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.

Диоксид титана TiO 2 - белое тугоплавкое вещество, нерастворимое в воде и разбавленных кислотах. Это - амфотерный оксид, но как основные, так и кислотные свойства у него выражены слабо.

Встречается в природе как рутил (кубическая сингония), реже в виде анатаза (тетрагональная сингония) и брукита (ромбическая сингония). В рутиле каждый ион Ti 4+ окружен шестью ионами О 2- , а каждый ион О 2- окружен тремя ионами Ti 4+ . В остальных двух кристаллических формах непосредственные соседи ионов те же.

Совершенно чистый диоксид титана бесцветен. В природе он обычно загрязнен окисями железа и поэтому окрашен.

Совершенно не растворяется в воде и в разбавленных кислотах. В теплой концентрированной серной кислоте он растворяется медленно с возможным образованием сульфита титана Ti(SO 4) 2 , который, однако, нельзя выделить в чистом виде из-за легкости его перехода вследствие гидролиза в сульфит титанила (TiO)SO 4 . Эта растворимая в холодной воде соль при нагревании также гидролизуется с образованием H 2 SO 4 и гидратированного диоксида титана, так называемой в-титановой или метатитановой кислоты . Легкость с которой происходит этот гидролиз, говорит о слабых основных свойствах гидроокиси титана. Сульфат титана дает с сульфатами щелочных металлов (которые добавляются к используемой для растворения диоксида титана серной кислоте) двойные соли, например K 2 , более устойчивые к гидролизу, чем простые сульфаты.

Гидроокиси и карбонаты щелочных металлов осаждают из растворов сульфатов на холоду студенистый гидратированный диоксид титана, так называемую Ь-титановую кислоту , отличающуюся от в-титановой более высокой реакционной способностью (так, например Ь-титановая кислота растворяется в щелочах, в которых в-титановая нерастворима). Гидроокись четырехвалентного титана, или собственно титановую кислоту Ti(OH) 4 , нельзя выделить, в этом она похожа на кремниевую и оловянную кислоты. Ь- и в- титановые кислоты, представляющие собой более или менее дегидратированные производные гидроокиси титана(IV), полностью сравнимы с Ь- и в-оловянными кислотами.

Нейтральный или подкисленный раствор сульфата титанила, а также других солей титана окрашивается перекисью водорода в темно-оранжевый цвет (реакция обнаружения перекиси водорода). Аммиак осаждает из этих растворов пероксотитановую кислоту H 4 TiO 5 желто-коричневого цвета, имеющую формулу Ti(OH) 3 O-OH.

Применяется TiO 2 при изготовлении тугоплавких стекол, глазури, эмали, жароупорной лабораторной посуды, а также для приготовления белой масляной краски, обладающей высокой кроющей способностью (титановые белила ).

Сплавлением TiO 2 с BaCO 3 получают титанат бария BaTiO 3 . 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.

Хлорид титана (IV) TiCl 4 , получаемый тем же способом, что и SiCl 4 , представляет собой бесцветную жидкость с температурой кипения 136?C и температурой плавления -32?С, гидролизующуюся водой с образованием TiO 2 и 4HCl. С галогенидами щелочных металлов хлорид титана(IV) дает двойные хлориды, содержащие комплексный ион 2- . Фторид титана (IV) TiF 4 выделяют в виде белого порошка с температурой плавления 284?С; он также легко гидролизуется и образует с HF гексафторотитановую (IV) кислоту H 2 TiF 6 , подобную гексафторкремниевой кислоте.

Безводный хлорид титана (III) TiCl 3 получают в виде фиолетового порошка пропусканием паров TiCl 4 вместе с Н 2 через медную трубку, нагретую примерно до 700?C. В виде водного раствора (фиолетового цвета) его получают восстановлением TiCl 4 в соляной кислоте при помощи цинка или электролитически. Так же получают и сульфат титана(III). Из водного раствора хлорида титана(III) выкристаллизовывается фиолетовый гексагидрат TiCl 3 ?6H 2 O.

Хлорид титана (II) TiCl 2 , окрашенный в черный цвет, получают термическим разложением TiCl 3 при 700ўЄС в атмосфере водорода:

Бесцветный водный раствор этого хлорида быстро окисляется на воздухе, при этом он вначале окрашивается в фиолетовый цвет, а затем снова становится бесцветным вследствие образования сначала соединения Ti(III), а затем соединения Ti(IV).

Карбонитриды, оксикарбиды и оксинитриды титана. Обнаружено, что характер зависимости растворения тугоплавких фаз внедрения (ТФВ) - карбидов, нитридов и оксидов титана - от состава коррелирует с изменением степени металличности связей Ti-Ti в ряду TiC-TiN-TiO, а именно: с увеличением степени металличности фаз в этом направлении их химическая стойкость в HCl и H 2 SO 4 снижается, а в HNO 3 - растет. Поскольку карбиды, нитриды и монооксид титана характеризуются полной взаимной растворимостью, то можно ожидать, что и при взаимодействии их твердых растворов с кислотами будет проявляться аналогичная закономерность.

Однако имеющиеся в литературе сведения о зависимости степени растворения TiC x O y и TiN x O y от состава в минеральных кислотах плохо согласуются с этим предположением. Так, растворимость TiC x O y (фракция <56 мкм) в конц. HCl отсутствует вообще (20ўЄC, 6 ч и 100ўЄС, 3 ч), а в H 2 SO 4 - отсутствует при 20ўЄC (6 ч), но монотонно возрастает от 3% (TiC 0.30 O 0.78) до 10% (TiC 0.86 O 0.12) при 100ўЄC (3 ч). Степень растворения TiC x O y (фракция 15-20 мкм) в 92%-ной H 2 SO 4 (100ўЄC, 1 ч), напротив, уменьшается с ростом содержания углерода от 16% (TiC 0.34 O 0.66) до 2%(TiC 0.78 O 0.22). Степень растворения TiC x O y в конц. HCl (d =1,19 г/см) в тех же условиях достигает 1-2%, не обнаруживая,однако, какой-либо зависимости от состава фазы. Степень растворения TiN x O y в конц. HNO 3 - низкая (2,5-3,0%) и не зависит от состава оксинитрида (20ўЄC, 6 ч). С другой стороны степень растворения TiN x O y в HNO 3 в тех же условиях варьирует в очень широких пределах: от 98% для TiC 0.88 O 0.13 до 4,5% для TiC 0.11 O 0.82 . Трудно сказать что-либо определенное о характере зависимости степень растворения - состав карбонитрида титана в соляной и серной кислотах. Степень растворения TiC x O y в HCl очень мала (0,3%) и не зависит от состава карбонитрида (60ўЄC, 6 ч). Однако в конц. H 2 SO 4 она на порядок выше (3,0-6,5%) и характеризуется минимумом (2%) для образца состава TiC 0.67 O 0.26 .

