Титан и его характеристики
Общая характеристика титана
Титан очень распространен в природе; содержание титана в земной коре составляет 0,6% (масс.), т.е. выше, чем содержание таких широко используемых в технике металлов, как медь, свинец и цинк.
Минералы, содержащие титан, находятся в природе повсеместно. Важнейшими из них являются: титаномагнетиты FeTiO3×nFe3O4, ильменит FeTiO3, сфен CaTiSiO5 и рутил TiO2.
В виде простого вещества титан представляет собой серебристо-белый металл (рис. 1). Относится к легким металлам. Тугоплавок. Плотность – 4,50 г/см 3. Температуры плавления и кипения равны 1668oС и 3330oС, соответственно. Коррозионно-устойчив при на воздухе при обычной температуре, что объясняется наличием на его поверхности защитной пленки состава TiO2.
Рис. 1. Титан. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса титана
Относительной молекулярная масса вещества (Mr) – это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (Ar) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии титан существует в виде одноатомных молекул Ti, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 47,867.
Изотопы титана
Известно, что в природе титан может находиться в виде пяти стабильных изотопов 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti и 50Ti. Их массовые числа равны 46, 47, 48, 49 и 50 соответственно. Ядро атома изотопа титана 46Ti содержит двадцать два протона и двадцать четыре нейтрона, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.
Существуют искусственные изотопы титана с массовыми числами от 38-ми до 64-х, среди которых наиболее стабильным является 44Ti с периодом полураспада равным 60 лет, а также два ядерных изотопа.
Ионы титана
На внешнем энергетическом уровне атома титана имеется четыре электрона, которые являются валентными:
1s22s22p63s23p63d24s2.
В результате химического взаимодействия титан отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Ti0 -2e → Ti2+;
Ti0 -3e → Ti3+;
Ti0 -4e → Ti4+.
Молекула и атом титана
В свободном состоянии титан существует в виде одноатомных молекул Ti. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу титана:
Энергия ионизации атома, эВ |
6,82 |
Относительная электроотрицательность |
1,54 |
Радиус атома, нм |
0,147 |
Сплавы титана
Главное свойство титана, способствующее его широкому применению в современной технике – высокая жаростойкость как самого титана, так и его сплавов с алюминием и другими металлами. Кроме того, эти сплавы жаропрочностью – стойкостью сохранять высокие механические свойства при повышенных температурах. Все это делает сплавы титана весьма ценными материалами для самолето- и ракетостроения.
При высоких температурах титан соединяется с галогенами, кислородом, серой, азотом и другими элементами. На этом основано применение сплавов титана с железом (ферротиттана) в качестве добавки к стали.
Примеры решения задач
Задание | Рассчитайте массу титана, полученного термическим разложением йодида титана (IV) TiI4, на образование которого затрачен йод массой 10,16 г. |
Решение | Запишем уравнение реакции термического разложения йодида титана (IV):
TiI4 = Ti +2I2. Найдем количество вещества йода, вступившего в реакцию (молярная масса – 254 г/моль): n = m / M; n (I2) = m (I2) / M (I2); n (I2) = 10,16 / 254 = 0,04 моль. Согласно уравнению реакции n(Ti) :n(I2) = 1:2, значит, n(Ti) = ½ × n (I2) = ½ × 0,04 = 0,02 моль. Тогда, масса титана будет равна (молярная масса – 48 г/моль): m = n × M; m (Ti) = n (Ti) × M (Ti); m (Ti) = 0,02 × 48 = 0,96 г. |
Ответ | Масса титана равна 0,96 г. |
Задание | Вычислите количество теплоты, выделяющейся при восстановлении хлорида титана (IV) массой 47,5 г магнием. Термохимическое уравнение реакции имеет следующий вид:
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2 =477 кДж. |
Решение | Запишем еще раз термохимическое уравнение реакции:
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2 =477 кДж. Согласно уравнению реакции, в неё вступили 1 моль хлорида титана (IV) и 2 моль магния. Рассчитаем массу хлорида титана (IV) по уравнению, т.е. теоретическую массу (молярная масса – 190 г/моль): m = n × M; mtheor (TiCl4) = n (TiCl4) × M (TiCl4); mtheor (TiCl4) = 1 × 190 = 190 г. Составим пропорцию: mprac (TiCl4)/ mtheor (TiCl4) = Qprac/Qtheor. Тогда, количество теплоты, выделяющейся при восстановлении хлорида титана (IV) магнием равно: Qprac = Qtheor × mprac (TiCl4)/ mtheor; Qprac = 477 × 47,5/ 190 = 119,25 кДж. |
Ответ | Количество теплоты равно 119,25 кДж. |