Элементы подгруппы титана включают титан (Ti), цирконий (Zr), гафний (Hf) и рутений (Rf) — представители IV группы периодической системы. Все они обладают характерными признаками переходных металлов: металлическим блеском, высокой температурой плавления и кипения, значительной плотностью, пластичностью и хорошей коррозионной стойкостью.
Титан (Ti) — металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 1668 °C и высокой механической прочностью. Обладает низкой плотностью (4,51 г/см³) по сравнению с другими переходными металлами. Не вступает в реакцию с холодной водой и с большинством кислот, образует пассивную оксидную пленку, защищающую от коррозии.
Цирконий (Zr) отличается высокой термостойкостью и химической инертностью. Плотность 6,52 г/см³, температура плавления 1855 °C. Он устойчив к действию кислот, кроме концентрированных щелочей и плавиковой кислоты.
Гафний (Hf) близок по свойствам к цирконию, что связано с эффектом лантанидной секвестрации. Температура плавления 2233 °C, плотность 13,3 г/см³. Металл обладает высокой коррозионной стойкостью, особенно в средах с высоким содержанием кислот.
Все элементы подгруппы титана характеризуются способностью образовывать устойчивые оксиды и комплексные соединения, преимущественно в степени окисления +4.
Оксиды
Гидроксиды и кислоты
Металлы подгруппы титана образуют амфотерные гидроксиды: Ti(OH)₄, Zr(OH)₄, Hf(OH)₄. Они растворимы как в кислотах, так и в щелочах, с образованием соответствующих титанатов или циркониатов.
Галогениды
Комплексные соединения
Элементы подгруппы титана активно образуют комплексные соединения с лигандами, такими как аммиак, цианиды, оксогруппы и органические лиганды. Типичные комплексы имеют формулу [Ti(H₂O)₆]⁴⁺, [Zr(C₂O₄)₃]²⁻, [HfF₆]²⁻. Стабильность комплексов возрастает в ряду Ti < Zr < Hf.
Взаимодействие с кислородом и галогенами При нагревании металлы подгруппы титана активно реагируют с кислородом с образованием оксидов высокой прочности. Реакция с галогенами протекает с образованием галогенидов высокой степени окисления: Ti + 2Cl₂ → TiCl₄.
Взаимодействие с кислотами и щелочами Титан проявляет высокую химическую стойкость в обычных условиях. Разбавленные минеральные кислоты не вызывают заметной реакции, но плавиковая кислота и смеси кислот могут растворять металл. Цирконий и гафний более устойчивы к химическим воздействиям и образуют растворимые соли только с концентрированными кислотами и щелочами.
Тепловое разложение соединений Оксиды, гидроксиды и галогениды элементов подгруппы титана характеризуются высокой термостабильностью. Например, Ti(OH)₄ при нагревании превращается в TiO₂, а TiCl₄ разлагается при контакте с влагой, выделяя HCl и TiO₂.
Металлические сплавы Титановые сплавы используются в авиационной, космической и химической промышленности благодаря высокой прочности при малой плотности, устойчивости к коррозии и биологической совместимости. Циркониевые и гафниевые сплавы применяются в ядерной энергетике из-за малой абсорбции нейтронов.
Пигменты и керамика TiO₂ применяется как белый пигмент в красках, пластмассах и бумаге. ZrO₂ используется в керамике и абразивах, HfO₂ — в высокотемпературной керамике и электронике.
Катализаторы TiCl₄ служит исходным веществом для катализаторов в органическом синтезе, в том числе для полимеризации олефинов.
Комплексные соединения Комплексы титана и циркония используются в аналитической химии, а также в производстве люминофорных и оптических материалов.
Элементы подгруппы титана демонстрируют тесную взаимосвязь физических и химических свойств, что обусловлено их электронной структурой и устойчивостью оксидов. Их химическая инертность, высокая прочность и способность к образованию устойчивых комплексных соединений делают их незаменимыми в промышленности, химическом синтезе и материаловедении.