钛族元素

一:钛族元素基本性质

   第ⅣB族即钛族包括钛、锆和铪三种元素,它们元素的基本性质见下表:

性     质

钛(Ti)

锆(Zr)

铪(Hf)

原 子 序 数

22

40

72

原  子  量

47.867

91.224

178.49

价电子构型

3d24s2

4d25s2

5d26s2

主要氧化态

+3,+4

+4

+4

共价半径(pm)

136

145

144

M4+离子半径(pm)

68

80

79

第一电离势(kJ/mol)

658

660

654

电  负  性

1.54

1.33

1.30

密度(g/cm3)

4.54

6.506

13.31

熔点(K)

1933

2125

2500

沸点(K)

3560

4650

4872

标准电极电势ψθ(V)
MO2+4H+→M+2H2O

-0.86

-1.43

-1.57

二:钛族元素的通性

   钛族元素的价电子构型为(n-1)d2ns2,因4个价电子全部参与成键后原子结构(即d 0)比较稳定,所以最稳定氧化态为+4,与族数一致。由于钛元素的原子失去四个电子需要较高的能量,所以它们的M(Ⅳ)化合物主要以共价键结合。

   钛还有+3的化合物,但生成+Ⅱ的化合物就很少见。锆和铪生成低氧化态的趋势很小。该族自上而下高氧化态趋于稳定,而低氧化态不稳定。这点与主族元素第ⅣA族中氧化态的变化规律刚好相反。

三:钛族元素标准电势图

   钛分族的标准电势图如下:

 

钛族金属

一:物理性质

   钛族金属的外观似钢,纯金属具有良好的可塑性,但有杂质存在时变得脆而硬。锆和铪都是高熔点金属。

二:化学性质

   从标准电极电势看,钛、锆和铪是还原性强的金属,但因在金属表面容易形成致密的、钝化的氧化膜,使得钛族金属在通常温度下具有优良的抗腐蚀性,不与酸和碱作用。锆的抗化学腐蚀性优于钛和不锈钢,接近于钽。不过,钛族金属都能溶解在氢氟酸中,生成六氟配合物H2[MF6]。

   与常温下的表现相反,钛族金属在高温时能与许多非金属如N、O、B、C等直接化合。

   与钪族元素一样,粉末状的钛族金属在高温时能吸附氢气,生成间充化合物MH2。钛族金属的氢化物在空气是稳定的,并不与水反应,这与钪族元素和s区元素的离子型氢化物是显著不同的。

三:锆和铪的相似性*

   由于镧系收缩的影响,锆和铪的原子半径和离子半径非常接近,它们的化学性质也很相似,因而二者的分离工作也较困难。目前主要采用离子交换法或萃取法来分离它们。

   离子交换法是利用强碱型酚醛树脂R-N(CH3)3+Cl-阴离子树脂,使Zr和Hf转化为配阴离子ZrF62-、HfF62-与阴离子树脂进行吸附交换。由于锆、铪配离子与树脂结合能力不同,用HF和HCl的混合液为淋洗液,可使这两种阴离子先后被淋洗下来,从而达到分离的目的。