Титан: историята на откриването на елемента. Приложение на металния титан в промишлеността и строителството Титанови стопилки

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Титан- двадесет и вторият елемент на периодичната система. Обозначение - Ti от латинския "титан". Намира се в четвърти период, IVB група. Отнася се за метали. Ядреният заряд е 22.

Титанът е много разпространен в природата; Съдържанието на титан в земната кора е 0,6% (тегл.), т.е. по-високо от съдържанието на широко използвани в технологиите метали като мед, олово и цинк.

Под формата на просто вещество титанът е сребристо-бял метал (фиг. 1). Отнася се за леки метали. Огнеупорен. Плътност - 4,50 g/cm3. Точките на топене и кипене са съответно 1668 o C и 3330 o C. Той е устойчив на корозия на въздух при обикновени температури, което се обяснява с наличието на защитен филм от TiO 2 състав на повърхността му.

Ориз. 1. Титан. Външен вид.

Атомна и молекулна маса на титан

Относително молекулно тегло на веществото(M r) е число, показващо колко пъти масата на дадена молекула е по-голяма от 1/12 масата на въглероден атом и относителна атомна маса на даден елемент(A r) - колко пъти средната маса на атомите на химичен елемент е по-голяма от 1/12 от масата на въглероден атом.

Тъй като в свободно състояние титанът съществува под формата на моноатомни Ti молекули, стойностите на неговите атомни и молекулни маси съвпадат. Те са равни на 47,867.

Изотопи на титан

Известно е, че в природата титанът се среща под формата на пет стабилни изотопа 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti и 50 Ti. Техните масови числа са съответно 46, 47, 48, 49 и 50. Ядрото на атома на титановия изотоп 46 Ti съдържа двадесет и два протона и двадесет и четири неутрона, а останалите изотопи се различават от него само по броя на неутроните.

Има изкуствени изотопи на титана с масови числа от 38 до 64, сред които най-стабилен е 44 Ti с период на полуразпад 60 години, както и два ядрени изотопа.

Титанови йони

На външното енергийно ниво на титановия атом има четири електрона, които са валентни:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 .

В резултат на химично взаимодействие титанът отдава своите валентни електрони, т.е. е техен донор и се превръща в положително зареден йон:

Ti 0 -2e → Ti 2+ ;

Ti 0 -3e → Ti 3+ ;

Ti 0 -4e → Ti 4+ .

Молекула и атом на титан

В свободно състояние титанът съществува под формата на едноатомни Ti молекули. Ето някои свойства, характеризиращи атома и молекулата на титана:

Титанови сплави

Основното свойство на титана, което допринася за широкото му използване в съвременните технологии, е високата устойчивост на топлина както на самия титан, така и на неговите сплави с алуминий и други метали. В допълнение, тези сплави са топлоустойчиви - устойчиви на поддържане на високи механични свойства при повишени температури. Всичко това прави титаниевите сплави много ценни материали за производството на самолети и ракети.

При високи температури титанът се свързва с халогени, кислород, сяра, азот и други елементи. Това е основата за използването на сплави от титан и желязо (феротитан) като добавка към стоманата.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Титанът под формата на оксид (IV) е открит от английския любител минералог У. Грегор през 1791 г. в магнитните железни пясъци на град Менакан (Англия); през 1795 г. немският химик M. G. Klaproth установява, че минералът рутил е естествен оксид на същия метал, който той нарича „титан“ [в гръцката митология титаните са деца на Уран (Небето) и Гея (Земята)]. Дълго време не беше възможно да се изолира титанът в неговата чиста форма; едва през 1910 г. американският учен М. А. Хънтър получава метала Титан чрез нагряване на неговия хлорид с натрий в затворена стоманена бомба; Металът, който получи, беше пластичен само при повишени температури и чуплив при стайна температура поради високото съдържание на примеси. Възможността за изследване на свойствата на чистия титан се появява едва през 1925 г., когато холандските учени А. Ван Аркел и И. де Боер получават метал с висока чистота, пластичен при ниски температури, използвайки термичната дисоциация на титанов йодид.

Разпространение на Титан в природата.Титанът е един от често срещаните елементи, средното му съдържание в земната кора (кларк) е 0,57% от теглото (сред структурните метали се нарежда на 4-то място по изобилие след желязото, алуминия и магнезия). По-голямата част от титана е в основните скали на така наречената „базалтова обвивка” (0,9%), по-малко в скалите на „гранитната обвивка” (0,23%) и още по-малко в ултраосновните скали (0,03%) и т.н. Скалите, обогатени с титан, включват пегматити от основни скали, алкални скали, сиенити и свързани с тях пегматити и други. Има 67 известни титанови минерала, предимно от магматичен произход; най-важните са рутил и илменит.

В биосферата Титан е предимно разпръснат. Морската вода съдържа 10 -7% от него; Титан е слаб мигрант.

Физически свойства на Титан.Титанът съществува под формата на две алотропни модификации: под температура от 882,5 °C стабилна е α-формата с хексагонална плътно опакована решетка (a = 2,951 Å, c = 4,679 Å), а над тази температура - β -форма с кубична тялоцентрирана решетка a = 3.269 Å. Примесите и легиращите добавки могат значително да променят температурата на α/β трансформация.

Плътността на α-формата при 20°С е 4,505 g/cm3, а при 870°C 4,35 g/cm3; β-форма при 900°С 4.32 g/cm3; атомен радиус Ti 1.46 Å, йонни радиуси Ti + 0.94 Å, Ti 2+ 0.78 Å, Ti 3+ 0.69 Å, Ti 4+ 0.64 Å; Точка на топене 1668 °C, точка на кипене 3227 °C; топлопроводимост в диапазона 20-25°C 22.065 W/(m K); температурен коефициент на линейно разширение при 20°C 8,5·10 -6, в диапазона 20-700°C 9,7·10 -6; топлинна мощност 0,523 kJ/(kg K); електрическо съпротивление 42,1·10 -6 ohm·cm при 20 °C; температурен коефициент на електрическо съпротивление 0,0035 при 20 °C; има свръхпроводимост под 0,38 K. Титанът е парамагнитен, специфична магнитна чувствителност 3,2·10 -6 при 20 °C. Якост на опън 256 MN/m2 (25,6 kgf/mm2), относително удължение 72%, твърдост по Бринел по-малко от 1000 MN/m2 (100 kgf/mm2). Нормален модул на еластичност 108 000 MN/m2 (10 800 kgf/mm2). Металът с висока чистота е ковък при обикновени температури.

