第22章钛副族和钒副族优秀PPT.ppt

第22章 钛副族和钒副族现在学习的是第1页，共37页22 1 钛副族钛副族(1)发现史发现史钛钛：1791 年年英英国国 Cornish 教教区区牧牧师师，兼兼业业余余化化学学家家 William Gregor 最最先先得得到到钛钛的的不不纯纯氧氧化化物物。1795 年年德德国国化化学学家家 M.H.Klaproth 独独立立发发现现同同样样的的化化合合物物，并并按按希希腊腊神神话话中中被被罚罚生生活活于于地地球球隐隐秘秘之之火火中中的的天天与与地地的的子子女女 Titans 之之名名，将将新新元素命名为钛元素命名为钛(Titanium)。现在学习的是第2页，共37页锆锆：1789 年年 Klaproth 从从被被当当作作宝宝石石的的锆锆石石中中分分离离出出锆锆的的 氧氧化化物物，直直到到 1925 年年 A.E.Van 和和 J.H.de Boer 用用碘碘化化物物分分解解法法制制得锆得锆(ZirconiumZirconium)。铪铪：19221923年年，在在哥哥本本哈哈根根 Bohr 实实验验室室工工作作D.Coster 和和 G.Von Hevesy 用用X射射线线分分析析法法证证实实 72 号号元元素素存存在在于于挪挪威威的的锆锆石石中中。此此元元素素被被命命名名为为铪铪(Hafnium，哥哥本本哈哈根根的的拉拉丁丁名名称称是是 Hafnia)。现在学习的是第3页，共37页(2)元素性质元素性质钛钛(Ti)锆锆(Zr)铪铪(Hf)位位于于周周期期系系第第 IVB 族族，统统称称钛钛副副族，价电子层结构族，价电子层结构(n1)d2ns2，稳定化态为，稳定化态为 IV；钛主要存在于钛铁矿钛主要存在于钛铁矿 FeTiO3 和金红石和金红石 TiO2；锆主要存在于锆英石锆主要存在于锆英石 ZrSiO4 和斜锆石和斜锆石 ZrO2；铪通常与锆共生铪通常与锆共生现在学习的是第4页，共37页2211 钛副族单质钛副族单质1 单质的性质单质的性质 (1)(1)物理性质物理性质物理性质物理性质银白色，密度银白色，密度 4.54，比钢铁的，比钢铁的 7.8 小，比铝的小，比铝的 2.7大，大，较轻，强度接近钢铁，兼有铝铁的优点，既轻强度又高较轻，强度接近钢铁，兼有铝铁的优点，既轻强度又高(航天材料，航天材料，眼镜架等眼镜架等)。钛钛现在学习的是第5页，共37页记忆性合金记忆性合金记忆性合金记忆性合金 (镍钛合金，镍钛合金，NT)，加工成甲形状，在高温下，加工成甲形状，在高温下处理数分钟至半小时，于是处理数分钟至半小时，于是NT合金对甲形状产生了记忆。在合金对甲形状产生了记忆。在室温下，对合金的形状改变，形成乙形状，以后遇到高温加热，室温下，对合金的形状改变，形成乙形状，以后遇到高温加热，则自动恢复甲形状。如：则自动恢复甲形状。如：固定接头。固定接头。记忆性合金记忆性合金现在学习的是第6页，共37页(2)化学性质化学性质a.与非金属反应：与非金属反应：Ti O2 TiO2(红热红热)；3 Ti 2 N2 Ti3N4(点燃点燃)Ti 4 Cl2 TiCl4(300 oC)所以钛是冶金中的消气剂。所以钛是冶金中的消气剂。钛钛族族金金属属在在常常温温下下不不活活泼泼，但但在在高高温温条条件件下下它它们们可可以以直直接接和和大大多数非金属反应：多数非金属反应：现在学习的是第7页，共37页b.