チタンはいつ発見されましたか? 耐食性に優れた金属としてのチタンの特徴

元素 22 (英語 Titan、フランス語 Titan、ドイツ Titan) は 18 世紀末に発見されました。当時、文献にはまだ記載されていない新しい鉱物の探索と分析が化学者や鉱物学者だけでなく、アマチュア科学者も魅了しました。 そのような愛好家の一人である英国の司祭グレゴールは、コーンウォールのメナチャン渓谷にある彼の教区で、黒い砂とオフホワイトの細かい砂が混じっているのを発見しました。 グレゴールは砂のサンプルを塩酸に溶かしました。 同時に、鉄の 46% が砂から放出されました。 グレゴールはサンプルの残りを硫酸に溶解し、3.5% のシリカを除いてほとんどすべての物質が溶液になりました。 硫酸溶液を蒸発させた後、サンプルの 46% の量の白色粉末が残りました。 グレゴールは、それが過剰な酸に溶け、苛性カリで沈殿する特別な種類の石灰であると考えました。 グレゴールは粉末の研究を続け、それが鉄と未知の金属の組み合わせであるという結論に達しました。 グレゴールは友人の鉱物学者ホーキンスと相談した後、1791年に研究結果を発表し、その新しい金属を黒い砂が発見された谷の名前にちなんでメナシンと名付けることを提案した。 したがって、元の鉱物はメナコナイトと名付けられました。 クラプロスはグレゴールのメッセージを知り、彼とは独立して、当時「赤いハンガリーのショール」（ルチル）として知られていた鉱物の分析を始めました。 すぐに、彼は鉱物から未知の金属の酸化物を分離することに成功し、古代の神話上の地球の住民であるタイタンになぞらえてチタン（タイタン）と名付けました。 クラプロスは、ラヴォアジエとパリ科学アカデミー命名委員会が提案した、元素の性質に応じた名前ではなく、神話的な名前を意図的に選びましたが、それが重大な誤解を引き起こしました。 グレゴールのメナキンとチタンが同じ元素であると疑ったクラプロスは、メナコナイトとルチルの比較分析を行い、両方の元素の正体を確立しました。 19世紀末のロシア。 チタンはイルメナイトから単離され、T.E. Lovits によって化学的側面から詳細に研究されました。 ただし、彼はクラプロスの定義にいくつかの誤りがあることに気づきました。 電解的に純粋なチタンは 1895 年に Moissan によって入手されました。 19世紀初頭のロシア文学。 チタンはチタンと呼ばれることもあります (Dvigubsky、1824)。チタンという名前は 5 年後にそこに現れます。

チタンの主な部分は、航空、ロケット技術、船舶建造のニーズに費やされます。 これは、フェロチタンと同様に、高品質鋼への合金添加剤および脱酸剤として使用されます。 工業用チタンは、タンク、化学反応器、パイプライン、継手、ポンプ、バルブ、および過酷な環境で動作するその他の製品の製造に使用されます。 高温で動作する電気真空装置のグリッドやその他の部品は、コンパクトなチタンで作られています。

構造材料としての用途では、TiはAl、Fe、Mgに次いで第4位となっています。 チタンアルミナイドは耐酸化性と耐熱性に優れているため、航空産業や自動車産業で構造材料として使用されることが決定されました。 この金属の生物学的安全性により、食品産業や再建手術にとって優れた材料となっています。

チタンとその合金は、高温でも維持される高い機械的強度、耐食性、耐熱性、比強度、低密度、その他の有用な特性により、工学分野で広く使用されています。 この金属とそれをベースにした材料のコストの高さは、多くの場合、その高い効率によって補われ、場合によっては、それらが、特定の条件下で動作可能な装置や構造物を製造できる唯一の原材料となることもあります。

チタン合金は航空技術において重要な役割を果たしており、その目的は必要な強度を兼ね備えた最軽量の設計を実現することです。 Tiは他の金属に比べて軽いですが、同時に高温でも機能します。 外板、締結部品、パワーパック、シャシー部品、各種ユニットなどにTi系素材が使用されています。 また、これらの材料は航空機のジェット エンジンの製造にも使用されます。 これにより、重量を 10 ～ 25% 減らすことができます。 チタン合金は、コンプレッサーのディスクやブレード、エンジンの吸気口やガイドの部品、さまざまな留め具の製造に使用されます。

もう一つの応用分野はロケット科学です。 エンジンの短期間の動作と大気の緻密な層の急速な通過を考慮すると、ロケット科学では疲労強度、静的耐久性、およびある程度のクリープの問題は解決されます。

工業用チタンは耐熱強度が不十分なため、航空用途には適していませんが、耐食性が非常に高いため、化学工業や造船などでは欠かせない場合があります。 そのため、硫酸や塩酸、その塩、パイプライン、 ストップバルブ、オートクレーブ、各種容器、フィルターなど。湿った塩素、水溶液、酸性塩素などの環境下で耐食性があるのはTiだけであり、塩素工業用の機器はこの金属で作られています。 また、硝酸（発煙ではない）などの腐食環境で動作する熱交換器の製造にも使用されます。 造船では、チタンはプロペラ、船のメッキ、潜水艦、魚​​雷などの製造に使用されます。 の上 与えられた材料貝殻はくっつかないので、船が移動するときの抵抗が急激に増加します。