Техническият титан, използван в промишлеността, съдържа примеси от кислород, азот, желязо, силиций и въглерод, които увеличават неговата якост, намаляват пластичността и влияят на температурата на полиморфната трансформация, която се извършва в диапазона 865-920 °C. За технически класове титан VT1-00 и VT1-0, плътността е около 4,32 g/cm 3, якост на опън 300-550 MN/m 2 (30-55 kgf/mm 2), удължение не по-малко от 25%, твърдост по Бринел 1150 -1650 Mn/m 2 (115-165 kgf/mm 2). Конфигурацията на външната електронна обвивка на Ti атома е 3d 2 4s 2.

Химични свойства на Титан.Чистият титан е химически активен преходен елемент; в съединения има степен на окисление +4, по-рядко +3 и +2. При обикновени температури и до 500-550 °C той е устойчив на корозия, което се обяснява с наличието на тънък, но издръжлив оксиден филм върху повърхността му.

Той реагира забележимо с атмосферния кислород при температури над 600 °C, за да образува TiO 2 . Ако няма достатъчно смазване, тънките титанови стърготини могат да се запалят по време на обработката. Ако в околната среда има достатъчна концентрация на кислород и оксидният филм е повреден от удар или триене, металът може да се възпламени при стайна температура и на относително големи парчета.

Оксидният филм не предпазва титана в течно състояние от по-нататъшно взаимодействие с кислород (за разлика например от алуминия) и следователно неговото топене и заваряване трябва да се извършват във вакуум, в неутрална газова атмосфера или потопена дъга. Титанът има способността да абсорбира атмосферни газове и водород, образувайки крехки сплави, неподходящи за практическа употреба; в присъствието на активирана повърхност, абсорбцията на водород настъпва вече при стайна температура с ниска скорост, която се увеличава значително при 400 °C и повече. Разтворимостта на водорода в Титан е обратима и този газ може да бъде отстранен почти напълно чрез отгряване във вакуум. Титанът реагира с азот при температури над 700 °C и се получават нитриди от типа TiN; под формата на фин прах или тел, титанът може да гори в азотна атмосфера. Скоростта на дифузия на азота и кислорода в Титан е много по-ниска от тази на водорода. Слоят, получен в резултат на взаимодействие с тези газове, се характеризира с повишена твърдост и крехкост и трябва да бъде отстранен от повърхността на титановите продукти чрез ецване или механична обработка. Титанът взаимодейства енергично със сухи халогени и е стабилен срещу мокри халогени, тъй като влагата играе ролята на инхибитор.

Металът е стабилен в азотна киселина във всички концентрации (с изключение на червената димяща киселина, която причинява корозионно напукване на титан и реакцията понякога протича с експлозия), в слаби разтвори на сярна киселина (до 5% от теглото) . С титан реагират солна, флуороводородна, концентрирана сярна, както и горещи органични киселини: оксалова, мравчена и трихлороцетна.

Титанът е устойчив на корозия в атмосферен въздух, морска вода и морска атмосфера, във влажен хлор, хлорна вода, горещи и студени хлоридни разтвори, в различни технологични разтвори и реагенти, използвани в химическата, нефтената, хартиената и други индустрии, както и в хидрометалургия. Титанът образува металоподобни съединения с C, B, Se, Si, характеризиращи се с огнеупорност и висока твърдост. TiC карбид (т.т. 3140 °C) се получава чрез нагряване на смес от TiO 2 със сажди при 1900-2000 °C във водородна атмосфера; TiN нитрид (т.т. 2950 °C) - чрез нагряване на титанов прах в азот при температури над 700 °C. Известни са силициди TiSi 2, TiSi и бориди TiB, Ti 2 B 5, TiB 2. При температури от 400-600 °C титанът абсорбира водород, за да образува твърди разтвори и хидриди (TiH, TiH 2). Когато TiO 2 се слее с алкали, се образуват соли на титановата киселина: мета- и орто-титанати (например Na 2 TiO 3 и Na 4 TiO 4), както и полититанати (например Na 2 Ti 2 O 5 и Na 2 Ti 3 O 7). Титанатите включват най-важните минерали на Титан, например илменит FeTiO 3, перовскит CaTiO 3. Всички титанати са слабо разтворими във вода. Титанов (IV) оксид, титанови киселини (утайки) и титанати се разтварят в сярна киселина, за да образуват разтвори, съдържащи титанил сулфат TiOSO 4 . При разреждане и нагряване на разтвори H 2 TiO 3 се отлага в резултат на хидролиза, от която се получава титанов (IV) оксид. При добавяне на водороден пероксид към киселинни разтвори, съдържащи Ti (IV) съединения, се образуват пероксидни (супратитанови) киселини със състава H 4 TiO 5 и H 4 TiO 8 и съответните им соли; тези съединения са оцветени в жълто или оранжево-червено (в зависимост от концентрацията на титан), което се използва за аналитично определяне на титан.

Получаване на Титан.Най-често срещаният метод за производство на метален титан е магнезиево-термичният метод, тоест редукция на титанов тетрахлорид с метален магнезий (по-рядко натрий):

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2.

И в двата случая изходните суровини са руди от титанов оксид - рутил, илменит и др. В случай на руди тип илменит, титанът под формата на шлака се отделя от желязото чрез топене в електрически пещи. Шлаката (както и рутилът) се хлорира в присъствието на въглерод, за да се образува титанов тетрахлорид, който след пречистване влиза в редукционен реактор с неутрална атмосфера.

