Evigt, mystiskt, kosmiskt, framtidens material – alla dessa och många andra epitet tilldelas titan i olika källor. Historien om upptäckten av denna metall var inte trivial: samtidigt arbetade flera forskare med att isolera elementet i dess rena form. Processen att studera de fysikaliska, kemiska egenskaperna och bestämma användningsområdena har inte slutförts hittills. Titan är framtidens metall, dess plats i mänskligt liv har ännu inte slutgiltigt fastställts, vilket ger moderna forskare ett enormt utrymme för kreativitet och vetenskaplig forskning.
Karakteristisk
Det kemiska grundämnet titan (Titanium) anges i det periodiska systemet för D. I. Mendeleev med symbolen Ti. Det är beläget i den sekundära undergruppen av grupp IV av den fjärde perioden och har serienummer 22. Det enkla ämnet titan är en vit-silver metall, lätt och hållbar. Den elektroniska konfigurationen av en atom har följande struktur: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Följaktligen har titan flera möjliga oxidationstillstånd: 2,3, 4, i de mest stabila föreningarna är det fyrvärt.
Titanium - legering eller metall?
Denna fråga intresserar många. 1910 fick den amerikanske kemisten Hunter det första rena titanet. Metallen innehöll bara 1% av föroreningar, men samtidigt visade sig dess mängd vara försumbar och gjorde det inte möjligt att ytterligare studera dess egenskaper. Det erhållna ämnets plasticitet uppnåddes endast under inverkan av höga temperaturer; under normala förhållanden (rumstemperatur) var provet för ömtåligt. Faktum är att detta element inte intresserade forskare, eftersom utsikterna för dess användning verkade för osäkra. Svårigheten att skaffa och forskning minskade ytterligare potentialen för dess tillämpning. Först 1925 fick kemister från Nederländerna I. de Boer och A. Van Arkel titanmetall, vars egenskaper väckte uppmärksamhet från ingenjörer och designers runt om i världen. Historien om studien av detta element börjar 1790, exakt vid denna tidpunkt, parallellt, oberoende av varandra, upptäcker två forskare titan som ett kemiskt element. Var och en av dem får en förening (oxid) av ett ämne, och lyckas inte isolera metallen i dess rena form. Upptäckaren av titan är den engelske mineralogmunken William Gregor. På hans församlings territorium, som ligger i den sydvästra delen av England, började den unga forskaren studera den svarta sanden i Menaken Valley. Resultatet av experiment med en magnet var frigörandet av glänsande korn, som var en titanförening. Samtidigt i Tyskland isolerade kemisten Martin Heinrich Klaproth ett nytt ämne från mineraletrutil. 1797 bevisade han också att element som öppnas parallellt är lika. Titandioxid har varit ett mysterium för många kemister i mer än ett sekel, och till och med Berzelius kunde inte få tag i ren metall. Den senaste tekniken från 1900-talet påskyndade avsevärt processen att studera det nämnda elementet och bestämde de första anvisningarna för dess användning. Samtidigt utökas tillämpningsområdet hela tiden. Endast komplexiteten i processen för att erhålla ett sådant ämne som rent titan kan begränsa dess omfattning. Priset på legeringar och metall är ganska högt, så idag kan det inte ersätta traditionellt järn och aluminium.
Ursprunget till namnet
Menakin - det första namnet på titan, som användes fram till 1795. Det var så, genom territoriell tillhörighet, W. Gregor kallade det nya elementet. Martin Klaproth gav grundämnet namnet "titanium" 1797. Vid denna tidpunkt föreslog hans franska kollegor, ledda av en ganska ansedd kemist A. L. Lavoisier, att namnge de nyupptäckta ämnena i enlighet med deras grundläggande egenskaper. Den tyske forskaren höll inte med om detta tillvägagångssätt, han trodde ganska rimligt att det på upptäcktsstadiet är ganska svårt att bestämma alla egenskaper som är inneboende i ett ämne och återspegla dem i namnet. Det bör dock erkännas att termen som intuitivt v alts av Klaproth helt motsvarar metallen - detta har upprepade gånger betonats av moderna vetenskapsmän. Det finns två huvudteorier för ursprunget till namnet titan. Metallen kunde betecknas så för att hedra alvdrottningen Titania(karaktär av germansk mytologi). Detta namn symboliserar både lättheten och styrkan hos ämnet. De flesta forskare är benägna att använda versionen av användningen av antik grekisk mytologi, där de mäktiga sönerna till jordens gudinna Gaia kallades titaner. Namnet på det tidigare upptäckta grundämnet, uran, talar också för denna version.
