Титан, серная кислота и пероксид водорода. Titanium, sulfuric acid and hydrogen peroxide

Итак, попытка растворить титан в смеси концентрированной соляной кислоты и пергидроля не удалась: катион титана в растворе обнаружен не был (см. ч.3: Титан, соляная кислота и пероксид водорода. Titanium, hydrochloric acid and hydrogen peroxide [ссылка]). Зато у коллеги стоит колба, в которой он залил кусок титановой пластинки смесью разбавленной серной кислоты и пергидроля. Медленно, но верно раствор в ней окрасился в коричневый цвет, причем через неделю окраска стала довольно интенсивной (см. фото).

Титан, серная кислота и пероксид водорода Titanium, sulfuric acid and hydrogen peroxide

Решил повторить этот эксперимент с целью заснять его на видео. Если честно, я не был уверен, что опыт коллеги удастся успешно воспроизвести, поскольку здесь многое зависит от состояния поверхности титана, а я использовал не тот образец титана, с которым у коллеги получилось.

Взял несколько кусочков титановой проволоки и кусочек фольги - все это поцарапал перед опытом напильником (чтобы повредить оксидную пленку). В пробирке к 2-м частям воды добавил 1 часть концентрированной серной кислоты (по объему), перемешал, подождал, пока жидкость остынет. Поместил в пробирку титан. Естественно, никаких признаков реакции не было (и быть не должно). Добавил 2 части пергидроля, перемешал.

Наблюдалось слабое выделение газа (перекись водорода нестабильна, есть много веществ, которые ускоряют ее разложение - даже когда они содержатся в виде небольших примесей). Сначала больше ничего не происходило. Но примерно через 20 минут стало заметно, что возле поверхности титановой фольги образовалась тонкая желтая прослойка раствора. Именно так выглядит пероксидный комплекс титана при низкой концентрации. Сначала я решил, что это мне показалось (мы часто видим именно то, что хотим видеть), но вскоре стало очевидно, что окраска действительно есть. За один час желтая зона расширилась, она уже была не только у поверхности титана, но окраска все еще была светло-желтой. Перемешал содержимое пробирки.

Через два часа раствор локально окрасился в желто-коричневый цвет, но даже через четыре часа раствор был окрашен преимущественно в нижней части пробирки, сверху жидкость оставалась практически бесцветной. Через 7 часов снизу раствор был желто-коричневым, в средней части пробирки - желтым, сверху - бесцветным. Через 19 часов (на следующий день) раствор в нижней части пробирки был красно-коричневым, в средней и верхней части - желтым. Все это время постепенно выделялись пузырьки газа. Чтобы раствор в пробирке стал визуально-однородным, понадобилось больше трех суток, при этом раствор приобрел интенсивный красно-коричневый цвет. Выделение пузырьков кислорода прекратилось.

Таким образом, смесь разбавленной серной кислоты и пергидроля растворяет титан, хотя и достаточно медленно. В результате реакции образуется пероксидный комплекс титана.

Titanium, sulfuric acid and hydrogen peroxide Download the Video / Скачать Видео (128 Мб, .avi )

Комплекс: титан - пероксид водорода (эксперименты). Разложение комплекса аммиаком при нагревании
Titanium - hydrogen peroxide complex (experiments). Destruction of complex by ammonia at heating

После прошлого эксперимента у нас осталась пробирка с коричневым раствором комплекса титан - пероксид водорода. Кроме всего прочего данный комплекс - растворимое соединение титана. А таким добром лучше не разбрасываться. Как мы убедились из предыдущих частей статьи, растворимые соединения титана получить не так просто: и металлический титан, и его диоксид переходят в раствор в жестких условиях. Это не цинк, и даже не алюминий.

Какие можно провести эксперименты с пероксидным комплексом титана? Попробуем осадить из него гидроксид титана (IV) [его также называют "α-титановая кислота", или "ортотитановая кислота"]. Я налил в стакан избыток концентрированного раствора аммиака и стал по каплям прибавлять к нему раствор комплекса титана. Раствор в стаканчике остался бесцветным, выделились пузырьки газа, но осадок гидроксид титана (IV) , TiO₂·nH₂O так и не выпал. Добавил еще порции комплекса, убедился, что раствор в стаканчике имеет по-прежнему щелочную реакцию (по запаху аммиака и цвету универсальной индикаторной бумажки), подождал: все без изменений. Немного выделялись пузырьки газа - и все.