チタン合金は他の多くの用途での使用が有望ですが、技術分野での使用は、この金属の高コストと不十分な普及によって制約されています。

チタン化合物もさまざまな産業で広く使用されています。 超硬（TiC）は硬度が高く、切削工具や研磨材の製造に使用されます。 二酸化白色 (TiO 2 ) は、塗料 (チタンホワイトなど) や紙やプラスチックの製造に使用されます。 有機チタン化合物 (テトラブトキシチタンなど) は、化学産業や塗料産業で触媒および硬化剤として使用されます。 無機化合物 Ti は、化学、電子、ガラス繊維産業で添加剤として使用されます。 二ホウ化物 (TiB 2) は、超硬金属加工材料の重要な成分です。 工具のコーティングには窒化物 (TiN) が使用されます。

酸化物 (IV) の形のチタンは、1791 年にイギリスのアマチュア鉱物学者 W. グレゴールによって、メナカン (イギリス) の町の磁性鉄砂で発見されました。 1795年、ドイツの化学者M.G.クラプロスは、鉱物ルチルが同じ金属の天然酸化物であることを証明し、彼はそれを「チタン」と呼びました[ギリシャ神話では、タイタンはウラヌス(天)とガイア(地)の子供です]。 長い間、チタンを純粋な形で単離することはできませんでした。 1910年になって初めて、アメリカの科学者M.A.ハンターは、密閉された鋼製爆弾の中で塩化物をナトリウムと加熱することによって金属チタンを入手した。 彼が得た金属は高温でのみ延性があり、不純物が多く含まれているため室温では脆くなりました。 純チタンの特性を研究する機会は、オランダの科学者 A. ファン アルケルと I. デ ボーアがヨウ化チタンの熱解離によって低温で高純度の金属プラスチックを入手した 1925 年に初めて現れました。

自然界におけるチタンの分布。チタンは一般的な元素の 1 つであり、地球の地殻 (クラーク) におけるその平均含有量は重量で 0.57% です (構造用金属の中で、普及率では鉄、アルミニウム、マグネシウムに次いで 4 位を占めています)。 すべてのチタンは、いわゆる「玄武岩の殻」の塩基性岩石（0.9%）に最も多く含まれ、「花崗岩の殻」の岩石（0.23%）には少なく、超塩基性岩（0.03%）などにはさらに含まれません。チタンが豊富な岩石には、塩基性岩のペグマタイト、アルカリ岩、閃長岩および関連ペグマタイトなどが含まれます。 チタンには 67 種類の鉱物が知られており、そのほとんどが火成起源です。 最も重要なものはルチルとイルメナイトです。

チタンは大部分が生物圏に分散しています。 の 海水 10 -7％含まれています。 タイタンは弱い移民です。

チタンの物性。チタンは 2 つの同素体変態の形で存在します。882.5 °C 未満の温度では、六方最密格子をもつ α 型が安定し (a = 2.951 Å、c = 4.679 Å)、この温度を超えると、立方体の体心格子をもつ β 型 a = 3.269 Å になります。 不純物とドーパントにより、α/β 変態温度が大きく変化する可能性があります。

α型の密度は20℃で4.505 g/cm 3 、870℃では4.35 g/cm 3 です。 900℃でのβ型 4.32 g/cm 3 。 原子半径 Ti 1.46 Å、イオン半径 Ti + 0.94 Å、Ti 2+ 0.78 Å、Ti 3+ 0.69 Å、Ti 4+ 0.64 Å。 融解温度１６６８℃、沸点３２２７℃； 20～25℃の範囲での熱伝導率 22.065 W/(m・K); 20°С 8.5・10 -6 、20～700°Сの範囲での線膨張温度係数 9.7・10 -6 ； 熱容量 0.523 kJ/(kg K); 電気抵抗率 20 °C で 42.1 10 -6 ohm cm。 電気抵抗の温度係数 20 °C で 0.0035。 チタンは 0.38 K 未満で超伝導を示します。チタンは常磁性であり、比磁化率は 20 °C で 3.2・10 -6 です。 引張強さ256MN/m2(25.6kgf/mm2)、相対伸び72%、ブリネル硬度1000MN/m2(100kgf/mm2)未満。 常弾性係数は108,000MN/m 2 (10,800kgf/mm 2)です。 金属 高度な常温での鍛造品の清浄度。

工業的に使用される工業用チタンには、酸素、窒素、鉄、シリコン、炭素などの不純物が含まれており、これらが強度を高め、延性を低下させ、865 ～ 920 °C の範囲で起こる多形変態の温度に影響を与えます。 工業用チタングレード VT1-00 および VT1-0 の場合、密度は約 4.32 g/cm 3 、引張強さは 300 ～ 550 MN/m 2 (30 ～ 55 kgf/mm 2)、伸びは 25% 以上、ブリネル硬度は 1150 ～ 1650 MN/m 2 (115 ～ 165 kgf/mm 2) です。 Ti 原子の外側電子殻の配置は 3d 2 4s 2 です。

チタンの化学的性質。純チタンは化学的に活性な遷移元素であり、化合物中では +4、まれに +3 および +2 の酸化状態を持ちます。 常温から500～550℃までは耐食性を持ちますが、これは表面に薄くて強い酸化膜が存在することで説明されます。

600℃を超える温度では大気中の酸素と著しく相互作用し、TiO 2 が形成されます。 潤滑が不十分な薄いチタンチップは加工中に発火する可能性があります。 環境中に十分な酸素濃度があり、衝撃や摩擦によって酸化皮膜が損傷すると、金属は発火する可能性があります。 室温しかも比較的大きな塊で。

