Дисульфид титана

Дисульфи́д тита́на — неорганическое соединение, соль переходного металла титана и сероводородной кислоты с формулой TiS, относится к группе дихалькогенидов переходных металлов.

При обычных условиях — золотисто-жёлтые кристаллы со слабым запахом сероводорода, не растворимые в воде, реагирует с горячей водой с выделением сероводорода.

Применяется в качестве катодной массы электрохимических источников тока и аккумуляторов и в качестве твёрдого смазочного материала.

Получение Синтезом из элементов:

Ti + 2S ->[\ce{T}] TiS2 + 335 kJ.

Нагреванием смеси паров тетрахлорида титана и сероводорода при высокой температуре, эта реакция пригодна для формирования тонких плёнок вещества на какой-либо подложке, реакция протекает в две стадии:

TiCl4 + H2S ->[800-850\ \ce{^{o}C}] TiCl2S + 2HCl, TiCl2S + H2S ->[800-850\ \ce{^{o}C}] TiS2 + 2HCl,

суммарная реакция:

TiCl4 + 2H2S ->[800-850\ \ce{^{o}C}] TiS2 + 4HCl.

Действием сероводорода на элементарный титан при высокой температуре:

Ti + 2H2S ->[\ce{T}] TiS2 + 2H2.

Дисульфид титана образуется также при действии расплавленной серы на дихлороксид титана при 120°С:

TiOCl2 + 2S ->[120\ \ce{^{o}C}] TiS2{} + Cl2O.

Действием сероводорода на тетрафторид титана при температуре красного каления:

TiF4 + 2H2S ->[\ce{T}] TiS2{} + 4HF.

Дисульфид титана образуется при восстановлении сульфата титана(IV) водородом:

Ti(SO4)2 + 8H2 -> TiS2 + 8H2O.

Вместе с примесями дисульфид титана получается при пропускании очень медленного тока паров сероуглерода над нагретым спрессованным и высушенным диоксидом титана:

TiO2 + CS2 -> TiS2 + CO2.

Химические свойства Разлагается при сильном нагревании без доступа воздуха:

2TiS2 ->[1000\ \ce{^{o}C}] Ti2S3 + S.

Восстанавливается при нагревании в атмосфере водорода сначала до степени окисления +3, а затем до степени окисления +2:

2TiS2 + H2 ->[1000\ \ce{^{o}C}] Ti2S3 {+} H2S,

TiS2 + H2 ->[>1000\ \ce{^{o}C}] TiS + H2S.

Реагирует с расплавленными щелочами, пример реакции с гидроксидом калия с образованием титаната калия и сульфида калия:

TiS2 + 6KOH ->[\ce{T}] K2TiO3 + 2K2S + 3H2O.

При нагревании реагирует с углекислым газом:

TiS2 + 2CO2 ->[\ce{T}] TiO2 + 2S + 2CO.

При комнатной температуре диоксид титана устойчив к атмосферным воздействиям, но при умеренном нагревании на воздухе начинает окисляться до диоксида титана и диоксида серы. При сильном нагреве загорается:

TiS2 + 3 O2 ->[\ce{T}] TiO2 + 2 SO2.

При реакции с горячей концентрированной серной кислоты образуется сульфат титанила, элементарная сера, сернистый газ и вода:

TiS2 + 3 H2SO4 ->[\ce{T}] TiOSO4 + 2 S + 2 SO2 + 3 H2O.

При взаимодействии с холодной концентрированной азотной кислотой образует дигидроксид-динитрат титана, серу, диоксид азота и воду:

TiS2 + 6HNO3 ->[0\ \ce{^{o}C}] Ti(NO3)2(OH)2 + 2S + 4 NO2 + 2 H2O.

Реакция взаимодействия с концентрированной соляной кислотой образует тетрахлородиакватитана и сероводород:

TiS2 + 4HCl + H2O -> Ti(H2O)2Cl4 + 2 H2S.

Воcстановление активным металлом до элементарного титана в инертной атмосфере, например, в аргоне, активный металл окисляется до соответствующего сульфида:

TiS2 + 2 Ca ->[1000\ \ce{^{o}C}] 2 CaS + Ti, TiS2 + 2 Mg -> 2 MgS + Ti.

