Титан благодаря легкости, термической, механической и коррозионной стойкости – важный конструкционный материал. Титановые сплавы при температуре 300-3500С в 10 раз прочнее алюминиевых. Для титана наиболее характерна степень окисления +4, но известны также соединения Ti (III) и реже Ti (II). Так, для титана известны оксиды TiO, Ti2O3 и TiO2. Титан в двух- и трехвалентном состоянии отличается высокой восстановительной способностью. В последние годы ведутся работы по изысканию способов получения и стабилизации соединений титана (II) и титана (III).
Из гидроксидов титана наиболее устойчив гидроксид титана (IV) белого цвета TiO2·nH2O. В зависимости от условий получения он может содержать переменные количества связанных с атомом титана групп-OH, структурную воду, кислотные оcтатки и адсорбированные катионы. Структура гидроксидов формируется в результате сложных процессов гидролиза и поликонденсации. Гидроксид титана, иногда условно называемый «титановой кислотой», который образуется при гидролизе тетрахлорида титана в водном растворе аммиака, представляет собой комплексные частицы состава [Ti(H2O)5(OH)]3+. На следующей стадии гидролиза происходит поликонденсанция ионов [Ti(H2O)5(OH)]3+ с образованием олигомерных гидроксо- и оксопроизводных. Такую свежеосажденную титановую кислоту иногда называют альфа-титановой кислотой. Ее брутто-состав приближенно описывают формулой TiO2·2H2O или Ti(OH)4. При осаждении на холоду она содержит большое число гидроксогрупп и поэтому является более реакционноспособной, амфотерна, причём и основные и кислотные свойства выражены очень слабо.
Ti(OH)4 (альфа-форма) подвержен процессу старения, который происходит довольно быстро даже при комнатной температуре. Старение происходит за счет превращения гидроксильных мостиков в оксоловые. Такой процесс называют оксоляцией. Ему способствует повышение температуры, увеличение концентрации солей титана, щелочная среда и длительное хранение раствора. Оксоловый полимер (бета-титановая кислота TiO2·nH2O, n=1 или H2TiO3) содержит меньшее число ОН-групп и молекул воды, за счет дополнительных связей Ti-O-Ti между разными макромолекулами приобретает каркасное строение и поэтому отличается химической инертностью – не реагирует с растворами кислот и щелочей [1].
Гидроксид титана (III) Ti(OH)3 – серо-фиолетовый осадок, не растворимый в воде, обладает только основными свойствами, т.е. не растворяется в щелочах, взаимодействует с кислотами, образуя соответствующие соли:
2Ti(OH)3 + H2SO4 = Ti2(SO4)3 + 6H2O.
Соединения Ti (III) неустойчивы и являются восстановителями. Поэтому гидроксид титана (III) и его соли легко окисляются кислородом воздуха:
4Ti(OH)3 + O2 + (n – 6)H2O = 4TiO2·nH2O [1].
Гидроксид титана (II) Ti(OH)2 образуется в виде черного осадка при обработке галогенидов титана (II) щелочами. Активный восстановитель. Легко окисляется в присутствии воды с выделением водорода:
2Ti(OH)2 + 2H2O = 2Ti(OH)3↓ + H2
или Ti(OH)2 + 2H2O = H4TiO4↓ + H2.
Экспериментально методом гидролиза TiOSO4 горячей водой получен гидроксид титана (IV) в виде белого осадка:
TiOSO4 + (x+1)H2O = TiO2·xH2O↓ + H2SO4.
Опытным путем установлено, что гидроксид титана (IV) проявляет амфотерные, преимущественно основные, свойства:
Ti(OH)4 + 2H2SO4 = H2[TiO(SO4)2] + 2H2O.
При взаимодействии со щелочью осадок не растворяется. Это объясняется тем, что кислотные свойства гидроксида титана (IV) выражены очень слабо, и в условиях учебного лабораторного эксперимента не всегда удается их обнаружить даже у свежеосажденного Ti(OH)4. Для получения соединений Ti (III) к полученному гидроксиду титана (IV) добавляли концентрированную серную кислоту и цинковую пыль:
2Ti(OH)4 + Zn + 4H2SO4 = Ti2(SO4)3 + ZnSO4 + 8H2O
При добавлении щелочи должен выпасть осадок гидроксида титана (III) серо- фиолетового цвета:
Ti2(SO4)3 + 6NaOH= 2Ti(OH)3↓ +3Na2SO4.
Однако выпал белый осадок, т.е. образуется гидроксид титана (IV). Это объясняется тем, что соединения Ti (III) неустойчивы, являются восстановителями и быстро окисляются на воздухе. Опытным путем доказано, что гидроксиды титана в низших степенях окисления в водных растворах неустойчивы, и в присутствии кислорода невозможно получить гидроксиды титана (III) и (II) из соединений титана (IV).
Библиографическая ссылка
Гаглоева Д.И., Неёлова О.В. ГИДРОКСИДЫ ТИТАНА, ИХ СВОЙСТВА И ПОЛУЧЕНИЕ // Международный студенческий научный вестник. – 2015. – № 3-4. ;URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=14186 (дата обращения: 20.04.2024).