§ 31. Титан и хром

Определения и обозначения

Титан — переходный металл побочной подгруппы IV группы периодической системы, символ Ti, атомный номер 22. Для него характерна степень окисления +4, встречаются также +3 и +2. Положение в таблице помогает понять, почему титан образует разные соединения и почему его свойства важны для сплавов и защитных материалов.

Хром — переходный металл побочной подгруппы VI группы, символ Cr, атомный номер 24. Наиболее характерны степени окисления +2, +3 и +6, причём устойчивость и химические свойства соединений при этих значениях различаются. Это обозначение позволяет предсказывать состав соединений хрома и понимать, может ли вещество быть окислителем.

Пассивирование — образование на поверхности металла плотной защитной плёнки, затрудняющей его дальнейшую реакцию с окружающей средой. Плёнка возникает при взаимодействии металла, например, с кислородом и изолирует его от воды и других реагентов. Понятие объясняет, почему некоторые активные металлы медленно разрушаются на воздухе.

Нержавеющая сталь — железный сплав с хромом, обладающий повышенной устойчивостью к коррозии благодаря защитному поверхностному слою. Хром помогает сформировать плёнку, которая ограничивает контакт железа с влагой и кислородом. Это определение важно при выборе материала для посуды, оборудования и конструкций, работающих во влажной среде.

Как это устроено

Титан и хром относятся к переходным металлам, поскольку в их атомах заполняются d-подуровни. Электроны внешних и близких к внешним энергетических уровней могут участвовать в образовании связей, поэтому металлы проявляют переменные степени окисления. Так, хром образует соединения Cr(II), Cr(III) и Cr(VI), свойства которых не совпадают. У титана в устойчивых соединениях особенно часто встречается +4.

Устойчивость титана к коррозии не означает, что он химически инертен. На воздухе его поверхность реагирует с кислородом, образуя тонкий плотный слой оксида, главным образом TiO₂. Эта плёнка плохо пропускает кислород и воду к лежащему под ней металлу и тем самым тормозит дальнейшее окисление. Если слой нарушен, на открытом участке при наличии кислорода может образоваться новая защитная плёнка.

Хром также пассивируется: на его поверхности формируется тонкий слой оксида, который препятствует продолжению реакции с окружающей средой. Это свойство используют при хромировании, когда покрытие помогает защитить изделие от коррозии и придаёт поверхности характерный блеск. Хром добавляют и в сталь: он способствует появлению защитного слоя на сплаве. Однако стойкость зависит не только от наличия хрома, но и от состава стали и условий эксплуатации.

При нагревании защитное действие плёнки не мешает металлам вступать в реакции с неметаллами. Титан соединяется с кислородом, галогенами и другими неметаллами, а хром при подходящих условиях реагирует, например, с хлором и кислородом. Реакционная способность зависит от температуры и состояния поверхности: нагревание помогает преодолеть барьер, создаваемый оксидным слоем. Поэтому коррозионная стойкость в обычных условиях не равна полной химической инертности.

Поведение металлов в кислотах тоже определяется условиями и пассивированием. Если поверхность хрома активна, разбавленная серная кислота может окислять металл до Cr(II), при этом выделяется водород; защитная плёнка способна замедлить реакцию. Титан устойчив ко многим средам благодаря оксиду, однако в подходящих условиях взаимодействует с кислотами. У соединений хрома Cr(III) обычно проявляются основные или амфотерные свойства, а соединения Cr(VI), например хроматы и дихроматы, имеют кислотный характер и выступают окислителями.

Сравнение титана и хрома

Сравнивайте металлы по одной строке: так проще отделить физические свойства от химических и практических. Особенно полезно сопоставить поведение на воздухе с реакциями при нагревании: защитная плёнка замедляет коррозию, но не отменяет реакционную способность. В строке о хроме учитывайте, что свойства соединения зависят от его степени окисления.

Разбор задач

1. Титан и кислород

Условие. Запишите уравнение реакции титана с кислородом при нагревании и укажите степень окисления титана в продукте. Для выбора формулы используем характерную степень окисления Ti(+4), а кислород в оксиде имеет −2.

1. Чтобы суммарный заряд соединения был равен нулю, одному атому Ti(+4) соответствуют два атома O(−2). Формула оксида — TiO₂.
2. Записываем схему Ti + O₂ → TiO₂. Число атомов кислорода уже одинаково по обе стороны, поэтому коэффициенты не нужны.
3. Проверяем степени окисления: кислород получает −2, а титан — +4. Это соответствует нейтральной формуле TiO₂.

Ответ: Ti + O₂ → TiO₂; степень окисления титана в продукте +4.

