天津大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)課件十三過(guò)渡元素（精品PPT）

1、2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)第一節(jié)過(guò)渡元素概述第一節(jié)過(guò)渡元素概述第十三章第十三章 過(guò)渡元素過(guò)渡元素第一節(jié)第一節(jié)過(guò)渡元素概述過(guò)渡元素概述2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)第二節(jié)鈦?zhàn)?、釩族元素第二節(jié)鈦?zhàn)濉⑩C族元素第十三章第十三章 過(guò)渡元素過(guò)渡元素第二節(jié)第二節(jié)鈦?zhàn)?、釩族元素鈦?zhàn)?、釩族元素2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)13-2-1 鈦?zhàn)濉⑩C族元素概述鈦?zhàn)?、釩族元素概述13-2-1 13-2-1 鈦?zhàn)濉⑩C族元素概述鈦?zhàn)?、釩族元素概述d區(qū)區(qū)BTiZrHfRf鈦鈦鋯鋯鉿鉿BVNbTaDb釩釩鈮鈮鉭鉭Rf、Db為人工合成放射性元素為人工合成放射性元素稀有金屬稀有金屬分散稀有元素分散稀有元素2022

2、-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)d區(qū)區(qū)BTiZrHfRf鈦鈦鋯鋯鉿鉿BVNbTaDb釩釩鈮鈮鉭鉭于于17891789年被發(fā)現(xiàn)，到年被發(fā)現(xiàn)，到19101910年才制得純鈦年才制得純鈦, , 其相對(duì)豐度比較高其相對(duì)豐度比較高, , 列第十位。含量比列第十位。含量比NiNi、CuCu、ZnZn、PbPb、SnSn、HgHg等常見(jiàn)元素還多。因等常見(jiàn)元素還多。因?yàn)樗y提煉為它難提煉, ,應(yīng)用晚應(yīng)用晚, ,所以稱稀有元素。所以稱稀有元素。 13-2-1 13-2-1 鈦?zhàn)?、釩族元素概述鈦?zhàn)?、釩族元素概述2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)鈦鈦(Ti)提取提取鈦礦比較分散，重要的礦石有：鈦礦比較分散，重要的礦石有： 金紅石金紅石(

3、 (TiO2) )、鈦鐵礦、鈦鐵礦( (FeTiO3 3) )、 釩鈦鐵礦釩鈦鐵礦( (攀枝花攀枝花) ) 通常采用通常采用TiO2 + 2C + 2Cl2 TiCl4 + 2CO9000CTiCl4 + 2Mg Ti + 2MgCl2 Ar氣氣、6000C2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)鈦鈦(Ti)具有光澤的銀白色金屬具有光澤的銀白色金屬密度小、硬度大，表面形成一層氧化密度小、硬度大，表面形成一層氧化物保護(hù)膜，抗腐蝕性強(qiáng)，可用來(lái)制造物保護(hù)膜，抗腐蝕性強(qiáng)，可用來(lái)制造超音速飛機(jī)、潛艇和化工設(shè)備超音速飛機(jī)、潛艇和化工設(shè)備為為“生物金屬生物金屬”, 易與肌肉生長(zhǎng)在一起，易與肌肉生長(zhǎng)在一起，可用作人工關(guān)節(jié)可

4、用作人工關(guān)節(jié)室溫下穩(wěn)定，高溫下可與許多非金屬室溫下穩(wěn)定，高溫下可與許多非金屬和水蒸氣反應(yīng)和水蒸氣反應(yīng)2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)鈦鈦(Ti)與與HNO3反應(yīng)，生成反應(yīng)，生成H2TiO3 室溫下能緩慢溶于濃室溫下能緩慢溶于濃HCl或熱、稀或熱、稀HCl Ti + 4HNO3 H2TiO3 +4NO2 + H2O 溶于溶于HF酸酸Ti + 6HF 2H+ + TiF62 + 2H2 2Ti + 6HCl 2TiCl3 + 3H2 2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)鋯鋯(Zr)、鉿、鉿(Hf)鋯用作耐腐蝕材料和反應(yīng)堆核燃元件鋯用作耐腐蝕材料和反應(yīng)堆核燃元件的外殼材料的外殼材料鉿用作反應(yīng)堆的控制棒鉿用作反應(yīng)堆的

