Открытие TiO 2 сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, 1789), выделил новую "землю" (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 г. немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном, позднее установил, что рутил и менакеновая земля - оксиды одного и того же элемента. Первый образец металлического титана получил в 1825 году Й. Я. Берцелиус. Чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 термическим разложением паров иодида титана TiI 4

Физические свойства:

Титан - легкий серебристо-белый металл. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере.
Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

Химические свойства:

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей пленкой оксида, коррозионностоек, но при измельчении в порошок горит на воздухе. Титановая пыль может взрываться (температура вспышки 400°С). При нагревании на воздухе до 1200°C титан сгорает с образованием оксидных фаз переменного состава TiO x .
Титан устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме HF, H 3 PO 4 и концентрированной H 2 SO 4), однако легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой HF образует комплексный анион 2- .
При нагревании титан взаимодействует с галогенами. С азотом выше 400°C титан образует нитрид TiN x (x=0,58-1,00). При взаимодействии титана с углеродом образуется карбид титана TiC x (x=0,49-1,00).
Титан поглощает водород, образуя соединения переменного состава TiH x . При нагревании эти гидриды разлагаются с выделением H 2 .
Титан образует сплавы со многими металлами.
В соединениях титан проявляет степени окисления +2, +3 и +4. Наиболее устойчива степень окисления +4.

Важнейшие соединения:

Диоксид титана , ТiO 2 . Белый порошок, желтый в нагретом состоянии, плотностъ 3,9-4,25 г/см 3 . Амфотерен. В концентрированной Н 2 SO 4 растворяется лишь при длительном нагревании. При сплавлении с содой Na 2 CO 3 или поташом K 2 CO 3 оксид TiO 2 образует титанаты:
TiO 2 + K 2 CO 3 = K 2 TiO 3 + CO 2
Гидроксид титана(IV) , TiO(OH) 2 *xH 2 O, осаждается из растворов солей титана, его осторожным прокаливанием получают оксид TiO 2 . Гидроксид титана(IV) амфотерен.
Тетрахлорид титана , TiCl 4 , при обычных условиях - желтоватая, сильно дымящая на воздухе жидкость, что объясняется сильным гидролизом TiCl 4 парами воды и образованием мельчайших капелек HCl и взвеси гидроксида титана. Кипящей водой гидролизуется до титановой кислоты(??). Для хлорида титана(IV) характерно образование продуктов присоединения, например TiCl 4 *6NH 3 , TiCl 4 *8NH 3 , TiCl 4 *PCl 3 и т.д. При растворении хлорида титана(IV) в НСl образуется комплексная кислота H 2 , неизвестная в свободном состоянии; её соли Me 2 хорошо кристаллизуются и устойчивы на воздухе.
Восстановлением TiCl 4 водородом, алюминием, кремнием, другими сильными восстановителями, получены трихлорид и дихлорид титана TiCl 3 и TiCl 2 - твердые вещества с сильными восстановительными свойствами.
Нитрид титана - представляет собой фазу внедрения с широкой областью гомогенности, кристаллы с кубической гранецентрированной решеткой. Получение - азотированием титана при 1200 °C или другими способами. Применяется как жаропрочный материал, для создания износостойких покрытий.

Применение:

В виде сплавов. Металл применяется в химической промышленности (реакторы, трубопроводы, насосы), лёгких сплавах, остеопротезах. Является важнейшим конструкционным материалом в авиа-, ракето-, кораблестроении.
Титан является легирующей добавкой в некоторых марках стали.
Нитинол (никель-титан) - сплав, обладающий памятью формы, применяется в медицине и технике.
Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов.
В виде соединений Белый диоксид титана используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги, пластиков. Пищевая добавка E171.
Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности.
Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки.

