在鈦的化合物中,以+Ⅳ氧化態(tài)最穩(wěn)定,在強還原劑作用下,也可呈現(xiàn)+Ⅲ和+Ⅱ氧化態(tài),但不穩(wěn)定。
二氧化鈦為白色粉末,不溶于水,也不溶于稀酸,但能溶于氫氟酸和熱的濃硫酸中。
TiO2+6HF=H2[TiF6]+2H2O
TiO2+2H2SO4=Ti(SO4)2+2H2O
TiO2+H2SO4=TiOSO4+H2O
但實際上并未能從溶液中析出Ti(SO4)2,而是析出TiOSO4·H2O的白色粉末。這是因為Ti4+離子的電荷半徑比值(即Z/r)大,容易與水反應,經(jīng)水解而得到TiO2+離子。鈦酰離子常成為鏈狀聚合形式的離子(TiO)n2n+,如固態(tài)的TiOSO4·H2O中的鈦酰離子就是這樣。
TiO2是一種優(yōu)良的白色顏料,可以制造高級白色油漆,在工業(yè)上稱二氧化鈦為鈦白。TiO2在造紙工業(yè)中可用作填充劑,人造纖維中作消光劑。它還可用于生產(chǎn)硬質(zhì)鈦合金、耐熱玻璃和可以透過紫外線的玻璃。在陶瓷和搪瓷中,加入TiO2可增強耐酸性。此外,TiO2在許多化學反應中用作催化劑,如乙醇的脫水和脫氫等。
二氧化鈦的水合物——TiO2·xH2O(也常寫成H2TiO4或Ti(OH)4)稱為鈦酸。這種水合物既溶于酸也溶于堿而具有兩性。與強堿反應得堿金屬偏鈦酸鹽的水合物。無水偏鈦酸鹽可由TiO2與堿金屬的碳酸鹽熔融而制得,如TiO2與BaCO3一起熔融(加入BaCl2或Na2CO3作助熔劑),便得偏鈦酸鋇。
TiO2+BaCO3=BaTiO3+CO2↑
人工制得的BaTiO3具有高的介電常數(shù),由它制成的電容器具有較大的容量。
鈦的鹵化物中最重要的是四氯化鈦。它是無色液體,熔點為250K,沸點409K。有刺激性氣味,它在水中或潮濕空氣中都極易水解,因此,四氯化鈦暴露在空氣中會發(fā)煙。
TiCl4+3H2O=H2TiO3+4HCl
如果溶液中有一定量的鹽酸時,TiCl4僅發(fā)生部分水解,生成氯化鈦酰TiOCl2。
鈦(Ⅳ)的鹵化物和硫酸鹽都易形成配合物。如鈦的鹵化物與相應的鹵化氫或它們的鹽生成M2[TiX6]配合物。
TiCl4+2HCl(濃)= H2[TiCl6]
這種配酸只存在于溶液中,若加入NH4+離子,則可析出黃色的(NH4)2[TiCl6]晶體。鈦的硫酸鹽與堿金屬硫酸鹽也可生成M2[Ti(SO4)3]配合物,如K2[Ti(SO4)3]。
在中等酸度的鈦(Ⅳ)鹽溶液中,加入H2O2,可生成較穩(wěn)定的桔黃色的[TiO(H2O2)]2+。
TiO2++H2O2=[TiO(H2O2)]2+
利用此反應可進行鈦的定性檢驗和比色分析。
用鋅處理鈦(Ⅳ)鹽的鹽酸溶液,或?qū)⑩伻苡跓釢恹}酸中得到三氯化鈦的水溶液,濃縮后,可以析出紫色的六水合三氯化鈦TiCl3·6H2O晶體,其化學式應為[TiCl2(H2O)6]Cl。
2TiCl4+Zn=2TiCl3+ZnCl2
2Ti+6HCl=2TiCl3+3H2
如果在這濃溶液中加入乙醚,并通入氯化氫至飽和,可以由綠色的乙醚溶液中得到綠色的六水合三氯化鈦晶體,紫色的和綠色的TiCl3·6H2O是不同的異構體。綠色的TiCl3·6H2O的組成可能為[TiCl(H2O)5]Cl2·H2O。
如將干燥的氣態(tài)四氯化鈦和過量的氫氣在灼熱管中還原可以得到紫色粉末狀三氯化鈦。
2TiCl4+H2=2TiCl3+2HCl
三氯化鈦在高于723K時,于真空中歧化為二氯化鈦和四氯化鈦。在更高的溫度下,不揮發(fā)的TiCl2會進一步歧化。
2TiCl3(s)→(723K)TiCl4(g)+TiCl2(s)
2TiCl2(s)→(973K)Ti(s)+TiCl4(g)
Ti(Ⅲ)離子是一個強還原劑(比Sn2+稍強)。
TiO2++2H++e-→Ti3++H2O E°=0.1V
鈦(Ⅲ)鹽非常容易被空氣或水所氧化。
利用鈦(Ⅲ)離子的還原性,可以測定溶液中鈦的含量。例如,在Ti(Ⅳ)的硫酸溶液中,在隔絕空氣的情況下,金屬鋁片可使溶液中的Ti(Ⅳ)還原為Ti3+離子。
6Ti(SO4)2+2Al=3Ti2(SO4)3+Al2(SO4)3
溶液中的Ti3+計可以用Fe3+為氧化劑進行滴定,其反應為:
Ti2(SO4)3+Fe2(SO4)3=2Ti(SO4)2+2FeSO4
溶液中加KSCN為指示劑。當加入稍過量的Fe3+離子時,F(xiàn)e3+離子即與SCN-離子生成紅色的K3[Fe(SCN)6],表示反應已達終點。在有機化學中還可用以測定硝基化合物的含量,因為它可將硝基化合物還原為胺。
RNO2+4Ti3++2H2O→RNH2+4TiO2++2H+
更強的還原劑可以將Ti3+還原成Ti2+離子,但Ti2+離子更不穩(wěn)定。