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第20章 过渡金属（Ⅰ） Chapter 20 Transition Metal （Ⅰ） 基本内容和重点要求 Periodic Table of the Elements * * 钛副族化合物 重点要求掌握钛、钒、铬、锰的重要化合物及其性质 锰副族化合物 铬副族化合物 钒副族化合物 20.1 引 言 具有部分充填d或f电子元素为过渡元素。过渡元素分为外过渡族元素(d 区元素)及内过渡元素(f区元素)。钪Sc，钇Y，镧La和镧系元素在性质上非常相似，常被总称为稀土元素。 d 区: IIIB ~ Ⅷ (n-1)d1-9ns1-2 （Pd例外 4d105s0 ） ⅣB 钛Ti 锆Zr 铪Hf 卢Rf ⅦB 锰Mn锝Tc 铼Re 波Bh ⅥB 铬Cr 钼Mo 钨W 喜Sg ⅤB 钒V 铌Nb 钽Ta 杜Db IIIB 钪Sc 钇Y 镧La 铹Lr 钅 钅 钅 钅 20.2 钛副族 20.2.3 锆和铪的化合物 20.2.2 钛的重要化合物 20.2.1 钛副族概述 放射性元素 铪常与锆共生 锆英石ZrSiO4 金红石(TiO2)、钛铁矿(FeTiO3)，以及钒钛铁矿 主要矿藏 Rf Hf Zr Ti 铪 锆 钛 20.2.1 钛副族概述 纯净的钛有银白色的金属光泽，良好的可塑性；钛越纯，可塑性越强。密度为4.54g?cm-3, 比钢轻(钢的密度为7.9g?cm-3）。机械强度却与钢相似, 从? 253oC ~ 500oC 这样宽的温度范围内，都能保持高强度。铝的密度(2.7g ?cm-3 ）虽小，但机械强度较差，钛恰好兼有钢和铝的优点，且耐热性能好，熔点高达1933K，是制造飞机、火箭和宇宙飞船等最好的材料。钛被誉为宇宙金属。钛能与骨骼，肌肉生长在一起，用于接骨和人工关节是任何金属材料无法比拟的，所以钛又被称为“生物金属”。 因此，继Fe、Al之后，预计Ti将成为应用广泛的第三金属。 钅 卢 20.2.1 钛副族概述 144 145 136 共价半径/pm +4 +4 +2, +3, +4 主要氧化数 -1.57 -1.43 -0.88 E0/MO2/M 1.30 1.33 1.54 电负性 654 660 658 I1/kJ?mol-1 79 80 68 M4+/pm 4602 4377 3287 沸点/?C 2227 1852 1660 熔点/?C [Xe]4f145d26s2 [Kr]4d25s2 [Ar]3d24s2 电子组态 72 40 22 原子序数 Hf Zr Ti 元素符号 铪 锆 钛 性质 用浓H2SO4煮沸、过滤 过滤、烘干、焙烧 煮沸 冷却、减压蒸发、过滤 钛铁矿(FeTiO3) FeSO4+TiOSO4 FeSO4 TiOSO4 H2TiO3 TiO2 FeTiO3 + 3H2SO4 ?Ti(SO4)2 + FeSO4 + 3H2O 钛的冶炼： 由于高温时, Ti和O, N 生成氧化物和氮化物, 熔融时, 和碳酸盐, 硅酸盐等形成碳化物和硅化物, 所以冶炼比较困难. Ti(SO4)2 + H2O ? TiOSO4 + H2SO4 TiOSO4 + 2H2O ? H2TiO3 + H2SO4 副产品 反应耦联: 将两个或两个以上的体系通过各种相互作用而彼此影响以至联系起来的现象叫作耦合。把一个不能自发进行的反应和另一个易自发进行的反应耦合，从而构成一个可以自发进行的反应，这种情况称之为反应的耦合 TiO2(s) + 2Cl2(g) = TiCl4(l) + O2(g) (1) ?G10 = + 152.3kJ?mol-1 0 反应非自发 (2) 2C(s) + O2(g) = 2CO(g) (2) ?G20 = -274 kJ?mol-1 0 反应自发 反应(1) + (2) : TiO2 (s) + 2Cl2(g) + 2C(s) = TiCl4 (l) + 2CO(g) ?G0 = ?G10 + ?G10 =152.3 +(-274) = -122 kJ?mol-1 0 反应自发 20.2.2 钛的重要化合物 1. 二氧化钛 TiO2有三种晶型，最重要金红石型。TiO2具有奇妙的光电性质，光催化研究热点。纯净的TiO2俗称钛白粉，是重要化工原料。用途广泛，除用作高级白色颜料外，还可用作白色橡胶、高级纸张等的填充剂，合成纤维的消光剂。又因TiO2的熔点很高(1800℃)，还常被用来制造耐火玻璃、耐高温的实验器皿、瓷釉、珐琅等。 T