内蒙古民族大学无机化学吉大武大版-第22章钛副族和钒副族

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1、第二十二章钛副族和钒副族1.1钛族概述1.2钛的单质1.3钛的重要化合物1.4锆铪的化合物§22-1钛副族1.1钛族概述1.发现史钛：1791年英国Cornish教区牧师，兼业余化学家WilliamGregor最先得到钛的不纯氧化物。1795年德国化学家M.H.Klaproth独立发现同样的化合物，并按希腊神话中被罚生活于地球隐秘之火中的天与地的子女－－Titans之名，将新元素命名为（Titanium）。锆：1789年Klaproth从被当作宝石的锆石中分离出锆的氧化物，直到1925年A.E.Van和J.H.deBoer用碘化物分解法制得锆（Zirconium）。铪：1922－192

2、3年，在哥本哈根Bohr实验室工作D.Coster和G.VonHevesy用X射线分析法证实72号元素存在于挪威的锆石中。此元素被命名为铪（Hafnium，哥本哈根的拉丁名称是Hafnia）2.元素性质Ti、、Zr、Hf位于周期系第IVB族，统称钛副族，价电子层结构（n-1）d2ns2，稳定化态为IV钛主要存在于钛铁矿FeTiO3和金红石TiO2锆主要存在于锆英石ZrSiO4和斜锆石ZrO2铪通常与锆共生1.2钛单质物理性质：银白色，密度4.54，比钢铁的7.8小，比铝的2.7大，较轻，强度接近钢铁，兼有铝铁的优点，既轻强度又高(航天材料，眼镜架等)。钛记忆性合金(镍钛合金,NT)，加

3、工成形，在高温下处理数分钟至半小时，于是NT合金对形状产生了记忆。在室温下，对合金的形状改变，以后遇到高温加热,则自动恢复形状。如:固定接头:2.化学性质a.与非金属反应：钛族金属在常温下不活泼，但在高温条件下它们可以直接和大多数非金属反应：Ti+O2＝TiO2(红热)；3Ti+2N2＝Ti3N4(点燃)Ti+4Cl2＝TiCl4(300oC)所以钛是冶金中的消气剂。b.与酸反应：不与稀酸反应。钛能与热浓盐酸或热硝酸中，但Zr和Hf则不溶，它们的最好溶剂是氢氟酸。2Ti＋6HCl＝2TiCl3(紫色)＋3H2↑Ti+6HNO3＝[TiO(NO3)2]+4NO2↑+3H2OTi+6HF＝

4、[TiF6]2-+2H++2H2↑Zr+6HF＝[ZrF6]2-+2H++2H2↑钛族金属抗腐蚀能力很强，主要是生成了致密的，有附着力的，能自行修补裂缝的氧化物膜。3.用途：基于上述性质，钛及其合金广泛地用于制造喷气发动机、超音速飞机和潜水艇(防雷达、防磁性水雷)以及海军化工设备。此外，钛与生物体组织相容性好，结合牢固，用于接骨和制造人工关节；钛具有隔热、高度稳定、质轻、坚固等特性，由纯钛制造的假牙是任何金属材料无法比拟的，所以钛又被称为“生物金属”。因此，继Fe、Al之后，预计Ti将成为应用广泛的第三金属。4.单质提取TiCl4在950℃真空分馏纯化1000℃下真空蒸馏除去Mg、Mg

5、Cl2，电弧熔化铸锭TiCl4+2MgTi+2MgCl2800℃ArTICl4海绵钛MgMgCl2制备海绵钛反应器示意图ArTiO2+2C+2Cl2TiCl4+2CO800~900℃2FeTiO3+7Cl2+6C＝2TiCl4+2FeCl3+6CO在充氩气的密封炉中用熔融Mg（Na）还原为什么在由TiO2制备TiCl4时，反应中要加入C而不能直接由TiO2和Cl2反应来制取？单独的反应TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(l)+O2(g)在25℃时的即便增加温度也无济于事，因为它是一个熵减反应，如果把反应C(s)+O2(g)=CO2(g)耦合到上述反应中，可得：TiO2(s)+2

6、C(s)+2Cl2(g)=TiCl4(l)+CO2(g)原来不能进行的反应就能进行了。1.3钛的重要化合物1.二氧化钛(TiO2)金红石(rutile)锐钛矿(anatase)板钛矿(brookite)。其中最重要的金红石属四方晶系，Ti的配位数为6，氧的配位数为3。自然界中是红色或桃红色晶体，有时因含Fe,Nb,Ta,Sn,Cr等杂质而呈黑色。性质：(1)TiO2不溶于水或酸，但溶于热浓硫酸或熔化的KHSO4中：TiO2+H2SO4＝TiOSO4+H2O金红石的晶胞(2)TiO2+BaCO3=BaTiO3(偏钛酸钡)+CO2↑可以看出TiO2与酸、碱作用，表现出两性。BaTiO3是常

7、用的电容材料，作为压电材料，用于超声波发生装置。用途：TiO2的化学性质不活泼，且覆盖能力强、折射率高，可用于制造高级白色油漆。它兼有锌白(ZnO)的持久性和铅白[Pb(OH)2CO3]的遮盖性，最大的优点是无毒，在高级化妆品中作增白剂。TiO2也用作高级铜板纸的表面覆盖剂，以及用于生产增白尼龙。TiO2粒子具有半导体性能，且以其无毒、廉价、催化活性高、稳定性好等特点，成为目前多相光催化反应最常用的半导体材料。5℃分离去FeSO4晶体，水解80