Полученные экспериментальные данные позволяют утверждать, что характер зависимости растворения TiC x N y , TiC x O y и TiN x O y от состава в HCl, H 2 SO 4 и HNO 3 является вполне определенным и, более того, подобным установленному ранее для TiC x , TiN x и TiO x . Это означает, что и причины качественно различного хода этих зависимостей в HCl и H 2 SO 4 , с одной стороны, и в HNO 3 с другой, должны быть общими для всех исследованных соединений системы TI-C-N-O, т.е. определяться степенью металличности связи Ti-Ti и пассивирующей способностью образующихся продуктов взаимодействия.

Титанаты лития и цинка Li 2 ZnTi 3 O 8 и Li 2 Zn 3 Ti 4 O 12 имеют кубическую шпинельную структуру с различным распределением катионов по позициям. Установлено, что эти соединения являются твердыми литийпроводящими электролитами. В Li 2 ZnTi 3 O 8 катионы лития и титана упорядочены в октаэдрических позициях в соотношении 1:3, половина атомов лития и цинк статистически распределены по тетраэдрическим позициям: (Li 0.5 Zn 0.5)O 4 . Кристаллохимическая формула Li 2 Zn 3 Ti 4 O 12 может быть записана как (Zn)O 4 . На основе анализа ИК- и КР-спектров предложен иной способ распределения атомов лития и цинка в структуре данных шпинелей: литий имеет тетраэдрическую координацию, а цинк и титан - октаэдрическую. Отмечено также сильное искажение октаэдров TiO 6: так, в Li 2 Zn 3 Ti 4 O 12 окружение ионов Ti 4+ ,близко к пяти координационному. Невысокая ионная проводимость этих титанатов при повышенных температурах объясняется тетраэдрической координацией атомов лития.

На примере галидных шпинелей Li 2 MX 4 (M=Mg 2+ ,Mn 2+ ,Fe 2+ ; X=Cl - ,Br -) установлено, что катионный состав и распределение атомов лития по позициям оказывает сильное влияние на величину электропроводности. Так как в структуре шпинели нет общих граней между одинаковыми катионными позициями, в ионном переносе участвует несколько различных позиций. Высокие значения ионной проводимости в хлоридных шпинелях наблюдались в результате разупорядочения структуры соединений, связанного с переходом атомов лития при повышенных температурах из тетраэдрических позиций 8а в свободные октаэдрические позиции 16с . При этом шпинельная структура превращалась в структуру типа NaCl. Информативным методом исследования разупорядочения структуры хлоридных шпинелей явилось изучение КР-спектров соединений при высоких температурах.

Оксиды титана:

Ti (IV) - TiO 2 - Двуокись титана. Имеет амфотерный характер. Наиболее устойчив и имеет наобольшее практическое значение.

Ti (III) - Ti 2 O 3 - окись титана. Имеет основной характер. Устойчив в растворе и является сильным восстановителем, как и остальные соединенияTi (III).

TI (II) - TiO 2 - Закись титана. Имеет основной характер. Наименее устойчив.

Двуокись титана, ТiO2, - соединение титана с кислородом, в котором титан четырёхвалентен. Белый порошок, желтый в нагретом состоянии. Встречается в природе главным образом в виде минерала рутила, t° пл выше 1850°. Плотностъ 3,9 - 4,25 г/см 3 . Практически нерастворима в щелочах и кислотах, за исключениемHF. В концентрированной Н 2 SO 4 растворяется лишь при длительном нагревании. При сплавлении двуокиси титана с едкими или углекислыми щелочами образуются титанаты, которые легко гидролизуются с образованием на холоду ортотитановой кислоты (или гидрата) Ti (OH) 4 , легко растворимой в кислотах. При стоянии она переходит в мстатитановую кислоту (форма), имеющую микрокристаллическую структуру и растворимую лишь в горячей концентрированной серной и фтористоводородной кислотах. Большинство титанатов практически нерастворимы в воде. Основные свойства двуокиси титана выражены сильнее кислотных, но соли, в которых титан является катионом, также в значительной мере гидролизуются с образованием двухвалентного радикала титанила TiO 2 + . Последний входит в состав солей в качестве катиона (например, сернокислый титанил TiOSO 4 *2H 2 O). Двуокись титана является одним из важнейших соединений титана, служит исходным материалом для получения других его соединений, а также частично металлического титана. Используется главным образом как минеральная краска, кроме того, как наполнитель в производстве резины и пластических металлов. Входит в состав тугоплавких стекол, глазурей, фарфоровых масс. Из нее изготовляют искусственные драгоценные камни, бесцветные и окрашенные.

Диоксид титана не растворяется в воде и разбавленных минеральных кислотах (кроме плавиковой) и разбавленных растворах щелочей.