与酸反应：与酸反应：不不与与稀稀酸酸反反应应。钛钛能能与与热热浓浓盐盐酸酸或或热热硝硝酸酸中中，但但 Zr 和和 Hf 则则不溶，它们的最好溶剂是氢氟酸。不溶，它们的最好溶剂是氢氟酸。2 Ti 6 HCl 2 TiCl3(紫色紫色)3 H2 Ti 6 HNO3 TiO(NO3)2 4 NO2 3 H2OTi 6 HF TiF62 2 H 2 H2Zr 6 HF ZrF62 2 H 2 H2现在学习的是第8页，共37页2 用用 途：途：钛及其合金广泛地用于制造喷气发动机、超音速飞机钛及其合金广泛地用于制造喷气发动机、超音速飞机和潜水艇和潜水艇(防雷达、防磁性水雷防雷达、防磁性水雷)以及海军化工设备。以及海军化工设备。钛与生物体组织相容性好，结合牢固，用于接骨和制造人工钛与生物体组织相容性好，结合牢固，用于接骨和制造人工关节；钛具有隔热、高度稳定、质轻、坚固等特性，由纯钛制造关节；钛具有隔热、高度稳定、质轻、坚固等特性，由纯钛制造的假牙是任何金属材料无法比拟的，所以钛又被称为的假牙是任何金属材料无法比拟的，所以钛又被称为“生物金属生物金属”。因此，继。因此，继 Fe、Al 之后，预计之后，预计 Ti 将成为应用广泛的第三金属。将成为应用广泛的第三金属。现在学习的是第9页，共37页钛合金钛合金现在学习的是第10页，共37页3钛单质的制备钛单质的制备从钛铁矿中提二氧化钛从钛铁矿中提二氧化钛 通过氧化物来制备金属钛通过氧化物来制备金属钛(海绵状钛)现在学习的是第11页，共37页TiCl4 在在 950 真空分馏纯化真空分馏纯化 1000下真空蒸馏除去下真空蒸馏除去 Mg、MgCl2，电弧熔化铸锭电弧熔化铸锭TiCl4 2 Mg Ti 2 MgCl2800 ArTiCl4海绵钛Mg(l)MgCl2(l)制备海绵钛反应器制备海绵钛反应器示意图示意图Ar在充氩气的密封在充氩气的密封 炉中用熔融炉中用熔融Mg(Na)还原还原现在学习的是第12页，共37页2212 钛副族元素的重要化合物钛副族元素的重要化合物 TiO2：金红石、锐钛矿、板钛矿金红石、锐钛矿、板钛矿金金红红石石的的晶晶胞胞(1)二氧化钛二氧化钛(TiO2)其其中中最最重重要要的的金金红红石石属属四四方方晶晶系系，Ti 的的配配位位数数 6，氧氧的的配配位位数数 3。自自然然界界中中是是红红色色或或桃桃红红色色晶晶体体，有有时时因因含含Fe，Nb，Ta，Sn，Cr等杂质而呈黑色。等杂质而呈黑色。1 氧化物氧化物现在学习的是第13页，共37页性质：性质：TiO2 不溶于水或酸，但溶于热浓硫酸或熔化的不溶于水或酸，但溶于热浓硫酸或熔化的KHSO4 中中 TiO2 H2SO4 TiOSO4 H2O TiO2 BaCO3 BaTiO3(偏钛酸钡偏钛酸钡)CO2压电材料，用于超压电材料，用于超声波发生装置声波发生装置偏钛酸钡偏钛酸钡现在学习的是第14页，共37页用途：用途：TiO2 的的化化学学性性质质不不活活泼泼，且且覆覆盖盖能能力力强强、折折射射率率高高，可可用用于于制制造造高高级级白白色色油油漆漆。它它兼兼有有锌锌白白(ZnO)的的持持久久性性和和铅铅白白 Pb(OH)2CO3 的的遮遮盖盖性性，最最大大的的优优点点是是无无毒毒，在在高高级级化化妆品中作增白剂。