Ниобий и тантал отличаются редкост­ной химической инертностью: для растворения этих металлов требуется смесь плавиковой и концентрирован­ной азотной кислот. Любопытно, что подобный процесс аналогичен раст­ворению циркония или гафния: азот­ная кислота окисляет металл, а плавиковая способствует образованию устойчивых фторидных комплексов:

Та+5HNO₃+8HF=H₃TaF₈+5NO₂+5Н₂О.

Устойчивость ниобия и тантала по отношению к щелочным средам не имеет аналогов среди других металлов. Температура плавления тантала около 3000 °С; танталовые тигли легко выдерживают даже металлотермические реакции, в кото­рых выделяется столько теплоты, что плавятся оксиды металлов!

При восстановлении раствора ванадата цинком в кислой среде происхо­дит последовательная смена цветов: VO₃^- (бесцветный) ®V₁₀O^6-₂₈ (жёлто-оранжевый) ®VO²⁺ (синий) ®V³⁺ (зелёный) ®V²⁺ (фиолетовый). Эти пре­вращения можно описать уравнениями:

Ванадий — твёрдый и тугоплавкий ме­талл (t_пл=1915 °С), химически доволь­но инертный. Его можно растворить лишь в горячей концентрированной серной или азотной кислоте, царской водке. Именно инертность обеспечи­ла этому металлу широкое примене­ние. Сплав ванадия и никеля, облада­ющий механическими свойствами стали, многократно превосходит её по химической стойкости. Поэтому его используют для изготовления дета­лей механизмов, работающих в агрес­сивных средах.

Ещё большее применение находит феррованадий — сплав ванадия с же­лезом, содержащий до 30 % ванадия. Он сравнительно дёшев и может лег­ко заменять сталь при создании коррозионно-стойких изделий. Даже небольшое (до 1%) содержание вана­дия в стали повышает её упругость примерно в два раза!

Химически чистый ванадий полу­чают при восстановлении оксида кальцием: V₂O₅+5Са=2V+5СаО.

Много ли известно химических эле­ментов, которые были открыты дваж­ды? И уж совсем удивительно, что все три элемента подгруппы — ванадий, ниобий и тантал — носят имена ми­фологических персонажей.

В 1801 г. мексиканский геолог и минералог Андрес Мануэль дель Рио (1765—1849) нашёл в свинцовой руде примесь неизвестного элемента. Он назвал его эритронием (от греч. «эритрос» — «красный»). Вскоре учёный пришёл к ошибочному выводу, что об­наруженное им вещество не содержит новый элемент, а является смесью же­леза и хрома, и отказался от своего от­крытия.

В 1830 г. шведский химик Нильс Габриэль Сефстрём (1787—1845) из отходов производства железа выде­лил соединения нового элемента, со­ли которого обладали красивой окра­ской. В честь древнескандинавской богини красоты Ванадис учёный на­звал элемент ванадием. И только в 1869 г. английский химик Генри Эн­филд Роско взаимодействием хло­рида ванадия(Ш) с водородом полу­чил металл, исследовал его свойства и убедился в том, что ванадий иден­тичен эритронию дель Рио.

Похожая история произошла с ниобием. В начале XIX в. почти од­новременно были открыты и описаны два новых элемента: англичанином Чарлзом Хатчетом (1765—1847) — Колумбий, а шведом Андерсом Экебергом (1767—1813) — тантал. Свойства этих элементов оказались столь схо­жи, что их приняли за один и стали называть танталом. А в 1844 г. немец­кий химик Генрих Розе (1795—1864), исследуя минералы, найденные в Баварии, доказал, что существуют два разных элемента с очень похожими свойствами. Чтобы подчеркнуть их «родство», он назвал второй элемент ниобием в честь Ниобы — дочери ге­роя греческой мифологии Тантала. Интересно, что в США ниобий дол­гое время продолжали называть колумбием Сb.

Зелёные, густо-красные и золотисто-жёлтые кристаллы силиката циркония ZrSiO₄ издавна ценились как красивые драгоценные камни — цирконы, или гиацинты.