酸化膜は液体状態のチタンを酸素とのさらなる相互作用から保護しないため（アルミニウムなどとは異なり）、その溶解と溶接は真空中、中性ガス雰囲気中、または水中に浸して実行する必要があります。 チタンは大気ガスや水素を吸収する性質があり、脆性合金を形成するため、用途に適していません。 実用; 活性化された表面が存在すると、室温でも水素吸収が低速で発生しますが、400 °C 以上では水素吸収が大幅に増加します。 チタンへの水素の溶解度は可逆的であり、このガスは真空アニールによってほぼ完全に除去できます。 チタンは 700 °C 以上の温度で窒素と反応し、TiN タイプの窒化物が得られます。 微細な粉末またはワイヤーの形のチタンは、窒素雰囲気中で燃焼することができます。 タイタンにおける窒素と酸素の拡散速度は、水素の拡散速度よりもはるかに遅い。 これらのガスとの相互作用の結果として得られる層は、硬度が高く脆くなるという特徴があり、エッチングや機械加工によってチタン製品の表面から除去する必要があります。 チタンは乾燥したハロゲンと激しく反応しますが、水分が抑制剤の役割を果たすため、湿ったハロゲンに対しては安定です。

この金属は、あらゆる濃度の硝酸中で安定です（ただし、赤色発煙酸はチタンの腐食亀裂を引き起こし、反応により爆発が起こることもあります）。 弱い解決策硫酸（最大5重量％）。 塩酸、フッ化水素酸、濃硫酸、および熱有機酸 (シュウ酸、ギ酸、トリクロロ酢酸) はチタンと反応します。

チタンは耐食性に優れています 大気、海水および海洋大気、湿った塩素、塩素水、塩化物の温溶液および冷溶液、化学、石油、製紙およびその他の産業、ならびに湿式冶金で使用されるさまざまな技術ソリューションおよび試薬において。 チタンは、C、B、Se、Siと金属状の化合物を形成し、耐火性と高硬度が特徴です。 TiC 炭化物 (溶融温度 3140 °C) は、TiO 2 と煤の混合物を水素雰囲気中で 1900 ～ 2000 °C で加熱することによって得られます。 窒化 TiN (t pl 2950 °C) - チタン粉末を窒素中で 700 °C 以上の温度で加熱することによって。 ケイ化物ＴｉＳｉ ２ 、ＴｉＳｉおよびホウ化物ＴｉＢ、Ｔｉ ２ Ｂ ５ 、ＴｉＢ ２ が知られている。 400 ～ 600 °C の温度で、チタンは水素を吸収し、固溶体と水素化物 (TiH、TiH 2) を形成します。 TiO 2 がアルカリと縮合すると、メタチタン酸塩およびオルソチタン酸塩 (たとえば、Na 2 TiO 3 および Na 4 TiO 4) のチタン酸塩、およびポリチタン酸塩 (たとえば、Na 2 Ti 2 O 5 および Na 2 Ti 3 O 7) が形成されます。 チタン酸塩には、チタンの最も重要な鉱物、例えばイルメナイト FeTiO 3 、ペロブスカイト CaTiO 3 が含まれます。 すべてのチタン酸塩は水にわずかに溶けます。 酸化チタン (IV)、チタン酸 (沈殿物)、およびチタン酸塩を硫酸に溶解して、硫酸チタニル TiOSO 4 を含む溶液を形成します。 溶液を希釈して加熱すると、加水分解の結果としてH 2 TiO 3 が沈殿し、そこから酸化チタン(IV)が得られる。 過酸化水素をTi(IV)化合物を含む酸性溶液に添加すると、組成H 4 TiO 5 およびH 4 TiO 8 の過酸化物(過チタン)酸およびそれらの対応する塩が形成される。 これらの化合物は黄色に着色されているか、 オレンジレッドカラー(チタンの濃度に応じて)、チタンの分析測定に使用されます。

タイタンを手に入れる。金属チタンを得る最も一般的な方法はマグネシウム熱法、つまり四塩化チタンを金属マグネシウム (あまり一般的ではありませんがナトリウム) で還元する方法です。

TiCl 4 + 2Mg \u003d Ti + 2MgCl 2。

どちらの場合も、酸化チタン鉱石（ルチル、イルメナイトなど）が最初の原料として使用されます。 イルメナイトタイプの鉱石の場合、電気炉での精錬によってスラグの形のチタンが鉄から分離されます。 スラグ（およびルチル）は炭素の存在下で塩素化されて四塩化チタンが形成され、精製後に中性雰囲気の還元反応器に導入されます。

このプロセスでは、チタンは海綿状で得られ、粉砕後、合金が必要な場合は合金添加剤を導入して真空アーク炉で再溶解してインゴットにします。 マグネシウム熱法では、還元中に形成される副生成物である塩化マグネシウムが電気分解に送られてマグネシウムと塩素が得られるため、閉じた技術サイクルでチタンの大規模工業生産を実現することができます。

多くの場合、チタンおよびその合金から製品を製造するには粉末冶金法を使用することが有利です。 特に微細な粉末（たとえば、ラジオ電子機器用）を得るには、酸化チタン (IV) を水素化カルシウムで還元することができます。