妆品中作增白剂。TiO2 也也用用作作高高级级铜铜板板纸纸的的表表面面覆覆盖盖剂剂，以以及及用用于于生生产产增增白白尼尼龙。龙。TiO2 粒粒子子具具有有半半导导体体性性能能，且且以以其其无无毒毒、廉廉价价、催催化化活活性性高高、稳定性好等特点，成为目前多相光催化反应最常用的半导体材料。稳定性好等特点，成为目前多相光催化反应最常用的半导体材料。现在学习的是第15页，共37页(2)二氧化锆二氧化锆 (ZrO2)ZrO2有三种晶型：单斜有三种晶型：单斜(monoclinic)；四方；四方(tetragonal)；立方；立方(cubic)。三者之间可以相互转换。三者之间可以相互转换物性物性:ZrO2 白色粉末，不溶于水，熔点很高。白色粉末，不溶于水，熔点很高。化性化性:除除 HF 外不与其他酸作用。外不与其他酸作用。现在学习的是第16页，共37页2 卤化物卤化物(1)四氯化钛四氯化钛(TiCl4)物物性性：无无色色液液体体(mp：249 K，bp：409.5 K)，有有刺刺鼻鼻气气味味，极易水解，在潮湿空气中会发烟。极易水解，在潮湿空气中会发烟。TiCl4现在学习的是第17页，共37页TiCl4 2 H2O TiO2 4 HCl(利用利用 TiCl4的水解性，可制作烟幕弹的水解性，可制作烟幕弹)2TiCl4 H22TiCl3 2HCl2TiCl4 Zn 2TiCl3ZnCl2可用作制备TiCl3化性：化性：现在学习的是第18页，共37页(2)三氯化钛三氯化钛 水合水合 TiCl3:紫色晶体，在紫色晶体，在 TiCl3 浓溶液中加无水乙醚，并浓溶液中加无水乙醚，并通入氯化氢至饱和，则在乙醚层得到绿色的异构体，结构式分通入氯化氢至饱和，则在乙醚层得到绿色的异构体，结构式分别是：别是：Ti(H2O)6Cl3，Ti(H2O)5ClCl2H2O。还原性还原性:(Ti3 Sn2)3TiO2 Al 6H 3Ti3 Al3 3H2O Ti3 Fe3 H2O TiO2 Fe2 2H此反应用于Ti3的滴定，用KSCN作指示剂可用作含钛试样的钛含量测定物性物性:现在学习的是第19页，共37页用途用途:TiCl3 可用作烯烃定向聚合的催化剂可用作烯烃定向聚合的催化剂2TiCl4Zn2TiCl3ZnCl22Ti6HCl2TiCl33H2制备：制备：现在学习的是第20页，共37页(3)四氯化锆四氯化锆(ZrCl4)白色粉末，在潮湿的空气中产生盐酸烟雾，遇水剧烈水解。白色粉末，在潮湿的空气中产生盐酸烟雾，遇水剧烈水解。ZrCl4 9 H2O ZrOCl 8 H2O 2 HCl 水解所得到的产物水解所得到的产物 ZrOCl2 8 H2O，难溶于冷盐酸中，但，难溶于冷盐酸中，但能溶于水，从溶液中析出的是四方形棱状晶体或针状晶体，这能溶于水，从溶液中析出的是四方形棱状晶体或针状晶体，这可用于锆的鉴定和提纯。可用于锆的鉴定和提纯。现在学习的是第21页，共37页(4)四氟化锆四氟化锆(ZrF4)无色晶体，具有高折射率，几乎不溶于水；与氟化铵作用可无色晶体，具有高折射率，几乎不溶于水；与氟化铵作用可生成生成 (NH4)2ZrF6，它在稍加热下就可分解，剩下的，它在稍加热下就可分解，剩下的 ZrF4 在在 873 K 开始升华，利用这一特性可把锆与铁及其它杂质分离。开始升华，利用这一特性可把锆与铁及其它杂质分离。