Медленно растворяется в концентрированной серной кислоте:

TiO 2 + 2H 2 SO 4 = Ti (SO4) 2 + 2H 2 O

С пироксидом водорода образует ортотитановую кислоту H4TiO4:

TiO 2 + 2H 2 O 2 = H 4 TiO 4

В концентрированных растворах щелочей:

TiO 2 + 2NaOH = Na 2 TiO 3 + H 2 O

При нагревании диоксид титана с аммиаком образует нитрид титана:

2TiO 2 + 2NH 3 = 2TiN + 3H 2 O + O 2

В насыщенном растворе гидрокарбоната калия:

TiO 2 + 2KHCO 3 = K 2 TiO 3 + H 2 O + 2CO 2

При сплавлении с оксидами, гидроксидами и карбонатами образуются титанаты и двойные оксиды:

TiO 2 + BaO = BaO TiO 2 (BaTiO 3)

TiO 2 + BaCO 3 = BaO TiO2 + CO 2 (BaTiO 3)

TiO 2 + Ba (OH) 2 = BaO TiO 2 (BaTiO 3)

Гидроксиды титана:

H 2 TiO 3 - П.Р. = 1,0 10 -29

H 2 TiO 4 - П.Р. = 3,6 10 -17

TIO (OH) 2 - П.Р. = 1,0 10 -29

Ti (OH) 2 - П.Р. = 1,0 10 -35

Гидроскида Ti (IV) - Ti (OH) 4 или H 4 TiO 4 - ортотитановой кислоты по видимому вообще не существует, а осадок, выпадающий при добавлении оснований к растворам солейTi (IV), представляет собой гидратированную формуTiO 2 . Это вещество растворяется в концентрированных щелочах, и из таких растворов можно выделить гидратированные титанаты общей формулы: M 2 TiO 3 nH 2 OиM 2 Ti 2 O 5 nH 2 O.

Для титана характерно комплексообразование с соответствующими галогеноводородными кислотами и особенно с их солями. Наиболее типичны комплексные производные с общей формулой Мe 2 TiГ 6 (где Мe - одновалентный металл). Они хорошо кристаллизуются и подвергаются гидролизу гораздо менее, чем исходные галогенидыTiГ 4 . Это указывает на устойчивость комплексных ионовTiГ 6 в растворе.

Окраска производных титана сильно зависит от природы входящего в них галогена:

Устойчивость солей комплексных кислот типа Н 2 ЭГ 6 , в общем, возрастает по ряду Ti-Zr-Hf и уменьшается в ряду галогенов F-Cl-Br-I.

Производные трёхвалентных элементов более или менее характерны лишь для титана. Тёмно-фиолетовый оксид Тi 2 O 3 (т. пл.1820°С) может быть получен прокаливанием TiO 2 до 1200°C в токе водорода. В качестве промежуточного продукта при 700-1000°С образуется синий Ti 2 O 3 .

В воде Ti 2 O 3 практически нерастворим. Его гидроксид образуется в виде тёмно-коричневого осадка при действии щелочей на растворы солей трёхвалентного титана. Он начинает осаждаться из кислых растворов при рН = 4, имеет только основные свойства и в избытке щелочи не растворяется. Однако производящиеся от HTiO 2 титаниты металлов (Li, Na, Mg, Mn) были получены сухим путём. Известна также сине-чёрная "титановая бронза” состава Na0,2TiO 2 .

Гидроксид титана (III) легко окисляется кислородом воздуха. Если в растворе нет других способных окисляться веществ, одновременно с окислением Ti (OH) 3 идёт образование пероксида водорода. В присутствии Са (ОН) 2 (связывающего Н 2 О 2) реакция протекает по уравнению:

2Ti (ОН) 3 + O 2 + 2H 2 O = 2Ti (OH) 4 + H 2 O 2

Азотнокислые соли Тi (OH) 3 восстанавливает до аммиака.

Фиолетовый порошок ТiCl 3 может быть получен пропусканием смеси паров ТiCl 4 c избытком водорода сквозь нагретую до 650°С трубку. Нагревание вызывает его возгонку (с частичным образованием димерных молекул Ti 2 Cl 6) и затем дисмутацию по схеме:

2TiCl 3 = TiCl 4 + TiCl 2

Интересно, что уже при обычных условиях тетрахлорид титана постепенно восстанавливается металлической медью, образуя чёрное соединение состава CuTiCl 4 (т.е. СuCl·TiCl 3).

Трёххлористый титан образуется также при действии на TiCl 4 водорода в момент выделения (Zn + кислота). При этом бесцветный раствор окрашивается в характерный для ионов Ti 3+ фиолетовый цвет, и из него может быть выделен кристаллогидрат состава ТiCl 3 ·6H 2 O. Известен и малоустойчивый зелёный кристаллогидрат того же состава, выделяющийся из насыщенного HCl раствора TiCl 3 . Структуре обеих форм, равно как и аналогичных кристаллогидратов СrCl 3 , отвечают формулы Cl 3 и Cl·2Н 2 О. При стоянии в открытом сосуде раствор TiCl 3 постепенно обесцвечивается ввиду окисления Ti 3+ до Ti 4+ кислородом воздуха по реакции:

4TiCl 3 + O 2 +2H 2 O = 4TiOCl 2 + 4HCl.

Ион Тi3+ является одним из очень немногих восстановителей, довольно быстро восстанавливающих (в кислой среде) перхлораты до хлоридов. В присутствии платины Тi 3+ окисляется водой (с выделением водорода).

Безводный Ti 2 (SO 4) 3 имеет зелёный цвет. В воде он нерастворим, а раствор его в разбавленной серной кислоте имеет обычную для солей Ti 3+ фиолетовую окраску. От сульфата трёхвалентного титана производятся комплексные соли, главным образом типов Мe ·12H 2 O (где Мe - Сs или Rb) и Me (с переменным в зависимости от природы катиона содержанием кристаллизационной воды).

Теплота образования TiO (т. пл.1750°С) составляет 518 кДж/моль. Он получается в виде золотисто-жёлтой компактной массы нагреванием в вакууме до 1700°С спрессованной смеси TiO 2 + Ti. Интересным способом его образования является термическое разложение (в высоком вакууме при 1000°С) нитрила титанила.

Похожий по виду на металл, тёмно-коричневый TiS получен прокаливанием TiS 2 в токе водорода (первоначально при этом образуются сульфиды промежуточного состава, в частности Ti 2 S 3). Известны также TiSe, TiTe и силицид состава Ti 2 Si.