チタンの応用。他の構造用金属に対するチタンの主な利点は、軽さ、強度、耐食性の組み合わせです。 チタン合金は、-250 ～ 550 °C の温度において、絶対的な強度、さらには比強度 (つまり、密度に関連した強度) において、他の金属 (鉄やニッケルなど) をベースとしたほとんどの合金を上回り、腐食の点では貴金属合金に匹敵します。 しかし、チタンは鉱石からの抽出や加工に大きな技術的困難があったため、独立した構造材料として20世紀の50年代になって初めて使用され始めました（そのため、チタンは条件付きでレアメタルに分類されました）。 チタンの主要部分は、航空、ロケット技術、船舶建造のニーズに費やされます。 「フェロチタン」として知られるチタンと鉄の合金（チタン 20 ～ 50%）は、高品質鋼や特殊合金の冶金において、合金添加剤および脱酸剤として機能します。

テクニカルチタンは、化学工学などの過酷な環境で動作するタンク、化学反応器、パイプライン、継手、ポンプ、その他の製品の製造に使用されます。 チタン装置は、非鉄金属の湿式冶金に使用されます。 鉄鋼製品のカバーに使用されます。 多くの場合、チタンの使用は、装置の耐用年数の延長だけでなく、プロセスの強化の可能性（ニッケル湿式冶金など）により、大きな技術的および経済的効果をもたらします。 チタンは生物学的に安全であるため、食品産業や再建手術用の機器の製造に優れた素材となっています。 極低温の条件下では、チタンは良好な延性を維持しながら強度が向上するため、極低温技術の構造材料として使用することが可能になります。 チタンは、研磨、カラー陽極酸化、その他の表面仕上げ方法に適しているため、記念碑的な彫刻を含むさまざまな芸術製品の製造に使用されています。 その一例は、最初の人工地球衛星の打ち上げを記念して建てられたモスクワの記念碑です。 チタン化合物から 実用的な価値高温技術で使用される酸化物、ハロゲン化物、およびケイ化物があります。 ホウ化物とその合金は、その不融化性と大きな中性子捕獲断面積により、原子力発電所の減速材として使用されます。 炭化チタンは硬度が高く、切削工具の製造や研磨材として使用される工具超硬合金の一部です。

酸化チタン (IV) とチタン酸バリウムはチタン セラミックの基礎として機能し、チタン酸バリウムは最も重要な強誘電体です。

ボディにはチタンを採用。チタンは動植物の組織中に常に存在しています。 陸生植物ではその濃度は約10 -4％、海洋植物では1.2×10 -3 ～8×10 -2％、陸生動物の組織では2×10 -4％未満、海洋植物では2×10 -4 ～2×10 -2％です。 脊椎動物の主に角質層、脾臓、副腎、甲状腺、胎盤に蓄積します。 ～からの吸収が不十分 消化管。 人間の場合、食事と水によるチタンの 1 日摂取量は 0.85 mg です。 尿および糞便中に排泄される（それぞれ0.33および0.52 mg）。

チタン（緯度チタン、記号 Ti で表示）は、原子番号 22 の、化学元素の周期系の第 4 周期である第 4 族の二次亜族の元素です。単体のチタン（CAS 番号: 7440-32-6）は、明るい銀白色の金属です。

話

TiO 2 の発見は、イギリス人の W. グレガーとドイツの化学者 M. G. クラプロスによってほぼ同時に独立して行われました。 W. グレゴールは、磁性鉄砂の組成を調査し (クリード、コーンウォール、イギリス、1789 年)、未知の金属の新しい「土」 (酸化物) を単離し、これをメナケンと呼びました。 1795年、ドイツの化学者クラプロスは鉱物のルチルを発見しました。 新しい要素そして彼をタイタンと名付けた。 2年後、クラプロスはルチルとメナケンアースが同じ元素の酸化物であることを証明し、その背後にはクラプロスが提案した「チタン」という名前が残されました。 10年後、3度目のチタンの発見が行われた。 フランスの科学者 L. ヴォークランはアナターゼ中のチタンを発見し、ルチルとアナターゼが同一の酸化チタンであることを証明しました。
金属チタンの最初のサンプルは、1825 年に J. Ya. Berzelius によって入手されました。 チタンの高い化学活性とその精製の複雑さのため、オランダの A. van Arkel と I. de Boer は 1925 年にヨウ化チタン TiI 4 蒸気の熱分解によって純粋な Ti サンプルを入手しました。

名前の由来

この金属は、古代ギリシャ神話の登場人物、ガイアの子供たちであるタイタンに敬意を表してその名前が付けられました。 元素の名前は、化学的性質によって元素に名前を付けようとしたフランスの化学学派とは対照的に、マルティン・クラプロスによって化学命名法に関する彼の見解に従って付けられました。 ドイツの研究者自身、新元素の性質をその酸化物だけで決定することは不可能であることに気づいたため、以前に発見したウランからの類推により、神話からその名前を選びました。
しかし、1980年代後半にテクニカ・モロデジ誌に掲載された別のバージョンによると、新たに発見された金属の名前は、古代ギリシャ神話に登場する強力な巨人ではなく、ゲルマン神話に登場する妖精の女王ティタニア（シェイクスピアの『真夏の夜の夢』に登場するオベロンの妻）に由来しているという。 この名前は、金属の並外れた「軽さ」（密度の低さ）に関連付けられています。