Att vara i naturen
Av de metaller som är tekniskt värdefulla för människor är titan den fjärde vanligaste i jordskorpan. Endast järn, magnesium och aluminium kännetecknas av en stor andel i naturen. Den högsta h alten titan noteras i bas altskalet, något mindre i granitskiktet. I havsvatten är innehållet av detta ämne lågt - cirka 0,001 mg / l. Det kemiska elementet titan är ganska aktivt, så det kan inte hittas i sin rena form. Oftast finns det i föreningar med syre, medan det har en valens på fyra. Antalet titanh altiga mineraler varierar från 63 till 75 (i olika källor), medan forskare i det nuvarande forskningsstadiet fortsätter att upptäcka nya former av dess föreningar. För praktisk användning är följande mineraler av största vikt:
- Ilmenite (FeTiO3).
- Rutile (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskite (CaTiO3).
- Titanomagnetit (FeTiO3+Fe3O4) etc.
Alla befintliga titanh altiga malmer är indelade ialluvial och grundläggande. Detta element är en svag migrant, det kan endast resa i form av stenfragment eller rörliga siltig bottenstenar. I biosfären finns den största mängden titan i alger. I representanter för den terrestra faunan ackumuleras elementet i de kåta vävnaderna, håret. Människokroppen kännetecknas av närvaron av titan i mjälten, binjurarna, moderkakan, sköldkörteln.
Fysiska egenskaper
Titan är en icke-järnmetall med en silvervit färg som ser ut som stål. Vid en temperatur på 0 0C är dess densitet 4,517 g/cm3. Ämnet har en låg specifik vikt, vilket är typiskt för alkalimetaller (kadmium, natrium, litium, cesium). När det gäller densitet upptar titan en mellanposition mellan järn och aluminium, medan dess prestanda är högre än för båda elementen. De viktigaste egenskaperna hos metaller som beaktas när man bestämmer omfattningen av deras tillämpning är sträckgränsen och hårdheten. Titan är 12 gånger starkare än aluminium, 4 gånger starkare än järn och koppar, samtidigt som det är mycket lättare. Plasticiteten hos ett rent ämne och dess sträckgräns gör det möjligt att bearbeta vid låga och höga temperaturer, som i fallet med andra metaller, d.v.s. genom nitning, smidning, svetsning, valsning. En utmärkande egenskap hos titan är dess låga termiska och elektriska ledningsförmåga, medan dessa egenskaper bevaras vid förhöjda temperaturer, upp till 500 0С. I ett magnetfält är titan ett paramagnetiskt element, det gör det intedras som järn och trycks inte ut som koppar. Mycket hög anti-korrosionsprestanda i aggressiva miljöer och under mekanisk påfrestning är unik. Mer än 10 år av att vara i havsvatten förändrade inte utseendet och sammansättningen av titanplattan. Järn i det här fallet skulle förstöras helt av korrosion.
Titans termodynamiska egenskaper
- Densitet (under normala förhållanden) är 4,54 g/cm3.
- Atomnumret är 22.
- Metalgrupp - eldfast, lätt.
- Atommassan för titan är 47,0.
- Kokpunkt (0С) – 3260.
- Molar volym cm3/mol – 10, 6.
- Titansmältpunkt (0С) – 1668.
- Specifik förångningsvärme (kJ/mol) – 422, 6.
- Elektriskt motstånd (vid 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Kemiska egenskaper
Den ökade korrosionsbeständigheten hos elementet beror på bildandet av en liten oxidfilm på ytan. Det förhindrar (under normala förhållanden) kemiska reaktioner med gaser (syre, väte) i den omgivande atmosfären av ett element som titanmetall. Dess egenskaper förändras under påverkan av temperatur. När den stiger till 600 0С inträffar en interaktionsreaktion med syre, vilket resulterar i bildandet av titanoxid (TiO2). Vid absorption av atmosfäriska gaser bildas spröda föreningar som inte har någon praktisk tillämpning, varför svetsning och smältning av titan utförs under vakuumförhållanden. reversibel reaktionär processen för väteupplösning i metallen, sker den mer aktivt med en ökning av temperaturen (från 400 0С och högre). Titan, särskilt dess små partiklar (tunn platta eller tråd), brinner i en kväveatmosfär. En kemisk interaktionsreaktion är möjlig endast vid en temperatur på 700 0С, vilket resulterar i bildandet av TiN-nitrid. Bildar mycket hårda legeringar med många metaller, ofta som ett legeringselement. Det reagerar med halogener (krom, brom, jod) endast i närvaro av en katalysator (hög temperatur) och föremål för interaktion med en torr substans. I detta fall bildas mycket hårda eldfasta legeringar. Med lösningar av de flesta alkalier och syror är titan kemiskt inaktivt, med undantag för koncentrerad svavelsyra (med långvarig kokning), fluorvätesyra, varm organisk (myrsyra, oxalsyra).
