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1、第二节钛族、钒族元素第二节钛族、钒族元素无机化学多媒体电子教案无机化学多媒体电子教案第十三章第十三章 过渡元素过渡元素第二节第二节钛族、钒族元素钛族、钒族元素113-2-1 钛族、钒族元素概述钛族、钒族元素概述13-2-1 13-2-1 钛族、钒族元素概述钛族、钒族元素概述* *Rf、Db为人工合成放射性元素为人工合成放射性元素稀有金属稀有金属分散稀有元素分散稀有元素2于于17891789年被发现，到年被发现，到19101910年才制得纯钛年才制得纯钛其含量比较丰富其含量比较丰富, ,列第十位。含量比列第十位。含量比NiNi、CuCu、ZnZn、PbPb、SnSn、HgHg等常见元素的还多等常
2、见元素的还多因为它难提炼因为它难提炼, ,应用晚应用晚, ,所以称稀有元素所以称稀有元素。13-2-1 13-2-1 钛族、钒族元素概述钛族、钒族元素概述3钛钛(Ti)提取提取钛矿比较分散，重要的矿石有：钛矿比较分散，重要的矿石有：金红石金红石( (TiO2) )、钛铁矿、钛铁矿( (FeTiO3 3) )、钒钛铁矿钒钛铁矿( (攀枝花攀枝花) ) 通常采用通常采用TiO2 + 2C + 2Cl2 TiCl4 + 2CO9000CTiCl4 + 2Mg Ti + 2MgCl2Ar气气、6000C4钛钛(Ti)具有光泽的银白色金属具有光泽的银白色金属密度小、硬度大，表面形成一层氧化密度小、硬度大
3、，表面形成一层氧化物保护膜，抗腐蚀性强，可用来制造物保护膜，抗腐蚀性强，可用来制造超音速飞机、潜艇和化工设备超音速飞机、潜艇和化工设备为为“生物金属生物金属”，易与肌肉生长在一，易与肌肉生长在一起，可用作人工关节起，可用作人工关节室温下稳定，高温下可与许多非金属室温下稳定，高温下可与许多非金属和水蒸气反应和水蒸气反应5钛钛(Ti)与与HNO3反应，生成反应，生成H2TiO3，纯化，纯化室温下能缓慢溶于浓室温下能缓慢溶于浓HCl或热、稀或热、稀HCl Ti + 4HNO3 H2TiO3 +4NO2 + H2O溶于溶于HF酸酸Ti + 6HF 2H+ + TiF62 + 2H2 2Ti + 6HC
4、l 2TiCl3 + 3H26锆锆(Zr)、铪、铪(Hf)锆用作耐腐蚀材料和反应堆核燃元件锆用作耐腐蚀材料和反应堆核燃元件的外壳材料的外壳材料铪用作反应堆的控制棒铪用作反应堆的控制棒锆和铪性质相似，分离困难锆和铪性质相似，分离困难分离方法目前主要有：分离方法目前主要有：1.离子交换法离子交换法: 用强碱型酚醛树脂用强碱型酚醛树脂 R-N(CH3)3+Cl- -作阴离子交换作阴离子交换剂剂2. 溶剂萃取法：用三辛胺萃取锆的硫酸盐溶剂萃取法：用三辛胺萃取锆的硫酸盐7钒钒(V)海海洋洋生生物物、海海参参、海海鞘鞘等等能能从从海海水水中中摄摄取取钒钒，浓浓集集到到血血液液中中，据据测测定定，海海参参、
5、海鞘等烧成的灰分中，含钒量高达海鞘等烧成的灰分中，含钒量高达15%15% 具有光泽的银灰色金属具有光泽的银灰色金属, 熔点高熔点高、硬度大硬度大可以刻划玻璃和石英可以刻划玻璃和石英纯钒富有延展性，但含大量杂质时纯钒富有延展性，但含大量杂质时, , 非非常脆，一敲就碎常脆，一敲就碎在在地地壳壳中中分分布布分分散散，没没有有富富矿矿，几几乎乎所所有的铁矿都含有钒有的铁矿都含有钒 8钒钒(V)某些钒的化合物具有重要的生理作用，某些钒的化合物具有重要的生理作用，如胆固醇的生物合成如胆固醇的生物合成主要用作制造钒钢，其具有强度大、弹主要用作制造钒钢，其具有强度大、弹性好、抗磨损、抗冲击等优点，用于汽性好
6、、抗磨损、抗冲击等优点，用于汽车、飞机等的制造车、飞机等的制造钒的化合物有毒，吸多了，会得肺水肿钒的化合物有毒，吸多了，会得肺水肿常温下不与碱、非氧化性酸作用，能溶常温下不与碱、非氧化性酸作用，能溶于氢氟酸、浓硝酸、浓硫酸和王水于氢氟酸、浓硝酸、浓硫酸和王水9铌铌(Nb)、钽、钽(Ta)铌是某些硬质钢的组成元素，特别是铌是某些硬质钢的组成元素，特别是耐高温的特种钢耐高温的特种钢钽具有低生理反应和不被人体排斥性钽具有低生理反应和不被人体排斥性能，用于制作修复骨骼的金属板材、能，用于制作修复骨骼的金属板材、缝合神经的丝和箔缝合神经的丝和箔铌和钽性质类似，分离困难铌和钽性质类似，分离困难1013-2