Матигоров А.В.
ХФ ТюмГУ

На рисунке представлен график функции распределения молекул кислорода по скоростям (распределение Максвелла) для температуры Т=273 К, при скорости функция достигает максимума. Здесь плотность вероятности или доля молекул, скорости которых заключены в интервале скоростей от до в расчете на единицу этого интервала. Для распределения Максвелла справедливы утверждения, что …

Укажите не менее двух вариантов ответа

Площадь заштрихованной полоски равна доле молекул со скоростями в интервале от до или вероятности того, что скорость молекулы имеет значение в этом интервале скоростей

С ростом температуры наиболее вероятная скорость молекул увеличится

Задание
Кинетическая энергия вращательного движения всех молекул в 2 г водорода при температуре 100 К равна …

КПД цикла Карно равен 40%. Если на 20% увеличить температуру нагревателя и на 20% уменьшить температуру охладителя, КПД (в %) достигнет значения …

На -диаграмме изображены два циклических процесса Отношение работ , совершенных в этих циклах, равно ….

Чтобы расплавить некоторую массу меди, требуется большее количество теплоты, чем для плавления такой же массы цинка, так как удельная теплота плавления меди в 1,5 раза больше, чем цинка ( Дж/кг, Дж/кг). Температура плавления меди примерно в 2 раза выше температуры плавления цинка ( , ). Разрушение кристаллической решетки металла при плавлении приводит к возрастанию энтропии. Если энтропия цинка увеличилась на , то изменение энтропии меди составит …

Ответ: ¾ DS

Зависимость давления идеального газа во внешнем однородном поле силы тяжести от высоты для двух разных температур () представлена на рисунке …

Из предложенных ниже идеальных газов выберите те, для которых отношение молярных теплоемкостей равно (колебаниями атомов внутри молекулы пренебречь).

Кислород

На диаграмме изображен цикл Карно для идеального газа.

Для величины работы адиабатического расширения газа и адиабатического сжатия справедливо соотношение …

На рисунке представлен график функции распределения молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла), где – доля молекул, скорости которых заключены в интервале скоростей от до в расчете на единицу этого интервала.

Для этой функции является верным утверждение, что …

при изменении температуры площадь под кривой не изменяется

На рисунке изображен цикл Карно в координатах (T, S), где S – энтропия. Адиабатное расширение происходит на этапе …

Идеальный газ переводится из первого состояния во второе двумя способами ( и ), как показано на рисунке. Теплота, полученная газом, изменение внутренней энергии и работа газа при переходе его из одного состояния в другое связаны соотношениями …

Диаграмма циклического процесса идеального одноатомного газа представлена на рисунке. Работа газа в килоджоулях в циклическом процессе равна …

Формула Больцмана характеризует распределение частиц, находящихся в состоянии хаотического теплового движения, в потенциальном силовом поле, в частности распределение молекул по высоте в изотермической атмосфере. Соотнесите рисунки и соответствующие им утверждения.

1. Распределение молекул в силовом поле при очень высокой температуре, когда энергия хаотического теплового движения значительно превосходит потенциальную энергию молекул.

2. Распределение молекул не является больцмановским и описывается функцией .

3. Распределение молекул воздуха в атмосфере Земли.

4. Распределение молекул в силовом поле при температуре .

Одноатомному идеальному газу в результате изобарического процесса подведено количество теплоты . На увеличение внутренней энергии газа
расходуется часть теплоты , равная (в процентах) …

Адиабатному расширению газа ( давление, объем , температура, энтропия) соответствует диаграмма …

Молярная теплоемкость идеального газа при постоянном давлении равна где – универсальная газовая постоянная. Число вращательных степеней свободы молекулы равно …

Зависимость концентрации молекул идеального газа во внешнем однородном поле силы тяжести от высоты для двух разных температур () представлена на рисунке …

Если не учитывать колебательные движения в линейной молекуле углекислого газа (см. рис.), то отношение кинетической энергии вращательного движения к полной кинетической энергии молекулы равно …

Холодильнику, увеличится в два раза, то коэффициент полезного действия тепловой машины …

уменьшится на

Средняя кинетическая энергия молекул газа при температуре зависит от их конфигурации и структуры, что связано с возможностью различных видов движения атомов в молекуле и самой молекулы. При условии, что имеет место только поступательное и вращательное движение молекулы как целого, средняя кинетическая энергия молекул азота равна …

