Când a fost descoperit titanul? Caracteristicile titanului ca metal cu rezistență excelentă la coroziune

Elementul 22 (titan englezesc, titan francez, titan german) a fost descoperit la sfârșitul secolului al XVIII-lea, când căutarea și analiza unor noi minerale nedescrise încă în literatură i-a fascinat nu numai pe chimiști și mineralogi, ci și pe oamenii de știință amatori. Un astfel de amator, preotul englez Gregor, a găsit nisip negru amestecat cu nisip fin alb murdar în parohia sa din Valea Menachan din Cornwall. Gregor a dizolvat o probă de nisip în acid clorhidric; În același timp, 46% din fier a fost eliberat din nisip. Gregor a dizolvat restul probei în acid sulfuric și aproape toată substanța a intrat în soluție, cu excepția 3,5% silice. După evaporarea soluției de acid sulfuric, a rămas o pulbere albă în cantitate de 46% din probă. Gregor îl considera un tip special de var, solubil în exces de acid și precipitat de potasiu caustic. Continuând să studieze pulberea, Gregor a ajuns la concluzia că era un compus de fier cu un metal necunoscut. După ce s-a consultat cu prietenul său, mineralogul Hawkins, Gregor a publicat rezultatele lucrării sale în 1791, propunând să numească noul metal Menachine după valea în care a fost găsit nisipul negru. În conformitate cu aceasta, mineralul original a fost numit menaconit. Klaproth a făcut cunoștință cu mesajul lui Gregor și, independent de el, a început să analizeze mineralul cunoscut la acea vreme sub numele de „scherl roșu maghiar” (rutil). Curând a reușit să izoleze din mineral un oxid dintr-un metal necunoscut, pe care l-a numit titan (Titan) prin analogie cu titanii - vechii locuitori mitici ai pământului. Klaproth a ales în mod deliberat un nume mitologic, spre deosebire de denumirea elementelor în funcție de proprietățile lor, așa cum a fost propus de Lavoisier și Comisia de nomenclatură a Academiei de Științe din Paris și care a dus la grave neînțelegeri. Bănuind că menachina și titanul lui Gregor erau același element, Klaproth a efectuat o analiză comparativă a menaconitului și rutilului și a stabilit identitatea ambelor elemente. În Rusia la sfârșitul secolului al XIX-lea. titanul a fost izolat din ilmenit și studiat în detaliu din punct de vedere chimic de T.E. În același timp, a remarcat unele erori în definițiile lui Klaproth. Titanul pur electrolitic a fost obținut în 1895 de Moissan. În literatura rusă de la începutul secolului al XIX-lea. titanul este uneori numit titan (Dvigubsky, 1824), iar cinci ani mai târziu apare acolo denumirea de titan.

Cea mai mare parte a titanului este cheltuită pentru nevoile aviației și tehnologiei rachetelor și construcțiilor navale maritime. Acesta, precum și ferotitanul, este utilizat ca aditiv de aliere pentru oțelurile de înaltă calitate și ca agent de dezoxidare. Titanul tehnic este utilizat pentru fabricarea de containere, reactoare chimice, conducte, fitinguri, pompe, supape și alte produse care funcționează în medii agresive. Titanul compact este folosit pentru a face ochiuri și alte părți ale dispozitivelor electrice de vid care funcționează la temperaturi ridicate.

În ceea ce privește utilizarea ca material structural, Ti se află pe locul 4, al doilea după Al, Fe și Mg. Aluminurile de titan sunt foarte rezistente la oxidare și rezistente la căldură, ceea ce a determinat, la rândul său, utilizarea lor în producția de aviație și de automobile ca materiale structurale. Inofensivitatea biologică a acestui metal îl face un material excelent pentru industria alimentară și chirurgia reconstructivă.

Titanul și aliajele sale sunt utilizate pe scară largă în tehnologie datorită rezistenței lor mecanice ridicate, care este menținută la temperaturi ridicate, rezistență la coroziune, rezistență la căldură, rezistență specifică, densitate scăzută și alte proprietăți utile. Costul ridicat al acestui metal și al materialelor pe baza acestuia este compensat în multe cazuri de performanța lor mai mare, iar în unele cazuri sunt singura materie primă din care se pot realiza echipamente sau structuri care pot funcționa în aceste condiții specifice.

Aliajele de titan joacă un rol important în tehnologia aviației, unde se străduiesc să obțină cea mai ușoară structură combinată cu rezistența necesară. Ti este ușor în comparație cu alte metale, dar în același timp poate funcționa la temperaturi ridicate. Materialele pe bază de Ti sunt folosite pentru a face carcasa, piesele de fixare, kit-ul de alimentare, piese de șasiu și diverse unități. Aceste materiale sunt, de asemenea, utilizate în construcția motoarelor cu reacție de avioane. Acest lucru vă permite să reduceți greutatea lor cu 10-25%. Aliajele de titan sunt folosite pentru a produce discuri și palete de compresor, piese pentru prize de aer și ghidaje în motoare și diverse elemente de fixare.

Un alt domeniu de aplicare este racheta. Datorită funcționării pe termen scurt a motoarelor și trecerii rapide a straturilor dense ale atmosferei în știința rachetelor, problemele rezistenței la oboseală, rezistenței statice și parțial fluajului sunt în mare parte eliminate.