(NH4)2ZrF6 ZrF4 2 NH2 HF现在学习的是第22页，共37页3 钛钛(IV)的配合物的配合物 Ti(IV)：正电荷较高，半径较小：正电荷较高，半径较小(68 nm)，电荷半径的比值较，电荷半径的比值较大，具有很强的极化力，以至在大，具有很强的极化力，以至在 Ti(IV)的水溶液中不存在简单的水溶液中不存在简单的水合配离子的水合配离子 Ti(H2O)64，只存在碱式的氧基盐。，只存在碱式的氧基盐。(1)与水与水(H2O)的配合物的配合物在在 HClO4 中：中：Ti(OH)2(H2O)42(简写成简写成 TiO2，钛酰离，钛酰离子子)；在碱性溶液中：在碱性溶液中：Ti(OH)4(H2O)2，TiO24H2O。现在学习的是第23页，共37页(2)与醇的配合物与醇的配合物TiCl4 在醇中的溶剂分解作用生成二醇盐在醇中的溶剂分解作用生成二醇盐:TiCl4 2 ROH TiCl2(OR)2 2 HCl加入干燥的氨气以除掉加入干燥的氨气以除掉 HCl，能生成四醇盐，能生成四醇盐:TiCl4 4 ROH 4 NH3 Ti(OR)4 4 NH4Cl现在学习的是第24页，共37页(3)与过氧化氢与过氧化氢(H2O2)的配合物的配合物在在 Ti(IV)的溶液中加入过氧化氢，在强酸性溶液中显的溶液中加入过氧化氢，在强酸性溶液中显红色，在稀酸或中性溶液显黄色。红色，在稀酸或中性溶液显黄色。原因：原因：O22离子的变形性。离子的变形性。pH 小于小于 1：有色配离子是：有色配离子是 Ti(O2)(OH)(H2O)4pH 13：有色配离子是：有色配离子是 Ti2O52现在学习的是第25页，共37页222 钒副族钒副族 钒：钒：Vanadium，美女神美女神 Vanadis 的名字。的名字。铌：铌：Niobium，Tantalus 的女儿的女儿 Niobe。钽：钽：Tantalum，希腊神希腊神 Tantalus。价电子构型价电子构型(n1)d3ns2，最高氧化态为最高氧化态为5。属稀有元素。属稀有元素。现在学习的是第26页，共37页2221 钒副族单质钒副族单质 钒副族元素单质的性质钒副族元素单质的性质(1)物理性质物理性质 熔点较高，熔点较高，同族中随着周期数增加而升高；单质都为银白同族中随着周期数增加而升高；单质都为银白色、有金属光泽，具有典型的体心立方金属结构。纯净的金属色、有金属光泽，具有典型的体心立方金属结构。纯净的金属硬度低、有延展性，当含有杂质时则变得硬而脆。硬度低、有延展性，当含有杂质时则变得硬而脆。现在学习的是第27页，共37页(2)化学性质化学性质 室温下：室温下：钒：不与空气、水、碱以及除钒：不与空气、水、碱以及除 HF 以外的非氧化性酸发生作用。以外的非氧化性酸发生作用。铌和钽：只与铌和钽：只与 HF 作用；溶于熔融状态下的碱中。作用；溶于熔融状态下的碱中。高温下：同许多非金属反应高温下：同许多非金属反应 2 V12 HF 2 H3VF63 H24 V5 O2 2 V2O5 (933 K)V 2 Cl2 VCl4 (加热加热)现在学习的是第28页，共37页2222 钒副族元素的重要化合物钒副族元素的重要化合物1 氧化物氧化物Oxidation state5432VV2O5VO2V2O3VONbNb2O5NbO2NbOTaTa2O5TaO2(TaO)现在学习的是第29页，共37页五氧化二钒五氧化二钒(V2O5)橙黄色或砖红色固体，无臭，无味，有毒。