Титан

Титан

Титан (хим.; Titan нем., Titane франц., Titanium англ.; Ti=48,l, если O=16) – четвертый элемент первого большого периода периодической системы, начинающегося с калия. Т. находится в четном ряду системы и принадлежит, следовательно, к металлической подгруппе и именно IV-ой группы. Занимает место между скандием и ванадием; его высший окисел, TiO2, почти не имеет уже основных свойств, характеризующих Sc203; но и кислотные свойства его невелики-слабее, чем у V205, вследствие невысокого типа окисла; к тому же, как известно, и угольный ангидрид, высшее кислородное соединение типического элемента IV-ой группы, не принадлежит к числу ангидридов, дающих сильную кислоту. Т. в большой мере напоминает по своим отношениям кремний, от которого существенно отличается неспособностью образовать летучее соединение с водородом, как и подобает металлу, а также тем, что дает окислы низших типов, и именно основного характера, какова полуторная окись Ti203 – Т. никогда не встречается в природе свободным; соединения его нередки, но находятся всегда в малых количествах; к числу важнейших относятся: рутил, анатаз и брукит – кристаллические разности ангидрида ТiО2, титaнит или сфен – кремнетитаново-кислый кальций CaTiSiO5: титанистый железняк или ильменит (Ю. Урал, Ильменские горы) FeTiO3; перовскит, результат изоморфного замещения железа кальцием (Fe, Ca)TiO. Также магний замещает иной раз железо. Известно много, вообще, минералов, содержащих одновременно Т. и железо. Существуют изоморфные смешения FeTiO3 с железным блеском, Fe2O3, что позволяет принимать FeTiO3 за окись железа, в которой один атом FeIII замещен через ТiIII. С другой стороны, магнитный железняк нередко содержит некоторую примесь Т., вследствие чего он присутствует иногда и в чугуне, и в доменных шлаках. Во многих глинах, почвах, минеральных водах открыты следы Т.; он найден в метеорных камнях и присутствует в атмосфере солнца. Т. принадлежит к числу трудно восстановляемых элементов; получение в свободном виде, кроме того, очень затрудняется способностью его соединяться при высокой температуре с азотом воздуха. Только в недавнее время Муассану удалось получить (1895) почти чистый металлический Т., содержащий около 2 % углерода. Такой Т. представляет сплавленную массу с блестящим белым изломом. Он весьма трудно плавок и тверд, легко чертит горный хрусталь и сталь, но хрупок – легко измельчается в стальной и в агатовой ступке. Удельный вес 4,87. Теплоемкость 0,1125 при 0°-100° и 0,1288 при 0°-211° (Нильсон и Петтерсен) – для иным путем полученного Т., менее чистого. В атмосфере хлора загорается при 350°, превращаясь в TiCl4; при несколько высшей температуре соединяется с бромом TiBr4; TiJ4 образуется при еще более сильном нагревании и без воспламенения. В кислороде Т. загорается при 610°, при чем получается аморфный Ti02 При 800° порошкообразный Т. в токе азота соединяется с ним; взаимодействие идет с выделением тепла: Т. «горит в азоте», превращаясь в нитрид Ti2N2. При очень высокой температуре, достигаемой в электрической печи, это соединение, однако, не образуется; температура здесь оказывается выше температуры диссоциации нитрида (Муассан). При сплавлении с углем, Т. дает карбид, ТiC; лишний уголь выкристаллизовывается в виде графита. С кремнем и бором получаются очень твердые, как алмаз, соединения. Существуют сплавы с хромом, железом, медью, оловом и свинцом. Т. растворяется в разведенной серной кислоте даже на холоду, но медленно; нагревание ускоряет реакцию – выделяется водород и получается фиолетовый раствор; то же имеет место и при взаимодействии с кипящей крепкой соляной кислотой; в обоих случаях возникают солеобразные соединения трехвалентного Т. При кипячении с крепкой серной кислотой