Физические свойства Дисульфид титана при обычных условиях представляет собой золотисто-жёлтые, «бронзового» цвета чешуйчатые мелкие кристаллы, крупные кристаллы имеют золотистый цвет с зеленоватым оттенком, в мелкодисперсном виде после возгонки — бурый порошокHolleman A. F., Wiberg E., Wiberg N. Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 91-100, verbesserte und stark erweiterte Auflage. de Gruyter, Berlin 1985, ISBN 3-11-007511-3, S. 1065.. Диамагнетик.

Из-за взаимодействия с парами воды воздуха имеет слабый запах сероводорода. Не растворяется в холодной воде. Медленно реагирует с горячей водой. Огнеопасен, при сильном нагреве на воздухе загорается, выделяя диоксид серы.

Кристаллизуется в . Имеет слоистую кристаллическую структуру типа иодида кадмия.

При 1470 °C дисульфид претерпевает полиморфное превращение.

Атомы серы пространственно расположены в гексагональной плотной упаковке. Через каждые 2 плоских слоя атомов серы расположен плоский слой атомов титана, находящихся в октаэдрических полостях. Силы сцепления Ван-дер-Ваальса между двумя соседними слоями атомов серы малы и между слоями может происходить лёгкое скольжение, подобно скольжению слоёв атомов углерода в кристалле графита.

Теплоемкость дисульфида титана при составляет или

Стандартная теплота образования дисульфида титана составляет

Плотность дисульфида титана при равна

Дисульфид титана является полупроводником с электронным типом проводимости c концентрацией носителей заряда и имеет высокую электропроводность характерную для полуметаллов.

Высокая электропроводность наряду с другими его свойствами обуславливает применение вещества в катодных массах литий-ионных аккумуляторов. Для увеличения электропроводности катодной массы в аккумуляторах его смешивают с сажей или графитомWhittingham M. S. Lithium Batteries and Cathode Materials. Chem. Rev. 104 (2004) 4273.

Дисульфид титана как и графит может обратимо интеркалировать и деинтеркалировать в свою кристаллическую структуру некоторые атомы и молекулы между слоями атомов серы так ка эти слои слабо связаны силами Ван-дер-Ваальса, например, атомыщелочных металлов, аммиак, гидразин, амиды кислотBrauer Georg (Hrsg.), unter Mitarbeit von Marianne Baudler u. a.: Handbuch der Praparativen Anorganischen Chemie. 3., umgearbeitete Auflage. Band II, Ferdinand Enke, Stuttgart 1978, ISBN 3-432-87813-3, S. 1371., при этом происходит «разбухание» кристаллической решётки с увеличением расстояния между кристаллическими слоями атомов. Дисульфид титана часто используется в качестве катодной массы в литий-ионных аккумуляторах и интеркаляция лития в это соединение изучена наиболее полно.

Интеркаляцию лития можно упрощённо описать в виде окислительно-восстановительной реакции:

TiS2 + xLi -> Li_{x}TiS2,

где x может принимать значения от 0 до 1.

Соединение Li_{x}TiS2 обычно записывают в ионной форме Li^+TiS2^-. На этом свойстве вещества основано его применение в качестве катодной массы аккумулятора как накопитель ионов лития. При разряде аккумулятора ионы Li+ внедряются в кристалл дисульфида титана. При разряде происходит обратный процесс.

Применение Применяется в качестве катодной массы электрохимических источников тока и аккумуляторов и в качестве твёрдого смазочного материала.

Безопасность Дисульфид титана относится согласно ГОСТ 12.1.005-88 к классу опасности III — вещества с умеренной степенью опасности. Предельно допустимая концентрация вещества в виде аэрозоля в воздухе производственных помещений 6 мг/м3http://www.engineeringresurs.ru/sites/default/files/gost_12_1_005_88.pdf ГОСТ 12.1.005-88. Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.. Требуется хранение с предосторожностями, так как вещество способно самовозгораться.

Примечания

Литература

Категория:Сульфиды титана