レシート

一般に、チタンおよびその化合物の製造の出発原料は、比較的少量の不純物を含む二酸化チタンです。 特に、それはチタン鉱石の選鉱中に得られるルチル濃縮物であり得る。 しかし、世界のルチルの埋蔵量は非常に限られており、イルメナイト精鉱の処理中に得られる、いわゆる合成ルチルまたはチタンスラグがより多く使用されています。 チタンスラグを得るには、イルメナイト精鉱を電気炉で還元し、鉄を金属相（鋳鉄）に分離し、未還元の酸化チタンと不純物がスラグ相を形成します。 リッチスラグは塩化法または硫酸法で処理されます。
チタン鉱石の濃縮物は、硫酸または乾式冶金処理にさらされます。 硫酸処理の生成物は二酸化チタン粉末TiO 2 です。 乾式冶金法を使用して、鉱石をコークスで焼結し、塩素で処理すると、一対の四塩化チタン TiCl 4 が得られます。
TiO 2 + 2C + 2Cl 2 \u003d TiCl 2 + 2CO

850℃で生成したTiCl 4 蒸気はマグネシウムで還元されます。
TiCl 4 + 2Mg = 2MgCl 2 + Ti

得られたチタン「スポンジ」を溶かして精製します。 チタンは、ヨウ化物法または電気分解によって精製され、TiCl 4 から Ti が分離されます。 チタンインゴットを得るには、アーク、電子ビーム、またはプラズマ処理が使用されます。

物理的特性

チタンは軽い銀白色の金属です。 それは 2 つの結晶変態で存在します: 六方最密格子をもつ α-Ti、立方体心心充填をもつ β-Ti、多形変態 α↔β の温度は 883 °C です。
粘度が高く、加工中に切削工具に付着しやすいため、工具に特殊なコーティングやさまざまな潤滑剤を塗布する必要があります。
常温では酸化TiO 2 の保護不動態膜で覆われているため、ほとんどの環境（アルカリを除く）で耐食性があります。
チタン粉は爆発しやすい。 引火点400℃。 チタンの削りくずは可燃性です。

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字幕

こんにちは、みんな！ アレクサンダー・イワノフがあなたと一緒で、これは「化学はシンプルです」プロジェクトです。そして今度はチタンで少し明るくしてみましょう！ これは、数グラムの純チタンの様子です。マンチェスター大学がまだ大学でもなかった昔、マンチェスター大学で採取されました。このサンプルは同じ博物館からのものです。これは、チタンが採掘される主な鉱物がルチルに似ている様子です。合計で 100 以上のチタンを含む鉱物が知られています。1867 年、人々がチタンについて知っていたことはすべて、教科書の 1 ページに収まりました。20 世紀初頭までに、実際には何も変わりませんでした。1791 年、英国の化学者と鉱物学者ウィリアム・グレゴールは、鉱物メナキナイトで新しい元素を発見し、それを「メナキン」と呼びました。少し後の1795年に、ドイツの化学者マルティン・クラプロスは、新しい元素を発見しました。 化学元素 別の鉱物では、ルチルチタンは、エルフの女王タイタニアに敬意を表して命名したクラプロスからその名前を得ました。しかし、別のバージョンによると、元素の名前は、大地の女神ガイアの強力な息子であるタイタンに由来します。しかし、1797年に、グレゴールとクラプロスが同じ化学元素を発見したことが判明しました。しかし、名前はクラプロスによって与えられたもののままでした。しかし、グレゴールもクラプロスも金属チタンを得ることができませんでした。彼らは白いチタンを手に入れました。結晶性粉末、それは二酸化チタン a 金属チタンは、ロシアの科学者 D.K. によって初めて入手されました。 1875 年のキリロフ しかし、適切な報道がなかったために、彼の研究は注目されませんでした。その後、純チタンはスウェーデン人の L. ニルソンと O. ピーターソン、そしてフランス人のモアッサンによって受け取られました。そして 1910 年になって初めて、アメリカの化学者 M. ハンターはチタンを入手するための以前の方法を改良し、数グラムの純度 99% チタンを入手しました。その組成中に混合物が含まれているため、非常に脆くて壊れやすく、機械加工が不可能でした。したがって、いくつかのチタン化合物は発見されました。四塩化チタンは、第一次世界大戦で煙幕を作るために使用されました 屋外では、四塩化チタンが加水分解してオキシ塩化チタンと酸化チタンが生成されます 私たちが見ている白い煙は、オキシ塩化チタンと酸化チタンの粒子です 水に四塩化チタンを数滴落とすと、これらの粒子が確認できます 現在、金属チタンを得るために四塩化チタンが使用されています 純チタンの入手方法は100年間変わっていません まず、二酸化チタンは次のように変換されます。先ほど話した四塩化チタンに塩素を加え、その後、マグネシウムの助けを借りて、緻密な金属に溶かしたスポンジの形で形成された四塩化チタンから四塩化チタンが得られます超高純度のチタンを得るには、ヨウ化物精製方法が使用されますが、これについてはジルコニウムに関するビデオで詳しく説明します. すでにお気づきのとおり、四塩化チタンは通常の状態では無色透明の液体です. しかし、三塩化チタンを使用すると、三塩化チタンは紫色の固体であり、分子内に塩素原子が 1 つだけ少ないだけで、すでに異なる状態になっています。 したがって、不活性雰囲気中でのみ作業が可能です。 塩酸溶液中で錯イオン 3 が生成される様子を観察しているのですが、錯イオンとは何かについてはまた次回お話しします。 それまでの間、ただ怖がってください:) 得られた溶液に少量の硝酸を加えると、硝酸チタンが形成され、茶色のガスが放出されます。これが実際に見られます チタンイオンに対して定性的な反応があります 過酸化水素を滴下します ご覧のとおり、反応が起こり、明るい色の化合物が形成されます これは鉛や亜鉛の対応物よりも品質に優れた過チタン酸です また、酸化チタンは、造船で金属や木材をコーティングするために使用されるエナメルの製造にも使用されました食品業界では 白い染料- これはE171添加物で、カニカマ、朝食用シリアル、マヨネーズ、チューインガム、乳製品などに含まれています。 二酸化チタンは化粧品にも使用されています - 日焼け止めの一部です 「光るものはすべて金ではない」 - 私たちは子供の頃からこの諺を知っています そして現代の教会とチタンに関して、それは文字通り機能します そして、どうやら、教会とチタンの間に共通点は何でしょうか？ そしてこれが何であるかです: 金にきらめく現代の教会のドームはすべて、実際には金とは何の関係もありません。実際、すべてのドームは窒化チタンで覆われています。また、金属用のドリルも窒化チタンでコーティングされています。1925 年になって初めて高純度のチタンが入手され、その物理的および化学的特性を研究することが可能になりました。そして、それらは素晴らしいことが判明しました。その高い導電性と非磁性により、その強度は 500 °C まで維持されますチタンは電気工学において高い関心を集めている チタンは耐食性が高い その特性により、チタンは宇宙技術の材料となっている VSMPO-AVISMA Corporation はロシアのヴェルフニャヤ サルダにあり、世界の航空宇宙産業向けにチタンを生産している ボーイング、エアバス、ロールスロイス、その他 化学装置他にも高価なジャンク品がたくさんありますが、純チタン製のシャベルやバールなら、どなたでも購入できます！ そしてそれは冗談ではありません！ これが、微細なチタン粉末が大気中の酸素とどのように反応するのかということです。このようなカラフルな燃焼のおかげで、チタンは花火の分野で応用できるようになりました。以上です。購読して、指を立ててください。プロジェクトをサポートして友達に伝えることを忘れないでください。 さよなら！