7、-2 钛的重要化合物钛的重要化合物13-2-2 13-2-2 钛的重要化合物钛的重要化合物钛钛(Ti)价电子构型价电子构型3d24s2氧化数氧化数+4+3主要主要化合物化合物TiO2 MIITiO3 TiOSO4 TiCl4TiCl311二氧化钛二氧化钛(TiO2)钛白钛白性质性质纯纯TiO2是白色难熔固体，难溶于水是白色难熔固体，难溶于水有三种晶形有三种晶形, ,金红石、锐钛型、板钛型金红石、锐钛型、板钛型 两性，以碱性为主两性，以碱性为主TiO2 + 2NaOH(浓浓) Na2TiO3 + H2O溶于溶于浓碱浓碱难溶于稀酸，可溶于难溶于稀酸，可溶于浓硫酸浓硫酸TiO2 + H2SO4(浓浓
8、) TiOSO4 + H2O(硫酸氧钛硫酸氧钛)生成生成TiO2+, 而不是而不是Ti4+因为电荷多、半径小，极易水解因为电荷多、半径小，极易水解 Ti4+ + H2O Ti(OH)3+ + H+ Ti(OH)3+ + H2O Ti(OH)22+ + H+ -H2O TiO2+ 12二氧化钛二氧化钛(TiO2)钛白钛白性质性质纯纯TiO2是白色难熔固体，难溶于水是白色难熔固体，难溶于水有三种晶形有三种晶形, ,金红石、锐钛型金红石、锐钛型 、板钛型、板钛型 两性，以碱性为主两性，以碱性为主可溶于氢氟酸可溶于氢氟酸TiO2 + 6HF TiF62- + 2H+ + 2H2O化学性质不活泼化学性质
9、不活泼, 覆盖能力强覆盖能力强、折射率高折射率高、无毒，可制造高级白色油漆和白色颜料无毒，可制造高级白色油漆和白色颜料具有半导体性能，是光催化反应常用的具有半导体性能，是光催化反应常用的半导体材料半导体材料是乙醇脱水、脱氢的催化剂是乙醇脱水、脱氢的催化剂13二氧化钛二氧化钛(TiO2)硫酸法硫酸法制取制取钛铁矿钛铁矿(FeTiO3)用浓用浓H2SO4煮沸、过滤煮沸、过滤FeSO4+TiOSO4煮沸煮沸H2TiO3FeSO4TiOSO4冷却、减压蒸发、过滤冷却、减压蒸发、过滤过滤过滤、烘干烘干、焙烧焙烧TiO2FeTiO3+2H2SO4(浓浓) FeSO4+TiOSO4+2H2O煮沸煮沸TiOS
10、O4+2H2O H2TiO3 +H2SO4煮沸煮沸H2TiO3 TiO2 + H2O焙烧焙烧14二氧化钛二氧化钛(TiO2)氯化法氯化法制取制取金红石金红石(TiO2)C+Cl2粗粗TiCl4净化净化通通O2焙烧焙烧TiO2TiCl4 + O2 TiO2 + 2Cl2焙烧焙烧TiO2 +2C +2Cl2 TiCl4 +2CO 15钛酸盐和钛氧盐钛酸盐和钛氧盐钛酸盐大多难溶于水钛酸盐大多难溶于水如如 BaTiO3 是难溶于水的白色固体是难溶于水的白色固体介电常数高介电常数高, 是最重要的压电陶瓷材料是最重要的压电陶瓷材料硫酸氧钛硫酸氧钛(TiOSO4)为白色粉末为白色粉末可溶于冷水可溶于冷水在水
11、溶液中在水溶液中TiO2+以锯齿状长链以锯齿状长链(TiO)n2n+形式存在形式存在 Ti Ti Ti O O O O O Ti Ti Ti均易水解，生成白色偏钛酸沉淀均易水解，生成白色偏钛酸沉淀Na2TiO3 + 2H2O H2TiO3 + 2NaOHTiOSO4 + 2H2O H2TiO3 + H2SO416四氯化钛四氯化钛制取制取性质：性质：TiO2+2C+2Cl2 TiCl4+2CO高温高温1.为易挥发的共价型分子化合物为易挥发的共价型分子化合物2.2.室温下为无色液体，易挥发，有刺激室温下为无色液体，易挥发，有刺激 性气味，性气味，易溶于有机溶剂易溶于有机溶剂3.3.极易水解，在潮湿