Datorită rezistenței sale termice insuficient de ridicate, titanul tehnic nu este potrivit pentru utilizare în aviație, dar datorită rezistenței sale la coroziune excepțional de ridicate, în unele cazuri este indispensabil în industria chimică și construcțiile navale. Astfel, este utilizat la fabricarea de compresoare și pompe pentru pomparea unor medii agresive precum acidul sulfuric și clorhidric și sărurile acestora, conductele, supape de închidere, autoclav, diverse tipuri de recipiente, filtre etc. Doar Ti este rezistent la coroziune în medii precum clorul umed, soluțiile de clor apoase și acide, prin urmare echipamentele pentru industria clorului sunt realizate din acest metal. De asemenea, este folosit pentru a face schimbătoare de căldură care funcționează în medii corozive, de exemplu, acid azotic (nefumători). În construcțiile navale, titanul este utilizat pentru fabricarea elicelor, placarea navelor, submarinelor, torpilelor etc. Pe acest material scoicile nu se lipesc, ceea ce mărește brusc rezistența vasului pe măsură ce se mișcă.

Aliajele de titan sunt promițătoare pentru utilizare în multe alte aplicații, dar răspândirea lor în tehnologie este împiedicată de costul ridicat și abundența insuficientă a acestui metal.

Compușii de titan sunt, de asemenea, utilizați pe scară largă în diverse industrii. Carbura (TiC) are o duritate ridicată și este utilizată în producția de scule de tăiere și abrazive. Dioxidul alb (TiO2) este utilizat în vopsele (ex. alb de titan) și în producția de hârtie și materiale plastice. Compușii organo-titan (de exemplu, tetrabutoxititan) sunt utilizați ca catalizator și întăritor în industria chimică și a vopselei și a lacurilor. Compuși anorganici Ti este utilizat în industria electronică chimică și în industria fibrei de sticlă ca aditiv. Diborura (TiB 2) este o componentă importantă a materialelor superdure pentru prelucrarea metalelor. Nitrura (TiN) este folosită pentru acoperirea sculelor.

Titanul sub formă de oxid (IV) a fost descoperit de mineralogul amator englez W. Gregor în 1791 în nisipurile feruginoase magnetice ale orașului Menacan (Anglia); în 1795, chimistul german M. G. Klaproth a stabilit că mineralul rutil este un oxid natural al aceluiași metal, pe care l-a numit „titan” [în mitologia greacă, titanii sunt copiii lui Uranus (Raiul) și Gaia (Pământul)]. Nu a fost posibilă o lungă perioadă de timp să se izoleze titanul în forma sa pură; abia în 1910, omul de știință american M.A. Hunter a obținut metalul Titan prin încălzirea clorurii acestuia cu sodiu într-o bombă de oțel sigilată; metalul pe care l-a obţinut era ductil doar la temperaturi ridicate şi fragil la temperatura camerei datorită conţinutului ridicat de impurităţi. Oportunitatea de a studia proprietățile titanului pur a apărut abia în 1925, când oamenii de știință olandezi A. Van Arkel și I. de Boer au obținut un metal de înaltă puritate, plastic la temperaturi scăzute, folosind disocierea termică a iodurii de titan.

Distribuția Titanului în natură. Titanul este unul dintre elementele comune, conținutul său mediu în scoarța terestră (clarke) este de 0,57% în greutate (dintre metalele structurale ocupă locul 4 ca abundență, după fier, aluminiu și magneziu). Cea mai mare parte a Titanului se află în roci de bază ale așa-numitei „cochilii de bazalt” (0,9%), mai puțin în roci de „cochilie de granit” (0,23%) și chiar mai puțin în roci ultrabazice (0,03%) etc. La roci, îmbogățite în titan, includ pegmatitele din roci de bază, roci alcaline, sienite și pegmatitele asociate și altele. Există 67 de minerale cunoscute de titan, majoritatea de origine magmatică; cele mai importante sunt rutilul și ilmenitul.

Titan este împrăștiat în mare parte în biosferă. ÎN apa de mare contine 10 -7%; Titan este un migrant slab.

Proprietățile fizice ale Titanului. Titanul există sub forma a două modificări alotropice: sub o temperatură de 882,5 °C, forma α cu o rețea compactă hexagonală (a = 2,951 Å, c = 4,679 Å) este stabilă, iar peste această temperatură - β -forma cu o rețea centrată pe corp cubic a = 3,269 Å. Impuritățile și aditivii de aliere pot modifica semnificativ temperatura de transformare α/β.

Densitatea formei a la 20°C este de 4,505 g/cm3, iar la 870°C 4,35 g/cm3; forma p la 900°C 4,32 g/cm3; raza atomică Ti 1,46 Å, raze ionice Ti + 0,94 Å, Ti 2+ 0,78 Å, Ti 3+ 0,69 Å, Ti 4+ 0,64 Å; Punct de topire 1668 °C, punctul de fierbere 3227 °C; conductivitate termică în intervalul 20-25°C 22,065 W/(m K); coeficient de temperatură de dilatare liniară la 20°C 8,5·10 -6, în intervalul 20-700°C 9,7·10 -6; capacitate termică 0,523 kJ/(kg K); rezistivitate electrică 42,1·10 -6 ohm·cm la 20 °C; coeficient de temperatură al rezistenței electrice 0,0035 la 20 °C; are supraconductivitate sub 0,38 K. Titanul este paramagnetic, susceptibilitate magnetică specifică 3,2·10 -6 la 20 °C. Rezistență la tracțiune 256 MN/m2 (25,6 kgf/mm2), alungire relativă 72%, duritate Brinell mai mică de 1000 MN/m2 (100 kgf/mm2). Modul elastic normal 108.000 MN/m2 (10.800 kgf/mm2). Metal grad înalt curățenia pieselor forjate la temperaturi normale.