Все TiГ 2 образуются при нагревании соответствующих галогенидовTiГ 3 без доступа воздуха за счёт их разложения по схеме:

2TiГ 3 =TiГ 4 +TiГ 2

При несколько более высоких температурах галогениды TiГ 2 сами подвергаются дисмутации по схеме: 2TiГ 2 =TiГ 4 +Ti

Двухлористый титан может быть получен также восстановлением TiCl4 водородом при 700°С. Он хорошо растворим в воде (и спирте), а с жидким аммиаком даёт серый аммиакат TiCl 2 ·4NH 3 . Раствор TiCl 2 может быть получен восстановлением TiCl 4 амальгамой натрия. В результате окисления кислородом воздуха бесцветный раствор TiCl 2 быстро буреет, затем становится фиолетовым (Ti 3+) и, наконец, вновь обесцвечивается (Ti 4+). Получаемый действием щёлочи на раствор TiCl 2 чёрный осадок Ti (OH) 2 исключительно легко окисляется.

Титан – довольно активный металл; стандартный электродный потенциал системы Ti/Ti 2+ равен -1,63 В. Однако благодаря образованию на поверхности металла плотной защитной пленки титан обладает исключительно высокой стойкостью против коррозии, превышающей стойкость нержавеющей стали. 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 царской водке.

Титан при низкой температуре более устойчив к действию кислорода, чем железо, однако при нагревании на воздухе он сгорает до TiO 2 . С хлором титан реагирует примерно при 300˚C.

В отличие от циркония и гафния титан растворяется при нагревании в соляной кислоте, образуя в восстановительной атмосфере аквакомплексы Ti(III):

Растворы титана. В водных растворах Ti находится преимущественно в 4-валентном состоянии, но в определенных условиях существуют комплексы, в которых валентность титана равна трем. Малый ионный радиус позволяет ему приобретать заметную долю электронной плотности кислородного донора с образованием прочной ковалентной связи. Значения электроотрицательности для TiOH и TiO – 2,43 и 2,56 соответственно. Сродство ионов Ti +4 настолько велико, что комплексы практически всегда содержат кислород и образуют в растворах титана(IV) цепи с гидроксильными и кислородными мостиками.

Химия титана даже в разбавленных растворах оказывается связанной с процессами полимеризации.

В растворах титан может находиться в форме простых и комплексных ионов, а также в коллоидно-дисперсном состоянии. Превалирование той или иной формы зависит от условий получения и хранения раствора, его концентрации, содержания примесей и других факторов. Способность Ti вступать в типичные ионные реакции, например в окислительно-восстановительные, свидетельствует о том, что в растворах сернокислые соли диссоциирует на катионы и анионы. Так, превращение сульфата в хлорид при добавлении BaCl 2:

Ti 4+ +2SO 4 2- +2Ba 2+ +4Cl - =2BaSO 4 +Ti 4+ +4Cl -

Происходит полно и ион Ti 4+ не изменяется. Кристаллизация солей с четко выраженными стехиометрическими отношениями также является доказательством их ионной природы.

В водных сернокислых растворах существование ионов Ti 4+ невозможно, так как Ti существует в виде гидратных комплексов Ti(H 2 O) 6 4+ , подвергающихся гидролизу с депротонизацией. С позиций представлений о льдоподобной структуре воды выполненные расчеты по данным кажущихся мольных объемов позволяют предполагать нахождение Ti(H 2 O) 6 4+ как в каркасе структуры воды, так и в ее пустотах.

Прямых доказательств существования ионов титанила TiO 2+ в растворе нет. Однако наличие TiO-группы в ряде соединений не вызывает сомнения. Термохимическим методом показано, что ион титанила обладает в растворе ярко выраженной положительной гидратацией. Гидратные числа, рассчитанные для Ti-форм при мольных соотношениях SO 3: Ti, равных 2 и 1, составляют 9и 5 соответственно, что близко к минимальным величинам для ионов U 4+ , Na + и К + , найденным по данным числе переноса электролитов. С ростом концентрации титана гидратные числа уменьшаются и к моменту кристаллизации сульфатов становятся близкими к числу молекул Н 2 О на атом Ti, прочно связанных в твердой фазе.

Гидролиз титансодержащих ионов или нейтральных молекул в сернокислых растворах – сложный физико-химический процесс. В нем различают несколько стадий: взаимодействие сульфатов титана с водой с их переходом в основные сульфаты, образование и рост мицелл гидроокиси, коагуляция мицелл с выпадением осадка. Процесс гидролиза сульфатов титана может быть представлен последовательными реакциями:

Титановая губка. При металлотермическом восстановлении четыреххлористого титана образуются отдельные кристаллы металла. Размер этих кристаллов колеблется от сотых долей микрона до 10мм и более. В процессе восстановления и при высокотемпературной выдержке отдельные кристаллы срастаются в губчатый блок, сохраняющий размеры и форму реакционного сосуда. Как и всякое пористое тело, титановая губка имеет большую удельную поверхность.

Попадая на воздух, эта поверхность контактирует с газами, входящими в состав воздуха. Титан является химически активным элементом и вступает во взаимодействие с окружающими его газами. Степень этого взаимодействия зависит от величины поверхности губки, характера взаимодействия титана с каждым из газов и температуры.

При дроблении, прессовании и других операциях губка нагревается до 250-300˚С. Это способствует ускорению химического взаимодействия титана с газами. Присутствие хлористых солей в губке делает ее контакт с воздухом более опасным, поскольку хлориды интенсивно поглощают воду. Эти свойства губки при определенных условиях проявляются настолько резко, что из высших сортов металла может быть получено изделие низкого качества или даже брак. Поэтому, явления связанные с загрязнением титановой губки в период ее пребывания на воздухе, требуют тщательного изучения и постоянного внимания.