Титанът в този процес се получава под формата на гъба и след смилане се разтопява във вакуумни дъгови пещи в блокове с въвеждане на легиращи добавки, ако е необходима сплав. Магнезиево-термичният метод позволява да се създаде мащабно промишлено производство на титан със затворен технологичен цикъл, тъй като страничният продукт, образуван по време на редукция - магнезиев хлорид - се изпраща за електролиза за получаване на магнезий и хлор.

В някои случаи е изгодно да се използват методи на праховата металургия за производството на продукти от титан и неговите сплави. За получаване на особено фини прахове (например за радиоелектроника) може да се използва редукция на титанов (IV) оксид с калциев хидрид.

Приложение на Титан.Основните предимства на титан пред други структурни метали: комбинация от лекота, здравина и устойчивост на корозия. Титановите сплави в абсолютна и още повече в специфична якост (т.е. якост, свързана с плътността) превъзхождат повечето сплави на базата на други метали (например желязо или никел) при температури от -250 до 550 ° C и по отношение на корозия те са сравними със сплави от благородни метали. Но титанът започва да се използва като самостоятелен конструктивен материал едва през 50-те години на 20-ти век поради големите технически трудности при извличането му от рудите и преработката (поради което титанът условно се класифицира като рядък метал). Основната част от Титан се изразходва за нуждите на авиационната и ракетната техника и морското корабостроене. Сплавите на титан с желязо, известни като "феротитан" (20-50% титан), служат като легираща добавка и дезоксидиращ агент в металургията на висококачествени стомани и специални сплави.

Техническият титан се използва за производството на контейнери, химически реактори, тръбопроводи, фитинги, помпи и други продукти, работещи в агресивни среди, например в химическото инженерство. В хидрометалургията на цветни метали се използва оборудване от титан. Използва се за покриване на стоманени изделия. Използването на титан в много случаи осигурява голям технически и икономически ефект не само поради увеличения експлоатационен живот на оборудването, но и възможността за интензифициране на процесите (както например в хидрометалургията на никела). Биологичната безопасност на титана го прави отличен материал за производството на оборудване за хранително-вкусовата промишленост и реконструктивната хирургия. При дълбоки студени условия силата на Титан се увеличава, като същевременно се поддържа добра пластичност, което прави възможно използването му като структурен материал за криогенна технология. Титанът се поддава добре на полиране, цветно анодиране и други методи за довършване на повърхности и затова се използва за производството на различни художествени продукти, включително монументална скулптура. Такъв пример е паметникът в Москва, построен в чест на изстрелването на първия изкуствен спътник на Земята. Сред титановите съединения практическо значение имат оксиди, халогениди, а също и силициди, използвани във високотемпературната технология; бориди и техните сплави, използвани като модератори в атомни електроцентрали поради тяхната огнеупорност и голямо напречно сечение на улавяне на неутрони. Титановият карбид, който има висока твърдост, е част от инструменталните твърди сплави, използвани за производството на режещи инструменти и като абразивен материал.

Титановият (IV) оксид и бариевият титанат формират основата на титановата керамика, а бариевият титанат е най-важният фероелектрик.

Титан в тялото.Титанът постоянно присъства в тъканите на растенията и животните. В сухоземните растения концентрацията му е около 10 -4%, в морските растения - от 1,2 10 -3 до 8 10 -2%, в тъканите на сухоземните животни - по-малко от 2 10 -4%, в морските - от 2 10 -4 до 2·10 -2%. При гръбначните животни се натрупва главно в рогови образувания, далак, надбъбречни жлези, щитовидна жлеза, плацента; слабо се абсорбира от стомашно-чревния тракт. При хората дневният прием на титан от храна и вода е 0,85 mg; екскретира се в урината и изпражненията (съответно 0,33 и 0,52 mg).

Елемент 22 (английски Titanium, френски Titane, немски Titan) е открит в края на 18 век, когато търсенето и анализът на нови минерали, които все още не са описани в литературата, увлича не само химиците и минералозите, но и учените аматьори. Един такъв аматьор, английският свещеник Грегор, намери черен пясък, смесен с фин почти бял пясък в своята енория в долината Меначан в Корнуол. Грегор разтвори пясъчна проба в солна киселина; В същото време 46% от желязото се отделя от пясъка. Грегор разтвори останалата част от пробата в сярна киселина и почти цялото вещество премина в разтвор, с изключение на 3,5% силициев диоксид. След изпаряване на разтвора на сярната киселина остава бял прах в количество 46% от пробата. Грегор го смяташе за специален вид вар, разтворим в излишък от киселина и утаен от разяждащ калий. Продължавайки да изучава праха, Грегър стигна до заключението, че това е съединение на желязо с някакъв неизвестен метал. След консултация с приятеля си, минералога Хокинс, Грегър публикува резултатите от своята работа през 1791 г., като предлага новият метал да бъде наречен Меначин на името на долината, в която е открит черният пясък. В съответствие с това оригиналният минерал е наречен менаконит. Клапрот се запознава с посланието на Грегор и независимо от него започва да анализира минерала, известен по това време като „червен унгарски шерл” (рутил). Скоро той успява да изолира оксид на неизвестен метал от минерала, който нарича титан (Титан) по аналогия с титаните - древните митични обитатели на земята. Клапрот съзнателно избра митологично име, за разлика от именуване на елементи според техните свойства, както беше предложено от Лавоазие и номенклатурната комисия на Парижката академия на науките и което доведе до сериозни недоразумения. Подозирайки, че менахина и титана на Грегор са един и същ елемент, Клапрот извършва сравнителен анализ на менаконит и рутил и установява идентичността на двата елемента. В Русия в края на 19 век. титанът е изолиран от илменит и е изследван подробно от химическа страна от T.E.Lovitz; В същото време той отбеляза някои грешки в определенията на Клапрот. Електролитно чист титан е получен през 1895 г. от Moissan. В руската литература от началото на 19 век. титанът понякога се нарича титан (Dvigubsky, 1824), а пет години по-късно там се появява името титан.

