Титан, цирконий, гафний и их соединения

 

Вопросы для самостоятельной подготовки

1. Укажите различие в строении атомов титана и германия. Как это влияет на характер их оксидов и гидроксидов.

2. В чем состоит уникальность IV В – группы в периодической системе?

3. В чем проявляется и чем обусловлена вторичная периодичность у элементов IV В – группы? В каких побочных подгруппах периодической системы она еще должна наблюдаться, а где нет?

4. Каковы основные формы соединений элементов подгруппы титана в природе? Какие выводы об особенностях химии этих элементов можно при этом сделать?

5. В периодической системе долгое время существовала “проблема элемента № 72”. Почему гафний удалось открыть только в XX веке, несмотря на многочисленные более ранние попытки?

6. Что такое “иодидный” титан (цирконий, гафний)? На каком принципе основано их получение?

7. Металлы подгруппы титана характеризуются существенно отрицательным стандартным электродным потенциалом (–1,2 ÷ –1,7 В). Почему же они устойчивы по отношению к сильным минеральным кислотам, но в то же время взаимодействуют с такими слабыми кислотами, как HF, H₂C₂O₄, горячая H₃PO₄ и др.?

8. В какой смеси металлы подгруппы титана химически растворяются более энергично: HCl + HNO₃ или HF + HNO₃?

9. Запишите уравнения реакций, отражающих взаимодействие металлов подгруппы титана с расплавом щелочи на воздухе. Осуществляются ли подобные взаимодействия в растворе щелочи? Какие выводы о природе элементов и их характеристических соединений можно сделать на основании этого факта?

10. Какие оксиды титана Вы знаете? Какими свойствами они обладают? Как меняется характер связи в них с увеличением содержания кислорода? Какими методами их можно получить? Какие аналогичные оксиды известны для циркония и гафния?

11. Знаете ли Вы, что такое фианиты? Какое отношение они имеют к элементам IV В – группы?

12. Какими способами можно получить гидроксиды элементов подгруппы титана, отвечающие высшей степени окисления? Какими свойствами они обладают? В каких условиях получаются производные, отвечающие кислотной функции этих гидроксидов? Для каких элементов и почему более характерны мета-, а для каких – орто-формы производных?

13.Чем знаменит по своим свойствам титанат бария?

14. В чем заключается процесс старения гидроксидов Э(ОН)₄ элементов IVВ–группы? Для всех ли элементов он характерен в равной мере? Проведите аналогию с элементами подгруппы германия.

 

Задания для индивидуальной проверки

 

1. Какой из гидроксидов проявляет более основные свойства: а) Ti(OH)₄ или Ti(OH)₃, б) Ti(OH)₄ или Zr(OH)₄? Дайте мотивированный ответ.

2. Какими особыми свойствами обладают гидроксиды титана в степенях окисления +3 и +2? В какой мере выражены эти свойства? Ответ подтвердите примерами.

3. Определите, будут ли взаимодействовать с катионом титана (III) следующие реагенты: а) сульфит калия; б) цинк в кислой среде; в) кислород?

4. Известно, что нитрат- и перхлорат-анионы устойчивы к действию многих восстановителей, однако они могут быть восстановлены катионом титана (III). Составьте уравнения этих реакций.

5. Объясните, почему подкисленный бесцветный раствор хлорида титана (IV) становится фиолетовым после добавления металлического магния и снова обесцвечивается после добавления пероксида водорода? Напишите уравнения реакций.

6. Для титана максимальное и устойчивое координационное число равно 6. Почему для циркония и гафния оно может иметь большие значения – 7 и 8?

7. Какие соединения элементов IV В – группы в большей степени склонны к гидролизу – сами тетрагалогениды или галогенидные ацидокомплексы?

8. В чем причина устойчивого существования катионов титанила, цирконила, гафнила для элементов IV В – группы? В каких случаях можно ожидать, что элемент способен образовывать подобные катионы? Каков характер связей в TiOCl₂, и что можно сказать о свойствах этого соединения?

9. Составьте координационные формулы трех гидратных изомеров состава TiCl₃ ∙ 6 H₂O. Предложите химический метод идентификации лигандов, входящих в состав внутренней сферы изомерных комплексных соединений.

10. Почему растворимые производные элементов подгруппы титана (IV) простого состава TiCl₄, Ti(SO₄)₂, Zr(NO₃)₄ и др. нельзя получить в водных растворах?

11. Как можно получить сульфат титана (IV)? Сульфат какого элемента IV группы получают подобным же способом? Какие выводы о природе сульфата титана (IV) можно при этом сделать?

12. Какова характерная особенность сульфата титана (III)? С какими элементами периодической системы Ti⁺³ в этом смысле проявляет аналогию?

13. Какими свойствами обладает кристаллогидрат Zr(SO₄)₂ ∙ 4 H₂O? Как следует его называть и записывать его формулу с учетом проявляемых функций?

14. Какие соли более стабильны для циркония и гафния: Э₃(PO₄)₂ или ЭP₂O₇; Э(SiO₃)₂ или ЭSiO₄? Как можно объяснить эту закономерность?

15. Окислительные или восстановительные свойства могут проявлять в химических реакциях соединения титана (IV) и титана (III)?

 

 

Упражнения и задачи

 

1. Какой из двух гидроксидов будет проявлять более основные свойства:

а) Ti(OH)₄ или Zr(OH)₄;

б) Ti(OH)₄ или Ti(OH)_3.

Дайте аргументированный ответ.

2. При прокаливании металлического титана на воздухе образуется белый порошок, который растворяется в концентрированной серной кислоте и сплавляется со щелочами. Что представляет собой этот белый порошок?

Напишите уравнения реакций, происходящих при: а) прокаливании титана на воздухе; б) растворении диоксида титана в щелочи; в) сплавлении диоксида титана со щелочью.

3. Напишите графические формулы сульфата оксотитана (IV) и нитрата оксоциркония (IV). Напишите уравнения реакций их образования при гидролизе соответствующих средних солей.

4. Напишите уравнения гидролиза тетрахлоридов циркония и титана. В каком случае степень гидролиза больше и почему?

5. При добавлении к слабокислому раствору тетрахлорида циркония пероксида водорода выпадает белый осадок состава H₂ZrO₅. Напишите уравнение реакции и графическую формулу полученного соединения.

6. При добавлении небольшого количества оксалата аммония к тетрахлориду циркония выпадает белый осадок, растворяющийся в избытке оксалата аммония. Напишите уравнения реакций.

7. Закончите уравнения реакций:

Ti + HNO₃ + H₂O → H₂TiO₃ +…;

Zr + HNO₃ + HF → H₂[ZrF₆] + …;

Hf + H₂O₂ + H₂SO₄ → H₂[Hf(SO₄)₃] + …;

TiCl₃ + AuCl₃ → …;

Ti(OH)₃ + H₂O + O₂ → …;

TiCl₃ + KMnO₄ + H₂O → MnO₂ + ….

8. Какую массу циркония можно получить при термическом восстановлении 0,35 моль гексафтороцирконата (IV) калия металлическим натрием?

D-ЭЛЕМЕНТЫ III В-ГРУППЫ.