Взаимодействие титановой губки с кислородом. Титан взаимодействует с кислородом при всех температурах. При избытке кислорода образуется TiO 2 , в иных условиях возможно образование TiO и Ti 2 O 3 . Образовавшийся при комнатной температуре адсорбционный слой состоит из химически связанного кислорода и надстройки слабо связанных с поверхностью атомов газов. В начальный период процесса на скорость роста окисной пленки основное влияние оказывает температура. Окисление поверхности титана происходит главным образом в течение 1-2 ч. Дальнейшая выдержка при температурах до 300˚С приводит к незначительному изменению состояния поверхности. Это связано с защитными свойствами окисной пленки.

Процесс окисления титана на воздухе в интервале 20-300˚С можно разделить на три периода:

1. Образование окисной пленки при температуре до 50˚С; при этом увеличения содержания кислорода методом вакуум-плавления не обнаруживается.

2. Окисление титана в диапазоне температур от 60 до 140˚С; в этом интервале температур увеличение содержания кислорода подчиняется линейному уравнению

3. Окисление титана в диапазоне температур от 140 до 300˚С; в этом интервале температур увеличение содержания кислорода в титане выражается параболической зависимостью

При температурах выше 400˚С структура пленки нарушается, и скорость окисления титана резко возрастает. Это связано с увеличением скорости диффузии ионов кислорода с поверхности в глубь металла. Окисление титана на воздухе протекает более интенсивно, чем в чистом кислороде. Это связано с присутствием азота, который способствует образованию дефектов в решетке окисла и повышает скорость окисления.

Взаимодействие титана с азотом. В результате взаимодействия титана с азотом образуется нитрид титана (TiN). Цвет нитрида титана изменяется от светло-коричневого до бронзово-желтого.

На воздухе до 300˚С титан незначительно взаимодействует с азотом. Этот факт подтверждает, что на воздухе прежде всего образуется окисная пленка, которая в значительной степени защищает титан от взаимодействия с азотом. При повышении температуры до 400˚С начинается некоторое растворение окисной пленки в глубь металла, происходит нарушение структуры поверхностной пленки, в результате чего взаимодействие титана с азотом воздуха интенсифицируется.

В среде азота взаимодействие титана с азотом при 20˚С обнаруживается только по изменению цвета поверхности металла.

Азот способен растворяться в титане; до 550˚С диффузия ионов азота в глубь металла протекает медленно, но резко активизируется при 700˚С. Даже незначительное содержание азота в титане приводит к заметному увеличению его твердости. Азотирование является эффективным средством повышения износоустойчивости титана.

Взаимодействие титана с водой. При химическом взаимодействии титана с водой по схеме

Протекают одновременно два процесс: поглощение титаном водорода и образование окисных соединений.

Увеличение содержания кислорода в титановой губке при окислении в воде при температуре до 100˚С пропорционально квадрату температуры

Окисление титана в воде протекает интенсивно; увеличение содержания кислорода в титане в результате взаимодействия с водой более чем в десять раз превышает окисление на воздухе при тех же температурах, содержание водорода в титане после контакта с водой возрастает в 3-4 раза.

Взаимодействие титана с водородом. При взаимодействии титана с водородом образуется гидрид титана (TiH 2). Кроме того, титан поглощает около 30% (ат.) водорода, который занимает октаэдрические пустоты решетки. Если адсорбировано незначительное количество водорода, то наблюдается только расширение кристаллической решетки без изменения типа ее структуры. Дальнейшая адсорбция создает значительное напряжение. Более богатой водородом фазе соответствует формула TiH 2 .

Адсорбированный при повышенных температурах водород не остается только на поверхности. Водород диффундирует в титан с очень большими скоростями. Так, например, при 500˚С коэффициент диффузии водорода в ά-титане составляет 1,5·10 -5 см 2 /сек.

