Титан - метал. Властивості титану. Застосування титану. Марки та хімічний склад титану

Вічний, загадковий, космічний, матеріал майбутнього - всі ці та багато інших епітети присвоюються в різних джерелах титану. Історія відкриття цього металу не була тривіальною: одночасно над виділенням елемента в чистому вигляді трудилися кілька вчених. Процес вивчення фізичних, хімічних властивостей і визначення областей його застосування не закінчений на сьогоднішній день. Титан - метал майбутнього, місце його в життя людини ще остаточно не визначено, що дає сучасним дослідникам величезний простір для творчості і наукових пошуків.

Характеристика

Хімічний елемент титан (Titanium) позначається в періодичній таблиці Д. І. Менделєєва символом Ti. Розташовується в побічної підгрупи IV групи четвертого періоду і має порядковий номер 22. Проста речовина титан - метал біло-сріблястого кольору, легкий і міцний. Електронна конфігурація атома має наступну структуру: +22) 2) 8) 10) 2, 1S²2S²2P⁶3S²3P⁶3d²4S². Відповідно, титан має кілька можливих ступенів окислення: 2, 3, 4, в найбільш стійких з'єднаннях він чотиривалентний.

Титан - сплав або метал?

Це питання цікавить багатьох. У 1910 році американський хімік Хантер отримав вперше чистий титан. Метал містив всього 1% домішок, але при цьому його кількість виявилося мізерно мало і не давало можливості подальшого дослідження його властивостей. Пластичність отриманого речовини досягалася толькопод впливом високих температур, при нормальних умовах (кімнатній температурі) зразок був занадто крихкий. Фактично цей елемент не зацікавив вчених, оскільки перспективи його використання здавалися занадто невизначеними. Складність отримання та дослідження ще більше знизили потенціал його застосування. Тільки в 1925 році вчені-хіміки з Нідерландів І. де Бур і А. Ван-Аркел отримали метал титан, властивості якого привернули увагу інженерів і конструкторів усього світу. Історія дослідження цього елемента починається з 1790 року, саме в цей час паралельно, незалежно один від одного, двоє вчених відкривають титан як хімічний елемент. Кожен з них отримує з'єднання (оксид) речовини, не зумівши виділити метал у чистому вигляді. Першовідкривачем титану вважається англійський мінеролог монах Вільям Грегор. На території свого приходу, розташованого в південно-західній частині Англії, молодий учений почав вивчення чорного піску долини менакеніт. Результатом дослідів з магнітом стало виділення блискучих крупинок, які були з'єднанням титану. В цей же час в Німеччині хімік Мартін Генріх Клапрот виділив нову речовину з мінералу рутил. У 1797 році він же довів, що відкриті паралельно елементи є аналогічними. Двоокис титану понад століття була загадкою для багатьох хіміків, отримати чистий метал виявилося не під силу навіть Берцелиусу. Новітні технології XX століття значно прискорили процес вивчення згаданого елемента і визначили початкові напрямки його використання. При цьому сфера застосування розширюється постійно. Обмежити її рамки може тільки складність процесу отримання такої речовини, як чистий титан. Ціна сплавів і металу досить висока, тому на сьогоднішній день він не може витіснити традиційне залізо і алюміній.

Походження назви

Менакін - перша назва титану, яке застосовувалося до 1795 року. Саме так, з територіальної приналежності, назвав новий елемент У. Грегор. Мартін Клапрот присвоює елементу в 1797 році найменування «титан». В цей час його французькі колеги на чолі з досить авторитетним хіміком А. Л. Лавуазьє пропонують іменувати знову відкриті речовини відповідно до їх основними властивостями. Німецький учений не був згоден з таким підходом, він цілком обґрунтовано вважав, що на стадії відкриття досить складно визначити всі характеристики, властиві речовині, і відобразити їх в назві. Проте слід визнати, що інтуїтивно обраний Клапротом термін в повній мірі відповідає металу - це неодноразово підкреслювали сучасні вчені. Існують дві основні теорії виникнення назви титан. Метал міг бути позначений так на честь ельфійської цариці Титании (персонаж німецької міфології). Таку назву символізує одночасно легкість і міцність речовини. Більшість вчених схиляються до версії використання давньогрецької міфології, в якій титанами називали могутніх синів богині землі Геї. На користь цієї версії говорить і назва відкритого раніше елемента - урану.

