Степень окисления титана (Ti): в соединениях, как определить, примеры

Теория:

Степень окисления титана в наиболее устойчивых соединениях равна +4, а также 0, (+2, +3 неустойчивые).

Это определяется его положением в периодической системе: титан — элемент 4‑й группы (побочная подгруппа), 4‑го периода.

Как переходный металл, он имеет четыре валентных электрона на внешнем и предвнешнем уровнях (3d²4s²), которые он способен отдавать в химических реакциях.

В отличие от титана, для многих других элементов положение в таблице даёт лишь базовую информацию о степенях окисления.

Чтобы определить все возможные значения, используют электронную формулу.

Например:

Для азота (1s²2s²2p³) электронная формула объясняет наличие трех неспаренных электронов и возможность проявлять степени окисления от -3 до +5;
Для марганца (1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s²) — возможность достижения высшей степени окисления +7 за счёт участия всех семи валентных электронов.

Титан же наиболее стабилен в своей высшей степени окисления: его электронная конфигурация ([Ar]3d²4s²) и электроотрицательность (1,54 по Полингу) способствуют образованию прочных связей в состоянии +4.

Рис. Степень окисления титана 0, +2, +3, +4. Факторы, влияющие на СО — принадлежность к d-металлам, наличие электронов на 3d-подуровне и возможность их ступенчатой отдачи.

Содержание страницы

Почему у титана переменные степени окисления?

Причина изменчивости степеней окисления титана — наличие четырех валентных электронов на 3d и 4s подуровнях.

В простом веществе (Ti⁰): Четыре валентных электрона удерживаются ядром. Заряд атома равен 0. 3d [↑][↑][ ][ ][ ] 4s [↑↓]. Примечание: Как и у всех металлов, в свободном металлическом состоянии СО равна нулю.
В соединениях (Ti⁺⁴): Титан отдаёт все 4 электрона, достигая стабильной оболочки инертного газа аргона. Подуровни 4s и 3d становятся пустыми: 3d [ ][ ][ ][ ][ ] 4s [ ].

Рис. 2 Схема окисления атома титана: атом Ti ([Ar] 3d² 4s²) отдаёт 4 электрона и превращается в ион Ti⁴⁺ с конфигурацией благородного газа аргона.

Степень окисления титана в соединениях

Титан проявляет переменную валентность, но наиболее устойчив в степени окисления +4.

Соединения Ti(+2) и Ti(+3) нестабильны и являются сильными восстановителями.

Диоксид титана (TiO₂): Ti +4, O -2.
Тетрахлорид титана (TiCl₄): Ti +4, Cl -1.
Оксид титана(III) (Ti₂O₃): Ti +3, O -2.

Примечание: Титан в степени окисления +4 по химическим свойствам (амфотерность оксида) напоминает кремний и цирконий.

Высшая степень окисления

Высшая степень окисления титана равна +4 (номер группы), (отдал все 4 электрона — самое стабильное состояние).

Низшая степени окисления

Низшая равна 0 (металл).

Промежуточная степень окисления

+2 — промежуточная, наименее устойчивая степень окисления титана. Соединения — сильные восстановители.
+3 — промежуточная, умеренно устойчивая степень окисления. Соединения склонны к окислению до +4.

Обе степени окисления лежат между низшей (0) и высшей (+4) и проявляют окислительно‑восстановительную активность.

Примечание: Для титана не характерны отрицательные степени окисления, так как он обладает типичными металлическими свойствами.

Как определить степень окисления титана

По таблице Менделеева

Титан (Ti) в таблице Менделеева находится в 4-й группе (IVB), период — 4, блок — d-элемент. Высшая (и самая стабильная) степень окисления Титана (Ti) в соединениях — +4.

Переходный металл: Обладает высокой коррозионной стойкостью.
Электроотрицательность: По Полингу составляет 1,54, что делает его активным восстановителем.