話

TiO 2 の発見は、イギリス人によってほぼ同時に独立して行われました。 W. グレゴール?!そしてドイツの化学者M.G.クラプロート。 W. グレガーは、磁性鉄砂の組成を研究しており（イギリス、コーンウォールのクリード）、未知の金属の新しい「土」（酸化物）を単離し、これをメナケンと呼びました。 1795年、ドイツの化学者クラプロスは鉱物ルチルから新元素を発見し、それをチタンと名付けました。 2年後、クラプロスはルチルとメナケンアースが同じ元素の酸化物であることを証明し、その背後にはクラプロスが提案した「チタン」という名前が残されました。 10年後、3度目のチタンの発見が行われた。 フランスの科学者 L. Vauquelin はアナターゼ中のチタンを発見し、ルチルとアナターゼが同一の酸化チタンであることを証明しました。

金属チタンの最初のサンプルは、1825 年に J. Ya. Berzelius によって入手されました。 チタンの高い化学活性とその精製の複雑さのため、オランダの A. van Arkel と I. de Boer は 1925 年にヨウ化チタン蒸気 TiI 4 の熱分解によって純粋な Ti サンプルを入手しました。

名前の由来

この金属は、古代ギリシャ神話の登場人物、ガイアの子供たちであるタイタンに敬意を表してその名前が付けられました。 元素の名前は、化学的性質によって元素に名前を付けようとしたフランスの化学学派とは対照的に、マルティン・クラプロスによって化学命名法に関する彼の見解に従って付けられました。 ドイツの研究者自身、新元素の性質をその酸化物だけで決定することは不可能であることに気づいたため、以前に発見したウランからの類推により、神話からその名前を選びました。

自然の中にいること

チタンは自然界で 10 番目に多く存在します。 地殻中の含有量は0.57質量％、海水中には0.001 mg / lです。 超塩基性岩では 300 g/t、塩基性岩では 9 kg/t、酸性岩では 2.3 kg/t、粘土および頁岩では 4.5 kg/t。 地殻では、チタンはほとんど常に 4 価であり、酸素化合物中にのみ存在します。 自由形式では発生しません。 風化および降水の条件下におけるチタンは、Al 2 O 3 に対して地球化学的親和性を持っています。 それは風化地殻のボーキサイトと海洋粘土質堆積物に集中しています。 チタンの転写は、鉱物の機械的破片の形およびコロイドの形で行われます。 一部の粘土には重量で最大 30% の TiO 2 が蓄積します。 チタン鉱物は風化に強く、砂鉱中に高濃度で形成されます。 チタンを含む鉱物は 100 種類以上知られています。 それらの中で最も重要なものは、ルチル型 TiO 2 、イルメナイト FeTiO 3 、チタノマグネタイト FeTiO 3 + Fe 3 O 4 、ペロブスカイト CaTiO 3 、チタナイト CaTiSiO 5 です。 主なチタン鉱石には、イルメナイト-チタン磁鉄鉱と砂金-ルチル-イルメナイト-ジルコンがあります。

