Титанът е метал. Свойства на титана. Приложение на титан. Марки и химически състав на титана

Вечен, загадъчен, космически, материал на бъдещето - всички тези и много други епитети са присвоени от различни източници на титана. Историята на откриването на този метал не е тривиална: няколко учени в същото време работеха за изолирането на елемента в чиста форма. Процесът на изучаване на физичните и химичните свойства и определяне на областите на неговото приложение не е завършен

особеност

Химически елемент титан (титан) се обозначава в периодичната таблица на ДИ Менделеев със символа Ti. Той се намира във втората подгрупа на IV група от четвъртия период и има ранния номер 22. Обикновено вещество титан - метал от бял сребърен цвят, лек и издръжлив. Електронната конфигурация на атома има следната структура: +22) 2) 8) 10) 2, 1S²2S²2P⁶3S²3P⁶3d²4S². Съответно титанът има няколко възможни степени на окисление: 2, 3, 4, в най-стабилните съединения той е четиривалентен.

Титанът е сплав или метал?

Този въпрос интересува много. През 1910 г. американският химик Хънтър получава първия чист титан. Металът съдържа само 1% примеси, но количеството му е незначително и не позволява допълнително проучване на неговите свойства. Пластичността на получената субстанция се постига само под въздействието на високи температури, при нормални условия (стайна температура) пробата е прекалено крехка. Всъщност този елемент не беше от интерес за учените, тъй като перспективите за неговото използване изглеждаха твърде неясни. Сложността на придобиването и изследванията допълнително намали възможността за неговото прилагане. Едва през 1925 г. химиците от Холандия, I. de Boer и A. van Arkel получават титанов метал, чиито свойства привличат вниманието на инженери и дизайнери по целия свят. Историята на изследването на този елемент започва през 1790 г., по това време успоредно, независимо един от друг, двама учени откриват титан като химически елемент. Всеки от тях получава съединението (оксида) на веществото, като не отделя метала в неговата чиста форма. Първият откривател на титан е английския минералгистки монах Уилям Грегор. На територията на своята енория, намираща се в югозападната част на Англия, млад учен започва да изучава черния пясък на долината Меначан. Резултатът от експериментите с магнита беше избора на блестящи зърна, които бяха състав на титан. В същото време в Германия химикът Мартин Хайнрих Кларп изтъква ново вещество от минерала на рутила. През 1797 г. той също така доказва, че паралелно откритите елементи са аналогични. Дизелът на титана в продължение на повече от век е мистерия за много химици, дори и Берзилий не може да получи чист метал. Най-новите технологии на 20-ти век значително ускоряват процеса на изучаване на този елемент и определят първоначалните посоки на неговото използване. Същевременно обхватът на приложение непрекъснато се разширява. Ограничаване на нейния обхват може само сложността на процеса на получаване на такова вещество като чист титан. Цената на сплавите и метала е достатъчно висока, така че днес тя не може да измести традиционните желязо и алуминий.

Произход на името

Menakin е първото име на титан, което се използва до 1795. Точно според териториалната принадлежност се нарича новият елемент на У. Грегор. Мартин Кларп възлага на елемента през 1797 името "титан". По това време френските му колеги, ръководени от авторитетен химик АЛ Лавоазие, предложиха те да бъдат наречени новооткрити вещества в съответствие с основните им свойства. Германският учен не е съгласен с този подход, той разумно вярва, че на етапа на откриването е трудно да се определят всички характерни за веществото характеристики и да се отразяват в името. Трябва обаче да се признае, че интуитивно избраният термин Klaprot напълно съответства на метала - това многократно е подчертавано от съвременните учени. Има две основни теории за произхода на името титан. Металът може да бъде определен в чест на елфската царица Титания (характер на германската митология). Това име символизира лекотата и здравината на веществото. Повечето учени са склонни да използват версията на древногръцката митология, в която титаните наричат ​​могъщите синове на богинята на земята на Гея. В полза на тази версия, казва името на преди това открити елемент - уран.