Titanul tehnic utilizat în industrie conține impurități de oxigen, azot, fier, siliciu și carbon, care îi măresc rezistența, reduc ductilitatea și afectează temperatura transformării polimorfe, care are loc în intervalul 865-920 °C. Pentru gradele tehnice de titan VT1-00 și VT1-0, densitatea este de aproximativ 4,32 g/cm 3 , rezistență la tracțiune 300-550 MN/m 2 (30-55 kgf/mm 2), alungire nu mai mică de 25%, duritate Brinell 1150 -1650 Mn/m2 (115-165 kgf/mm2). Configurația învelișului electron exterior al atomului de Ti este 3d 2 4s 2.

Proprietățile chimice ale Titanului. Titanul pur este un element de tranziție activ din punct de vedere chimic, în compuși, are o stare de oxidare de +4, mai rar +3 și +2. La temperaturi obișnuite și până la 500-550 °C este rezistent la coroziune, ceea ce se explică prin prezența unui film de oxid subțire, dar durabil, pe suprafața sa.

Reacționează vizibil cu oxigenul atmosferic la temperaturi peste 600 °C pentru a forma TiO2. Dacă există o lubrifiere insuficientă, așchii subțiri de titan pot lua foc în timpul prelucrării. Dacă există o concentrație suficientă de oxigen în mediu și pelicula de oxid este deteriorată prin impact sau frecare, metalul se poate aprinde atunci când temperatura camereiși în bucăți relativ mari.

Filmul de oxid nu protejează titanul în stare lichidă de interacțiunea ulterioară cu oxigenul (spre deosebire de, de exemplu, aluminiu), și, prin urmare, topirea și sudarea acestuia trebuie efectuate în vid, într-o atmosferă de gaz neutru sau arc scufundat. Titanul are capacitatea de a absorbi gazele atmosferice și hidrogenul, formând aliaje fragile nepotrivite utilizare practică; în prezența unei suprafețe activate, absorbția hidrogenului are loc deja la temperatura camerei la o rată scăzută, care crește semnificativ la 400 °C și peste. Solubilitatea hidrogenului în Titan este reversibilă, iar acest gaz poate fi îndepărtat aproape complet prin recoacere în vid. Titanul reacţionează cu azotul la temperaturi peste 700 °C, şi se obţin nitruri de tip TiN; sub formă de pulbere fină sau sârmă, titanul poate arde într-o atmosferă de azot. Rata de difuzie a azotului și oxigenului în Titan este mult mai mică decât cea a hidrogenului. Stratul rezultat din interacțiunea cu aceste gaze se caracterizează prin duritate și fragilitate crescută și trebuie îndepărtat de pe suprafața produselor din titan prin gravare sau tratament mecanic. Titanul interacționează puternic cu halogenii uscați și este stabil împotriva halogenilor umezi, deoarece umiditatea joacă rolul de inhibitor.

Metalul este stabil în acid azotic de toate concentrațiile (cu excepția acidului fumant roșu, care provoacă fisurarea coroziunii Titanului, iar reacția are loc uneori cu o explozie), în soluții slabe acid sulfuric (până la 5% în greutate). Acizii clorhidric, fluorhidric, sulfuric concentrat, precum și acizii organici fierbinți: oxalic, formic și tricloroacetic reacționează cu Titan.

Titanul este rezistent la coroziune aerul atmosferic, apă de mare și atmosferă de mare, în clor umed, apă cu clor, soluții de clorură fierbinte și rece, în diverse soluții și reactivi tehnologici utilizați în industria chimică, petrolieră, fabricarea hârtiei și alte industrii, precum și în hidrometalurgie. Titanul formează compuși asemănătoare metalelor cu C, B, Se, Si, caracterizați prin refractaritate și duritate ridicată. Carbura de TiC (p.t. 3140 °C) se obține prin încălzirea unui amestec de TiO2 cu funingine la 1900-2000 °C în atmosferă de hidrogen; Nitrură de TiN (p.t. 2950 °C) - prin încălzirea pulberii de titan în azot la temperaturi peste 700 °C. Sunt cunoscute siliciuri TiSi2, TiSi şi boruri TiB, Ti2B5, TiB2. La temperaturi de 400-600 °C, titanul absoarbe hidrogenul pentru a forma soluții solide și hidruri (TiH, TiH 2). Când TiO 2 este fuzionat cu alcalii, se formează săruri de acid titanic: meta- și orto-titanați (de exemplu, Na 2 TiO 3 și Na 4 TiO 4), precum și polititanați (de exemplu, Na 2 Ti 2 O 5 și Na2Ti3O7). Titanații includ cele mai importante minerale ale Titanului, de exemplu, ilmenita FeTiO 3, perovskita CaTiO 3. Toți titanați sunt ușor solubili în apă. Oxidul de titan (IV), acizii titani (precipitate) și titanați se dizolvă în acid sulfuric pentru a forma soluții care conțin sulfat de titanil TiOSO4. La diluarea si incalzirea solutiilor se depune H 2 TiO 3 ca urmare a hidrolizei, din care se obtine oxid de titan (IV). Când se adaugă peroxid de hidrogen la soluții acide care conțin compuși Ti (IV), se formează acizi peroxid (supratitanic) din compoziția H4TiO5 și H4TiO8 și sărurile corespunzătoare acestora; aceşti compuşi sunt coloraţi în galben sau culoare portocalie-rosu(în funcție de concentrația de titan), care este utilizat pentru determinarea analitică a titanului.

Primirea Titanului. Cea mai comună metodă de producere a titanului metalic este metoda magneziu-termică, adică reducerea tetraclorurii de titan cu magneziu metal (mai puțin frecvent, sodiu):

TiCI4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2.