Космическият метал, материалът на бъдещето, превръщащ мечтите в реалност - всичко това е за титан, сребристо-бял, издръжлив и лек. Заемайки девето място по разпространение в природата, той се е доказал в космическата и нефтохимическата промишленост, машиностроенето и медицината. Чудотворният метал дори беше открит по необичаен начин и изследването на свойствата му помогна на човечеството да достигне ново ниво на развитие.

История на откриването на метали

Всичко започва през 1791 г., когато, независимо един от друг, по едно и също време W. Gregor (Англия) и M. G. Klaproth (Германия) получи титанов диоксид, но не успяха да изолират чисто вещество от него. Минералогът и селски свещеник на непълно работно време Грегор изучава черен железен пясък, намерен в околностите на неговата енория. Резултатът е извличането на титаново съединение - лъскави зърна, които са наречени "менакин" (от минерала менаканит), за да увековечат родните места на англичанина.

Приблизително по същото време химикът Клапрот, изучавайки червени пясъци, донесени от Унгария, откри ново вещество в минерала рутил и го нарече „титан“. И няколко години по-късно той доказа, че рутилът и менакенската пръст са едни и същи съединения. През 1825 г. шведският химик Берцелиус получава първия проба метален титан, но това не позволи напредък в изследването на свойствата, тъй като примесите направиха пробата крехка и неподходяща за механична обработка.

Едва през 1925 г. холандските химици ван Аркел и де Боер, използвайки термичното разлагане на титанов йодид, което не е широко използвано, получават вещество с 99,9% чистота. Такъв метал имаше пластичност, можеше да се навива на листове, тел и фолио. Това даде възможност да започне пълномащабно изследване на физичните и химичните свойства, да привлече вниманието на инженерите и строителите и да очертае областите на приложение. И още през 1940 г. се появява процесът на Kroll за редукция на титанов тетрахлорид с магнезий, който се използва успешно и до днес.

Теории за произхода на името

Има две теории за произхода на името:

Намиране на титан в природата

Титан заема почетното четвърто мястопо съдържание в земната кора сред важните за човека метали отстъпва само на желязото, магнезия и алуминия. Максималното му количество е концентрирано в долния, базалтов слой, и малко по-малко в гранитния слой. Като се има предвид високата химическа активност, не е възможно да се намери титан в чист вид. Най-разпространени са четиривалентните оксиди, които са концентрирани в рудите на кората на изветряне и в морската глина.

Днес има до 75 титанови минерала и учените периодично обявяват откриването на нови форми и съединения. За промишлената преработка от голямо значение са следните:

Титан е слаб мигрант; той може да бъде транспортиран само под формата на механични фрагменти от скала или при движение на колоидна тиняслоеве от резервоари. Биосферата се характеризира със съдържание на максимални количества от този метал в морските водорасли, при животните се намира в вълната и роговите тъкани, в човешкото тяло присъства в щитовидната жлеза, далака, надбъбречните жлези и плацентата.

Депозити на космически материали

Най-често срещаните са находищата на илменит, те възлизат на около 800 милиона тона. Запасите от рутилови руди са много по-малки, но ако производството продължи да расте, всички те могат да осигурят човечеството за още 100 години. По запаси от титан Русия е на второ място след Китай и има 20 проучени находища. Повечето от тях са комплексни, където се добиват и желязо, фосфор, ванадий и цирконий. Днес най-големият производител в светатитан се счита за руската металургична компания VSMPO-AVISMA.

Обширни находища се намират в Южна Африка, Украйна, Канада, САЩ, Бразилия, Австралия, Швеция, Норвегия, Египет, Казахстан, Индия и Южна Корея. Те се различават по съдържанието на метал в рудите и обемите на производство не спират; Дори на Луната са открити запаси от руди, съдържащи титан, някои от които десетки пъти по-богати от големите залежи на Земята. Това ни позволява да се надяваме на намаляване на пазарните цени на метала и разширяване на обхвата на неговото използване.

Физични свойства на елемента

Титанът е химичен елемент от периодичната таблица на Менделеев, намиращ се в IV група на четвъртия период. Той има атомен номер 22, моларна маса 47,867, обозначен е със символа Ti и проявява степени на окисление от 2 до 4, като неговите четиривалентни съединения са най-стабилни. При нормално налягане точката на топене на титана е 1670 ± 2 °C, той принадлежи към цветните огнеупорни метали и на външен вид прилича на стомана.

Твърдост, пластичност и граница на провлачване- важни параметри за всеки метал, които определят обхвата на приложение. Титанът е 12 пъти по-здрав от алуминия, 4 пъти по-здрав от медта и желязото. Освен това е много по-лек от всички тях (плътността на титана е само 4,54 g/cm3) и може лесно да се обработва чрез заваряване, занитване, коване и валцуване. Важни характеристики включват ниска термична и електрическа проводимост, които остават непроменени дори при високи температури.

Титанът проявява парамагнитни свойства: той не се магнетизира в магнитно поле, като никел и желязо, и не се изхвърля, като сребро и злато. Неговите лоши антифрикционни свойства се дължат на адхезията към много материали. Индикаторите за устойчивост на корозия и устойчивост на механични натоварвания са уникални: титановите плочи, които са лежали на дъното на морето в продължение на десет години, няма да претърпят промени във външния вид и състава, а желязото ще се разложи напълно през това време.

Химични свойства

Високата устойчивост на корозия се обяснява с факта, че при нормални условия върху металната повърхност има оксиден филм. Въпреки това, под формата на прах, фини стърготини или тел, той може спонтанно да се възпламени и да експлодира. Титанът е устойчив на водни разтвори на хлор и много разредени основи и киселини, с изключение на флуороводородна, фосфорна и сярна. Заваряването и топенето се извършват във вакуум, тъй като дори леко нагряване разкрива едно от основните свойства на титана - активното абсорбиране на газове от околната атмосфера.