出生地

チタンの鉱床は、南アフリカ、ロシア、ウクライナ、中国、日本、オーストラリア、インド、セイロン、ブラジル、 韓国、カザフスタン。 CIS 諸国では、チタン鉱石の探査埋蔵量に関しては、ロシア連邦 (58.5%) とウクライナ (40.2%) が首位を占めています。 ロシア最大の鉱床はヤレグスコエです。

埋蔵量と生産量

2002 年には、採掘されたチタンの 90% が二酸化チタン TiO 2 の製造に使用されました。 二酸化チタンの世界生産量は年間 450 万トンでした。 二酸化チタンの確認埋蔵量（ロシアを除く）は約8億トンで、米国地質調査所によると、2006年のロシアを除く二酸化チタンの埋蔵量はイルメナイト鉱石が6億300万～6億7300万トン、ルチルが4970万～5270万トンとなっている。 したがって、現在の生産速度でいけば、世界（ロシアを除く）で確認されているチタンの埋蔵量は150年以上分となります。

ロシアは中国に次いで世界第二位のチタン埋蔵量を誇る。 ロシアのチタンの鉱物資源基地は 20 の鉱床 (うち 11 が初生鉱床、9 が沖積鉱床) で構成されており、国全体にほぼ均等に分散しています。 調査された鉱床の中で最大の鉱床 (ヤレグスコエ) は、ウフタ市 (コミ共和国) から 25 km の場所にあります。 この鉱床の埋蔵量は、平均二酸化チタン含有量が約 10% の鉱石 20 億トンと推定されています。

世界最大のチタン生産国 - ロシアの会社「VSMPO-AVISMA」。

レシート

一般に、チタンおよびその化合物の製造の出発原料は、比較的少量の不純物を含む二酸化チタンです。 特に、それはチタン鉱石の選鉱中に得られるルチル濃縮物であり得る。 しかし、世界のルチル埋蔵量は非常に限られており、イルメナイト精鉱の処理中に得られる、いわゆる合成ルチルまたはチタンスラグがより頻繁に使用されます。 チタンスラグを得るには、イルメナイト精鉱を電気炉で還元し、鉄を金属相（鋳鉄）に分離し、還元されなかったチタン酸化物と不純物がスラグ相を形成します。 リッチスラグは塩化法または硫酸法で処理されます。

チタン鉱石の濃縮物は、硫酸または乾式冶金処理にさらされます。 硫酸処理の生成物は二酸化チタン粉末TiO 2 です。 乾式冶金法を使用して、鉱石をコークスで焼結し、塩素で処理すると、一対の四塩化チタン TiCl 4 が得られます。

850℃で生成したTiCl 4 蒸気はマグネシウムで還元されます。

さらに、開発者のデレク・フライ、トム・ファーシング、ジョージ・チェンと、それが作成されたケンブリッジ大学にちなんで名付けられた、いわゆるケンブリッジ FFC プロセスが人気を集め始めています。 この電気化学プロセスにより、塩化カルシウムと生石灰の溶融混合物中で酸化物からチタンを直接連続的に還元できます。 このプロセスでは、塩化カルシウムと石灰の混合物で満たされた電解槽を使用し、黒鉛の犠牲（または中性）陽極と、還元される酸化物から作られた陰極を使用します。 浴に電流が流れると、温度はすぐに約 1000 ～ 1100°C に達し、酸化カルシウムの溶融物が陽極で酸素と金属カルシウムに分解します。

結果として生じる酸素はアノードを酸化し（グラファイトを使用する場合）、カルシウムは溶融物中でカソードに移動し、そこで酸化物からチタンを復元します。

結果として生じる酸化カルシウムは再び酸素と金属カルシウムに解離し、カソードがスポンジチタンに完全に変化するか、酸化カルシウムが使い果たされるまでこのプロセスが繰り返されます。 このプロセスでは塩化カルシウムが電解質として使用され、溶融物に導電性を与え、活性カルシウムおよび酸素イオンの移動性を与えます。 不活性アノード (酸化スズなど) を使用すると、二酸化炭素の代わりに分子状酸素がアノードで放出されるため、汚染が少なくなります。 環境ただし、この場合のプロセスは不安定になり、さらに、特定の条件下では、酸化カルシウムではなく塩化物の分解がエネルギー的に有利になり、分子状塩素の放出につながります。

得られたチタン「スポンジ」を溶かして精製します。 チタンは、ヨウ化物法または電気分解によって精製され、TiCl 4 から Ti が分離されます。 チタンインゴットを得るには、アーク、電子ビーム、またはプラズマ処理が使用されます。

物理的特性

チタンは軽い銀白色の金属です。 それは 2 つの結晶変態で存在します: 六方最密格子を持つ α-Ti (a=2.951 Å; c=4.679 Å; z=2; space group) C6mmc)、立方体心充填の β-Ti (a=3.269 Å; z=2; 空間群) 私3分)、転移温度 α↔β 883 °C、ΔH 転移 3.8 kJ/mol。 融点 1660 ± 20 °C、沸点 3260 °C、α-Ti と β-Ti の密度はそれぞれ 4.505 (20 °C) と 4.32 (900 °C) g/cm3、原子密度 5.71⋅10 22 at/cm3 [ ] 。 プラスチック、不活性雰囲気中で溶接。 比抵抗 0.42 μオーム・m 20時 ℃