Пузырьки газа свидетельствовали о разложении перекиси водорода в щелочной среде, плюс перекись водорода постепенно окисляет аммиак в растворе - эти процессы должны привести к израсходованию перекиси водорода в растворе, и как результат - к разрушению комплекса перекись водорода - титан. В результате должен выпасть осадок гидроксида титана (IV). Прошло 10 минут, но ни намека на осадок не было. Пероксотитановая кислота H₄TiO₅ [или Ti(OH)₃O-OH] превратилась в аммониевую соль - только и всего. Но сам комплексный анион остался незатронутым.

Перекись водорода разлагается в щелочной среде, но в присутствии титана скорость этого процесса замедляется, поэтому осадок сразу не выпал. Вспомнил аналогичный случай с соединениями титана, с которым я сталкивался на бывшей работе. Синтез силиката титана, который потом использовался в качестве сорбента (неорганический ионит). Я даже видео в журнале выложил (см. статью Лаборатории неорганического синтеза (сорбенты) [ссылка]), только не дал к нему описание, поскольку методика была не моя, и она должна была войти в диссертацию аспирантки. Сейчас прошло несколько лет, поэтому "секрет" явно потерял актуальность. А описание такое.

К водному раствору хлорида титана (IV) добавляли перекись водорода (пергидроль) - образовывался характерный пероксидный комплекс. Потом к этому комплексу добавляли раствор жидкого стекла (силикаты натрия и калия) - осадок не выпадал.

Обратите внимание: если к раствору хлорида титана (или другой соли титана (IV)) добавить силикаты натрия и калия, осадок выпадает моментально, поскольку силикат титана практически не растворим в воде. Но в присутствии перекиси водорода осадок сразу не выпадал, поскольку пероксид-анион связывал титан в прочный комплекс. Чтобы его разрушить, раствор нагревали при перемешивании на электрической плитке. В результате со временем выпадал осадок аморфного силиката титана, который дальше подвергали гидротермальной обработке. Аморфный продукт становился полу-кристаллическим. Для успеха синтеза было важно, чтобы после добавления к пероксидному комплексу титана жидкого стекла образовался однородный раствор без осадка: осадок силиката титана должен выпасть при последующем нагревании (минут через 5-10).

У нас все аналогично, только вместо силиката титана нужно осадить из раствора гидроксид титана. Для этого раствор аммиака, в который мы добавили пероксидный комплекс титана, нужно просто нагреть.

Взял металлическое кольцо от штатива, примотал к нему стальную проволоку, поместил сверху крышку от консервной банки. Крышку опалил горелкой - чтобы сжечь все, что горит. Все это было нужно, чтобы нагреть стаканчик с раствором в пламени. Поставил сверху стакан, стал греть его в слабом пламени горелки Бунзена. Раствор закипел (частично это было кипение воды, частично - разложение перекиси на воду и кислород). Раствор кипел, но оставался прозрачным и бесцветным - осадок на первых порах не образовался. Зато брызги раствора, испаряясь на стекле, оставляли белый след: было ясно, что осадок вскоре выпадет. Через две минуты раствор начал мутнеть, еще через несколько секунд стал молочно-белым. Выпал осадок гидроксида титана (IV), он же - титановая кислота, если так больше нравится. Белый, гелеобразный осадок, внешне похожий на гидроксид алюминия.

При кипячении в щелочной растворе пероксид разрушился, а вместе с ним - и пероксидный комплекс титана. Выпал осадок гидроксида титана (IV).

Внимательный читатель спросит: мы добавили раствор, содержащий титан (IV) к избытку щелочи, в результате осадка не выпало - пока раствор не нагрели. Т.е. титан в растворе был, но аммиак его не осадил.

Но в третьей части статьи при аналогичных обстоятельствах осадок гидроксида титана тоже не выпал - в результате был сделан вывод, что металлический титан не растворился в смеси соляная кислота - перекись водорода, т.к. в растворе не обнаружено катионов титана (см. Титан, соляная кислота и пероксид водорода. Titanium, hydrochloric acid and hydrogen peroxide [ссылка]). Может быть, и в том случае титан был в растворе, но пероксид удержал его от осаждения в виде гидроксида? Дело в том, что в конце опыта с соляной кислотой пероксид водорода в растворе отсутствовал - он прореагировал с соляной кислотой - в этом можно было легко убедиться, если добавить в раствор любой катализатор разложения перекиси (кислород не выделялся). А без комплексообразователей (перекиси водорода и др.) титан легко осаждается щелочью.

Да и само отсутствие оранжевого (коричневого) цвета раствора - тоже показатель (напомню, после обработки титана смесью соляной кислоты и пергидроля раствор, в конечном счете, стал бесцветным). Ведь образование пероксидного комплекса характерного цвета используется как качественная реакция, и на титан, и на перекись водорода.