Использование: лакокрасочная промышленность для получения диоксида титана. Сущность способа: тетрахлорид титана очищенный или технический вводят непосредственно в известковое молоко со скоростью изменения рН среды 0,05 0,1 ед/рН в минуту. Нагревают. Процесс ведут до рН среды 6,5 7,5. Осадок гидроксида титана отделяют, промывают. 1 з. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к лакокрасочной промышленности, в частности к получению гидроксида титана для производства пигментной двуокиси титана, и может быть использовано при получении блочных катализаторов для обезвреживания отходящих промышленных газов. Известен способ получения гидроксида титана из тетрахлорида титана путем гидролиза его в подкисленной воде при нагревании, последующего отделения образовавшегося осадка, его промывки. Перед промывкой осадок обрабатывают многоосновной неорганической кислотой, органической кислотой, содержащей несколько карбоксильных и/или оксигрупп, фенолом или их солью и высокомолекулярным органическим флокулирующим агентом Образование гидроксида титана при гидролизе тетрахлорида титана в подкисленной воде при нагревании идет по реакции: TiCl 4 + 3H 2 O TiO 2 H 2 O + 4HCl Недостатком известного способа получения гидроксида титана является низкое качество получаемого продукта за счет высокого содержания в нем примеси хлор-иона. Это обусловлено образованием в процессе гидролиза тетрахлорида титана малорастворимых гидроксихлоридов титана. Кроме того, недостатком известного способа является получение в качестве отходов разбавленной соляной кислоты, которую необходимо обезвреживать или утилизировать, для осуществления способа необходима дорогостоящая коррозионностойкая аппаратура. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому является способ получения гидроксида титана. Согласно известному способу тетрахлорид титана растворяют в воде, а затем проводят осаждение гидроксида титана щелочными реагентами при нагревании. Полученный осадок отделяют и промывают. В качестве оснований осадителей гидроксида титана используют гидроксиды натрия и калия, водные растворы аммиака, растворы поташа и соды. При этом получают белый кристаллоподобный гидроксид титана анатазной модификации Недостатком известного способа является то, что полученный гидроксид титана характеризуется высоким содержанием примеси хлор-ионов за счет образования при гидролизе тетрахлорида титана малорастворимых гидроксихлоридов и оксихлоридов титана. Недостатком известного способа является также его низкая технологичность: для осуществления способа необходима коррозионностойкая аппаратура, поскольку при гидролизе тетрахлорида титана образуется соляная кислота; в качестве осадителей используются дорогостоящие реагенты; на промывку образовавшегося осадка тетрахлорида титана расходуются большие объемы промывной воды за счет относительно низкой растворимости хлоридов натрия, калия, аммония, образующихся при нейтрализации соляной кислоты гидроксидами натрия, калия, растворами аммиака, поташа, соды; для отвода излишнего количества тепла, выделяющегося при растворении тетрахлорида титана в воде, необходима установка теплообменников. Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является снижение примеси хлор-ионов в целевом продукте, повышение технологичности способа при обеспечении безотходности процесса. Технический результат достигается тем, что в известном способе получения гидроксида титана из тетрахлорида титана путем осаждения щелочным реагентом при нагревании, последующего отделения образовавшегося осадка и его промывки, является то, что тетрахлорид титана непосредственно вводят в щелочной реагент, в качестве которого используют известковое молоко, а процесс ведут до рН среды 6,5-7,5 со скоростью изменения рН среды 0,05-0,1 единиц рН/мин. В качестве тетрахлорида титана может быть использован тетрахлорид титана технический. Сущность заявляемого способа заключается в следующем. При непосредственном введении тетрахлорида титана в известковое молоко до рН среды 6,5-7,5, минуя стадию растворения тетрахлорида титана в воде, образование гидроксида титана идет по реакции: TiCl 4 + 2Ca(OH) 2
TiO 2 H 2 O + 2CaCl 2 + H 2 O
При этом исключается образование соляной кислоты и, следовательно, необходимость осуществления способа с использованием дорогостоящей коррозионностойкой аппаратуры и обезвреживание или утилизация соляной кислоты. В начальный момент введения тетрахлорида титана в известковое молоко образование гидроксида титана идет при многократном избытке щелочного реагента. Образовавшиеся в этот момент частицы гидроксида титана выполняют роль зародышей, что способствует образованию кристаллического осадка, обеспечивает высокую скорость его отстаивания и фильтрации. Экспериментально установлено, что при непосредственном введении тетрахлорида титана в щелочной реагент, в качестве которого используют известковое молоко, со скоростью изменения рН среды 0,05-0,1 ед. рН/мин образуется гидроксид титана, характеризующийся низким содержанием гидроксихлоридов и оксихлоридов титана и кристаллоподобной структурой. При более высокой скорости изменения рН среды (выше заявляемого предела) содержание оксихлоридов титана в образовавшемся осадке увеличивается. При скорости изменения рН среды ниже заявляемого предела существенного уменьшения содержания гидроксихлоридов и оксихлоридов титана в образовавшемся гидроксиде титана не происходит, и, следовательно, производительность неоправданно снижается. Использование в качестве щелочного реагента известкового молока в совокупности с заявляемой скоростью изменения рН среды обеспечивает поддержание температуры реакционной смеси на уровне 40-80 о С, исключает необходимость принудительного теплообмена за счет высокой теплопроводности раствора хлорида кальция. Кроме того, растворимость хлорида кальция выше, чем растворимость хлоридов натрия, калия и аммония. Следовательно, на отмывку хлорида кальция расходуется меньше промывочной воды. Хлорид кальция товарный продукт, его можно получить выпариванием с меньшими энергозатратами. В качестве тетрахлорида титана может быть использован как тетрахлорид титана очищенный, содержащий, мас. ванадий 0,0002-0,0006; кремний 0,0002-0,001, так и тетрахлорид титана технический, содержащий, мас. ванадий 0,1-0,15; кремний 0,001-0,02 или тетрахлорид титана, содержащий, мас. тантал не более 0,01; ниобий 0,02; кремний 0,02. Присутствующие в тетрахлориде титана техническом примеси ванадия, тантала и ниобия играют роль катализаторов процесса образования гидроксида титана, а для устранения отрицательного влияния примеси кремния процесс введения тетрахлорида титана в известковое молоко ведут до рН среды не ниже 6,5, поскольку при более низком рН образуется гель кремниевой кислоты, что затрудняет процесс фильтрации осадка гидроксида титана. Введение тетрахлорида титана в известковое молоко до рН среды выше 7,5 нецелесообразно, т.к. в этом случае в растворе остается свободная известь. Заявляемый способ осуществляется следующим образом. В емкость с известковым молоком, содержащим 50-180 г/л активной извести, при температуре 40-80 о С вводят тетрахлорид титана при интенсивном перемешивании со скоростью изменения рН среды 0,05-0,1 рН/мин. Процесс заканчивают при достижении рН среды 6,5-7,5. Получают белый кристаллический осадок гидроксида титана, который затем отстаивают, отфильтровывают и промывают на вакуумном фильтре. Осадок подвергают затем 3-6-кратной противоточной промывке. Полученный гидроксид титана используют как товарный продукт или направляют на получение пигментного диоксида титана, блочных катализаторов и др. А фильтрат и промывные воды противоточной промывки смешивают и подвергают упариванию с получением товарного хлорида кальция. В лабораторных условиях были проведены сравнительные испытания заявляемого способа получения гидроксида титана и способа по прототипу. В качестве тетрахлорида титана использовали тетрахлорид титана очищенный (см. табл. опыты NN 1-9), тетрахлорид титана технический опыты NN 10-18, тетрахлорид технический опыты NN 19-27, который вводили непосредственно в известковое молоко, содержащее 80 г/л и 150 г/л активной извести. Скорость изменения рН среды изменяли от 0,3 до 0,12 единиц рН/мин (cм. опыты NN 1-5, 10-14, 19-23). При этом процесс вели до рН среды 7. В опытах NN 6-9, 15-18, 24-27 процесс вели до рН среды 6,0-8,0 при скорости изменения рН среды 0,07 ед. рН/мин. В полученном после фильтрации и промывки осадке гидроксида титана титримитрическим методом определяли содержание хлор-ионов. Контролировалась также производительность процесса. В таблице приведены данные по производительности процесса в зависимости от скорости измерения рН среды в пересчете на TiO 2 (т/час) при условном рабочем объеме реактора 1 м 3 и разных концентрациях известкового молока. Был также осуществлен способ по прототипу, согласно которому тетрахлорид титана предварительно растворяли (гидролизовали) в воде, а затем полученную соляную кислоту нейтрализовали гидроксидом натрия (см. опыт N 16). Результаты опытов представлены в таблице. Из таблицы видно, что оптимальной скоростью изменения рН среды является скорость в 0,05-0,1 ед. рН/мин, обеспечивающая получение гидроксида титана с низким содержанием примеси хлор-ионов и приемлемую производительность процесса (см. опыты NN 2-4, 11-13, 20-22). Снижение скорости изменения рН среды ниже заявляемого предела (опыты NN 1, 10, 19) нецелесообразно, т.к. хотя и наблюдается некоторое снижение содержания примеси хлор-ионов в гидроксиде титана, однако производительность процесса мала. При увеличении скорости изменения рН среды выше заявляемого предела содержание примеси хлор-ионов в гидроксиде титана увеличивается (см. опыты NN 5, 14, 23). Процесс введения тетрахлорида титана в известковое молоко целесообразно вести до рН среды 6,5-7,5. В этом случае получается кристаллоподобный хорошо отфильтровываемый осадок гидроксида титана анатазной модификации. В случае окончания процесса при рН среды 6,0 образуется гель кремниевой кислоты, затрудняющий процесс фильтрации (см. опыты NN 6, 15, 24). Вести процесс до рН среды 8,0 нецелесообразно вследствие неэффективного расходования известкового молока, т.к. в этом случае в растворе остается свободная известь (см. опыты NN 9, 18, 27). Из таблицы также видно, что использование тетрахлорида титана технического обеспечивает более высокую производительность процесса по сравнению с тетрахлоридом титана очищенным вследствие каталитического воздействия примесей, содержащихся в TiCl 4 техническом. Содержание примеси хлор-ионов в гидроксиде титана в этом случае несколько выше, но в 4-10 раз ниже по сравнению с прототипом (см. опыт N 16). Использование в качестве осадителя гидроксида титана известкового молока позволило вести процесс без принудительного охлаждения, снизить объем промывочных вод на 30% по сравнению с прототипом, и, следовательно с меньшими энергозатратами получить еще один товарный продукт хлорид кальция.