выделяется сернистый газ. Взаимодействие с горячей азотной кислотой идет довольно медленно, с царской водкой – быстрее, но затем замедляется выделением ТiO2. Расплавленные поташ или сода действуют весьма энергично на порошок Т., как и смесь селитры и поташа и, особенно, расплавленная бертолетова соль. Разложение порошкообразным Т. водяного пара начинается при 700° и идет правильно при 800°, когда образуется TiO2 и водород. Для получения Т. Муассан пользовался или отобранными кристаллами рутила (из Лиможа), или чистым TiO2 лабораторного приготовления. Смесь порошков чистого угля и, в некотором избытке, TiO2 после тщательного перемешивания, прессовалась, высушивалась и в цилиндрическом угольном тигле в 8 стм. в диаметре помещалась в электрическую печь, где подвергалась, в течение 10-12 минут, действию вольтовой дуги сверху, как всегда, от тока в 1000 ампер и 60 вольт. Для каждой операции употреблялось 300-400 гр. смеси. По охлаждении содержимое тигля оказывалось сплавленным только на глубину в несколько сантиметров; при употреблении тока в 2200 ампер и 60 вольт выход Т. был больше, но и тогда реакционная смесь оказывалась не проплавленной до самого дна тигля. Т. получался обыкновенно в количестве около 200 гр.; под слоем его всегда оказывался слой Ti2N2 – где температура была ниже, а у дна находился слой окиси Т., ТiO. Таким образом полученный Т. всегда содержит углерод, не менее 8%. Измельчение такого Т., смешение с новым количеством Ti02 и новое сплавление при тех же условиях приводит, наконец, к вышеописанному Т. с 2 % углерода.

Титановый ангидрид TiO2 в более или менее чистом виде, встречается в природе, как уже упомянуто, в трех кристаллических видоизменениях. Бурый или красноватый рутил представляет квадратные призмы; он изоморфен с оловянным камнем, Sn02 и имеет удельный вес 4,18-4,25. Анатаз бурого или черного цвета, окристаллизован в иные формы квадратной системы; уд. вес 3,82-3,95. Брукит – плоские ромбические призмы, имеет уд. вес 3,86-4,23. Аморфный ангидрид, белый, безвкусный порошок, приобретающий при нагревании лимонно-желтую и при накаливании бурую окраску, удельного веса 3,89-3,95, может быть получен из водного раствора хлористого Т., TiCl4, в виде гидрата при осаждении аммиаком; осадок промывают, сушат и прокаливают; сильное нагревание повышает удельный вес до 4,25. В пламени гремучего газа аморфный TiO2 плавится и при охлаждении превращается в кристаллическую массу. Подобно кремнезему, аморфный TiO2 тем более окристаллизованный, нерастворим в воде, а также в соляной и разведенной серной кислотах; но, в отличие от кремнезема, при продолжительном нагревании, растворяется в крепкой серной кислоте – из такого раствора получается, после выпаривания, белая масса основной соли (OTi)SO4. Ti02 соединяется также, при сплавлении, с KHSO4; получается прозрачная масса, вполне растворимая в теплой воде; но при кипячении такого раствора TiO2 осаждается в виде гидрата. Сплавление Ti02 с едкими щелочами или с углекислыми щелочными металлами приводит к образованию титанатов. Из гидратов TiO2 известны ортотитановая кислота (HO)4Ti и метатитановая (HO)2TiO. Кроме того, существуют гидраты с промежуточным содержанием воды, а также и с меньшим, чем в мета-кислоте; такие гидраты представляют полититановые кислоты и, подобно поликремневым, не могут быть точно охарактеризованы вследствие взаимного сходства. Если к раствору титаната щелочного металла в холодной соляной кислоте прибавлять щелочь, то осаждается орто-кислота в виде объемистого белого осадка, который растворим в разведенных соляной и серной кислотах и при высушивании постепенно теряет воду, превращаясь в другие гидраты. При нагревании ортокислота превращается в ангидрид с выделением света; сохраняемая