《无机化学(第4版)》13-2钛族、钒族元素

第十三章过渡元素(一)13.2钛族、钒族元素d区ⅣBTiZrHfRf钛锆铪ⅤBVNbTaDb钒铌钽Rf、Db为人工合成放射性元素稀有金属分散稀有元素13.2.1钛族、钒族元素概述d区ⅣBTiZrHfRf钛锆铪ⅤBVNbTaDb钒铌钽于1789年被发现，到1910年才制得纯钛其含量比较丰富,列第十位。含量比Ni、Cu、Zn、Pb、Sn、Hg等常见元素还多。因为它难提炼,应用晚,所以称稀有元素13.2.1钛族、钒族元素概述钛(Ti)提取钛矿比较分散，重要的矿石有：金红石(TiO2)、钛铁矿(FeTiO3)、钒钛铁矿(攀枝花)

通常采用TiO2+2C+2Cl2TiCl4+2CO9000CTiCl4+2MgTi+2MgCl2Ar气、6000C13.2.1钛族、钒族元素概述钛(Ti)具有光泽的银白色金属密度小、硬度大，表面形成一层氧化物保护膜，抗腐蚀性强，可用来制造超音速飞机、潜艇和化工设备为“生物金属”，易与肌肉生长在一起，可用作人工关节室温下稳定，高温下可与许多非金属和水蒸气反应13.2.1钛族、钒族元素概述与HNO3反应，生成H2TiO3室温下能缓慢溶于浓HCl或热的稀HClTi+4HNO3

→

H2TiO3+4NO2+H2O溶于HF酸Ti+6HF→2H++[TiF6]2

+2H2

2Ti+6HCl→2TiCl3+3H2钛(Ti)13.2.1钛族、钒族元素概述锆(Zr)、铪(Hf)锆用作耐腐蚀材料和反应堆核燃元件的外壳材料铪用作反应堆的控制棒锆和铪性质相似，分离困难分离方法目前主要有：离子交换法:用强碱型酚醛树脂

R-N(CH3)3Cl-作阴离子交换剂2.溶剂萃取法：用三辛胺萃取锆的硫酸盐+13.2.1钛族、钒族元素概述钒(V)海洋生物、海参、海鞘等能从海水中摄取钒，浓集到血液中，据测定，海参、海鞘等烧成的灰分中，含钒量高达15%

具有光泽的银灰色金属，熔点高、硬度大，可以刻划玻璃和石英纯钒富有延展性，但含大量杂质时,非常脆，一敲就碎在地壳中分布分散，没有富矿，几乎所有的铁矿都含有钒13.2.1钛族、钒族元素概述某些钒的化合物具有重要的生理作用，如胆固醇的生物合成主要用作制造钒钢，它具有强度大、弹性好、抗磨损、抗冲击等优点，用于汽车、飞机等的制造钒的化合物有毒，吸多了，会得肺水肿常温下不与碱、非氧化性酸作用，能溶于氢氟酸、浓硝酸、浓硫酸和王水钒(V)13.2.1钛族、钒族元素概述铌(Nb)、钽(Ta)铌是某些硬质钢的组成元素，特别是耐高温的特种钢钽具有低生理反应和不被人体排斥性能，用于制作修复骨骼的金属板材、缝合神经的丝和箔铌和钽性质类似，分离困难13.2.1钛族、钒族元素概述钛(Ti)——价电子构型3d24s2氧化数+4+3主要化合物TiO2M(II)TiO3TiOSO4TiCl4TiCl313.2.2钛的重要化合物二氧化钛(TiO2)—钛白性质纯TiO2是白色难熔固体，难溶于水有三种晶形,金红石、锐钛型、板钛型两性，以碱性为主TiO2+2NaOH(浓)Na2TiO3+H2O△溶于浓碱△难溶于稀酸，可溶于浓硫酸TiO2+H2SO4(浓)TiOSO4+H2O(硫酸氧钛)生成TiO2+,而不是Ti4+因为电荷多、半径小，极易水解

Ti4++H2O⇌Ti(OH)3++H+Ti(OH)3++H2O⇌Ti(OH)2+H+

-H2O

TiO2+

2+二氧化钛(TiO2)—钛白性质纯TiO2是白色难熔固体，难溶于水有三种晶形,金红石、锐钛型、板钛型两性，以碱性为主可溶于氢氟酸TiO2+6HF→[TiF6]2-+2H+