5、控制棒鋯和鉿性質(zhì)相似，分離困難鋯和鉿性質(zhì)相似，分離困難分離方法目前主要有：分離方法目前主要有：1. 離子交換法離子交換法: 用強(qiáng)堿型酚醛樹(shù)脂用強(qiáng)堿型酚醛樹(shù)脂 R-N(CH3)3Cl- -作陰離子交換劑作陰離子交換劑2. 溶劑萃取法：用三辛胺萃取鋯的硫酸鹽溶劑萃取法：用三辛胺萃取鋯的硫酸鹽 +2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)釩釩(V)海洋生物、海參、海鞘等能從海水中攝海洋生物、海參、海鞘等能從海水中攝取釩，濃集到血液中，據(jù)測(cè)定，海參、取釩，濃集到血液中，據(jù)測(cè)定，海參、海鞘等燒成的灰分中，含釩量高達(dá)海鞘等燒成的灰分中，含釩量高達(dá)15% 具有光澤的銀灰色金屬，熔點(diǎn)高、硬度具有光澤的銀灰色金屬，熔點(diǎn)高、硬度

6、大，可以刻劃玻璃和石英大，可以刻劃玻璃和石英純釩富有延展性，但含大量雜質(zhì)時(shí)純釩富有延展性，但含大量雜質(zhì)時(shí), , 非非常脆，一敲就碎常脆，一敲就碎 在在地殼中分布分散，沒(méi)有富礦，幾乎所地殼中分布分散，沒(méi)有富礦，幾乎所有的鐵礦都含有釩有的鐵礦都含有釩 2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)釩釩(V)某些釩的化合物具有重要的生理作用，某些釩的化合物具有重要的生理作用，如膽固醇的生物合成如膽固醇的生物合成主要用作制造釩鋼，它具有強(qiáng)度大、彈主要用作制造釩鋼，它具有強(qiáng)度大、彈性好、抗磨損、抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)，用于汽性好、抗磨損、抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)，用于汽車、飛機(jī)等的制造車、飛機(jī)等的制造釩的化合物有毒，吸多了，會(huì)得肺水腫釩的化合物

7、有毒，吸多了，會(huì)得肺水腫常溫下不與堿、非氧化性酸作用，能溶常溫下不與堿、非氧化性酸作用，能溶于氫氟酸、濃硝酸、濃硫酸和王水于氫氟酸、濃硝酸、濃硫酸和王水2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)鈮鈮(Nb)、鉭、鉭(Ta)鈮是某些硬質(zhì)鋼的組成元素，特別是鈮是某些硬質(zhì)鋼的組成元素，特別是耐高溫的特種鋼耐高溫的特種鋼鉭具有低生理反應(yīng)和不被人體排斥性鉭具有低生理反應(yīng)和不被人體排斥性 能，用于制作修復(fù)骨骼的金屬板材、能，用于制作修復(fù)骨骼的金屬板材、 縫合神經(jīng)的絲和箔縫合神經(jīng)的絲和箔鈮和鉭性質(zhì)類似，分離困難鈮和鉭性質(zhì)類似，分離困難2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)13-2-2 鈦的重要化合物鈦的重要化合物13-2-2 13-2

8、-2 鈦的重要化合物鈦的重要化合物鈦鈦(Ti)價(jià)電子構(gòu)型價(jià)電子構(gòu)型3d24s2氧化數(shù)氧化數(shù)+4+3主要主要 化合物化合物TiO2 M(II)TiO3 TiOSO4 TiCl4TiCl32022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)二氧化鈦二氧化鈦(TiO2)鈦白鈦白性質(zhì)性質(zhì)純純TiO2是白色難熔固體，難溶于水是白色難熔固體，難溶于水有三種晶形有三種晶形, ,金紅石、銳鈦型、板鈦型金紅石、銳鈦型、板鈦型 兩性，以堿性為主兩性，以堿性為主TiO2 + 2NaOH(濃濃) Na2TiO3 + H2O 溶于濃堿溶于濃堿 難溶于稀酸，可溶于濃硫酸難溶于稀酸，可溶于濃硫酸TiO2 + H2SO4(濃濃) TiOSO4 + H

9、2O(硫酸氧鈦硫酸氧鈦)生成生成TiO2+, 而不是而不是Ti4+ 因?yàn)殡姾啥?、半徑小，極易水解因?yàn)殡姾啥唷霃叫?，極易水解 Ti4+ + H2O Ti(OH)3+ + H+ Ti(OH)3+ + H2O Ti(OH)2 + H+ -H2O TiO2+ 2+2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)二氧化鈦二氧化鈦(TiO2)鈦白鈦白性質(zhì)性質(zhì)純純TiO2是白色難熔固體，難溶于水是白色難熔固體，難溶于水有三種晶形有三種晶形, ,金紅石、銳鈦型金紅石、銳鈦型 、板鈦型、板鈦型 兩性，以堿性為主兩性，以堿性為主可溶于氫氟酸可溶于氫氟酸TiO2 + 6HF TiF62- + 2H+ + 2H2O化學(xué)性質(zhì)不活潑化學(xué)性質(zhì)