În ambele cazuri, materiile prime de pornire sunt minereurile de oxid de titan - rutil, ilmenit și altele. În cazul minereurilor de tip ilmenit, titanul sub formă de zgură este separat de fier prin topire în cuptoare electrice. Zgura (precum și rutilul) este clorurată în prezența carbonului pentru a forma tetraclorura de titan, care, după purificare, intră într-un reactor de reducere cu atmosferă neutră.

Titanul prin acest procedeu se obține sub formă de burete și, după măcinare, este topit în cuptoare cu arc cu vid în lingouri cu introducerea de aditivi de aliere, dacă este necesar un aliaj. Metoda magneziu-termică face posibilă crearea unei producții industriale la scară largă de titan cu un ciclu tehnologic închis, deoarece produsul secundar format în timpul reducerii - clorura de magneziu - este trimis la electroliză pentru a produce magneziu și clor.

În unele cazuri, este avantajos să se utilizeze metode de metalurgie a pulberilor pentru producerea de produse din titan și aliajele sale. Pentru a obține pulberi deosebit de fine (de exemplu, pentru electronice radio), poate fi utilizată reducerea oxidului de titan (IV) cu hidrură de calciu.

Aplicarea Titanului. Principalele avantaje ale Titan față de alte metale structurale: o combinație de ușurință, rezistență și rezistență la coroziune. Aliajele de titan în absolut, și cu atât mai mult în rezistența specifică (adică rezistența legată de densitate) sunt superioare majorității aliajelor pe bază de alte metale (de exemplu, fier sau nichel) la temperaturi de la -250 la 550 ° C și în termeni de coroziune sunt comparabile cu aliajele de metale nobile. Cu toate acestea, titanul a început să fie folosit ca material structural independent abia în anii 50 ai secolului al XX-lea din cauza marilor dificultăți tehnice ale extracției sale din minereuri și procesare (de aceea titanul a fost clasificat în mod convențional ca un metal rar). Partea principală a Titan este cheltuită pentru nevoile aviației și tehnologiei rachetelor și construcției navale maritime. Aliajele de titan cu fier, cunoscute sub denumirea de „ferotitan” (20-50% titan), servesc ca aditiv de aliere și agent de dezoxidare în metalurgia oțelurilor de înaltă calitate și aliajelor speciale.

Titanul tehnic este utilizat pentru fabricarea de containere, reactoare chimice, conducte, fitinguri, pompe și alte produse care funcționează în medii agresive, de exemplu, în inginerie chimică. În hidrometalurgia metalelor neferoase se folosesc echipamente din titan. Este folosit pentru acoperirea produselor din oțel. Utilizarea titanului în multe cazuri oferă un efect tehnic și economic mare nu numai datorită duratei de viață crescute a echipamentelor, ci și posibilității de intensificare a proceselor (cum ar fi, de exemplu, în hidrometalurgia nichelului). Siguranța biologică a titanului îl face un material excelent pentru fabricarea de echipamente pentru industria alimentară și chirurgia reconstructivă. În condiții de frig profund, rezistența Titanului crește, menținând în același timp o bună ductilitate, ceea ce face posibilă utilizarea acestuia ca material structural pentru tehnologia criogenică. Titanul se pretează bine la lustruire, anodizare de culoare și alte metode de finisare a suprafețelor și, prin urmare, este utilizat pentru fabricarea diferitelor produse artistice, inclusiv sculptura monumentală. Un exemplu este monumentul de la Moscova, construit în cinstea lansării primului satelit artificial de pe Pământ. Din compuși de titan semnificație practică au oxizi, halogenuri, precum și siliciuri utilizate în tehnologia de temperatură înaltă; boruri și aliajele lor, utilizate ca moderatori în centralele nucleare datorită refractarității și secțiunii transversale mari de captare a neutronilor. Carbura de titan, care are o duritate mare, face parte din aliajele dure pentru scule utilizate pentru fabricarea sculelor de tăiere și ca material abraziv.

Oxidul de titan (IV) și titanatul de bariu formează baza ceramicii de titan, iar titanatul de bariu este cel mai important feroelectric.

Titan în corp. Titanul este prezent în mod constant în țesuturile plantelor și animalelor. La plantele terestre concentrația sa este de aproximativ 10 -4%, la plantele marine - de la 1,2 10 -3 la 8 10 -2%, în țesuturile animalelor terestre - mai puțin de 2 10 -4%, la cele marine - de la 2 10 -4 până la 2·10 -2%. Se acumulează la vertebrate în principal în formațiunile de corn, splină, glandele suprarenale, glanda tiroidă, placentă; slab absorbit din tractului gastrointestinal. La om, aportul zilnic de titan din alimente și apă este de 0,85 mg; excretat în urină și fecale (0,33 și, respectiv, 0,52 mg).

Titanul (lat. Titan; notat cu simbolul Ti) este un element al subgrupului secundar al celui de-al patrulea grup, a patra perioadă a tabelului periodic al elementelor chimice, cu număr atomic 22. Substanța simplă titan (număr CAS: 7440-). 32-6) este un metal ușor de culoare alb-argintiu.

Poveste

Descoperirea TiO 2 a fost făcută aproape simultan și independent unul de celălalt de către englezul W. Gregor și chimistul german M. G. Klaproth. W. Gregor, studiind compoziția nisipului feruginos magnetic (Creed, Cornwall, Anglia, 1789), a izolat un nou „pământ” (oxid) dintr-un metal necunoscut, pe care l-a numit menaken. În 1795, chimistul german Klaproth a descoperit rutilul în mineral element nouși l-a numit titan. Doi ani mai târziu, Klaproth a stabilit că pământul rutil și menaken sunt oxizi ai aceluiași element, ceea ce a dat naștere denumirii „titan” propusă de Klaproth. Zece ani mai târziu, titanul a fost descoperit pentru a treia oară. Omul de știință francez L. Vauquelin a descoperit titanul în anatază și a demonstrat că rutilul și anataza sunt oxizi de titan identici.
Prima mostră de titan metalic a fost obținută în 1825 de J. Ya Berzelius. Datorită activității chimice ridicate a titanului și a dificultății de purificare a acestuia, o probă pură de Ti a fost obținută de olandezii A. van Arkel și I. de Boer în 1925 prin descompunerea termică a vaporilor de iodură de titan TiI 4 .