Titanium - hydrogen peroxide complex (experiments) Destruction of complex by ammonia at heating Download the Video / Скачать Видео (109 Мб, .avi )

Гидроксид титана (IV), азотная кислота и пероксид водорода
Titanium (IV) hydroxide, nitric acid and hydrogen peroxide

В результате разложения комплекса титана и перекиси водорода при кипячении в среде аммиака образовался гелеобразный осадок гидроксида титана (IV), TiO₂·nH₂O. Его можно легко превратить в исходный комплекс.

Для этого я добавил к осадку концентрированную азотную кислоту (небольшими порциями при перемешивании). Осадок быстро растворился. Образовался бесцветный раствор нитрата титанила. - Раствор соли титана есть.

Теперь добавим к нему перекись водорода - раствор станет оранжево-коричневым (я использовал пергидроль, но подойдет и аптечная 3%-я перекись). Это характерный цвет пероксидного комплекса титана.

Таким образом, мы перевели гидроксид титана в раствор (в форме нитрата титанила), а затем получили из него пероксидный комплекс. Обратите внимание, что легко растворяется в кислотах только свежеосажденный гидроксид титана TiO₂·nH₂O, высушенный и прокаленный диоксид титана таким свойством не обладает. Чтобы перевести его в растворимую форму, нужно нагревание с концентрированной серной кислотой (подробнее - см. вторую часть статьи Сульфат титанила и перекись водорода [пероксидный комплекс титана (IV)]. Titanyl sulfate and hydrogen peroxide (titanium (IV) - hydrogen peroxide complex) [ссылка]).

Titanium (IV) hydroxide, nitric acid and hydrogen peroxide Download the Video / Скачать Видео (50 Мб, .avi )

Комплекс: титан - пероксид водорода. Разложение комплекса едким кали
Titanium - hydrogen peroxide complex. Destruction of complex by potassium hydroxide

Итак, мы снова получили комплекс титана (IV) с пероксидом водорода. Как можно видеть из позапрошлой части статьи, данный комплекс разлагается при нагревании с раствором аммиака с образованием осадка гидроксида титана (IV). А как действуют на него другие щелочи, например, едкое кали?

После прошлого опыта в стаканчике остался раствор комплекса с избытком азотной кислоты. Стал добавлять к нему раствор едкого кали - небольшими порциями при периодическом перемешивании. Раствор грелся (это было видно по образованию "пара"), выделялся газ (в едком кали была примесь карбоната, которая давала с кислотой углекислый газ), но реакция раствора все еще оставалась кислой. Добавил несколько гранул твердого едкого кали, перемешал. Желто-коричневая окраска комплекса исчезла. После окончания активного выделения газа раствор стал бело-мутным (сначала выделялся углекислый газ из карбоната калия, потом - кислород от разложения перекиси водорода). Реакция раствора по универсальному индикатору - щелочная.

Таким образом, комплекс начал разлагаться, что вызвало осаждение гидроксида титана. Добавил еще несколько гранул KOH. В результате сначала выделился газ, а когда образование пузырьков замедлилось, стало заметно образование хлопьев гидроксида титана (IV), TiO₂·nH₂O.

Несколько минут нагревал содержимое стакана до бурного кипения с помощью газовой горелки, в результате образование хлопьев стало заметно более четко. Но, по-видимому, в нагреве не было необходимости.

Titanium - hydrogen peroxide complex. Destruction of complex by potassium hydroxide Download the Video / Скачать Видео (111 Мб, .avi )

<Титан, Цирконий, Гафний>

<Химические вулканы и Фараоновы змеи ч.2> <Химические вулканы ч.1> < Опыты со щелочными металлами > < Опыты со щелочными металлами 1 > [Эксперименты с ацетиленом] [Эксперименты с ацетиленом, метаном, пропаном и бутаном] [Эксперименты с ацетиленом, метаном, пропаном и бутаном 2] <Эксперименты с пропан-бутановой смесью 1> <Эксперименты с пропан-бутановой смесью 2> <Эксперименты с фосфором ч.1> <Эксперименты с фосфором ч.2> <Эксперименты с водородом 1> <Эксперименты с водородом 2> <Эксперименты с водородом 3> <Хлористый азот (трихлорид азота). Иодистый азот (нитрид иода)> <Перекись ацетона, ГМТД, органические перекиси> <Черный порох> <Кумулятивный эффект (№5 2011)> <Нитроглицерин, Этиленгликольдинитрат, Нитроэфиры, Нитропроизводные> <Огонь от капли воды (№1 2012)> <Огонь на ладони (Холодный огонь)> <Ртуть, Амальгамы, Соединения Ртути>
<Титан, Цирконий, Гафний (Обсудить на форуме)> [Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]