Оксиды титана:

Ti(IV) – TiO 2 – Двуокись титана. Имеет амфотерный характер. Наиболее устойчив и имеет наобольшее практическое значение.

Ti(III) – Ti 2 O 3 – окись титана. Имеет основной характер. Устойчив в растворе и является сильным восстановителем, как и остальные соединения Ti(III).

TI(II) – TiO 2 - Закись титана. Имеет основной характер. Наименее устойчив.

Двуокись титана, ТiO2, - соединение ти­тана с кислородом, в котором титан четырёхвалентен. Белый порошок, желтый в нагретом состоянии. Встречается в природе главным образом в виде минерала ру­тила, t° пл выше 1850°. Плотностъ 3,9 - 4,25 г/см 3 . Практически нерастворима в щелочах и кислотах, за исключением HF. В концентрированной Н 2 SO 4 растворяется лишь при длительном на­гревании. При сплавлении двуокиси титана с едкими или угле­кислыми щелочами образуются титанаты, которые легко гидролизуются с образованием на холоду ортотитановой кислоты (или гидрата) Ti(OH) 4 , легко рас­творимой в кислотах. При стоянии она переходит в мстатитановую кислоту (форма), имеющую микрокристаллическую структуру и растворимую лишь в горя­чей концентрированной серной и фтористоводородной кислотах. Большинство титанатов практически нерастворимы в воде. Основные свойства двуокиси титана выра­жены сильнее кислотных, но соли, в которых титан является катионом, также в значительной мере гид­ролизуются с образованием двухвалентного радикала титанила TiO 2 + . Последний входит в состав солей в качестве катиона (например, сернокислый титанил TiOSO 4 *2H 2 O). Двуокись титана является одним из важнейших соединений титана, служит исходным материа­лом для получения других его соединений, а также частично металлического титана. Используется главным образом как минеральная краска, кроме того, как наполнитель в производстве резины и пластических металлов. Входит в состав тугоплавких стекол, глазурей, форфоровых масс. Из нее изготов­ляют искусственные драгоценные камни, бесцветные и окрашенные.

Диоксид титана не растворяется в воде и разбавленных минеральных кислотах (кроме плавиковой) и разбавленных растворах щелочей.

Медленно растворяется в концентрированной серной кислоте:

TiO 2 + 2H 2 SO 4 = Ti(SO4) 2 + 2H 2 O

С пероксидом водорода образует ортотитановую кислоту H4TiO4:

TiO 2 + 2H 2 O 2 = H 4 TiO 4

В концентрированных растворах щелочей:

TiO 2 + 2NaOH = Na 2 TiO 3 + H 2 O

При нагревании диоксид титана с аммиаком образует нитрид титана:

2TiO 2 + 2NH 3 = 2TiN + 3H 2 O + O 2

В насыщенном растворе гидрокарбоната калия:

TiO 2 + 2KHCO 3 = K 2 TiO 3 + H 2 O + 2CO 2

При сплавлении с оксидами, гидроксидами и карбонатами образуются титанаты и двойные оксиды:

TiO 2 + BaO = BaO∙TiO 2 (BaTiO 3)

TiO 2 + BaCO 3 = BaO∙TiO2 + CO 2 (BaTiO 3)

TiO 2 + Ba(OH) 2 = BaO∙TiO 2 (BaTiO 3)

Гидроксиды титана:

H 2 TiO 3 – П.Р. = 1,0∙10 -29

H 2 TiO 4 - П.Р. = 3,6∙10 -17

TIO(OH) 2 - П.Р. = 1,0∙10 -29

Ti(OH) 2 - П.Р. = 1,0∙10 -35

Гидроскида Ti(IV) – Ti(OH) 4 или H 4 TiO 4 - ортотитановой кислоты по видимому вообще не существует, а осадок, выпадающий при добавлении оснований к растворам солей Ti(IV), представляет собой гидратированную форму TiO 2 . Это вещество растворяется в кончентрированных щелочах, и из таких растворов можно выделить гидратированные титанаты общей формулы: M 2 TiO 3 ∙nH 2 O и M 2 Ti 2 O 5 ∙nH 2 O.