Originea numelui

Metalul și-a primit numele în onoarea titanilor, personaje din mitologia greacă antică, copiii lui Gaia. Numele elementului a fost dat de Martin Klaproth, în concordanță cu opiniile sale asupra nomenclaturii chimice, în opoziție cu școala franceză de chimie, unde au încercat să numească un element după proprietățile sale chimice. Întrucât cercetătorul german însuși a remarcat imposibilitatea de a determina proprietățile unui nou element numai din oxidul său, i-a ales un nume din mitologie, prin analogie cu uraniul pe care îl descoperise anterior.
Cu toate acestea, conform unei alte versiuni, publicată în revista „Technology-Youth” la sfârșitul anilor 1980, noul metal descoperit nu își datorează numele puternicilor titani din miturile grecești antice, ci Titaniei, regina zânelor din mitologia germanică ( soția lui Oberon în „Visul unei nopți de vară” de Shakespeare). Acest nume este asociat cu extraordinara „luminozitate” (densitate scăzută) a metalului.

chitanta

De regulă, materialul de pornire pentru producția de titan și compușii săi este dioxidul de titan cu o cantitate relativ mică de impurități. În special, poate fi un concentrat de rutil obținut din îmbogățirea minereurilor de titan. Cu toate acestea, rezervele de rutil din lume sunt foarte limitate, iar așa-numitul rutil sintetic sau zgura de titan, obținută din prelucrarea concentratelor de ilmenit, este mai des folosită. Pentru a obține zgura de titan, concentratul de ilmenit este redus într-un cuptor cu arc electric, în timp ce fierul este separat în faza metalică (fontă), iar oxizii și impuritățile de titan nereduși formează faza de zgură. Zgura bogată este prelucrată prin metoda clorurii sau acidului sulfuric.
Concentratul de minereu de titan este supus acidului sulfuric sau procesării pirometalurgice. Produsul tratamentului cu acid sulfuric este pulbere de dioxid de titan TiO2. Prin metoda pirometalurgică, minereul este sinterizat cu cocs și tratat cu clor, producând vapori de tetraclorură de titan TiCl 4:
TiO2 + 2C + 2Cl2 =TiCl2 + 2CO

Vaporii de TiCl4 rezultați se reduc cu magneziu la 850 °C:
TiCI4 + 2Mg = 2MgCI2 + Ti

„Buretele” de titan rezultat este topit și curățat. Titanul este rafinat folosind metoda iodurii sau electroliza, separând Ti de TiCl4. Pentru a obține lingouri de titan, se utilizează prelucrarea cu arc, fascicul de electroni sau plasmă.

Proprietăți fizice

Titanul este un metal alb-argintiu ușor. Există în două modificări cristaline: α-Ti cu o rețea compactă hexagonală, β-Ti cu împachetare centrată pe corp cubic, temperatura transformării polimorfe α↔β este de 883 °C.
Are o vâscozitate ridicată și, în timpul prelucrării, este predispus să se lipească de unealta de tăiere și, prin urmare, necesită aplicarea de acoperiri speciale pe unealtă și diferiți lubrifianți.
La temperaturi obișnuite, este acoperit cu o peliculă de pasivizare protectoare de oxid de TiO 2, făcându-l rezistent la coroziune în majoritatea mediilor (cu excepția celor alcaline).
Praful de titan tinde să explodeze. Punct de aprindere 400 °C. Așchii de titan sunt periculos de incendiu.

1941 Punct de fierbere 3560 Oud.  căldură de fuziune 18,8 kJ/mol Oud.  căldură de vaporizare 422,6 kJ/mol Capacitate de căldură molară 25,1 J/(K mol) Volumul molar 10,6 cm³/mol Rețea cristalină dintr-o substanță simplă
Structura de zăbrele hexagonal compact (α-Ti) Parametrii rețelei a=2,951 s=4,697 (α-Ti)/Atitudine 1,587 c 380 o Debye temperatura Alte caracteristici Conductivitate termică 7440-32-6

(300 K) 21,9 W/(mK)

și o mulțime de alte gunoaie scumpe Cu toate acestea, fiecare dintre voi poate cumpăra o lopată sau o rangă din titan pur! Și asta nu este o glumă!

Și așa reacționează pulberea fină de titan cu oxigenul atmosferic. Datorită unei astfel de arderi colorate, titanul și-a găsit aplicație în pirotehnică. Pa!și chimistul german M. G. Klaproth. W. Gregor, studiind compoziția nisipului feruginos magnetic (Creed, Cornwall, Anglia), a izolat un nou „pământ” (oxid) dintr-un metal necunoscut, pe care l-a numit menaken. În 1795, chimistul german Klaproth a descoperit un nou element în mineralul rutil și l-a numit titan. Doi ani mai târziu, Klaproth a stabilit că pământul rutil și menaken sunt oxizi ai aceluiași element, ceea ce a dat naștere denumirii „titan” propusă de Klaproth. Zece ani mai târziu, titanul a fost descoperit pentru a treia oară. Omul de știință francez L. Vauquelin a descoperit titanul în anatază și a demonstrat că rutilul și anataza sunt oxizi de titan identici.