12、的空气中冒白烟极易水解，在潮湿的空气中冒白烟TiCl4+3H2O H2TiO3 + 4HCl可用于制造烟雾可用于制造烟雾4.4.是是制制备备金金属属钛钛及及其其化化合合物物的的重重要要原原料料, ,有机反应催化剂有机反应催化剂17三氯化钛三氯化钛(紫色紫色)制取制取1. 在在500 800用氢气还原干燥用氢气还原干燥TiCl4气体气体2TiCl4 + H2 2TiCl3 + 2HCl2. 将钛溶于热、浓将钛溶于热、浓HCl4Ti3+ +2H2O + O2 4TiO2+ + 4H+3. 在在HCl溶液中用溶液中用Zn还原还原Ti()2TiO2+ + 4H+ + Zn 2Ti3+ +Zn2+ 2H
13、2O性质：较强还原性，易被空气氧化性质：较强还原性，易被空气氧化2Ti + 6H+ 2Ti3+ + 3H21813-2-3 钒、铌、钽的重要化合物钒、铌、钽的重要化合物13-2-3 13-2-3 钒钒、铌铌、钽的重要化合物钽的重要化合物钒钒(V)价电子构型价电子构型3d34s2主要氧化数：主要氧化数：+5、+3、+2化合物具有各种美丽的颜色化合物具有各种美丽的颜色氧化数氧化数 +1 +2 +3 +4 +5 颜颜 色色 棕棕 灰灰 黑黑 蓝蓝 红红氧化物氧化物V2OVOV2O3VO2V2O519五氧化二钒五氧化二钒(V2O5)橙黄至砖红色固体，无味、有毒橙黄至砖红色固体，无味、有毒微溶于水微溶于
14、水, 其水溶液呈淡黄色其水溶液呈淡黄色, 显酸性显酸性两性，以酸性为主两性，以酸性为主溶于冷、强碱溶于冷、强碱生成无色生成无色正钒酸根正钒酸根V2O5 + 6OH- - 2VO43- + 3H2O溶于热、强碱溶于热、强碱生成黄色生成黄色偏钒酸根偏钒酸根V2O5 + 2OH- - 2VO3- + H2O溶于强酸溶于强酸生成淡黄色生成淡黄色VO2+V2O5 + 2H+ + 2VO2+ + H2O20五氧化二钒五氧化二钒(V2O5)橙黄至砖红色固体，无味、有毒橙黄至砖红色固体，无味、有毒微溶于水微溶于水, 其水溶液呈淡黄色其水溶液呈淡黄色, 显酸性显酸性两性，以酸性为主两性，以酸性为主中强氧化剂中强
15、氧化剂在硫酸工业中用作催化剂；石油化工在硫酸工业中用作催化剂；石油化工中设备的缓蚀剂中设备的缓蚀剂V2O5 + 6H+ +2Cl- - 2VO2+ + Cl2 +3H2O蓝色蓝色V2O5可被热还原为低氧化态的氧化物可被热还原为低氧化态的氧化物 V2O5 VO2 V2O3 VOSO2 H2 V 橙黄色橙黄色 蓝色蓝色 黑色黑色 灰灰色色21钒酸盐钒酸盐不同氧化数钒的盐具有不同的颜色不同氧化数钒的盐具有不同的颜色VO43-VO2+VO2+V3+V2+浅黄浅黄 黄黄 蓝蓝 绿绿 紫紫缩合性缩合性在一定条件下，向钒酸盐溶液中加在一定条件下，向钒酸盐溶液中加H+pH 12 12 10 9 2.2 1离子
16、离子 VO43- V2O74- V3O92- H2V10O284- VO2+颜色颜色 浅黄浅黄 红色逐渐加深红色逐渐加深 黄黄 pH值增加，缩合程度增大，值增加，缩合程度增大， 溶液颜色由溶液颜色由 砖红色砖红色浅黄浅黄浅黄浅黄黄色黄色黄色黄色22钒酸盐钒酸盐不同钒酸盐具有不同的颜色不同钒酸盐具有不同的颜色缩合性缩合性VO2+在强酸性溶液中有氧化性在强酸性溶液中有氧化性钒酰离子钒酰离子 亚钒酰离子亚钒酰离子 黄色黄色 蓝色蓝色VO2+ + Fe2+ +2H+ + VO2+ + Fe3+ + H2OVO2+H2C2O4+2H+ + 2VO2+2CO2 +2H2O23钒酸盐钒酸盐不同钒酸盐具有不同的颜色不同钒酸盐具有不同的颜色缩合性缩合性VO2+在强酸性溶液中有氧化性在强酸性溶液中有氧化性VO2+有弱氧化、还原性有弱氧化、还原性氧化性氧化性 2VO2VO2+2+Sn+Sn2+2+4H+4H+ + 2V2V3+3+Sn+Sn4+4+2H+2H2 2O O还原性还原性 5VOVO2+2+MnO+MnO4 4- -+H+H2 2O O 5VO5VO2 2+ +Mn+Mn2+2+2H+2H+ + VO2+ VO2+ V3+ V2+ Zn Zn Zn 蓝色蓝色 绿色绿色 紫色紫色黄色黄色黄色黄色(演示演示)24本节内容讲授完毕本节内容讲授完毕本节内容本节内容 讲授完毕讲授完毕！25