Для титана характерно комплексообразование с соответствующими галогеноводородными кислотами и особенно с их солями. Наиболее типичны комплексные производные с общей формулой Мe 2 TiГ 6 (где Мe - одновалентный металл). Они хорошо кристаллизуются и подвергаются гидролизу гораздо менее, чем исходные галогениды TiГ 4 . Это указывает на устойчивость комплексных ионов TiГ 6 в растворе.

Окраска производных титана сильно зависит от природы входящего в них галогена:

Устойчивость солей комплексных кислот типа Н 2 ЭГ 6 , в общем, возрастает по ряду Ti-Zr-Hf и уменьшается в ряду галогенов F-Cl-Br-I.

Производные трёхвалентных элементов более или менее характерны лишь для титана. Тёмно-фиолетовый оксид Тi 2 O 3 (т. пл. 1820 °С) может быть получен прокаливанием TiO 2 до 1200 °C в токе водорода. В качестве промежуточного продукта при 700-1000 °С образуется синий Ti 2 O 3 .

В воде Ti 2 O 3 практически нерастворим. Его гидроксид образуется в виде тёмно-коричневого осадка при действии щелочей на растворы солей трёхвалентного титана. Он начинает осаждаться из кислых растворов при рН = 4, имеет только основные свойства и в избытке щелочи не растворяется. Однако производящиеся от HTiO 2 титаниты металлов (Li, Na, Mg, Mn) были получены сухим путём. Известна также сине-чёрная “титановая бронза” состава Na0,2TiO 2 .

Гидроксид титана (III) легко окисляется кислородом воздуха. Если в растворе нет других способных окисляться веществ, одновременно с окислением Ti(OH) 3 идёт образование пероксида водорода. В присутствии Са(ОН) 2 (связывающего Н 2 О 2) реакция протекает по уравнению:

2Ti(ОН) 3 + O 2 + 2H 2 O = 2Ti(OH) 4 + H 2 O 2

Азотнокислые соли Тi(OH) 3 восстанавливает до аммиака.

Фиолетовый порошок ТiCl 3 может быть получен пропусканием смеси паров ТiCl 4 c избытком водорода сквозь нагретую до 650 °С трубку. Нагревание вызывает его возгонку (с частичным образованием димерных молекул Ti 2 Cl 6) и затем дисмутацию по схеме:

2TiCl 3 = TiCl 4 + TiCl 2

Интересно, что уже при обычных условиях тетрахлорид титана постепенно восстанавливается металлической медью, образуя чёрное соединение состава CuTiCl 4 (т. е. СuCl·TiCl 3).

Трёххлористый титан образуется также при действии на TiCl 4 водорода в момент выделения (Zn + кислота). При этом бесцветный раствор окрашивается в характерный для ионов Ti 3+ фиолетовый цвет, и из него может быть выделен кристаллогидрат состава ТiCl 3 ·6H 2 O. Известен и малоустойчивый зелёный кристаллогидрат того же состава, выделяющийся из насыщенного HCl раствора TiCl 3 . Структуре обеих форм, равно как и аналогичных кристаллогидратов СrCl 3 , отвечают формулы Cl 3 и Cl·2Н 2 О. При стоянии в открытом сосуде раствор TiCl 3 постепенно обесцвечивается ввиду окисления Ti 3+ до Ti 4+ кислородом воздуха по реакции:

4TiCl 3 + O 2 +2H 2 O = 4TiOCl 2 + 4HCl.

Ион Тi3+ является одним из очень немногих восстановителей, довольно быстро восстанавливающих (в кислой среде) перхлораты до хлоридов. В присутствии платины Тi 3+ окисляется водой (с выделением водорода).

Безводный Ti 2 (SO 4) 3 имеет зелёный цвет. В воде он нерастворим, а раствор его в разбавленной серной кислоте имеет обычную для солей Ti 3+ фиолетовую окраску. От сульфата трёхвалентного титана производятся комплексные соли, главным образом типов Мe·12H 2 O (где Мe - Сs или Rb) и Me (с переменным в зависимости от природы катиона содержанием кристаллизационной воды).

Теплота образования TiO (т. пл. 1750 °С) составляет 518 кДж/моль. Он получается в виде золотисто-жёлтой компактной массы нагреванием в вакууме до 1700 °С спрессованной смеси TiO 2 + Ti. Интересным способом его образования является термическое разложение (в высоком вакууме при 1000 °С) нитрила титанила. Похожий по виду на металл, тёмно-коричневый TiS получен прокаливанием TiS 2 в токе водорода (первоначально при этом образуются сульфиды промежуточного состава, в частности Ti 2 S 3). Известны также TiSe, TiTe и силицид состава Ti 2 Si.

Все TiГ 2 образуются при нагревании соответствующих галогенидов TiГ 3 без доступа воздуха за счёт их разложения по схеме:

2TiГ 3 = TiГ 4 + TiГ 2

При несколько более высоких температурах галогениды TiГ 2 сами подвергаются дисмутации по схеме: 2TiГ 2 = TiГ 4 + Ti. Двухлористый титан может быть получен также восстановлением TiCl4 водородом при 700 °С. Он хорошо растворим в воде (и спирте), а с жидким аммиаком даёт серый аммиакат TiCl 2 ·4NH 3 . Раствор TiCl 2 может быть получен восстановлением TiCl 4 амальгамой натрия. В результате окисления кислородом воздуха бесцветный раствор TiCl 2 быстро буреет, затем становится фиолетовым (Ti 3+) и, наконец, вновь обесцвечивается (Ti 4+). Получаемый действием щёлочи на раствор TiCl 2 чёрный осадок Ti(OH) 2 исключительно легко окисляется.