Да бъдеш в природата

От метали, които технически са от полза за хората, титанът се нарежда четвърти по отношение на разпространението в земната кора. Голяма част от природата се характеризира само с желязо, магнезий и алуминий. Най-голямото съдържание на титан се намира в основата, малко по-малко в гранитния слой. В морската вода съдържанието на това вещество е ниско - около 0,001 mg / l. Химическият елемент на титана е доста активен, затова е невъзможно да се срещне в чиста форма. Най-често той присъства в съединения с кислород, докато той има валентност от четири. Количеството минерали, съдържащи титан, варира от 63 до 75 (в различни източници), докато в настоящия етап на научните изследвания учените продължават да откриват нови форми на съединенията си. За практическа употреба са от най-голямо значение следните минерали:

1. Илменит (FeTiO₃).
2. Рутил (TiO₂).
3. Титанит (CaTiSiO₅).
4. Перовскит (CaTiO₃).
5. Титаномагнетит (FeTiO₃+Fe₃О₄) и т.н.

Всички съществуващи руди, съдържащи титан, са разделени на пластове и основни. Този елемент е слаб мигрант, той може да пътува само под формата на каменни фрактури или придвижване на кални камъни, които обитават дъното. В биосферата най-голямо количество титан се съдържа в водораслите. В представителите на сухоземната фауна елементът се натрупва в рогови тъкани, коса. Защото човешкото тяло се характеризира с наличието на титан в далака, надбъбречните жлези, плацентата, щитовидната жлеза.

Физични свойства

Титан - цветен метал, който има сребристо-бял цвят, изглежда като стомана. При температура от 0 ° С ⁰С плътността си е 4,517 g / cm³. Веществото има ниско специфично тегло, което е характерно за алкалните метали (кадмий, натрий, литий, цезий). По отношение на плътността, титана заема междинно положение между желязо и алуминий, докато характеристиките му на работа са по-високи от тези на двата елемента. Основните свойства на металите, които се вземат предвид при определяне на обхвата на тяхното приложение, са: съпротивление на пропускане и твърдост. Титанът е по-силен от алуминий 12 пъти, желязо и мед - 4 пъти, докато е много по-лек. Пластичността на чистата субстанция и нейната точка на провлачване правят възможно обработването при ниски и високи температурни стойности, както в случая на останалите метали, т.е. занитване, коване, заваряване и валцуване. Отличителната характеристика на титана е неговата ниска топлинна и електрическа проводимост, докато тези свойства се запазват при повишени температури до 500 ⁰В. В магнитно поле титанът е парамагнитен елемент, не се привлича като желязо и не се изтласква като мед. Много добро антикорозионно действие в агресивна среда и с механични влияния е уникално. Повече от 10 години престой в морска вода не промениха външния вид и състава на плочата от титан. Желязото в този случай би било напълно унищожено от корозия.

Термодинамични свойства на титана

1. Плътността (при нормални условия) е 4,54 g / cm³.
2. Атомният номер е 22.
3. Група от метали - огнеупорна, лека.
4. Атомната маса на титана е 47,0.
5. Точка на кипене (⁰С) - 3260.
6. Моларният обем от cm³/ mol е 10.6.
7. Точка на топене на титана (⁰С) - 1668.
8. Специфичната топлина на изпаряване (kJ / mol) е 422.6.
9. Електрическото съпротивление (при 20 ⁰C) Ohm * cm * 10^-6 - 45.

Химични свойства

Повишената устойчивост на корозия на елемента се дължи на образуването на малък оксиден филм върху повърхността. Предотвратява (при нормални условия) химични реакции с газове (кислород, водород), разположени в околната среда на елемент като титанов метал. Неговите свойства се променят под въздействието на температурата. При неговото увеличение до 600 ⁰С реагира с кислород, което води до образуването на титанов оксид (TiO₂). В случай на абсорбиране на атмосферни газове се образуват чупливи съединения, които нямат практическо приложение, поради което заваряването и топенето на титана се извършва при вакуумни условия. Реверсивната реакция е процесът на разтваряне на водорода в метала, той е по-активен, когато температурата се покачва (от 400 ° С) ⁰C и по-висока). Титан, особено неговите фини частици (тънка плоча или тел), изгаря в азотна атмосфера. Реакция на химическо взаимодействие е възможна само при температура 700 ° С ⁰С, което води до образуването на TiN нитрид. С много метали формира високо-твърди сплави, често допинг елемент. В реакция с халогени (хром, бром, йод) влиза само в присъствието на катализатор (висока температура) и при условие на взаимодействие със сухо вещество. В този случай се образуват много твърди огнеупорни сплави. С разтворите на повечето алкали и киселини титанът не е химически активен, с изключение на концентрирана сярна киселина (с продължително кипене), флуороводородна, гореща органична (мравчена, оксалова).