под водой постепенно превращается в метакислоту. Метакислота получается также при кипячении солянокислого раствора ортокислоты или при действии азотной кислоты уд. веса 1,25 на Т.; превращение в ангидрид при нагревании для нее совершается без выделении света. Метакислота нерастворима в кислотах, за исключением крепкой серной, прочие гидраты точно также называют орто– или мета-кислотами, в зависимости от отношения их к обычным кислотам, растворяются они в них или не растворяются. При диализе соляно-кислого раствора титановой кислоты получается водный раствор ее (Граам) – гидрозоль, следовательно; в виде бесцветного гидрогеля титановая кислота приготовлена точно также (фон-дер-Фордтеном, 1887). Титанат калия K2TiO3 получается в виде волокнистой желтоватой массы при сплавлении Ti02 с поташом. При кипячении титановой кислоты в растворе едкого кали образуется та же соль; она может быть при испарении раствора выкристаллизована в виде бесцветных, легкорастворимых призм, содержащих кристаллизационную воду – K2TiO3. 4H2O. Известны в кристаллическом или в аморфном виде такие еще соли: К2Ti3О7.2Н2О, К2Тi3О7.ЗН2О, К2ТiО13.2Н2О. Если к раствору TiCl4 в слабом спирте прибавить при охлаждении избыток перекиси водорода, а затем нейтрализовать соляную кислоту аммиаком, то выделяется надтитановая кислота в виде желтого осадка. Ангидрид этой кислоты имеет такой состав-TiO3 и представляет вещество перекисного характера, как, напр., и надсерный ангидрид. Известны солеобразные соединения TiO3 с перекисями щелочных металлов и аммония, как недавно показали П. Меликов и Л. Писаржевский (1898), которые допускают существование и еще более богатого кислородом соединения Т. в виде сочетания с Na2O2, именно Тi2О7. Прежде чем говорить о низших кислородных соединениях Т. и их производных, следует обратиться к галоидным соединениям. Четыреххлористый Т. TiCl4 – подвижная, неокрашенная жидкость, уд. веса 1,7604 при 0°; замерзает при – 25°; кипит при 136,4°; имеет нормальную плотность пара. Обычный способ получения состоит в действии хлора на нагретую смесь TiCl4 и угля. TiCl4 обладает едким, кислым запахом и выделяет густые белые пары на воздухе; избытком воды разлагается на соляную кислоту и титановую, которая остается в растворе; осторожное прибавление воды приводит шаг за шагом к образованию HO.TiCl3, (HO)2TiCl2, (HO)3TiCl и (HO)4Ti. Подобно четыреххлористому олову, на которое TiCl4 очень походит, известны многие кристаллические сочетания с другими хлористыми соединениями и для TiCl4. Газообразный аммиак быстро поглощается четыреххлористым Т.; образуется гигроскопический порошок, TiCl4.4NH3, который при нагревании дает желтый возгон, TiCl4.3H4CI. Когда действуют газообразным бромистым или йодистым водородом на TiCl4, то получается TiBr4 – темп. плавл. 39°, темп. кип. 230°, уд. вес 2,6, желтая кристаллическая масса – и TiJ4, который представляет ломкую, красноватобурую массу, плавящуюся при 150° и кипящую при 360° без разложения (плотность пара нормальная). TiJ4, подобно TiCl4, дымит на воздухе и легко растворим в воде. При нагревании смеси ТiO2 и плавикового шпата с дымящей серной кислотой в платиновой реторте отгоняется TiF4, бесцветная дымящая жидкость. Из раствора Ti02 в плавиковой кислоте могут быть получены соли титано-фтористо-водородной кислоты, изоморфные с соответствующими соединениями кремния, циркония и олова. При пропускании паров TiCl4 в смеси с водородом чрез докрасна накаленную трубку получается треххлористый Т., ТiСl3, в виде темно-фиолетовых чешуек. ТiСl3 нелетуч, расплывается на влажном воздухе, будучи легко растворим; растворы имеют красновато-фиолетовый цвет и образуются без выделения тепла. ТiСl3 сильный восстановитель, он осаждает из соляных растворов