2. Хром с хлором и разбавленной серной кислотой

Условие. Составьте уравнения реакций хрома с хлором и разбавленной серной кислотой, считая, что хром нагревают в хлоре, а во втором опыте его поверхность активна и реакция идёт. Условия важны: неповреждённая пассивная плёнка может затормозить взаимодействие хрома с кислотой.

1. В реакции с хлором образуется хлорид хрома(III), CrCl₃. Записываем схему Cr + Cl₂ → CrCl₃.
2. Уравниваем атомы: 2Cr + 3Cl₂ → 2CrCl₃. Хром переходит из 0 в +3, хлор — из 0 в −1.
3. Для разбавленной H₂SO₄ при заданном условии выбираем соль хрома(II) и водород: Cr + H₂SO₄ → CrSO₄ + H₂↑. Уравнение уже уравнено; Cr повышает степень окисления от 0 до +2, а водород восстанавливается от +1 до 0.

Ответ: 2Cr + 3Cl₂ → 2CrCl₃; Cr + H₂SO₄ → CrSO₄ + H₂↑. При сохранённой пассивной плёнке скорость реакции с кислотой может быть очень низкой.

3. Расчёт массы оксида хрома(III)

Условие. Найдите массу Cr₂O₃, образовавшегося при сгорании заданной массы хрома m(Cr) в избытке кислорода. Поскольку числовая масса в условии не указана, запишем решение через m(Cr); после подстановки конкретного значения получится численный ответ.

1. Записываем и уравниваем реакцию: 4Cr + 3O₂ → 2Cr₂O₃. Коэффициенты показывают, что 4 моль Cr дают 2 моль Cr₂O₃.
2. Количество вещества хрома находим по формуле n(Cr) = m(Cr)/M(Cr), где M(Cr) ≈ 52 г/моль. По уравнению n(Cr₂O₃) = n(Cr)/2.
3. Вычисляем молярную массу оксида: M(Cr₂O₃) = 2·52 + 3·16 = 152 г/моль. Тогда m(Cr₂O₃) = n(Cr₂O₃)·152 = m(Cr)·152/(2·52).

Ответ: m(Cr₂O₃) = 1,46·m(Cr), если обе массы выражены в одинаковых единицах. Для заданной числовой массы хрома подставьте её вместо m(Cr) и округлите результат по условию задачи.

Типичные ошибки

Считать титан и хром совершенно инертными из-за коррозионной стойкости. Устойчивость в обычных условиях объясняют защитные плёнки, а не невозможность реакции. Путаница возникает, если коррозионную стойкость принимают за химическую пассивность при любых условиях. Проверьте себя: вспомните реакции этих металлов с неметаллами при нагревании.

Приписывать хрому только одну степень окисления. Хром образует соединения с +2, +3 и +6, свойства которых заметно различаются. Ошибка часто появляется, когда знакомство ограничивается одним примером вещества. Проверка простая: перед тем как характеризовать соединение, определите степень окисления хрома в формуле.

Путать пассивирование с полным отсутствием реакции. Плёнка лишь затрудняет доступ реагента к металлу и замедляет дальнейшее взаимодействие; она не делает металл неспособным реагировать. Такое заблуждение возникает из-за слишком буквального понимания слова «защищает». Проверьте себя: укажите, что именно создаёт барьер и при каких условиях металл всё же вступает в реакцию.

Считать любой сплав железа с хромом нержавеющей сталью. Стойкость определяется составом сплава и условиями, в которых он используется. Сам факт добавления хрома не гарантирует одинаковой защиты во всех средах. Проверяйте, что речь идёт о подходящем составе стали, а не о любом железо-хромовом сплаве.

Связь с другими темами

Для понимания свойств титана и хрома понадобятся знания о переходных элементах, положении элементов в периодической системе и степенях окисления. Составляя уравнения реакций, важно уметь определять окислитель и восстановитель и расставлять коэффициенты электронным балансом. Сведения о соединениях Cr(VI) пригодятся при изучении окислителей, хроматов и дихроматов. Пассивирование помогает сравнивать коррозионную стойкость металлов и сплавов, а также объяснять, почему состав материала влияет на срок его службы.

Что запомнить

• Титан и хром — переходные металлы с переменными степенями окисления.
• Коррозионную стойкость титана и хрома обеспечивает защитная оксидная плёнка.
• При нагревании титан и хром взаимодействуют со многими неметаллами.
• Свойства соединений хрома зависят от его степени окисления.
• Соединения Cr(III) и Cr(VI) различаются по химическим свойствам.
• Хром входит в состав нержавеющих сталей и применяется для защитных покрытий.