Если количество теплоты, отдаваемое рабочим телом холодильнику, увеличится в два раза, то коэффициент полезного действия тепловой машины

Если не учитывать колебательные движения в молекуле углекислого газа, то средняя кинетическая энергия молекулы равна …

Решение: Средняя кинетическая энергия молекулы равна: , где – постоянная Больцмана, – термодинамическая температура; – сумма числа поступательных, вращательных и удвоенного числа колебательных степеней свободы молекулы: . Для молекулы углекислого газа число степеней свободы поступательного движения , вращательного – , колебательного – , поэтому Следовательно, средняя кинетическая энергия молекулы равна: .

ЗАДАНИЕ N 2 Тема: Первое начало термодинамики. Работа при изопроцессах

На рисунке представлена диаграмма циклического процесса идеального одноатомного газа: За цикл газ получает количество теплоты (в ), равное …

Решение: Цикл состоит из изохорного нагревания (4–1), изобарного расширения (1–2), изохорного охлаждения (2–3) и изобарного сжатия (3–4). На первых двух этапах цикла газ получает теплоту. Согласно первому началу термодинамики, количество теплоты, получаемое газом, равно , где – изменение внутренней энергии, – работа газа. Тогда . Таким образом, количество теплоты, получаемое газом за цикл, равно

ЗАДАНИЕ N 3 Тема: Второе начало термодинамики. Энтропия

В ходе необратимого процесса при поступлении в неизолированную термодинамическую систему тепла для приращения энтропии верным будет соотношение …

Решение: Отношение в обратимом процессе есть полный дифференциал функции состояния системы, называемой энтропией системы: . В изолированных системах энтропия не может убывать при любых, происходящих в ней процессах: . Знак равенства относится к обратимым процессам, а знак «больше» – к необратимым процессам. Если в неизолированную систему поступает тепло и происходит необратимый процесс, то энтропия возрастает за счет не только полученного тепла, но и необратимости процесса: .

Задание n 4 Тема: Распределения Максвелла и Больцмана

На рисунке представлен график функции распределения молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла), где – доля молекул, скорости которых заключены в интервале скоростей от до в расчете на единицу этого интервала: Для этой функции верными являются утверждения …

			положение максимума кривой зависит не только от температуры, но и от природы газа (его молярной массы)
			при увеличении числа молекул площадь под кривой не изменяется
			с ростом температуры газа значение максимума функции увеличивается
			для газа с бόльшей молярной массой (при той же температуре) максимум функции расположен в области бόльших скоростей

Решение: Из определения функции распределения Максвелла следует, что выражение определяет долю молекул, скорости которых заключены в интервале скоростей от до (на графике это – площадь заштрихованной полоски). Тогда площадь под кривой равна и не изменяется при изменении температуры и числа молекул газа. Из формулы наиболее вероятной скорости (при которой функция максимальна) следует, чтопрямо пропорциональна и обратно пропорциональна , где и – температура и молярная масса газа соответственно.

ЗАДАНИЕ N 5 Тема: Электростатическое поле в вакууме

На рисунках представлены графики зависимости напряженности поля для различных распределений заряда: График зависимости для шара радиуса R , равномерно заряженного по объему, показан на рисунке …

ЗАДАНИЕ N 6 Тема: Законы постоянного тока

На рисунке представлена зависимость плотности тока j , протекающего в проводниках 1 и 2, от напряженности электрического поля Е : Отношение удельных сопротивлений r 1 /r 2 этих проводников равно …

ЗАДАНИЕ N 7 Тема: Магнитостатика

Рамка с током с магнитным дипольным моментом , направление которого указано на рисунке, находится в однородном магнитном поле: Момент сил, действующих на магнитный диполь, направлен …

			перпендикулярно плоскости рисунка к нам
			перпендикулярно плоскости рисунка от нас
			по направлению вектора магнитной индукции
			противоположно вектору магнитной индукции