Побочная подгруппа IV группы

Элементы побочной подгруппы IV группы - типичные металлы. Химически наиболее активен титан. Цирконий и гафний менее активны.

В природе встречаются в виде минералов: FeTiO₃ – ильменит, TiO₂ – рутил, ZrSiO₄ – циркон. Hf своих руд не имеет, встречается в рудах циркония, железа, марганца.

Ti получают пирометаллургическим способом из TiCl₄ или TiO₂:

TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂

TiO₂ + 2Mg = Ti + 2MgO

Очистка титана от примесей обычно проводится газотранспортным методом:

Ti + 2J₂ → TiJ₄ → Ti + 2J₂

Цирконий и гафний получают электролизом расплавов их солей.

Чистые металлы вязкие, ударопрочные, с высокими температурами плавления (Ti – 1700^оС, Zr – 1900^оС, Hf – 2200^оС). Ti относится к легким металлам, плотность его 4,5 г/см³.

Химические свойства

1. Характерные степени окисления в соединениях для Ti +4,+3; для Zr и Hf +4. При нагревании все три элемента активно взаимодействуют с различными неметаллами:

Zr + C = ZrC;

Hf + 2S = HfS₂;

2Ti + N₂ = 2TiN;

Ti + 2Cl₂ = TiCl₄

Нитриды циркония очень твердые, имеют высокую температуру плавления. Используются в качестве покрытия бурильных коронок.

Карбиды (TiC, ZrC, HfC) – сталеподобные вещества, устойчивые к химическим воздействиям.

2. С кислотами Ti, Zr и Hf взаимодействуют плохо. Лишь титан растворяется в азотной кислоте:

Ti + 4HNO₃ = H₂TiO₃ + 4NO₂ + H₂O

Цирконий и гафний легко взаимодействуют только с “царской водкой”:

3Hf + 18HCl + 4HNO₃ = 3H₂[HfCl₆] + 4NO  + 8H₂O

3. Оксиды TiO₂ – амфотерный, ZrO₂ – слабоамфотерный, HfO₂ – основный могут быть получены при нагревании металлов в атмосфере кислорода или на воздухе. Это тугоплавкие белые порошки, при сплавлении со щелочью образуют соли анионного типа - титанаты и цирконаты. Для гафния аналогичные соли не получены.

4. При взаимодействии с серной кислотой оксиды образуют соответствующие сульфаты, которые быстро гидролизуются до сульфата титанила, цирконила, гафнила:

TiO₂ + 2H₂SO₄ = Ti(SO₄)₂ + 2H₂O

Ti(SO₄)₂ + H₂O = TiOSO₄ + H₂SO₄

У амфотерного TiO₂ более выражена кислотная функция. Соответствующая ему метатитановая кислота H₂TiO₃ существует в двух модификациях α и β. Общая формула титановых кислот xTiO₂ · yH₂O.

Применение. Титан – третий по значимости (после железа и алюминия) конструкционный материал. Титан применяется в виде сплавов в корабле-, ракето-, машиностроении. Цирконий и гафний применяются в ядерном реакторостроении (цирконий для оболочек тепловыделяющих элементов, гафний – регулирующие стержни для поглощения нейтронов при работе реактора).

Тема 12. V группа псэ Главная подгруппа V группы

Общая электронная формула ...ns²p³.

Для азота известны соединения, в которых он проявляет степени окисления -3, -2, -1, -1/3, +1, +2, +3, +4, +5. Причем, азот довольно легко переходит из одной степени окисления в другую.

Для фосфора, мышьяка и сурьмы характерны степени окисления +5, +3, -3. Для висмута – только +3; соединения Bi (+5) – очень сильные окислители.

Азот, фосфор, мышьяк – типичные неметаллы. Сурьма – полуметалл. Висмут – типичный металл.

Азот

Большая часть азота в природе находится в свободном состоянии. 78% (по объему) воздуха приходится на долю молекулярного азота N₂. Входит в состав селитр, необходимая составная часть белка, поэтому входит в состав всех живых организмов.

В промышленности азот получают ректификацией воздуха, т.е. при высоком давлении и низкой температуре сжижают воздух. Затем, повышая температуру, фракционно испаряют сжиженный воздух. Первой выкипающей фракцией при -196^оС является азот. Молекулярный азот не имеет запаха и вкуса, малорастворим в воде, очень инертен.