粘度が高く、加工中に切削工具に付着しやすいため、工具に特殊なコーティングや各種潤滑剤を塗布する必要があります。

常温では酸化TiO 2 の保護不動態膜で覆われているため、ほとんどの環境（アルカリを除く）で耐食性があります。

チタン粉は爆発しやすい。 引火点 - 400 °C。 チタンの削りくずは可燃性です。

チタンは、鋼鉄、タングステン、プラチナと同様に、真空に対する耐性が高く、軽量であるため、宇宙船の設計に非常に有望です。

化学的特性

チタンは、多くの酸およびアルカリの希薄溶液に対して耐性があります (H 3 PO 4 および濃 H 2 SO 4 を除く)。

にも反応しやすい 弱酸錯化剤の存在下では、たとえばフッ化水素酸と錯体アニオン 2- の形成により相互作用します。 チタンは、水の存在下ではチタン製品の表面に酸化物と水素化チタンの緻密な不動態皮膜が形成されるため、有機媒体中で最も腐食を受けやすくなります。 チタンの耐食性の最も顕著な増加は、攻撃的な環境における水分含有量の 0.5 % から 8.0% への増加に伴い顕著であり、これは水と有機混合媒体中の酸とアルカリの溶液中でのチタンの電極電位の電気化学的研究によって確認されています。

Ti は空気中で 1200°C まで加熱されると、明るい白い炎をあげて発火し、さまざまな組成の TiO x の酸化物相が形成されます。 水酸化物ＴｉＯ（ＯＨ） ２ ・ｘＨ ２ Ｏは、注意深く焼成することによってチタン塩の溶液から沈殿し、その酸化物ＴｉＯ ２ が得られる。 TiO(OH) 2 水酸化物 xH 2 O および二酸化 TiO 2 は両性です。

応用

純粋な形と合金の形

• 合金の形のチタンは、航空機、ロケット、造船において最も重要な構造材料です。
• この金属は、化学産業（原子炉、パイプライン、ポンプ、パイプ継手）、軍事産業（防弾チョッキ、航空機の装甲および防火壁、潜水艦の船体）、工業プロセス（脱塩プラント、パルプおよび紙のプロセス）、自動車産業、農業産業、食品産業、ピアスジュエリー、医療産業（補綴物、骨補綴物）、歯科および歯内療法器具、歯科インプラント、スポーツ用品、宝飾品、 携帯電話、軽合金など。
• チタンの鋳造は、真空炉内でグラファイト型を使用して行われます。 真空インベストメント鋳造も使用されます。 芸術的な鋳造には技術的な困難があるため、限られた範囲で使用されています。 世界初の記念碑的な鋳造チタン彫刻は、モスクワにあるユーリ・ガガーリンの名を冠した広場にあるユーリ・ガガーリンの記念碑です。
• チタンは、多くの合金鋼およびほとんどの特殊合金に添加される合金です [ 何？] .
• ニチノール (ニッケルチタン) は、医療やテクノロジーで使用される形状記憶合金です。
• チタンアルミナイドは耐酸化性と耐熱性に優れているため、航空産業や自動車産業で構造材料として使用されることが決定されました。
• チタンは、高真空ポンプで使用される最も一般的なゲッター材料の 1 つです。

つながりという形で

• 白色二酸化チタン (TiO 2 ) は、塗料 (チタン ホワイトなど) や紙やプラスチックの製造に使用されます。 栄養補助食品 E171。
• 有機チタン化合物 (テトラブトキシチタンなど) は、化学産業や塗料産業で触媒および硬化剤として使用されます。
• 無機チタン化合物は、化学、電子、ガラス繊維産業で添加剤またはコーティングとして使用されます。
• 炭化チタン、二ホウ化チタン、炭窒化チタンは、金属加工用の超硬材料の重要な成分です。
• 窒化チタンは金に似た色をしているため、工具や教会のドームのコーティング、コスチューム ジュエリーの製造に使用されます。
• チタン酸バリウム BaTiO 3、チタン酸鉛 PbTiO 3、およびその他の多くのチタン酸塩は強誘電体です。

チタン合金は数多くありますが、 さまざまな金属。 合金元素は、多形変態温度に対する影響に応じて、ベータ安定剤、アルファ安定剤、中性硬化剤の 3 つのグループに分類されます。 前者は変態温度を低下させ、後者は変態温度を上昇させます。後者はそれに影響を与えませんが、母材の固溶化硬化を引き起こします。 アルファ安定剤の例: アルミニウム、酸素、炭素、窒素。 ベータ安定剤: モリブデン、バナジウム、鉄、クロム、ニッケル。 中性硬化剤: ジルコニウム、錫、シリコン。 次に、ベータ安定剤は、ベータ同形性とベータ共析形成性に分類されます。

最も一般的なチタン合金は Ti-6Al-4V 合金 (ロシアの分類では VT6) です。

消費者市場の分析

チタン原石（スポンジチタン）の純度とグレードは、通常、不純物の含有量に応じた硬度によって決まります。 最も一般的なブランドは TG100 と TG110 です [ ] .

生理作用

前述したように、チタンは歯科でも使用されています。 チタンの特徴は強度だけでなく、金属自体が骨とともに成長するため、歯元の準堅牢性を確保できることです。

同位体

天然チタンは 5 つの安定同位体の混合物で構成されています: 46 Ti (7.95%)、47 Ti (7.75%)、48 Ti (73.45%)、49 Ti (5.51%)、50 Ti (5.34%)。

人工放射性同位体 45 Ti (T 1/2 = 3.09 時間)、51 Ti (T 1/2 = 5.79 分) などが知られています。

ノート

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リンク

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