Не менее известна кубическая модификация бесцвет­ного диоксида циркония ZrO₂ под названием фианит (от аб­бревиатуры ФИАН — Физический институт Академии на­ук, где в 1973 г. впервые было получено это соединение). Его кристаллы на первый взгляд трудно отличить от алма­зов. Фианиты хорошо полируются, достаточно тверды — по 10-балльной шкале их твёрдость доходит до 8,5, усту­пая только корунду (9) и алмазу (10).

Вместе с титаном в состав побочной подгруппы IV группы входят цирко­ний и гафний. Цирконий был открыт  М. Клапротом за несколько лет до ти­тана — в 1789 г. Название ему дали по минералу циркону. Цирконий — не редкий, но рассеянный элемент. В земной коре его больше, чем меди, олова или цинка, однако распылён­ность циркония настолько велика, что его применение долгое время ос­тавалось ограниченным из-за очень высокой стоимости производства.

Цирконий, очищенный методом иодидного рафинирования.

Титанат кальция СаTiO₃ встречается в природе в виде довольно редкого мине­рала, который назван перовскитом в честь русского геолога и политическо­го деятеля XIX в. графа Л. А. Перовско­го. Впоследствии огромный класс соеди­нений, обладающих схожей структурой, стали именовать перовскитами или перовскитоподобными веществами.

Наиболее изученное перовскитоподобное вещество — титанат бария ВаTiO₃. В его кристаллической решётке атомы титана под действием элект­рического поля способны смещаться со своих позиций. Это приводит к сильной поляризации всего кристалла. На таком эффекте основано использование титаната бария и родственных соединений для преобразования механической энергии сжатия в электрическую. Такие вещества называются пьезоэлектриками (от греч. «пьезо» — «давлю»). Пьезоэлектрики применяются в преобразова­телях и стабилизаторах частот, эхолока­торах и генераторах ультразвуковых колебаний. Однако их применение час­то ограничивается комнатной темпера-

турой. Лишь немногие из них, например цирконат свинца PbZrO₃, способны со­хранять пьезоэлектрические свойства при нагревании до 300 °С.

Очень чистый цирконий обладает замечательными свойствами — он жаро­прочен, тугоплавок, устойчив к кислотам. Из него изготовляют многие ответственные детали: от кислотостойких клапанов в аппаратах для хими­ческой промышленности до скобок и пластин, которыми скрепляют кости при хирургических операциях. Но прежде всего это важнейший конструк­ционный материал, необходимый при строительстве ядерных реакторов. Цирконий отличается низкой теплопроводностью, большой механической прочностью и стойкостью к коррозии, а главное — не задерживает нейтро­ны, высвобождающиеся в реакции деления атомных ядер и, следователь­но, не мешает протеканию реакции расщепления ядерного топлива на АЭС. Конкурентом циркония в этом отношении мог бы стать магний, но он лег­коплавок и к тому же быстро окисляется кислородом воздуха.

При использовании циркония возникли совершенно другие проблемы. В природе цирконий неразлучен со своим верным спутником гафнием: в любой циркониевой руде содержание гафния колеблется от 0,5 до 3 %. Но уже 0,5-процентная примесь гафния делает цирконий непригодным для применения в ядерной технике, поскольку гафний захватывает нейтроны в 500 раз интенсивнее циркония. Из гафния делают стержни, замедляющие и даже полностью прекращающие ядерную реакцию деле­ния. Проблему отделения циркония от гафния учёным удалось решить, но при этом цена циркония (чистотой 99,7 %) возросла в десятки раз. Тем не менее замены цирконию нет, и сейчас ежегодно до 10 тыс. тонн это­го металла идёт на нужды ядерной техники.

Поразительна химическая стойкость чистого титана, нередко она более высокая, чем у благородных металлов. На титан, например, не действу­ют хлорная вода, смесь концентрированных азотной и серной кислот и даже царская водка (золото во всех этих жидкостях растворяется). Объ­ясняется это тем, что уже при обычных условиях на поверхности титана образуется прочная защитная плёнка оксида; под действием же окисли­телей она становится ещё толще и прочнее.