металлические – золото, серебро, ртуть и из сернистой кислоты, при кипячении, серу. При нагревании ТiСl3 получается ТiСl4 и двухлористый Т., ТiСl2; это гигроскопический, светло-бурый порошок, который при подогревании на воздухе загорается, как трут, и превращается в ТiСl3 и ТiО2, а брошенный в воду шипит и, при выделении водорода, дает желтый раствор. Металлическая натура Т. в соединениях типа ТiХ3, очевидная из свойств ТiСl3, станет еще очевиднее, если указать на существование такой соли Ti2(SO4)3.8Н2О; это сернокислый Т. из ряда полуторной окиси. Раствор соли фиолетового цвета получается при действии разведенной серной кислоты на Т., при чем выделяется водород, как упомянуто выше; при сгущении раствор принимает красивый синий отблеск и выделяет скопления листочковидных кристаллов указанного состава (Glatzel). С сернокислым цезием, также рубидием, эта соль дает квасцы CsTi(SO4)2.12H20, кристаллизующиеся в кубах, фиолетово-красного цвета. Квасцы образуются, следовательно, целым рядом элементов из первого большого периода, а именно они существуют для Ti, V, Сг, Mn, Fe и Со (Piccini). Полуторная окись Т., Ti2O3 получается при накаливании ТiО2 в струе водорода в виде черного порошка; азотная и соляная кислоты на нее не действуют, а серная растворяет, при чем получается фиолетовый раствор. В виде темно-бурого гидрата полуторная окись осаждается щелочью из раствора ТiСl3. Окись Т., Ti0, получается, как упомянуто, при восстановлении ТиО2 углем в вольтовой дуге, и именно в виде черных призматических кристаллов; она возникает также, в числе других продуктов, при накаливании TiO2 с металлическим магнием (Cl. Winkler, 1890) и пока очень мало изучена; вероятно, она относится, как и окись теллура ТеО, к числу недокисей. С серой для титана известны три соединения: TiS2 – крупные листочки цвета сусального золота, Ti2S3 – зеленовато-черный порошок и TiS – блестящее, похожее на висмут вещество. TiS2 возникает при пропускании сероводорода, насыщенного парами ТiСl4, чрез накаленную трубку; Ti2S3 образуется при накаливании TiS2 в токе индифферентного газа; TiS получается из TiS2 или Ti2S3 при накаливании в струе водорода. Кроме упомянутого нитрида TiN или, быть может, Ti2N2, который обладает цветом бронзы; очень тверд (дает черту на рубине и даже алмазе) и получается прямо из элементов, известны еще два соединения с азотом: нормальный нитрид, Ti3N4, и динитрид, TiN2. Первый, обладающий цветом меди, получается при нагревании ТiСl4.4NH4 в токе аммиачного газа и первоначально был принят (Розе и Либихом) за свободный Т., что было опровергнуто Вёлером (1850 г.), изучившим состав соединения. Динитрид образуется при сильном накаливании TiO2 в атмосфере аммиака и представляет темно-синий порошок, похожий на возгнанное индиго – с медно-красным отблеском. Свободный Т. в прежнее время хотели видеть (Волластон, 1822 г.) также в тех кубических кристаллах медно-красного цвета и с металлическим блеском, которые присутствуют в доменных шлаках, если железная руда содержит Т.; но Вёлер (1849 г.) показал, что это цианисто-азотистый Т. Ti(CN)2+3Ti3N2, как анализом, так и синтезом – при сильном нагревании (при температуре плавления никеля) в хорошо закрытом тигле смеси желтой соли с TiO2 Другой способ получения этого соединения– накаливание добела TiO2 с углем в токе сухого азота (Девилль и Вёлер). Из кислот на цианисто-азотистый Т. действует только царская водка. Сплавление с едким кали приводит к образованию титанатов, при выделении аммиака, а накаливание в струе водяного пара – к образованию цианистого водорода, TiO2, аммиака и водорода. Впервые Т. был замечен (W. Gregor) в 1789 г. в ильмените из Корнваллиса; в 1795 г. Клапрот изучил состав рутила и дал имя новому элементу.

С.С. Колотов.