10、不活潑, 覆蓋能力強(qiáng)覆蓋能力強(qiáng)、折射率高折射率高、無(wú)毒，可制造高級(jí)白色油漆和白色顏料無(wú)毒，可制造高級(jí)白色油漆和白色顏料具有半導(dǎo)體性能，是光催化反應(yīng)常用的具有半導(dǎo)體性能，是光催化反應(yīng)常用的半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料是乙醇脫水、脫氫的催化劑是乙醇脫水、脫氫的催化劑2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)二氧化鈦二氧化鈦(TiO2)硫酸法硫酸法制取制取鈦鐵礦鈦鐵礦(FeTiO3)用濃用濃H2SO4煮沸、過(guò)濾煮沸、過(guò)濾 FeSO4+TiOSO4 煮沸煮沸H2TiO3FeSO4TiOSO4冷卻、減壓蒸發(fā)、過(guò)濾冷卻、減壓蒸發(fā)、過(guò)濾 過(guò)濾過(guò)濾、烘干烘干、焙燒焙燒TiO2FeTiO3+2H2SO4(濃濃) FeSO4+TiOSO

11、4+2H2O煮沸煮沸TiOSO4+2H2O H2TiO3 +H2SO4煮沸煮沸H2TiO3 TiO2 + H2O 焙燒焙燒2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)二氧化鈦二氧化鈦(TiO2)氯化法氯化法制取制取金紅石金紅石(TiO2)C+Cl2 粗粗TiCl4 凈化凈化 通通O2焙燒焙燒TiO2 TiCl4 + O2 TiO2 + 2Cl2焙燒焙燒TiO2 +2C +2Cl2 TiCl4 +2CO 2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)鈦酸鹽和鈦氧鹽鈦酸鹽和鈦氧鹽 鈦酸鹽大多難溶于水鈦酸鹽大多難溶于水如如 BaTiO3 是難溶于水的白色固體是難溶于水的白色固體 介電常數(shù)高介電常數(shù)高, 是最重要的壓電陶瓷材料是最重要的壓

12、電陶瓷材料硫酸氧鈦硫酸氧鈦(TiOSO4)為白色粉末為白色粉末可溶于冷水可溶于冷水Na2TiO3 + 2H2O H2TiO3 + 2NaOH TiOSO4 + 2H2O H2TiO3 + H2SO4 均易水解，生成白色偏鈦酸沉淀均易水解，生成白色偏鈦酸沉淀在水溶液中在水溶液中TiO2+以鋸齒狀長(zhǎng)鏈以鋸齒狀長(zhǎng)鏈(TiO)n 形形式存在式存在 Ti Ti Ti O O O O O Ti Ti Ti2n+2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)四氯化鈦四氯化鈦制取制取性質(zhì)：性質(zhì)：TiO2+2C+2Cl2 TiCl4+2CO高溫高溫1. 為易揮發(fā)的共價(jià)型化合物為易揮發(fā)的共價(jià)型化合物 2. .室溫下為無(wú)色液體，易揮發(fā)

13、，有刺激室溫下為無(wú)色液體，易揮發(fā)，有刺激 性氣味，性氣味，易溶于有機(jī)溶劑易溶于有機(jī)溶劑 3. .極易水解，在潮濕的空氣中冒白煙極易水解，在潮濕的空氣中冒白煙 TiCl4+3H2O H2TiO3 + 4HCl可用于制造煙霧可用于制造煙霧4. .是制備金屬鈦及其化合物的重要原料是制備金屬鈦及其化合物的重要原料, ,有機(jī)反應(yīng)催化劑有機(jī)反應(yīng)催化劑2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)三氯化鈦三氯化鈦(紫色紫色) 制取制取1. 在在500 800用氫氣還原干燥用氫氣還原干燥TiCl4氣體氣體2TiCl4 + H2 2TiCl3 + 2HCl 2. 將鈦溶于熱、濃將鈦溶于熱、濃HCl4Ti3+ +2H2O + O2