Insättningar
Ilmenitmalmer är de vanligaste i naturen - deras reserver uppskattas till 800 miljoner ton. Avlagringarna av rutilavlagringar är mycket mer blygsamma, men den totala volymen - samtidigt som produktionstillväxten bibehålls - bör förse mänskligheten under de kommande 120 åren med en sådan metall som titan. Priset på den färdiga produkten kommer att bero på efterfrågan och en ökning av tillverkningsnivån, men i genomsnitt varierar det i intervallet från 1200 till 1800 rubel/kg. Under ständiga tekniska förbättringar reduceras kostnaden för alla produktionsprocesser avsevärt med deras snabba modernisering. Kina och Ryssland har de största reserverna av titanmalmer, såväl som mineralJapan, Sydafrika, Australien, Kazakstan, Indien, Sydkorea, Ukraina, Ceylon har en råvarubas. Fyndigheterna skiljer sig åt i produktionsvolym och andel titan i malmen, geologiska undersökningar pågår, vilket gör det möjligt att anta en minskning av metallens marknadsvärde och dess bredare användning. Ryssland är den överlägset största tillverkaren av titan.
Receive
För tillverkning av titan används oftast titandioxid som innehåller en minimal mängd föroreningar. Det erhålls genom anrikning av ilmenitkoncentrat eller rutilmalmer. I ljusbågsugnen sker värmebehandlingen av malmen, som åtföljs av avskiljning av järn och bildning av slagg innehållande titanoxid. Sulfat- eller kloridmetoden används för att bearbeta den järnfria fraktionen. Titanoxid är ett grått pulver (se bild). Titanmetall erhålls genom dess fasbearbetning.
Den första fasen är processen att sintra slagg med koks och exponering för klorånga. Den resulterande TiCl4 reduceras med magnesium eller natrium när den utsätts för en temperatur på 850 0C. Titansvamp (porös smält massa), erhållen som ett resultat av en kemisk reaktion, raffineras eller smälts till göt. Beroende på den vidare användningsriktningen bildas en legering eller ren metall (föroreningar avlägsnas genom uppvärmning till 1000 0С). För framställning av ett ämne med en föroreningsh alt på 0,01 % används jodidmetoden. Det är baserat på processenavdunstning från en titansvamp förbehandlad med halogen, dess ångor.
Användningsområden
Smältpunkten för titan är ganska hög, vilket med tanke på metallens lätthet är en ovärderlig fördel med att använda den som ett strukturmaterial. Därför finner den den största tillämpningen inom varvsindustrin, flygindustrin, tillverkning av raketer och kemisk industri. Titan används ganska ofta som en legeringstillsats i olika legeringar, som har ökad hårdhet och värmebeständighet. Höga rostskyddsegenskaper och förmågan att motstå de flesta aggressiva miljöer gör denna metall oumbärlig för den kemiska industrin. Titan (dess legeringar) används för att tillverka rörledningar, tankar, ventiler, filter som används vid destillation och transport av syror och andra kemiskt aktiva ämnen. Det är efterfrågat när man skapar enheter som arbetar under förhållanden med förhöjda temperaturindikatorer. Titanföreningar används för att tillverka hållbara skärverktyg, färger, plast och papper, kirurgiska instrument, implantat, smycken, efterbehandlingsmaterial och används inom livsmedelsindustrin. Alla riktningar är svåra att beskriva. Modern medicin, på grund av fullständig biologisk säkerhet, använder ofta titanmetall. Priset är den enda faktorn som hittills påverkar tillämpningsbredden för detta element. Det är rättvist att säga att titan är framtidens material, genom att studera vilken mänsklighet som kommer att passeratill ett nytt utvecklingsstadium.