Знаходження в природі

З металів, які в технічному відношенні представляють цінність для людини, титан займає четверте місце за ступенем поширеності в земній корі. Великим процентним вмістом в природі характеризуються тільки залізо, магній і алюміній. Найбільший вміст титану відзначено в базальтової оболонці, трохи менше його в гранітному шарі. У морській воді вміст даної речовини невисоке - приблизно 0,001 мг / л. Хімічний елемент титан досить активний, тому в чистому вигляді його зустріти неможливо. Найчастіше він присутній у з'єднаннях з киснем, при цьому має валентність, рівну чотирьом. Кількість титановмістних мінералів варіюється від 63 до 75 (в різних джерелах), при цьому на сучасному етапі досліджень вчені продовжують відкривати нові форми його сполук. Для практичного використання найбільше значення мають такі мінерали:

1. Ільменіт (FeTiO₃).
2. Рутил (TiO₂).
3. Титаніт (CaTiSiO₅).
4. Перовськит (CaTiO₃).
5. Тітаномагнетіт (FeTiO₃+Fe₃O₄) І т.д.

Всі існуючі титаномістячи руди ділять на розсипні і основні. Даний елемент є слабким мігрантом, він може подорожувати тільки у вигляді обломів каменів або переміщення мулистих придонних порід. У біосфері найбільшу кількість титану міститься у водоростях. У представників наземної фауни елемент накопичується в рогових тканинах, волосі. Для людського організму характерна присутність титану в селезінці, надниркових залозах, плаценті, щитовидній залозі.

Фізичні властивості

Титан - кольоровий метал, який має сріблясто-біле забарвлення, зовні нагадує сталь. При температурі 0 ⁰З його щільність складає 4,517 г / см³. Речовина має низьку питому масу, що характерно для лужних металів (Кадмій, натрій, літій, цезій). За щільністю титан займає проміжну позицію між залізом і алюмінієм, при цьому його експлуатаційні характеристики вище, ніж у обох елементів. Основними властивостями металів, що враховуються при визначенні сфери їх застосування, є межа плинності і твердість. Титан міцніше алюмінію в 12 разів, заліза і міді - в 4 рази, при цьому він значно легше. Пластичність чистого речовини і межа його плинності дозволяють проводити обробку при низьких і високих температурних значеннях, як і у випадку з іншими металами, т. Е. Методами клепки, кування, зварювання, прокату. Відмітна характеристика титану - його низька тепло- і електропровідність, при цьому дані властивості зберігаються при підвищених температурах, аж до 500 ⁰С. У магнітному полі титан є парамагнітним елементом, він не притягується, як залізо, і не виштовхується, як мідь. Дуже високі антикорозійні показники в агресивних середовищах і при механічних впливах унікальні. Більше 10 років перебування в морській воді не змінили зовнішнього вигляду і складу пластини з титану. Залізо в цьому випадку було б знищено корозією повністю.

Термодинамічні властивості титану

1. Щільність (при нормальних умовах) становить 4,54 г / см³.
2. Атомний номер - 22.
3. Група металів - тугоплавкий, легкий.
4. Атомна маса титану - 47,0.
5. Температура кипіння (⁰С) - 3260.
6. Молярний об'єм см³/ Моль - 10,6.
7. Температура плавлення титану (⁰С) - 1668.
8. Питома теплота випаровування (кДж / моль) - 422,6.
9. Електроопір (при 20 ⁰С) Ом * см * 10^-6 - 45.