Реакцията с водород, която започва при 60 °C, е обратима; получените хидриди се разлагат отново при нагряване. На въздух при 1200 °Cтитанът гори с ярък бял пламък и само той е способен да гори в азотна атмосфера при температури над 400 °C, за да образува нитриди. За взаимодействие с халогени необходимите условия са липсата на влага и наличието на катализатор - висока температура. При взаимодействие с въглерод се получава свръхтвърд карбид. С повечето метали титанът образува високоякостни структурни или топлоустойчиви сплави и интерметални съединения и често се използва като важен легиращ компонент.

Метод на получаване от суровини

Изходната суровина е титанов диоксид, който съдържа малко чужди примеси. За да направите това, ви е необходим рутилов концентрат, получен чрез обогатяване на руда. Но глобалните му запаси са малки и по-често се използва титанова шлака (синтетичен рутил), която се получава чрез термична обработка - обогатяване на илменитови концентрати в електродъгова пещ. В резултат на това желязото под формата на чугун се събира на дъното на специална вана и остава сив прах - шлака, съдържаща титанов оксид. Той се раздробява, смесва се с въглища, брикетира се и се хлорира в пещи, където се образуват пари от титанов тетрахлорид при 800 °C в присъствието на въглерод.

След това се пречистват в специални реакториредуциран с магнезий при 950 °C. По стените се образува синтерована пореста маса, титанова гъба, която се калцинира във вакуум, за да се отдели от магнезиевите съединения. За производството на титанови блокове, получената гъба се топи във вакуумни дъгови пещи. Това предпазва метала от окисляване и допринася за окончателното освобождаване на примесите. Готовите слитъци с чистота до 99,7% се използват за обработка под налягане (валцуване, щамповане, коване).

Основни приложения

Трудно е да се опишат всички области на живота, където титанът е намерил място, но сред основните области можем да отбележим:

Обхватът на приложение на титана непрекъснато се разширява, което се затруднява от сложността и енергоемкостта на процеса на получаване на чисто вещество. Отчасти това е причината традиционното желязо и алуминий да имат силна позиция днес. Титанът е скъпо предложение. Цената на метала под формата на концентрат е стотици пъти по-малка от цената на готовите продукти, например валцувани листове. Днес такива разходи не са достъпни за всеки, така че използването на титан определя нивото на икономическо развитие и отбранителна способност на държавата.

Раздел 1. История и поява на титан в природата.

Титан — Товаелемент от вторичната подгрупа на четвърта група, четвъртия период от периодичната система на химичните елементи от Д. И. Дмитрий Иванович Менделеев, с атомен номер 22. Просто вещество титан(CAS номер: 7440-32-6) - светъл сребристо-бял цвят. Съществува в две кристални модификации: α-Ti с хексагонална плътно опакована решетка, β-Ti с кубична плътно-центрирана опаковка, температурата на полиморфната трансформация α↔β е 883 °C. Точка на топене 1660±20 °C.

История и поява на титан в природата

Титан е кръстен на древногръцките знаци титани. Германският химик Мартин Клапрот го е нарекъл по този начин по свои лични причини, за разлика от французите, които се опитват да дават имена в съответствие с химичните свойства на елемента, но тъй като свойствата на елемента са били неизвестни по това време, това име е избрано .

Титанът е 10-ият елемент по количество на нашата планета. Количеството титан в земната кора е 0,57% от масата и 0,001 милиграма на 1 литър морска вода. Депозитите на титан се намират в следните територии: Южна Африка, Украйна, Руска федерация, Казахстан, Япония, Австралия, Индия, Цейлон, Бразилия и Южна Корея.

Според физичните свойства титанът е светло сребрист металВ допълнение, той се характеризира с висок вискозитет по време на обработка и е склонен към залепване към режещия инструмент, така че се използват специални смазочни материали или пръскане, за да се елиминира този ефект. При стайна температура е покрит с лазифициращ филм от TiO2 оксид, поради което е устойчив на корозия в повечето агресивни среди, с изключение на основи. Титановият прах е склонен да експлодира с температура на възпламеняване 400 °C. Титаниевите стружки са опасни от пожар.

За производството на титан в неговата чиста форма или неговите сплави в повечето случаи се използва титанов диоксид с малък брой съединения, включени в него. Например рутилов концентрат, получен от обогатяването на титанови руди. Но запасите от рутил са изключително малки и затова се използва така нареченият синтетичен рутил или титанова шлака, получена при преработката на илменитови концентрати.

За откривател на титана се смята 28-годишният английски монах Уилям Грегор. През 1790 г., докато провежда минералогични проучвания в своята енория, той забелязва разпространението и необичайните свойства на черния пясък в долината Менакан в югозападна Великобритания и започва да го изучава. IN пясъкСвещеникът открил зърна от черен лъскав минерал, който бил привлечен от обикновен магнит. Най-чистият титан, получен през 1925 г. от Ван Аркел и де Боер по йодидния метод, се оказва пластичен и технологично напреднал металс много ценни свойства, които привлякоха вниманието на широк кръг дизайнери и инженери. През 1940 г. Крол предлага магнезиево-термичен метод за извличане на титан от руди, който е основният метод и днес. През 1947 г. са произведени първите 45 кг търговски чист титан.

В периодичната таблица на елементите Менделеев Дмитрий Ивановичтитанът има сериен номер 22. Атомната маса на естествения титан, изчислена от резултатите от изследванията на неговите изотопи, е 47,926. И така, ядрото на неутрален титанов атом съдържа 22 протона. Броят на неутроните, т.е. неутралните незаредени частици, е различен: обикновено 26, но може да варира от 24 до 28. Следователно броят на изотопите на титан е различен. Сега са известни общо 13 изотопа на елемент № 22. Природният титан се състои от смес от пет стабилни изотопа, най-широко представеният е титан-48, неговият дял в естествените руди е 73,99%. Титанът и другите елементи от подгрупа IVB са много сходни по свойства с елементите от подгрупа IIIB (скандиева група), въпреки че се различават от последните по способността си да проявяват по-голяма валентност. Сходството на титана със скандий, итрий, както и с елементи от подгрупа VB - ванадий и ниобий се изразява и в това, че в природните минерали титанът често се среща заедно с тези елементи. С едновалентни халогени (флуор, бром, хлор и йод) може да образува ди- и тетра-съединения; със сяра и елементи от нейната група (селен, телур) - моно- и дисулфиди; с кислород - оксиди, диоксиди и триоксиди.