Prima mostră de titan metalic a fost obținută în 1825 de J. Ya. Datorită activității chimice ridicate a titanului și dificultății de purificare a acestuia, o probă pură de Ti a fost obținută de olandezii A. van Arkel și I. de Boer în 1925 prin descompunerea termică a vaporilor de iodură de titan TiI 4 .

Originea numelui

Metalul și-a primit numele în onoarea titanilor, personaje din mitologia greacă antică, copiii lui Gaia. Numele elementului a fost dat de Martin Klaproth, în conformitate cu opiniile sale asupra nomenclaturii chimice, spre deosebire de școala franceză de chimie, unde au încercat să numească un element după proprietățile sale chimice. Întrucât cercetătorul german însuși a remarcat imposibilitatea de a determina proprietățile unui nou element numai din oxidul său, i-a ales un nume din mitologie, prin analogie cu uraniul pe care îl descoperise anterior.

Fiind în natură

Titanul se află pe locul 10 în ceea ce privește prevalența în natură. Conținutul în scoarța terestră este de 0,57% din masă, în apa de mare - 0,001 mg/l. În roci ultramafice 300 g/t, în roci bazice - 9 kg/t, în roci acide 2,3 kg/t, în argile și șisturi 4,5 kg/t. În scoarța terestră, titanul este aproape întotdeauna tetravalent și este prezent doar în compușii de oxigen. Nu se găsește în formă liberă. În condiții de intemperii și precipitații, titanul are afinitate geochimică cu Al2O3. Este concentrat în bauxite ale crustei de intemperii și în sedimentele argiloase marine. Titanul este transportat sub formă de fragmente mecanice de minerale și sub formă de coloizi. Până la 30% TiO2 în greutate se acumulează în unele argile. Mineralele de titan sunt rezistente la intemperii și formează concentrații mari în placeri. Sunt cunoscute peste 100 de minerale care conțin titan. Cele mai importante dintre ele sunt: ​​rutil TiO 2 , ilmenit FeTiO 3 , titanomagnetit FeTiO 3 + Fe 3 O 4, perovskit CaTiO 3, titanit CaTiSiO 5. Există minereuri primare de titan - ilmenit-titanomagnetit și minereuri de placer - rutil-ilmenit-zircon.

Depozite

Zăcămintele de titan sunt situate în Africa de Sud, Rusia, Ucraina, China, Japonia, Australia, India, Ceylon, Brazilia, Coreea de Sud, Kazahstan. În țările CSI, primele locuri în rezervele explorate de minereuri de titan sunt ocupate de Federația Rusă (58,5%) și Ucraina (40,2%). Cel mai mare depozit din Rusia este Yaregskoye.

Rezerve și producție

Din 2002, 90% din titanul extras a fost folosit pentru a produce dioxid de titan TiO2. Producția mondială de dioxid de titan a fost de 4,5 milioane de tone pe an. Rezervele confirmate de dioxid de titan (excluzând Rusia) sunt de aproximativ 800 de milioane de tone În 2006, conform US Geological Survey, în ceea ce privește dioxidul de titan și excluzând Rusia, rezervele de minereuri de ilmenit se ridică la 603-673 de milioane de tone și minereuri de rutil. - 49. 7-52,7 milioane de tone. Astfel, la ritmul actual de extracție, rezervele dovedite de titan din lume (cu excepția Rusiei) vor dura mai mult de 150 de ani.

Rusia are a doua cea mai mare rezervă de titan din lume, după China. Baza de resurse minerale de titan din Rusia constă din 20 de zăcăminte (dintre care 11 sunt primare și 9 aluviale), distribuite destul de uniform în toată țara. Cel mai mare dintre depozitele explorate (Yaregskoye) este situat la 25 km de orașul Ukhta (Republica Komi). Rezervele zăcământului sunt estimate la 2 miliarde de tone de minereu, cu un conținut mediu de dioxid de titan de aproximativ 10%.

Cel mai mare producător de titan din lume - firma ruseasca„VSMPO-AVISMA”.

chitanta

De regulă, materialul de pornire pentru producția de titan și compușii săi este dioxidul de titan cu o cantitate relativ mică de impurități. În special, poate fi un concentrat de rutil obținut din îmbogățirea minereurilor de titan. Cu toate acestea, rezervele de rutil din lume sunt foarte limitate, iar așa-numita rutil sintetică sau zgura de titan, obținută din prelucrarea concentratelor de ilmenit, este mai des folosită. Pentru a obține zgura de titan, concentratul de ilmenit este redus într-un cuptor cu arc electric, în timp ce fierul este separat în faza metalică (fontă), iar oxizii și impuritățile de titan nereduși formează faza de zgură. Zgura bogată este prelucrată prin metoda clorurii sau acidului sulfuric.

Concentratul de minereu de titan este supus acidului sulfuric sau procesării pirometalurgice. Produsul tratamentului cu acid sulfuric este pulbere de dioxid de titan TiO2. Prin metoda pirometalurgică, minereul este sinterizat cu cocs și tratat cu clor, producând vapori de tetraclorură de titan TiCl 4:

T i O 2 + 2 C + 2 C l 2 → T i C l 4 + 2 C O (\displaystyle (\mathsf (TiO_(2)+2C+2Cl_(2))\rightarrow TiCl_(4)+2CO)))

Vaporii de TiCl4 rezultați se reduc cu magneziu la 850 °C:

T i C l 4 + 2 M g → 2 M g C l 2 + T i (\displaystyle (\mathsf (TiCl_(4)+2Mg\rightarrow 2MgCl_(2)+Ti)))