Хімічні властивості

Підвищена корозійна стійкість елемента пояснюється утворенням на поверхні невеликий оксидної плівки. Вона запобігає (при нормальних умовах) хімічні реакції з газами (кисень, водень), що знаходяться в навколишній атмосфері такого елемента, як метал титан. Властивості його змінюються під впливом температури. При її підвищенні до 600 ⁰З відбувається реакція взаємодії з киснем, в результаті утворюється оксид титану (TiO₂). У разі поглинання атмосферних газів утворюються крихкі сполуки, які не мають ніякого практичного застосування, саме тому зварювання та плавка титану виробляються в умовах вакууму. Оборотною реакцією є процес розчинення водню в металі, він більш активно відбувається при підвищенні температури (від 400 ⁰С і вище). Титан, особливо його дрібні частинки (тонка пластина або дріт), згоряє в атмосфері азоту. Хімічна реакція взаємодії можливе лише при температурі 700 ⁰С, в результаті утворюється нітрид TiN. З багатьма металами формує високотверді сплави, часто є легирующим елементом. У реакцію з галогенами (хром, бром, йод) вступає тільки при наявності каталізатора (високої температури) та за умови взаємодії з сухою речовиною. При цьому утворюються дуже тверді тугоплавкі сплави. З розчинами більшості лугів і кислот титан хімічно не активний, винятком є концентрована сірчана (при тривалому кип'ятінні), плавикова, гарячі органічні (мурашина, щавлева).

Місце Народження

Найбільш поширені в природі ільменітові руди - їх запаси оцінюються в 800 млн тонн. Поклади рутилових родовищ набагато скромніше, але загальний обсяг - при збереженні зростання видобутку - повинен забезпечити людство на найближчі 120 років таким металом, як титан. Ціна готового продукту буде залежати від попиту та підвищення рівня технологічності виробництва, але в середньому варіюється в діапазоні від 1200 до 1800 руб. / Кг. В умовах постійного технічного вдосконалення значно знижується собівартість всіх виробничих процесів при їх своєчасної модернізації. Найбільшими запасами титанових руд володіють Китай і Росія, також мінерально-сировинну базу мають Японія, ПАР, Австралія, Казахстан, Індія, Південна Корея, Україна, Цейлон. Родовища відрізняються обсягами видобутку і процентним вмістом титану в руді, геологічні вишукування тривають постійно, що дає можливість припускати зниження ринкової вартості металу і його більш широке застосування. Росія на сьогоднішній день є найбільш великим виробником титану.

Отримання

Для виробництва титану найчастіше використовується його діоксид, що містить мінімальну кількість домішок. Його отримують шляхом збагачення ільменітових концентратів або рутилових руд. У електродугової печі відбувається термічна обробка руди, яка супроводжується відділенням заліза і утворенням шлаку, що містить оксид титану. Сірчанокислий або хлорідний метод застосовується для обробки вільної від заліза фракції. Оксид титану є порошком сірого кольору (див. Фото). Метал титан виходить при його поетапної обробці.

Першою фазою є процес спікання шлаку з коксом і впливу парами хлору. Отриманий TiCl₄ відновлюють магнієм або натрієм при впливі температури 850 ⁰С. Титанова губка (пориста сплавленого маса), отримана в результаті хімічної реакції, очищається або переплавляється в злитки. Залежно від подальшого напряму використання, формується сплав або метал у чистому вигляді (домішки видаляються шляхом нагрівання до 1000 ⁰С). Для виробництва речовини з часткою домішок 0,01% використовується йодідний метод. Він заснований на процесі випарювання з титанової губки, попередньо обробленої галогеном, його парів.

Сфери застосування

Температура плавлення титану є досить високою, що при легкості металу є неоціненним перевагою використання його в якості конструкційного матеріалу. Тому найбільше застосування він знаходить в суднобудуванні, авіаційній промисловості, виготовленні ракет, хімічних виробництвах. Титан досить часто використовують як легуючої добавки в різних сплавах, які володіють підвищеними характеристиками твердості і жароміцності. Високі антикорозійні властивості і здатність витримувати більшість агресивних середовищ роблять цей метал незамінним для хімічної промисловості. З титану (його сплавів) виготовляють трубопроводи, ємності, запірну арматуру, фільтри, використовувані при перегонці і транспортуванні кислот та інших хімічно активних речовин. Він затребуваний при створенні приладів, що працюють в умовах підвищених температурних показниках. Сполуки титану використовуються для виготовлення міцного різального інструменту, фарб, пластику та паперу, хірургічних інструментів, імплантатів, ювелірних виробів, оздоблювальних матеріалів, застосовується в харчовій промисловості. Всі напрямки складно описати. Сучасна медицина через повної біологічної безпеки часто використовує метал титан. Ціна - це єдиний фактор, який поки впливає на широту застосування даного елемента. Справедливим є твердження, що титан - матеріал майбутнього, вивчаючи який, людство перейде на новий етап розвитку.