Атомы элементов 4(IVb) группы
| Элемент | Ti | Zr | Hf | Rf |
|---|---|---|---|---|
| Порядковый номер | 22 | 40 | 72 | 104 |
| Атомная масса (относительная) | 47,867 | 91,224 | 178,49 | 267 |
| Плотность (н.у.), г/см3 | 4,54 | 6,51 | 13,31 | |
| tпл, °C | 1667 | 1857 | 2230 | |
| tкип, °C | 3285 | 4200 | 5200 | |
| Энергия ионизации, кДж/моль: I II III IV |
658,99 1312,2 2653,3 4177,8 |
639,70 1264,0 2219,2 3319,1 |
658,03 1437,6 2248,1 3213,0 |
|
| Электронная формула | [Ar]3d24s2 | [Kr]4d25s2 | [Xe]4f145d26s2 | [Rn]5f146d27s2 |
| Электроотрицательность (по Поллингу) | 1,54 | 1,33 | 1,30 |
Электронные формулы инертных газов:
- He - 1s2;
- Ne - 1s22s22p6;
- Ar - 1s22s22p63s23p6;
- Kr - [Ar]3d104s24p6;
- Xe - [Kr]4d105s25p6;
- Получение и применение Ti, Zr, Hf
- Физические и химические свойства
- Оксиды и гидроксиды
- Соли
- Галогениды
В 4 группу (IVb группу по старой классификации) периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева входят 4 элемента: титан, цирконий, гафний, резерфордий (см. таблицу выше). Это, так называемые, d-элементы, являются металлами, титан, цирконий и гафний имеют несколько природных изотопов, некоторые из которых являются радиоактивными с большими периодами полураспада. Резерфордий в природе не встречается, период полураспада наиболее долгоживущего изотопа резерфордия составляет всего 65 секунд.
Самым распространенным в природе элементом 4-й группы является титан (0,63% по массе), занимающий 9-е место среди всех элементов; далее идут цирконий (0,016%) и гафний (0,0003%). Резерфордий в природе не встречается. Все нерадиоактивные элементы 4-й группы в природе находятся только в виде соединений, наиболее значимыми из которых являются:
- минералы титана: рутил TiO2, ильменит FeTiO3, перовскит CaTiO3;
- минералы циркония: бадделеит ZrO2, циркон ZrSiO4;
- гафний является рассеянным элементом и встречается в виде примеси к соединениям циркония, единственным минералом, где присутствует гафний, является гафнон HfSiO4, в сростках с цирконом ZrSiO4
Первым титан открыл англичанин У. Грегор в 1791 году, обнаружив новый элемент в ильмените FeTiO3. Четырьмя годами позднее то же самое сделал немец М. Клапорт, обнаруживший титан в рутиле TiO2. С "легкой руки" Клапорта новый элемент получил название титан в честь доолимпийских богов титанов, которые были низвергнуты в Тартар Зевсом за непокорность.
Цирконий был открыт Клапортом еще ранее титана - в 1789 году, и свое название получил за характерный блеск минерала циркона ZrO2, в котором и был обнаружен (цирконий, значит "золотистый" на арабском).
Гафний был открыт гораздо позже - в 1922 году этот металл был выделен из циркониевой руды в Копенгагене. Сделали это голландец Д. Костер и венгр Г. Хевеши, которые на тот момент работали в лаборатории Нильса Бора. Свое название элемент получил в честь древнеримского поселения Hafnia, на месте которого расположен нынешний Копенгаген.
Резерфордий самый "молодой" элемент 4 группы. Впервые его получили советские ученые в 1964 году. Изначально открытый элемент предлагалось назвать курчатовий в честь академика И. В. Курчатова, однако, комиссия IUPAC присвоила название резерфордий.
Атомы элементов 4 группы в основном состоянии имеют конфигурацию (n-1)d2ns2. Только титан является активным элементом, остальные элементы 4-й группы достаточно инертны и "неохотно" вступают в реакции с другими веществами. Энергия связи ns-электронов с ядром атома уменьшается в ряду от титана к цирконию, что обусловливает снижение суммарной энергии ионизации.
Атомный радиус элементов существенно увеличивается от титана к цирконию, по причине увеличения кол-ва электронных слоев. Но, появление у гафния электронов на шестом энергетическом уровне не приводит к дальнейшему увеличению роста радиуса атома, поскольку при заполнении 4f-оболочки происходит сжатие электронных слоев, так называемое "лантаноидное сжатие", поэтому атомные радиусы циркония и гафния мало отличаются, что проявляется значительным сходством свойств этих элементов и затрудняет их разделение.
Наиболее характерной степенью окисления для атомов элементов 4-й группы является +4 (см. Таблицу степеней окисления).
Почти все соединения элементов 4-й группы (кроме фторидов и оксидов) являются ковалентными, в них отсутствуют ионы Ti+4, Zr+4, Hf+4.
От титана к гафнию устойчивость соединений, имеющих высшую степень окисления, увеличивается - для титана устойчивыми являются соединения TiO, Ti2O3, TiO2 и фториды TiF2, TiF3, TiF4, для циркония и гафния - ZrO2, HfO2, ZrF4, HfF4.
Склонность к соединениям с более низкими степенями окисления выше у титана. Соединения титана (III) - акваионы, присутствуют в кислых водных растворах, из которых выделены сульфаты и галогениды. Соединения циркония и гафния (III) в водных растворах не существуют, поскольку легко окисляются водой.
ОснОвные и восстановительные свойства соответствующих соединений возрастают с понижением степени окисления - гидроксид титана Ti(OH)3 более сильное основание нежели гидратированный оксид титана (IV).