По электронной конфигурации

Электронная формула титана: [Ar] 3d² 4s².
Валентные электроны находятся на 4s (2 электрона) и 3d (2 электрона) подуровнях.
При отдаче только 4s-электронов возникает СО +2, при полной отдаче всех четырех — высшая СО +4.

По валентности (Число связей)

Валентность титана в наиболее устойчивых соединениях равна IV. Это означает, что титан образует четыре химические связи.

По химическому соединению (Алгебраический расчет)

Пример для K₂TiO₃ (титанат калия): Сумма СО равна 0. Калий всегда +1, кислород -2. Обозначим СО титана за x.

2 · (+1) + x + 3 · (-2) = 0 → 2 + x — 6 = 0 ⇒ x = +4.

Примеры степеней окисления титана

СО	Класс соединений	Примеры
+4	Высшие оксиды, соли, галогениды	TiO₂, TiCl₄, K₂TiO₃
+3, +2	Низшие оксиды и соли (нестабильны)	Ti₂O₃, TiCl₃, TiO, TiCl₂
0	Простое вещество (металл)	Ti

Шпаргалка для определения степени окисления титана

Представьте, что атом титана — это кошелёк, а электроны — монеты в нём. У титана в кошельке 4 монеты (4 валентных электрона: 4s²3d²).

Степень окисления — это как баланс кошелька после «сделок» (химических реакций):

Если отдали монеты → баланс минус → степень окисления положительная.
Если получили монеты → баланс плюс → степень окисления отрицательная (для титана это невозможно).
Если не было сделок → баланс 0 → простое вещество.

0 — «кошелёк полный, сделок не было» это чистый титан (Ti).
+2 — «отдали 2 монеты» — титан отдал 2 электрона.
+3 — «отдали 3 монеты» — титан отдал 3 электрона.
+4 — «отдали все 4 монеты» — отдал все 4 валентных электрона.

Титан химический элемент: химические, физические свойства, нахождение в природе, получение и применение.

Пример решения задачи:

▶️ Дано:

Соединение: Na₂TiF₆ (гексафторотитанат натрия).

⌕ Найти:

Определите СО титана.

✨ Решение:

Na — элемент I группы, СО = +1. F — самый электроотрицательный элемент, СО всегда = −1. Расчет: 2 · (+1) + x + 6 · (−1) = 0 → 2 + x − 6 = 0 → x − 4 = 0 → x = +4.

✅ Ответ:

Ti(+4).

Проверка знаний: Как определить Титан по таблице Менделеева

Отметьте три правильных утверждения, которые однозначно определяют Титан (Ti) в Периодической системе.

1) В атомном ядре содержится ровно 22 протона.

2) Является легким и прочным металлом, устойчивым к коррозии.

3) Находится в четвертом периоде и четвертой группе (IV B) таблицы Менделеева.

4) Конфигурация валентных слоев описывается формулой: 3d² 4s².

5) Проявляет высшую степень окисления +4 и имеет электроотрицательность 1,54.

Показать верные ответы и пояснения

Правильные ответы: 1, 3, 4

1) Порядковый номер (Z=22) — уникальный «паспорт» титана.
3) Координаты (4 период, 4 группа B) точно указывают на этот элемент.
4) Формула 3d² 4s² характерна только для титана в его периоде.
2, 5 — верные свойства, но не являются уникальными идентификаторами в системе.

Часто задаваемые вопросы

Может ли титан иметь степень окисления +5?

Нет, у титана всего 4 валентных электрона. Для достижения СО +5 пришлось бы разрушать устойчивую оболочку аргона, что требует колоссальной энергии.

В каком состоянии титан чаще встречается в природе?

В природе титан встречается только в виде соединений, чаще всего в степени окисления +4 (например, в минерале рутиле — TiO₂).

Имеет ли титан отрицательную степень окисления?

Отрицательных степеней окисления у него нет, потому, что он металл — металлы отдают электроны, у него низкая электроотрицательность, ему выгоднее отдавать 4 валентных электрона (3d²4s²), чем принимать дополнительные.