14、4TiO2+ + 4H+ 3. 在在HCl溶液中用溶液中用Zn還原還原Ti()2TiO2+ + 4H+ + Zn 2Ti3+ +Zn2+ 2H2O性質(zhì)：較強(qiáng)還原性，易被空氣氧化性質(zhì)：較強(qiáng)還原性，易被空氣氧化2Ti + 6H+ 2Ti3+ + 3H22022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)13-2-3 釩、鈮、鉭的重要化合物釩、鈮、鉭的重要化合物13-2-3 13-2-3 釩釩、鈮鈮、鉭的重要化合物鉭的重要化合物釩釩(V)價(jià)電子構(gòu)型價(jià)電子構(gòu)型3d34s2主要氧化數(shù)：主要氧化數(shù)：+5、+3、+2化合物具有各種美麗的顏色化合物具有各種美麗的顏色氧化數(shù)氧化數(shù) +1 +2 +3 +4 +5 顏顏 色色 棕棕 灰灰 黑

15、黑 藍(lán)藍(lán) 紅紅氧化物氧化物V2OVOV2O3VO2V2O52022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)五氧化二釩五氧化二釩(V2O5) 橙黃至磚紅色固體，無(wú)味、有毒橙黃至磚紅色固體，無(wú)味、有毒微溶于水微溶于水, 其水溶液呈淡黃色其水溶液呈淡黃色, 顯酸性顯酸性兩性，以酸性為主兩性，以酸性為主溶于冷、強(qiáng)堿溶于冷、強(qiáng)堿生成無(wú)色生成無(wú)色正釩酸根正釩酸根V2O5 + 6OH- - 2VO + 3H2O溶于熱、強(qiáng)堿溶于熱、強(qiáng)堿生成黃色生成黃色偏釩酸根偏釩酸根V2O5 + 2OH- - 2VO + H2O溶于強(qiáng)酸溶于強(qiáng)酸生成淡黃色生成淡黃色VO2+V2O5 + 2H+ + 2VO + H2O34322022-2-14無(wú)機(jī)化

16、學(xué)五氧化二釩五氧化二釩(V2O5) 橙黃至磚紅色固體，無(wú)味、有毒橙黃至磚紅色固體，無(wú)味、有毒微溶于水微溶于水, 其水溶液呈淡黃色其水溶液呈淡黃色, 顯酸性顯酸性兩性，以酸性為主兩性，以酸性為主中強(qiáng)氧化劑中強(qiáng)氧化劑在硫酸工業(yè)中用作催化劑，石油化工在硫酸工業(yè)中用作催化劑，石油化工中設(shè)備的緩蝕劑中設(shè)備的緩蝕劑V2O5 + 6H+ +2Cl- - 2VO2+ + Cl2 +3H2O藍(lán)色藍(lán)色V2O5還可被還原為低氧化態(tài)的氧化物還可被還原為低氧化態(tài)的氧化物 V2O5 VO2 V2O3 VO SO2 H2 H2橙黃色橙黃色 藍(lán)色藍(lán)色 黑色黑色 灰色灰色700 1 17002022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)釩酸鹽釩酸

17、鹽 不同氧化數(shù)釩的鹽具有不同的顏色不同氧化數(shù)釩的鹽具有不同的顏色VO2+V3+V2+VO4 3-VO2 +淺黃淺黃 黃黃 藍(lán)藍(lán) 綠綠 紫紫縮合性縮合性在一定條件下，向釩酸鹽溶液中加在一定條件下，向釩酸鹽溶液中加H+pH 12 12 10 9 2.2 200200 4MnO4 +4H+ 4MnO2 +3O2 +2H2O-2022-2-14無(wú)機(jī)化學(xué)錳錳() 鹽鹽KMnO4(灰錳氧灰錳氧) 性質(zhì)性質(zhì)4. 強(qiáng)氧化性強(qiáng)氧化性, 不同介質(zhì)被還原產(chǎn)物不同不同介質(zhì)被還原產(chǎn)物不同介質(zhì)介質(zhì)酸性酸性 中性或弱堿性中性或弱堿性強(qiáng)堿性強(qiáng)堿性被還原產(chǎn)物被還原產(chǎn)物 Mn2+MnO2 MnO4 2-酸性介質(zhì)酸性介質(zhì) SOSO3 3 過(guò)量過(guò)量 2MnO2MnO4 4 +6H+6H+ + + 5SO+ 5SO3 3 2Mn2Mn2+2+5SO+5SO4 4 +3H+3H2 2O O MnOMnO4 4 過(guò)量過(guò)量 2MnO2MnO4 4 +3Mn+3Mn2+ 2+ + 2H+ 2H2 2O O 5MnO5MnO2 2 +4H+4H+ + 2-2-2- -中性或弱堿性介質(zhì)中性或弱堿性介質(zhì) 2MnO4 +3SO3 +H2O 2MnO2 +3SO4 +2OH- -2-2-強(qiáng)堿性介質(zhì)強(qiáng)堿性介質(zhì) 2MnO4 +SO3 +2OH- - 2MnO4 +SO4