Титанът образува съединения и с водород (хидриди), азот (нитриди), въглерод (карбиди), фосфор (фосфиди), арсен (арсиди), както и съединения с много метали - интерметални съединения. Титанът образува не само прости, но и множество сложни съединения; известни са много от неговите съединения с органични вещества. Както се вижда от списъка на съединенията, в които титанът може да участва, той е химически много активен. И в същото време титанът е един от малкото метали с изключително висока устойчивост на корозия: той е практически вечен във въздуха, в студена и вряща вода и е много устойчив в морска вода, в разтвори на много соли, неорганични и органични киселини. . По устойчивост на корозия в морска вода превъзхожда всички метали, с изключение на благородните - злато, платина и др., повечето видове неръждаема стомана, никел, мед и други сплави. Във вода и в много агресивни среди чистият титан не е обект на корозия. Титанът е устойчив на ерозионна корозия, която възниква в резултат на комбинация от химични и механични ефекти върху. В това отношение той не отстъпва на най-добрите класове неръждаеми стомани, сплави на медна основа и други конструкционни материали. Титанът също се съпротивлява добре на корозията на умора, която често се проявява под формата на нарушения на целостта и здравината на метала (напукване, локална корозия и др.). Поведението на титан в много агресивни среди, като азотна, солна, сярна, царска вода и други киселини и основи, предизвиква изненада и възхищение за този метал.

Титанът е много огнеупорен метал. Дълго време се смяташе, че се топи при 1800 ° C, но в средата на 50-те години. Английските учени Deardorff и Hayes установиха точката на топене на чист елементарен титан. Тя възлиза на 1668±3° C. По своята огнеупорност титанът е на второ място след такива метали като волфрам, тантал, ниобий, рений, молибден, метали от платиновата група, цирконий, а сред основните структурни метали е на първо място. Най-важната характеристика на титана като метал са неговите уникални физични и химични свойства: ниска плътност, висока якост, твърдост и др. Основното е, че тези свойства не се променят значително при високи температури.

Титанът е лек метал, плътността му при 0° C е само 4,517 g/cm8, а при 100° C - 4,506 g/cm3. Титанът принадлежи към групата на металите със специфично тегло под 5 g/cm3. Това включва всички алкални метали (натрий, кадий, литий, рубидий, цезий) със специфично тегло от 0,9-1,5 g/cm3, магнезий (1,7 g/cm3), (2,7 g/cm3) и др. Титанът е повече от 1,5 пъти по-тежки. алуминий, и в това, разбира се, му губи, но е 1,5 пъти по-лек от желязото (7,8 g/cm3). Въпреки това, заемайки междинна позиция в специфична плътност между алуминийи желязото, титанът многократно ги превъзхожда по своите механични свойства.). Титанът има значителна твърдост: той е 12 пъти по-твърд от алуминия, 4 пъти жлезаИ купрума. Друга важна характеристика на метала е неговата граница на провлачване. Колкото по-високо е, толкова по-добре частите от този метал издържат на експлоатационни натоварвания. Границата на провлачване на титана е почти 18 пъти по-висока от тази на алуминия. Специфичната якост на титановите сплави може да се увеличи 1,5-2 пъти. Високите му механични свойства се запазват добре при температури до няколкостотин градуса. Чистият титан е подходящ за всички видове гореща и студена обработка: може да бъде изкован като желязо, разтягайте и дори правете тел от него, навивайте го на листове, ленти и фолио с дебелина до 0,01 мм.

За разлика от повечето метали, титанът има значително електрическо съпротивление: ако електрическата проводимост на среброто се приеме за 100, тогава електрическата проводимост купрумаравен на 94, алуминий - 60, желязо и платина-15, а титанът е само 3,8. Титанът е парамагнитен метал, той не е магнетизиран, както в магнитно поле, но не се изтласква от него, например. Неговата магнитна чувствителност е много слаба, това свойство може да се използва в строителството. Титанът има сравнително ниска топлопроводимост, само 22,07 W/(mK), което е приблизително 3 пъти по-ниско от топлопроводимостта на желязото, 7 пъти по-ниско от това на магнезия, 17-20 пъти по-ниско от това на алуминия и медта. Съответно, коефициентът на линейно топлинно разширение на титана е по-нисък от този на другите структурни материали: при 20 ° C той е 1,5 пъти по-нисък от този на желязото, 2 пъти по-нисък от този на медта и почти 3 пъти по-нисък от този на алуминия. Следователно титанът е лош проводник на електричество и топлина.

Днес титановите сплави се използват широко в авиационната техника. Титаниевите сплави за първи път са използвани в промишлен мащаб в конструкциите на самолетни реактивни двигатели. Използването на титан в конструкцията на реактивните двигатели позволява да се намали теглото им с 10...25%. По-специално дисковете и лопатките на компресора, частите за всмукване на въздух, направляващите лопатки и крепежните елементи са направени от титанови сплави. Титановите сплави са незаменими за свръхзвукови самолети. Увеличаването на скоростта на полета на самолетите доведе до повишаване на температурата на кожата, в резултат на което алуминиевите сплави вече не отговарят на изискванията, наложени от самолетите със свръхзвукови скорости. Температурата на обвивката в този случай достига 246...316 °C. При тези условия титановите сплави се оказаха най-приемливият материал. През 70-те години употребата на титанови сплави за корпусите на гражданските самолети се увеличи значително. В самолета със среден обхват ТУ-204 общата маса на частите от титанови сплави е 2570 кг. Използването на титан в хеликоптерите постепенно се разширява, главно за части от роторната система, задвижването и системите за управление. Титановите сплави заемат важно място в ракетната наука.