În plus, așa-numitul proces FFC Cambridge, numit după dezvoltatorii săi Derek Fray, Tom Farthing și George Chen, și Universitatea din Cambridge, unde a fost creat, începe acum să câștige popularitate. Acest proces electrochimic permite reducerea directă și continuă a titanului din oxidul său într-un amestec topit de clorură de calciu și var nestins. Acest proces folosește o baie electrolitică umplută cu un amestec de clorură de calciu și var, cu un anod de sacrificiu (sau neutru) din grafit și un catod dintr-un oxid reductibil. Când curentul trece prin baie, temperatura ajunge rapid la ~1000-1100°C, iar topitura de oxid de calciu se descompune la anod în oxigen și calciu metalic:

2 C a O → 2 C a + O 2 (\displaystyle (\mathsf (2CaO\rightarrow 2Ca+O_(2))))

Oxigenul rezultat oxidează anodul (în cazul utilizării grafitului), iar calciul migrează în topitură către catod, unde reduce titanul din oxid:

O 2 + C → C O 2 (\displaystyle (\mathsf (O_(2)+C\rightarrow CO_(2)))) T i O 2 + 2 C a → T i + 2 C a O (\displaystyle (\mathsf (TiO_(2)+2Ca\rightarrow Ti+2CaO)))

Oxidul de calciu rezultat se disociază din nou în oxigen și calciu metalic, iar procesul se repetă până când catodul este complet transformat într-un burete de titan sau oxidul de calciu este epuizat. În acest proces, clorura de calciu este utilizată ca electrolit pentru a conferi conductivitate electrică topiturii și mobilității ionilor activi de calciu și oxigen. Când se folosește un anod inert (de exemplu, oxid de staniu), în loc de dioxid de carbon, oxigenul molecular este eliberat la anod, ceea ce provoacă mai puțină poluare mediu, cu toate acestea, procesul în acest caz devine mai puțin stabil și, în plus, în anumite condiții, descompunerea clorurii mai degrabă decât a oxidului de calciu devine mai favorabilă din punct de vedere energetic, ceea ce duce la eliberarea de clor molecular.

„Buretele” de titan rezultat este topit și curățat. Titanul este rafinat folosind metoda iodurii sau electroliza, separând Ti de TiCl4. Pentru a obține lingouri de titan, se utilizează prelucrarea cu arc, fascicul de electroni sau plasmă.

Proprietăți fizice

Titanul este un metal alb-argintiu ușor. Există în două modificări cristaline: α-Ti cu o rețea compactă hexagonală (a=2,951 Å; c=4,679 Å; z=2; grup spațial C6mmc), β-Ti cu împachetare centrată pe corp cubic (a=3,269 Å; z=2; grup spațial Im3m), temperatura tranziției α↔β este de 883 °C, ΔH a tranziției este de 3,8 kJ/mol. Punct de topire 1660±20 °C, punctul de fierbere 3260 °C, densitatea α-Ti și β-Ti, respectiv, egală cu 4,505 (20 °C) și 4,32 (900 °C) g/cm³, densitate atomică 5,71⋅10 22 at /cm³ [ ] . Plastic, sudabil în atmosferă inertă. Rezistivitate 0,42 µOhm m la 20 °C

Are o vâscozitate ridicată, în timpul prelucrării este predispus să se lipească de unealta de tăiere și, prin urmare, necesită aplicarea de acoperiri speciale pe unealtă și diferiți lubrifianți.

La temperaturi obișnuite, este acoperit cu o peliculă de pasivizare protectoare de oxid de TiO 2, făcându-l rezistent la coroziune în majoritatea mediilor (cu excepția celor alcaline).

Praful de titan tinde să explodeze. Punct de aprindere - 400 °C. Așchii de titan sunt periculos de incendiu.

Titanul, împreună cu oțelul, tungstenul și platina, este foarte stabil în vid, ceea ce, împreună cu ușurința sa, îl face foarte promițător atunci când se proiectează nave spațiale.

Proprietăți chimice

Titanul este rezistent la soluțiile diluate ale multor acizi și alcalii (cu excepția H 3 PO 4 și a H 2 SO 4 concentrat).

Reacționează ușor chiar și cu acizi slabiîn prezenţa agenţilor de complexare, de exemplu, cu acidul fluorhidric, interacţionează datorită formării anionului complex 2−. Titanul este cel mai susceptibil la coroziune în mediile organice, deoarece în prezența apei se formează o peliculă pasivă densă de oxizi și hidrură de titan pe suprafața unui produs de titan. Cea mai vizibilă creștere a rezistenței la coroziune a titanului este vizibilă atunci când conținutul de apă într-un mediu agresiv crește de la 0,5 la 8,0%, ceea ce este confirmat de studiile electrochimice ale potențialelor electrozilor titanului în soluții de acizi și alcalii în amestec apos-organic. mass-media.

Când este încălzit în aer la 1200 ° C, Ti se aprinde cu o flacără albă strălucitoare cu formarea de faze de oxid cu compoziție variabilă TiO x. Hidroxidul de TiO(OH)2·xH2O este precipitat din soluții de săruri de titan, iar calcinarea atentă a acestora produce oxid de TiO2. Hidroxidul de TiO(OH)2 xH2O şi dioxidul de TiO2 sunt amfoter.

