Титан (Ti) — металл переходной группы, обладающий высокой коррозионной стойкостью и значительной прочностью при малой плотности. Находится в IV группе периодической системы, имеет электронную конфигурацию [Ar] 3d² 4s². Металл характеризуется низкой химической активностью при нормальных условиях, однако при нагревании реагирует с кислородом, галогенами и азотом, образуя стабильные соединения. Титан широко распространён в земной коре, главным образом в виде минералов рутила (TiO₂) и ильменита (FeTiO₃).
Титан имеет серебристо-белый цвет, высокую прочность и низкую плотность (≈4,51 г/см³). Металл устойчив к воздействию воды и разбавленных кислот, но растворяется в концентрированных HCl и H₂SO₄ с образованием водородных соединений. Титан обладает высокой температурой плавления (≈1668 °C) и кипения (≈3287 °C), что делает его важным материалом для авиационной и космической промышленности.
Взаимодействие с кислородом и галогенами: При нагревании титан активно окисляется, образуя TiO₂. С галогенами реагирует с образованием галогенидов TiX₄ (X = Cl, Br, I), которые являются летучими и гидролизуются в воде:
Ti + 2 Cl₂ → TiCl₄
Взаимодействие с кислотами и основаниями: Титан проявляет амфотерные свойства. С концентрированными кислотами и щелочами реагирует с образованием соответствующих солей и гидридов:
Ti + 4 HCl → TiCl₄ + 2 H₂
Ti + 2 NaOH + 4 H₂O → Na₂[Ti(OH)₆] + H₂
Соединения титана: Титан образует разнообразные соединения в степени окисления +2, +3 и +4. Наиболее устойчивыми являются соединения Ti(IV), включая оксиды, галогениды и титанаты.
TiO₂ — белый амфотерный оксид, существующий в нескольких кристаллических модификациях: анатаз, рутил и бронтит. Обладает высокой химической стойкостью и применяется как пигмент в лакокрасочной промышленности, а также как катализатор в химии.
Ti₂O₃ и TiO — менее распространённые оксиды титана, проявляющие восстановительные свойства. TiO образуется при нагревании TiO₂ в вакууме с металлическим титановым порошком.
Наиболее важны TiCl₄ и TiBr₄. TiCl₄ — бесцветная жидкость с резким запахом, летучая и гидролизующаяся водой с образованием TiO₂ и HCl. Галогениды титана широко применяются для синтеза титановых сплавов, а также в органической химии как катализаторы реакций полимеризации.
Титанаты — соли титана, образующиеся при реакции TiO₂ с щелочами. Они обладают амфотерными свойствами и способны образовывать комплексные анионы [Ti(OH)₆]²⁻.
Комплексные соединения: Титан формирует комплексы с аммиаком, органическими кислотами и спиртами, где проявляется способность к координации в степени окисления +4. Эти соединения находят применение в катализе и материаловедении.
TiCl₄ является ключевым реагентом в органическом синтезе, особенно в реакциях алкилирования, аклольной полимеризации и в процессах Зайцева. Титановые комплексы позволяют управлять стереохимией реакции и обеспечивают высокую селективность.
Металлический титан и его оксиды обладают биосовместимостью, что делает их идеальными материалами для протезирования, имплантатов и хирургических инструментов. TiO₂ также используется в косметической промышленности и в фотокатализе для очистки воды и воздуха.
Титан получают главным образом электролизом TiCl₄ или восстановлением TiO₂ магнием (метод Кролла). Металл обладает высокой прочностью при малой плотности, устойчивостью к коррозии и жаропрочностью, что делает его стратегически важным материалом в аэрокосмической, химической и медицинской промышленности.
Титан и его соединения характеризуются уникальной комбинацией высокой прочности, химической стойкости и каталитических свойств. Это сочетание делает их незаменимыми как в промышленности, так и в научных исследованиях, особенно в области материаловедения, катализа и биомедицины.