Поради високата си устойчивост на корозия в морска вода, титанът и неговите сплави се използват в корабостроенето за производството на витла, обшивки на морски съдове, подводници, торпеда и др. Черупките не залепват за титан и неговите сплави, което рязко увеличава съпротивлението на съда при движение. Постепенно областите на приложение на титана се разширяват. Титанът и неговите сплави се използват в химическата, нефтохимическата, целулозно-хартиената и хранително-вкусовата промишленост, цветната металургия, енергетиката, електрониката, ядрената техника, галванопластиката, в производството на оръжия, за производството на бронирани плочи, хирургически инструменти, хирургически импланти, инсталации за обезсоляване, части за състезателни автомобили, спортно оборудване (стикове за голф, оборудване за алпинизъм), части за часовници и дори бижута. Азотирането на титан води до образуването на златист филм върху повърхността му, който не отстъпва по красота на истинското злато.

Откриването на TiO2 е направено почти едновременно и независимо един от друг от англичанина У. Грегор и немския химик М. Г. Клапрот. W. Gregor, изучаващ състава на магнитното желязо пясък(Крийд, Корнуол, Англия, 1791 г.), изолира нова „земя“ (оксид) от неизвестен метал, който той нарече менакен. През 1795 г. немският химик Клапрот открива минералрутил нов елемент и го нарекоха титан. Две години по-късно Клапрот установява, че рутилът и менакенът са оксиди на един и същ елемент, което води до името „титан“, предложено от Клапрот. Десет години по-късно титанът е открит за трети път. Френският учен Л. Воклен открива титана в анатаза и доказва, че рутилът и анатазът са идентични титанови оксиди.

Откриването на TiO2 е направено почти едновременно и независимо един от друг от англичанина У. Грегор и немския химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, изучавайки състава на магнитния железен пясък (Крийд, Корнуол, Англия, 1791 г.), изолира нова „земя“ (оксид) от неизвестен метал, който той нарече менакен. През 1795 г. немският химик Клапрот открива минералрутил нов елемент и го нарекоха титан. Две години по-късно Клапрот установява, че рутилът и менакенската земя са оксиди на един и същи елемент, което води до името „титан“, предложено от Клапрот. Десет години по-късно титанът е открит за трети път. Френският учен Л. Воклен открива титана в анатаза и доказва, че рутилът и анатазът са идентични титанови оксиди.

Първата проба от метален титан е получена през 1825 г. от Й. Я. Берцелиус. Поради високата химическа активност на титана и трудността на неговото пречистване, чиста проба от Ti е получена от холандците A. van Arkel и I. de Boer през 1925 г. чрез термично разлагане на пари на титанов йодид TiI4.

Титанът е на 10-то място по разпространение в природата. Съдържанието в земната кора е 0,57% тегловни, в морската вода 0,001 mg/l. В ултраосновни скали 300 g/t, в основни скали - 9 kg/t, в кисели скали 2,3 kg/t, в глини и шисти 4,5 kg/t. В земната кора титанът е почти винаги четиривалентен и присъства само в кислородни съединения. Не е намерен в свободна форма. При условия на атмосферни влияния и валежи титанът има геохимичен афинитет към Al2O3. Концентриран е в бокситите на кората на изветряне и в морските глинести седименти. Титанът се пренася под формата на механични фрагменти от минерали и под формата на колоиди. В някои глини се натрупва до 30% TiO2 от теглото. Титановите минерали са устойчиви на атмосферни влияния и образуват големи концентрации в разсипи. Известни са повече от 100 минерала, съдържащи титан. Най-важните от тях са: рутил TiO2, илменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит CaTiSiO5. Има първични титанови руди - илменит-титаномагнетит и разсипни руди - рутил-илменит-циркон.

Основни руди: илменит (FeTiO3), рутил (TiO2), титанит (CaTiSiO5).

Към 2002 г. 90% от добития титан се използва за производство на титанов диоксид TiO2. Световното производство на титанов диоксид е 4,5 милиона тона годишно. Доказани запаси от титанов диоксид (без Руска федерация) възлизат на около 800 милиона тона за 2006 г., според Геоложката служба на САЩ, по отношение на титанов диоксид и без него. Руска федерация, запасите от илменитови руди възлизат на 603-673 милиона тона, а рутилни руди - 49,7-52,7 милиона тона. Така при сегашния темп на производство световните доказани запаси от титан (с изключение на Руската федерация) ще стигнат за повече от 150 години. години.

Русия има вторите по големина запаси от титан в света след Китай. Базата на минералните ресурси на титан в Руската федерация се състои от 20 находища (от които 11 първични и 9 алувиални), сравнително равномерно разпределени в цялата страна. Най-голямото от проучените находища (Ярегское) се намира на 25 км от град Ухта (Република Коми). Запасите на находището се оценяват на 2 милиарда тона руда със средно съдържание на титанов диоксид около 10%.

Най-големият производител на титан в света е руската организация VSMPO-AVISMA.

По правило изходният материал за производството на титан и неговите съединения е титанов диоксид със сравнително малко количество примеси. По-специално, това може да бъде рутилов концентрат, получен от обогатяването на титанови руди. Запасите от рутил в света обаче са много ограничени и по-често се използва т. нар. синтетичен рутил или титанова шлака, получена от преработката на илменитови концентрати. За да се получи титанова шлака, илменитовият концентрат се редуцира в електродъгова пещ, докато желязото се отделя в металната фаза (), а нередуцираните титанови оксиди и примесите образуват шлаковата фаза. Богатата шлака се обработва по метода на хлорид или сярна киселина.

