第21章 钛副族和钒副族（课件）- 《无机化学》同步教学（吉林大学版）

第二十一章 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 §21-1 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 William Gregor 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.de Boer 用 碘化物分解法制得锆（Zirconium）。 铪： 1922－1923年，在哥本哈根 Bohr 实验室工作 D.Coster和G.Von Hevesy 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 ↑+3H2O Ti + 6HF ＝[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、 MgCl2， 电弧熔化铸锭 TiCl4 + 2 Mg Ti + 2 MgCl2 800 ℃ Ar TICl4 海绵钛 Mg MgCl2 制备海绵钛反应器示意图 Ar TiO2 + 2 C +2 Cl2 TiCl4 + 2 CO 800~900 ℃ 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) + 2C (s) +2Cl2 (g) = TiCl4 (l) + CO2 (g) 原来不能进行的反应就能进行了。