Aplicație

În formă pură și sub formă de aliaje

  • Titanul sub formă de aliaje este cel mai important material structural în avioane, rachete și construcții navale.
  • Metalul este utilizat în: industria chimică (reactoare, conducte, pompe, fitinguri pentru conducte), industria militară (blindaje, blindaje și bariere antifoc în aviație, corpuri de submarin), procese industriale (instalații de desalinizare, procese de celuloză și hârtie), industria auto , industria agricolă, industria alimentară, bijuterii piercing, industria medicală (proteze, osteoproteze), instrumente dentare și endodontice, implanturi dentare, articole sportive, bijuterii, telefoane mobile, aliaje usoare etc.
  • Turnarea titanului se realizează în cuptoare cu vid în matrițe de grafit. Se folosește și turnarea cu ceară pierdută în vid. Din cauza dificultăților tehnologice, este folosit în turnarea artistică într-o măsură limitată. Prima sculptură monumentală turnată realizată din titan în practica mondială este monumentul lui Iuri Gagarin de pe piața care îi poartă numele din Moscova.
  • Titanul este un aditiv de aliaj în multe oțeluri aliate și în majoritatea aliajelor speciale [ care?] .
  • Nitinolul (nichel-titan) este un aliaj cu memorie de formă utilizat în medicină și tehnologie.
  • Aluminurile de titan sunt foarte rezistente la oxidare și rezistente la căldură, ceea ce, la rândul său, a determinat utilizarea lor în producția de aviație și de automobile ca materiale structurale.
  • Titanul este unul dintre cele mai comune materiale getter utilizate în pompele de vid înalt.

Sub formă de conexiuni

  • Dioxidul de titan alb (TiO 2 ) este utilizat în vopsele (ex. alb de titan) și în producția de hârtie și materiale plastice. Supliment alimentar E171.
  • Compușii organo-titan (de exemplu, tetrabutoxititan) sunt utilizați ca catalizator și întăritor în industria chimică și a vopselei.
  • Compușii anorganici de titan sunt utilizați în industria electronică chimică și în industria fibrei de sticlă ca aditivi sau acoperiri.
  • Carbura de titan, diborura de titan, carbonitrura de titan sunt componente importante ale materialelor superdure pentru prelucrarea metalelor.
  • Nitrura de titan este folosită pentru a acoperi instrumentele, cupolele bisericii și în producția de bijuterii, deoarece are o culoare asemănătoare cu aurul.
  • Titanatul de bariu BaTiO3, titanatul de plumb PbTiO3 și o serie de alți titanați sunt feroelectrici.

Există multe aliaje de titan cu diverse metale. Elementele de aliere sunt împărțite în trei grupe, în funcție de efectul lor asupra temperaturii transformării polimorfe: stabilizatori beta, stabilizatori alfa și întăritori neutri. Primele scad temperatura de transformare, a doua o maresc, a treia nu o afecteaza, dar duc la intarirea solutiei a matricei. Exemple de stabilizatori alfa: aluminiu, oxigen, carbon, azot. Stabilizatori beta: molibden, vanadiu, fier, crom, nichel. Întăritori neutri: zirconiu, staniu, siliciu. Stabilizatorii beta, la rândul lor, sunt împărțiți în beta izomorfi și beta formatori de eutectoizi.

Cel mai comun aliaj de titan este aliajul Ti-6Al-4V (în clasificarea rusă - VT6).

Analiza pietelor de consum

Puritatea și gradul de titan brut (burete de titan) este de obicei determinată de duritatea acestuia, care depinde de conținutul de impurități. Cele mai comune mărci sunt TG100 și TG110 [ ] .

Acțiune fiziologică

După cum am menționat mai sus, titanul este folosit și în stomatologie. O caracteristică distinctivă a utilizării titanului este nu numai rezistența sa, ci și capacitatea metalului însuși de a fuziona cu osul, ceea ce face posibilă asigurarea naturii cvasi-monolitice a bazei dintelui.

Izotopi

Titanul natural constă dintr-un amestec de cinci izotopi stabili: 46 Ti (7,95%), 47 Ti (7,75%), 48 Ti (73,45%), 49 Ti (5,51%), 50 Ti (5,34%).

Sunt cunoscuți izotopi radioactivi artificiali 45 Ti (T ½ = 3,09 h), 51 Ti (T ½ = 5,79 min) și alții.

Note

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang-Kun Zhu. Greutăți atomice ale elementelor 2011 (Raport tehnic IUPAC) (engleză) // Chimie și Applied pură. - 2013. - Vol. 85, nr. 5. - P. 1047-1078. - DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
  2. Echipa de redacție: Zefirov N. S. (editor șef). Enciclopedie chimică: în 5 volume - Moscova: Enciclopedia sovietică, 1995. - T. 4. - P. 590-592. - 639 p. - 20.000 de exemplare.
  3. - ISBN 5-85270-039-8. Titan
  4. - articol din Enciclopedia fizică
  5. J.P. Riley și Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
  6. J.P. Riley și Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
  7. Depozit de titan.
  8. - ISBN 5-85270-039-8. Ilmenit, rutil, titanomagnetit - 2006 (nedefinit)
  9. . Centrul de informare și analiză „Mineral”. Consultat la 19 noiembrie 2010. Arhivat 21 august 2011.
  10. Corporația VSMPO-AVISMA
  11. Titanul este metalul viitorului (rusă).
  12. Titan - articol din Enciclopedia chimică
  13. Influența apei asupra procesului de pasivizare a titanului - 26 februarie 2015 - Chimie și tehnologie chimică în viață Ilmenit, rutil, titanomagnetit - 2006 . www.chemfive.ru. Preluat la 21 octombrie 2015.
  14. Arta turnării în secolul XX
  15. Pe piața mondială a titanului, prețurile s-au stabilizat în ultimele două luni (recenzie)

Legături

  • Titanul în Biblioteca Populară a Elementelor Chimice
H El
Li Fi B C N O F Ne
N / A Mg Al Si P S
Evaluare articol:
1 stea2 stele3 stele4 stele5 stele(Fără evaluări încă)
Încărcare...
Distribuie prietenilor:
Publicații conexe