微溶于水，溶橙黄色或砖红色固体，无臭，无味，有毒。微溶于水，溶液呈淡黄色。玻璃中加入五氧化二钒可防止紫外线。液呈淡黄色。玻璃中加入五氧化二钒可防止紫外线。现在学习的是第30页，共37页(1)弱两性氧化物，以酸性为主，溶于强碱生成钒酸盐：弱两性氧化物，以酸性为主，溶于强碱生成钒酸盐：溶于强酸，生成含钒氧离子的盐：溶于强酸，生成含钒氧离子的盐：(2)氧化性氧化性V2O5 6 HCl 2 VOCl2 Cl2 3 H2OV2O5 6 H2SO4 (VO2)2SO4 H2OV2O5 6 NaOH 2 Na3VO5 3 H2O现在学习的是第31页，共37页(3)制备制备:工业制法：用氯化焙烧工业制法：用氯化焙烧 法处理钒铅矿。法处理钒铅矿。用水浸出偏钒酸钠，将溶液酸化，得到红棕色水合五氧化用水浸出偏钒酸钠，将溶液酸化，得到红棕色水合五氧化二钒沉淀析出。煅烧，得到工业级五氧化二钒。二钒沉淀析出。煅烧，得到工业级五氧化二钒。偏钒酸铵热分解法偏钒酸铵热分解法三氯氧化钒的水解三氯氧化钒的水解V2O5 2 NaCl 1/2 O2 2 NaVO3 Cl22 NH4VO3 V2O5 2 NH3 H2O2 VOCl3 3 H2O V2O5 6 HCl现在学习的是第32页，共37页(4)铌和钽的氧化物相对稳定的多，而且难于还原。铌和钽的氧化物相对稳定的多，而且难于还原。4 M 5 O2 2 M2O5 (M Nb，Ta)现在学习的是第33页，共37页2 含氧酸盐含氧酸盐VO43 V2O74 V3O93 V10O286 V2O5xH2O VO2PH13PH8.4PH3PH 2PH 1浅黄浅黄红棕色红棕色黄黄无色无色黄黄深红色深红色黄色黄色红棕色红棕色VO2(O2)236 H V(O2)3 H2O2 2 H2O用于钒酸盐和过氧化氢的比色分析现在学习的是第34页，共37页钒酸盐的氧化性钒酸盐的氧化性酸性条件下钒酸盐是一个强氧化剂酸性条件下钒酸盐是一个强氧化剂(VO2)，可以被，可以被Fe2、草酸、酒石酸和乙醇还原为、草酸、酒石酸和乙醇还原为VO2。该方法可用于氧化还原容量法测定钒。该方法可用于氧化还原容量法测定钒。VO2 Fe2 2 H VO2 Fe3 H2O 2 VO2 H2C2O4 2 H 2 VO2 2 CO2 2 H2O 现在学习的是第35页，共37页3 各种氧化态的钒离子各种氧化态的钒离子 2 VO2 3 Zn 8 H 2 V2(紫色紫色)3 Zn2 4 H2O 2 VO2 Zn 4 H 2 V3(绿色绿色)Zn2 2 H2O 2 VO2 H2C2O4 2 H 2 VO2 2 CO2 2 H2O VO2 Fe2 2 H VO2(蓝色蓝色)Fe3 H2O 现在学习的是第36页，共37页4 卤化物卤化物常见的卤化物有氯化物和氟化物。常见的卤化物有氯化物和氟化物。五卤化物是二聚体，颜色从白色的氟化物、黄色氯化物、五卤化物是二聚体，颜色从白色的氟化物、黄色氯化物、橙色溴化物到棕色碘化物。四卤化物是从棕色到黑色的固橙色溴化物到棕色碘化物。四卤化物是从棕色到黑色的固体，都易水解。体，都易水解。铌和钽的五卤化物的聚合结构示意图铌和钽的五卤化物的聚合结构示意图 现在学习的是第37页，共37页