В чист вид и под формата на сплави

Титанов паметник на Гагарин на Ленински проспект в Москва

метал се използва в: хим индустрия(реактори, тръбопроводи, помпи, тръбопроводна арматура), воен индустрия(бронежилетки, броня и противопожарни прегради в авиацията, корпуси на подводници), промишлени процеси (инсталации за обезсоляване, процесицелулоза и хартия), автомобилна промишленост, селскостопанска промишленост, хранително-вкусова промишленост, бижута за пиърсинг, медицинска промишленост (протези, остеопротези), стоматологични и ендодонтски инструменти, зъбни импланти, спортни стоки, търговски артикули за бижута (Александър Хомов), мобилни телефони, леки сплави и др. Това е най-важният структурен материал в самолетостроенето, ракетостроенето и корабостроенето.

Леенето на титан се извършва във вакуумни пещи в графитни форми. Използва се и вакуумно отливане с восък. Поради технологични затруднения се използва ограничено в художественото леене. Първата монументална скулптура от лят титан в света е паметникът на Юрий Гагарин на площада на негово име в Москва.

Титанът е легираща добавка в много легирани стомании повечето специални сплави.

Нитинол (никел-титан) е сплав с памет за формата, използвана в медицината и технологиите.

Титановите алуминиди са много устойчиви на окисляване и топлоустойчиви, което от своя страна определя използването им в авиационното и автомобилното производство като структурни материали.

Титанът е един от най-разпространените газопоглъщащи материали, използвани във високовакуумните помпи.

Бял титанов диоксид (TiO2) се използва в бои (като титаниево бяло) и в производството на хартия и пластмаса. Хранителна добавка Е171.

Органо-титановите съединения (напр. тетрабутоксититан) се използват като катализатор и втвърдител в химическата и бояджийската промишленост.

Неорганичните титанови съединения се използват в химическата електроника и производството на фибростъкло като добавки или покрития.

Титановият карбид, титановият диборид и титановият карбонитрид са важни компоненти на свръхтвърдите материали за обработка на метали.

Титановият нитрид се използва за покриване на инструменти, църковни куполи и в производството на бижута, тъй като... има цвят, подобен на .

Бариевият титанат BaTiO3, оловният титанат PbTiO3 и редица други титанати са сегнетоелектрици.

Има много титанови сплави с различни метали. Легиращите елементи се делят на три групи в зависимост от влиянието им върху температурата на полиморфното превръщане: бета стабилизатори, алфа стабилизатори и неутрални усилватели. Първите понижават температурата на трансформация, вторите я повишават, третите не я влияят, но водят до укрепване на разтвора на матрицата. Примери за алфа стабилизатори: , кислород, въглерод, азот. Бета стабилизатори: молибден, ванадий, желязо, хром, Ni. Неутрални втвърдители: цирконий, силиций. Бета стабилизаторите от своя страна се делят на бета изоморфни и бета евтектоидообразуващи. Най-често срещаната титанова сплав е сплавта Ti-6Al-4V (в руската класификация - VT6).

През 2005г твърд titanium corporation публикува следната оценка на потреблението на титан в света:

13% - хартия;

7% - машиностроене.

15-25$ за килограм в зависимост от чистотата.

Чистотата и степента на груб титан (титанова гъба) обикновено се определя от неговата твърдост, която зависи от съдържанието на примеси. Най-често срещаните марки са TG100 и TG110.

Пазарният сегмент на потребителските стоки в момента е най-бързо развиващият се сегмент на титановия пазар. Докато преди 10 години този сегмент представляваше само 1-2 от пазара на титан, днес той е нараснал до 8-10 от пазара. Като цяло потреблението на титан в потребителските продукти е нараснало приблизително два пъти по-бързо от общия пазар на титан. Използването на титан в спорта е най-дълготрайно и представлява най-големият дял от приложенията на титан в потребителските продукти. Причината за популярността на използването на титан в спортното оборудване е проста - той ви позволява да постигнете съотношение тегло-якост, превъзхождащо всеки друг метал. Използването на титан във велосипедите започва преди приблизително 25-30 години и е първото използване на титан в спортно оборудване. Използваните първични тръби са сплав Ti3Al-2.5V ASTM клас 9. Други части, изработени от титанови сплави, включват спирачки, зъбни колела и пружини на седалките. Използването на титан в производството на стикове за голф за първи път започва в края на 80-те и много ранните 90-те години от производителите на стикове в Япония. До 1994-1995 г. това приложение на титана беше практически непознато в САЩ и Европа. Това се промени, когато Callaway представи своя титанов путер, произведен от организацията Ruger titanium и наречен Great Big Bertha. Благодарение на очевидните ползи и с помощта на добре обмисления маркетинг от Callaway, титаниевите клубове моментално придобиха огромна популярност. За кратък период от време титаниевите стикове се превърнаха от ексклузивно и скъпо оборудване на малка група спекуланти в широко използвани от повечето голфъри, като същевременно са по-скъпи от стоманените стикове. Бих искал да цитирам основните, според мен, тенденции в развитието на пазара за голф, който премина от високотехнологични към масово производство за кратки 4-5 години, следвайки пътя на други индустрии с високи разходи за труд; като производството на дрехи, играчки и потребителска електроника е навлязло в производството на стикове за голф държавис най-евтината работна ръка първо в Тайван, след това в , а сега се строят фабрики в страни с още по-евтина работна ръка, като Виетнам и Тайланд, титанът определено се използва за шофьори, където превъзходните му качества осигуряват ясно предимство и оправдават по-високата цена . Въпреки това, титанът все още не е намерил много широко приложение в следващите бухалки, тъй като значителното увеличение на цената не е съчетано със съответното подобрение в играта Наскоро Professional Golf ROA позволи по-голяма граница на т.нар. За да направите това, е необходимо да се намали дебелината на ударната повърхност и да се използват по-здрави сплави за нея, като SP700, 15-3-3-3 и VT-23. Сега нека разгледаме използването на титан и неговите сплави върху друго спортно оборудване. Тръбите за състезателни велосипеди и други части са направени от сплав ASTM Grade 9 Ti3Al-2.5V. Изненадващо голямо количество титанов лист се използва в производството на водолазни ножове. Повечето производители използват сплав Ti6Al-4V, но тази сплав не осигурява издръжливостта на ръба на други по-здрави сплави. Някои производители преминават към използване на сплав VT23.