SO4 + 2MnO2↓; TiCl3 + H2O + CuCl2 = CuCl↓ + TiOCl2 + 2HCl

1.1.1. Вопросы по теме.

1.                 1.       Какие степени окисления наиболее характерны для титана?

2.                 2.       В какой форме существует Ti (III): а) в кислой среде? б) в нейтральной среде?

3.                 3.       В какой форме существует Ti (IV): а) в кислой среде? б) в нейтральной среде? в) в сильнощелочной среде? г) в водном растворе в присутствии концентрированной H2SO4?

4.                 4.       Напишите формулы оксидов и гидроксидов титана.

5.                 5.       Охарактеризуйте кислотно–основные и свойства гидроксидов Ti (III) и Ti (IV)?

6.                 6.       Напишите реакции, характеризующие окислительно–восстановительные свойства: а) соединения Ti (III)? б) соединения Ti (IV)?

7.                 7.       Приведите примеры анионных и катионных комплексов. Ti (IV). Напишите их константы устойчивости.