депозит

Най-често срещаните природни ледникови руди - техните резерви се оценяват на 800 милиона тона. Депозитите на рутилови находища са много по-скромни, но общият обем, като същевременно се запазва растежът на производството, трябва да осигури на човечеството през следващите 120 години метал като титан. Цената на крайния продукт ще зависи от търсенето и нивото на производителност, но варира средно от 1200 до 1800 рубли на килограм. В условията на непрекъснато техническо усъвършенстване разходите за всички производствени процеси се намаляват значително с навременната им модернизация. Най-големите резерви титанови руди притежават Китай и Русия, а също и база за минерални ресурси са Япония, Република Южна Африка, Австралия, Казахстан, Индия, Южна Корея, Украйна, Цейлон. Депозитите се характеризират с обема на извличане и с процента на титана в рудата, геоложкото търсене продължава през цялото време, което позволява да се допусне спад в пазарната стойност на метала и по-широкото му използване. Русия е най-големият производител на титан.

приемане

За производството на титан най-често се използва неговият двуокис, съдържащ минимално количество примеси. Той се получава чрез обогатяване на илинитни концентрати или рутилови руди. В електрическата електродъгова пещ рудата се обработва топлинно, което се придружава от отделянето на желязо и образуването на шлака, съдържаща титанов оксид. Методът със сярна киселина или хлорид се използва за лечение на фракция без желязо. Титанов оксид е сив прах (виж снимката). Металният титан се получава чрез неговата поетапна обработка.

Първата фаза е процесът на синтероване на шлака с кокс и излагане на хлорни изпарения. Полученият TiCl₄ се редуцира с магнезий или натрий при 850 ° С ⁰В. Титаниевата гъба (пореста сплашна маса), получена в резултат на химическа реакция, се пречиства или претопява в блокове. В зависимост от по-нататъшната посока на употреба се получава сплав или метал в чиста форма (примесите се отстраняват чрез нагряване до 1000 ⁰C). Йодидният метод се използва за производството на вещество с 0,01% примес. Тя се основава на процеса на изпаряване от титанова гъба, предварително третирана с халоген, нейните пари.

Области на приложение

Точката на топене на титана е достатъчно висока, че с лекотата на метала е безценно предимство да се използва като структурен материал. Поради това той намира най-голямо приложение в корабостроенето, производството на въздухоплавателни средства, производството на ракети и химическата промишленост. Титан често се използва като легираща добавка в различни сплави, които имат повишени характеристики на твърдост и топлинна устойчивост. Високите антикорозионни свойства и способността да издържат на най-агресивните среди правят този метал незаменим за химическата промишленост. Титан (неговите сплави) произвежда тръбопроводи, резервоари, спирателни клапани, филтри, използвани за дестилация и транспортиране на киселини и други реактивни вещества. Тя е в търсенето при създаване на устройства, които работят в условия на високи температурни индекси. Титаниевите съединения се използват за изработване на трайни режещи инструменти, бои, пластмаси и хартия, хирургически инструменти, импланти, бижута, довършителни материали, използвани в хранителната промишленост. Всички посоки са трудни за описание. Съвременната медицина, поради пълната биологична безопасност, често използва титанов метал. Цена - това е единственият фактор, който все още влияе върху широчината на приложението на този елемент. Вярно е, че Титаний е материалът на бъдещето, изучавайки това, човечеството ще премине към нов етап на развитие.