План лекции: Международная система единиц Атомно-молекулярное учение Стехиометрия химических реакций

Простые вещества. Природные титан и цирконий имеют пять изотопов, гафний — шесть. Курчатовий синтезирован в лаборатории. В земной коре ти­тан довольно распространен, встречается главным образом в виде минералов рутила TiO₂, ильменита FeTiO₃ и перовскита СаТО₃. Цирконий и гафний — рассеянные элементы; из наиболее важных минералов циркония можно назвать циркон ZrSiO₄ и бедделеит ZrO₂. Гафний самостоятельных минералов не образует, а всегда сопутст­вует цирконию.
В виде простых веществ титан, цирконий и гафний — серебристо-белые металлы. Титан относится к легким, а цирконий и гафний к тяжелым металлам. Все они тугоплавки. В обычных условиях у них устойчива α-модификация (гексагональная решетка), а при высоких температурах — β-модификация (куби­ческая объемноцентрированная решетка).
Чистые металлы хорошо поддаются механической обработке. Следует отметить, что у металлов, содержащих в качестве приме­сей О, N, С, Н, пластичность, ковкость, тягучесть, твердость, проч­ность на разрыв и другие механические характеристики резко из­меняются.
При обычной температуре металлы коррозионноустойчивы на воздухе, что объясняется наличием на их поверхности защитной пленки ЭО₂. При нагревании же их активность заметно возрастает. Так, при температуре красного каления они сгорают в кислороде, образуя ЭО₂. При 800°С активно реагируют с азотом, образуя ЭN. С галогенами взаимодействуют при 150…400°С, образуя ЭНа1₄, и т.д. В порошкообразном состоянии металлы пирофорны.
Титан, цирконий и гафний химически устойчивы во многих аг­рессивных средах. В частности, титан устойчив против действия растворов сульфатов, хлоридов, морской воды и др. В HNO₃ все они пассивируются. В отличие от циркония и гафния титан при нагре­вании растворяется в соляной кислоте, образуя в восстановительной атмосфере Н₂ аквокомплексы Ti(III) — [Ti(OH )₆]³⁺:
2Ti + 6OH₃⁺ + 6Н₂О = 2[Ti(OH₂)₆]³⁺+ 3H₂.
Цирконий и гафний взаимодействуют с кислотами лишь в тех слу­чаях, когда создаются условия их окисления и образования анион­ных комплексов Э (IV). Так, мелкораздробленные Zr и Hf, как и Ti, относительно легко растворяются в плавиковой кислоте:
Э + 6HF = H₂[ЭF₆] + 2Н₂,
в смеси кислот HF + HNO₃, в концентрированной H₂SO₄ и а цар­ской водке:
3Э + 4HNO₃ + 18HF = 3H₂[ЭF₆] + 4NO + 8Н₂О,
Zr + 5H₂SO₄ = Hs[Zr(SO₄)₃] + 2SO₂ + 4H₂O,
3Zr + 4HNO₃+ 18HC1 =3H₂[ZrCl₆]+4NO+8H₂O.
Цирконий и гафний, в меньшей степени титан, устойчивы в раство­рах щелочей.
Поскольку при высоких температурах Ti, Zr и Hf проявляют высокую химическую активность, выделение их в чистом виде пред­ставляет значительные трудности. Обычно эти металлы получают магнийтермическим и натрийтермическим восстановлением тетрагалидов в атмосфере аргона или гелия:
TiCl₄ + 2Mg = 2MgCl₂ + Ti,
K₂[ZrF₆] + 4Na = 4NaF + 2KF + Zr.
Используемые в металлургии титан и цирко­ний получают в виде ферротитана и ферроциркопия (15…50% Ti или Zr) путем совместного восстановления углем минералов титана или циркония и железных руд.
Титан благодаря высокой термической и коррозионной устойчивости — важный конструкционный материал. Он используется для строительства самолетов, подводных лодок и пр. Цирконий (освобожденный от гафния) и его некоторые сплавы применяются в атом­ной энергетике в качестве конструкционных материалов, отражаю­щих нейтроны. Масштабы применения гафния более ограничены: он также используется в атомной энергетике, но как поглотитель нейтронов; применяется в электронной технике (катоды телевизи­онных трубок).