+2H2O化学性质不活泼,覆盖能力强、折射率高、无毒，可制造高级白色油漆和白色颜料具有半导体性能，是光催化反应常用的半导体材料是乙醇脱水、脱氢的催化剂二氧化钛(TiO2)—硫酸法制取钛铁矿(FeTiO3)用浓H2SO4煮沸、过滤FeSO4+TiOSO4煮沸H2TiO3FeSO4TiOSO4冷却、减压蒸发、过滤过滤、烘干、焙烧TiO2FeTiO3+2H2SO4(浓)FeSO4+TiOSO4+2H2O煮沸TiOSO4+2H2OH2TiO3+H2SO4煮沸H2TiO3TiO2+H2O焙烧二氧化钛(TiO2)—氯化法制取金红石(TiO2)C+Cl2粗TiCl4净化通O2焙烧TiO2TiCl4+O2TiO2+2Cl2焙烧TiO2+2C+2Cl2TiCl4+2CO△钛酸盐和钛氧盐钛酸盐大多难溶于水如BaTiO3是难溶于水的白色固体介电常数高,是最重要的压电陶瓷材料硫酸氧钛(TiOSO4)为白色粉末可溶于冷水Na2TiO3+2H2O

→

H2TiO3+2NaOHTiOSO4+2H2O

H2TiO3+H2SO4△均易水解，生成白色偏钛酸沉淀在水溶液中TiO2+以锯齿状长链(TiO)n

形式存在

TiTiTiOOOOOTiTi

Ti2n+四氯化钛制取性质：TiO2+2C+2Cl2TiCl4+2CO高温为易挥发的共价型化合物2.室温下为无色液体，易挥发，有刺激性气味，易溶于有机溶剂3.极易水解，在潮湿的空气中冒白烟可用于制造烟雾4.是制备金属钛及其化合物的重要原料,有机反应催化剂TiCl4+3H2O

H2TiO3+4HCl三氯化钛(紫色)制取1.在500∼800℃用氢气还原干燥TiCl4气体2TiCl4+H22TiCl3+2HCl△2.将钛溶于热、浓HCl4Ti3+

+2H2O+

O2

→

4TiO2+

+4H+3.在HCl溶液中用Zn还原Ti(Ⅳ)2TiO2+

+4H+

+

Zn→2Ti3+

+Zn2++2H2O性质：较强还原性，易被空气氧化2Ti

+6H+

→

2Ti3+

+3H2钒(V)——价电子构型3d34s2主要氧化数：+5、+3、+2化合物具有各种美丽的颜色氧化数+1+2+3+4+5颜色棕灰黑蓝红氧化物V2OVOV2O3VO2V2O513.2.3钒、铌、钽的重要化合物五氧化二钒(V2O5)橙黄至砖红色固体，无味、有毒微溶于水,其水溶液呈淡黄色,显酸性两性，以酸性为主溶于冷、强碱——生成无色正钒酸根V2O5+6OH-

→

2VO4

+3H2O溶于热、强碱——生成黄色偏钒酸根V2O5+2OH-

→

2VO3

+H2O溶于强酸——生成淡黄色VO2V2O5+2H+

→

2VO2

+H2O+-3-+五氧化二钒(V2O5)橙黄至砖红色固体，无味、有毒微溶于水,其水溶液呈淡黄色,显酸性两性，以酸性为主中强氧化剂在硫酸工业中用作催化剂，石油化工中设备的缓蚀剂V2O5+6H++2Cl-

→

2VO2++Cl2+3H2O蓝色V2O5还可被还原为低氧化态的氧化物

V2O5

VO2

V2O3VOSO2H2H2橙黄色

蓝色黑色灰色700℃1700℃钒酸盐不同氧化数钒的盐具有不同的颜色VO2+V3+V2+VO43-VO2+浅黄黄蓝绿紫缩合性在一定条件下，向钒酸盐溶液中加H+pH>1212∼1092.2<1离子VO4

V2O7

V3O9

H2V10O28

VO2颜色浅黄

红色逐渐加深

黄

pH值减小，缩合程度增大，溶液颜色由砖红色浅黄黄色3-4-2-4-+钒酸盐不同钒酸盐具有不同的颜色缩合性VO2

在强酸性溶液中有氧化性+钒酰离子亚钒酰离子蓝色VO2+Fe2+

+2H+

→

VO2+

+Fe3++H2O黄色+2VO2+H2C2O4+2H+

→

2VO2++2CO2

+2H2O+钒酸盐不同钒酸盐具有不同的颜色缩合性