Дисульфид титана

Синтезом из элементов:

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

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:

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

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

суммарная реакция:

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

Действием сероводорода на элементарный титан при высокой температуре:

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

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

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

Действием сероводорода на тетрафторид титана при температуре красного каления:

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

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

${\displaystyle {{\ce {Ti(SO4)2 + 8H2 -> TiS2 + 8H2O}}}}$.

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

${\displaystyle {{\ce {TiO2 + CS2 -> TiS2 + CO2}}}}$.

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

${\displaystyle {{\ce {Ti(SO4)2 + 8 H2 -> TiS2 + 8 H2O}}}}$.

Разлагается при сильном нагревании без доступа воздуха:

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

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

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

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

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

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

При нагревании реагирует с углекислым газом:

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

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:

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

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

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

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

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

Реакция взаимодействия с концентрированной соляной кислотой образует тетрахлородиакватитана и сероводород:

${\displaystyle {{\ce {TiS2 + 4HCl + H2O -> Ti(H2O)2Cl4 + 2 H2S}}}}$.

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

${\displaystyle {\ce {TiS2+2Ca->[1000\ {\ce {^{o}C}}]2CaS+Ti,}}}$

${\displaystyle {{\ce {TiS2 + 2 Mg -> 2 MgS + Ti}}}}$.

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 порошок^[3][4]. 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^[5].

Кристаллизуется в тригональной сингонии, пространственная группа P3m1, параметры ячейки a = 0,3397 нм, c = 0,5691 нм, Z = 1. Имеет слоистую кристаллическую структуру типа иодида кадмия.

При 1470 °C дисульфид претерпевает полиморфное превращение^[6].

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 25 °C составляет 16,23 кал/(К·моль) или 55,4 Дж/(К·моль).

Стандартная теплота образования дисульфида титана составляет 80 ккал/моль.

Плотность дисульфида титана при 25 °C равна 3,22 г/см³.

Дисульфид титана является полупроводником с электронным типом проводимости c концентрацией носителей заряда ~10²¹ см^3[7] 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 графитом^[8].

Обратимые интеркаляция и деинтеркалирование ионов лития между слоями атомов серы в кристалле дисульфида титана. Эти процессы происходят в материале катода при заряде и разряде некоторых типов литий-ионных аккумуляторов.

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 кислот^[9], 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:

${\displaystyle {{\ce {TiS2 + xLi -> Li_{x}TiS2,}}}}$

где ${\displaystyle {{\ce {x}}}}$ может принимать значения от 0 до 1.

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

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

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/м^3[10]. Требуется хранение с предосторожностями, так как вещество способно самовозгораться.