Исключительно стоек титан и к коррозии. Если в морскую воду погру­зить пластинки из алюминия, монеля (медно-никелевого сплава, который используется для чеканки монет), нержавеющей стали и титана толщиной 1 мм, их судьбы окажутся разными. Алюминиевая пластинка уже через несколько дней покроется серыми пятнами (точечная коррозия), а че­рез пять месяцев разрушится. Монелевая — станет тёмно-зелёной из-за взаимодействия меди и никеля с агрессивной морской водой, а пример­но год спустя её постигнет судьба алюминиевой. Стальная пластинка про­держится года четыре, постепенно покрываясь ржавыми пятнами. Кста­ти, ракушки и водоросли заметно ускоряют разрушение стали. Титановая же пластинка даже через тысячу лет (!) останется почти невредимой: кор­розия проникнет в неё всего на 0,02 мм. В этом отношении титан по стой­кости не уступает платине.

Но и у титана есть своя «ахиллесова пята» — он очень «боится» соеди­нений фтора. Во фтороводородной (плавиковой) кислоте обычно стойкий металл растворяется чуть ли не так же быстро, как магниевая стружка в соляной кислоте.

Хотя прочная оксидная плёнка на­дёжно защищает титан от окисления, он довольно легко растворяется в плавиковой и концентрированной соляной кислотах: Ti+6HF=H₂TiF₆+2Н₂; 2Ti+6НСl=2TiCl₃+3H₂.

Схема установки для очистки титана методом иодидного рафинирования.

Современные наука и техника неред­ко нуждаются в сверхвысоком вакууме, который не могут создать обычные ртутные насосы. И тут выручает титан, обладающий способностью прочно связываться с основными компонента­ми воздуха. В камере титан реагирует с содержащимся в воздухе кислородом и азотом, связывая их в оксид TiO₂ и нитрид TiN_x (где 0,58<х<1,00), что и создаёт сверхвысокий вакуум,

Это же свойство титана использу­ют для удаления кислорода и азота из стали с целью повышения её качества. Но особенно перспективным оказа­лось применение тонких покрытий из нитрила титана — одного из са­мых прочных химических соедине­ний. Используя современные технологии (в том числе лазерные), вещество наносят слоем толщиной всего 2— 3 мкм на поверхность, которую надо сделать твёрдой и износоустойчивой. Покрытые нитридом титана инстру­менты из быстрорежущей стали (рез­цы, свёрла, фрезы) и служат дольше, и повышают производительность труда. А выглядят они точь-в-точь как позо­лоченные — ведь цвет нитрида титана почти такой же, как и у золота.

Нитридные покрытия используют­ся всё шире, например для зубных ко­ронок, «золочения» куполов. Так, купола храма Христа Спасителя в Мо­скве почти полностью покрыты нитри­дом титана, который отличается чуть более красноватым цветом в сравне­нии с находящимися неподалёку по­золоченными куполами кремлёвских соборов.

Храм Христа Спасителя. Москва.

Титан входит в десятку самых распро­странённых элементов земной коры, в почвах и горных породах его обычно от 0,5 до 1,5%. Однако некоторые местности особенно богаты титаном. Так, на острове Святой Елены, «где уга­сал Наполеон», содержание этого эле­мента достигает 2,5%. Самые же бо­гатые титаном почвы — краснозёмы двух островов Западного Самоа в Тихом океане: в них титана до 12%! Будь этот регион поближе к промышленно развитым странам, вероятно, открытие столь распространённого элемента со­стоялось бы намного раньше.

По сравнению с другими часто встречающимися металлами титан до­роже, поскольку его очень сложно из­влекать из руд: он исключительно проч­но связан с кислородом.

Как и все наиболее распространён­ные элементы, титан неизбежно присутствует в живых организмах. У взросло­го человека в селезёнке, надпочечниках и щитовидной железе содержится при­мерно 20 мг Ti. Однако его роль в точ­ности пока не выяснена. Твёрдо устано­влено, что этот элемент совершенно неядовит. В медицинской литературе описан случай, когда человек съел поч­ти полкилограмма TiO₂ — и никаких по­следствий. Из этого количества диокси­да титана можно было бы приготовить целую банку первоклассных белил.