解放军文职招聘考试钛及其化合物

 钛及其化合物
钛是过渡金属元素，在地壳中的丰度是 0.63 ％，居元素分布序列中的第十位 。
钛的主要矿物有钛铁矿 FeTiO ₃ 、金红石 TiO ₂ 和组成复杂的钒钛铁矿，我国四川攀枝花地区有极丰富的钒钛铁矿。
1. 钛的性质
纯净的钛具有银白色的金属光泽，有良好的可塑性，是一种新兴的结构材料。它的密度为 4.54g ／ cm ³ ，比钢轻。机械强度却与钢相似。钛兼有钢和铝的优点，且耐热性能好，熔点高达 1933K ，是制造飞机、火箭和宇宙飞船等最好的材料。钛被誉为宇宙金属。
在酸性溶液中，
       φ _A ^θ （ Ti ²⁺ /Ti ） = － 1.63V φ A θ （ TiO ₂ /Ti ） = － 0.88V
从标准电极电势看 , 钛是还原性很强的金属 , 但因在钛的表面容易生成致密的、钝性的氧化物薄膜，使得钛具有优良的抗腐蚀性，特别是对海水的抗腐蚀力很强。用钛制造的轮船不用涂漆，在海水中也不会生锈。
钛能溶于热的盐酸和热硝酸中。钛的最好的溶剂是氢氟酸或含有氟离子的酸，因为 F - 与钛生成配合物促进钛的溶解。
                      Ti + 6HF = [TiF ₆ ] ^{2 -} + 2H ⁺ + 2H ₂ ↑
2. 钛的制备
由于钛在高温下化合能力极强，可与氧、碳、氮以及其他许多元素化合，甚至连冶金上常用的氧化铝坩埚也不能使用，因此钛的最大的缺点是难于提炼。现在制备金属钛常用的方法是在 1070K ，于氩气氛中用熔融的金属镁还原四氯化钛蒸气。
1070K 
                              TiCl ₄ + 2Mg == Ti + 2MgCl ₂
除用镁作还原剂外，还可以用金属钠为还原剂从 TiCl₄ 制取金属钛。
                             TiCl ₄ + 4Na == Ti + 4NaCl
3 、二氧化钛
天然的二氧化钛称为金红石，是一种桃红色的晶体，有时因含有微量的 Fe 、 Nb 、 Sn 、 V 、 Cr 等杂质而呈黑色。经过化学处理制造出来的纯净二氧化钛是雪白色的粉末，俗称钛白。
钛白是世界上最白的东西，其遮盖性大于锌白，持久性高于铅白，是一种宝贵的白色颜料。钛白不仅雪白，而且粘附性很强，不易起化学变化。特别可贵的是钛白无毒，因此钛白用途广泛，除用作高级白色颜料外，还可用作白色橡胶、高级纸张等的填充剂，合成纤维的消光剂。 还常被用来制造耐火玻璃、耐高温的实验器皿、瓷釉、珐琅等。
二氧化钛不溶于水或稀酸，但能溶于氢氟酸和热的浓硫酸中。
                  TiO ₂ + 6HF == H ₂ [TiF ₆ ] + 2H ₂ O
                 TiO ₂ + H ₂ SO ₄ == TiOSO ₄ + H ₂ O
二氧化钛溶于浓硫酸所得的溶液虽然是酸性的，但加热煮沸发生水解，得到不溶于酸、碱的水合二氧化钛沉淀，一般称为偏钛酸，即β型钛酸。分子式也常写成 H ₂ TiO ₃ 。
  TiOSO ₄ + 2H ₂ O == TiO ₂ H ₂ O ( 或写成 H ₂ TiO ₃ ) + H ₂ SO ₄
若加碱中和水解新制备的 TiOSO ₄ 的酸性溶液，得到新鲜水合二氧化钛，即α型钛酸。
钛白是重要的化工原料，制取钛白主要有两种方法：
① 用干燥的氧气与四氯化钛在 923~1023K 进行气相反应制取 TiO ₂ 。
② 硫酸法：首先使磨细的钛铁矿与浓硫酸在 343~353K 反应制得可溶性硫酸盐，然后降低温度至 273K 以下，使 FeSO ₄ · 7H ₂ O 结晶析出，这样既除去了钛液中的杂质，又获得了副产品绿矾。
                 FeTiO ₃ + 2H ₂ SO ₄ == TiOSO ₄ + FeSO ₄ + 2H ₂ O
TiOSO ₄ 水解即可析出白色的偏钛酸沉淀，即二氧化钛的水合物。煅烧所得的偏钛酸，即可制得 TiO ₂ 。
                 TiOSO ₄ + 2H ₂ O == H ₂ TiO ₃ ⁺ H ₂ SO ₄
H ₂ TiO _{3 ==}TiO ₂ ⁺ H ₂ O
4 、四氯化钛
四氯化钛是分子晶体，在常温下是一种无色液体，熔点为 250K ，沸点为 409K ，具有刺激性的嗅味儿，它在水中或潮湿的空气中都极易水解，将它暴露在空气中会发烟。
TiCl ₄ + 3H ₂ O == H ₂ TiO ₃ + 4HCl
利用 TiCl ₄ 的水解性，在军事上用作烟幕弹，当驾驶飞机在天空或海上撒布 TiCl ₄ 时，浓烟就象一条白色的长城，挡住了敌人的视线。在农业上，将 TiCl ₄ 撒布在农田的四周，白色的烟雾就象一条巨大的“棉被”覆盖在农田上，既可防霜冻，又能消灭虫害。
TiCl ₄ 还可用作有机聚合反应的催化剂，是制备金属钛和钛的化合物的重要原料。将二氧化钛（金红石矿）和碳粉混合加热至 1000 － 1100K 进行氯化制得气态 TiCl ₄ ，冷凝即可得
到 TiCl ₄ 液体。
                    TiO ₂ + 2C + 2Cl ₂ == TiCl ₄ + 2CO ₂
4 、钛配合物
由于 Ti ⁴⁺ 具有较高的正电荷和较小的半径 (68pm) ，电荷 / 半径比大，因此 Ti ⁴⁺ 离子有很强的极化力，所以在溶液中不存在简单的水合 Ti ⁴⁺ 离子，在溶液或晶体中存在着 (TiO) _n ²ⁿ⁺ 链， TiO ²⁺ 称为钛铣离子。
Ti ⁴⁺ 能同多种配位体形成配位化合物，如前面我们已经知道的 [TiF ₆ ] ^{2 -} 、 ]TiCl ₆ ] ^{2 -} 等。
                       Ti + 6HF == [TiF ₆ ] ^{2 -} + 2H + +2H ₂ ↑
                   TiO ₂ + 6HF == H 2 [TiF ₆ ] + 2H ₂ O
在 Ti( Ⅳ ) 盐溶液中加入过氧化氢，呈现特征的颜色。在强酸性溶液中显红色，在稀酸或中性溶液中显橙黄色。这一灵敏的显色反应常用于钛或过氧化氢的比色分析。
                 TiO ₂⁺ + H ₂ O ₂ == [TiO(H ₂ O ₂ )] ²