Titanul este un metal. Proprietăți ale titanului. Aplicarea titanului. Mărcile și compoziția chimică a titanului

Veșnic, misterios, cosmic, material al viitorului - toate acestea și multe alte epitete sunt însușite în diferite surse titanului. Istoria descoperirii acestui metal nu a fost banală: câțiva oameni de știință au lucrat, în același timp, la izolarea elementului în formă pură. Procesul de studiere a proprietăților fizice și chimice și determinarea domeniilor de aplicare a acestuia nu sa terminat

trăsătură

Elemente chimice titan (Titan) este marcat în tabelul periodic al DI Mendeleyev prin simbolul Ti. Acesta este situat în subgrupul secundar al grupului IV din a patra perioadă și are numărul ordinal 22. Substanță simplă titan - metal de culoare alb-argintiu, lumina si durabil. Configurația electronică a atomului are următoarea structură: +22) 2) 8) 10) 2, 1S²2S²2P⁶3S²3P⁶3d²4S². În consecință, titanul are mai multe grade posibile de oxidare: 2, 3, 4, în compușii cei mai stabili este tetravalent.

Titanul este un aliaj sau un metal?

Această întrebare îi interesează pe mulți. În 1910, chimistul american Hunter a primit primul titan pur. Metalul conține numai 1% impurități, dar cantitatea sa era neglijabilă și nu permitea investigarea în continuare a proprietăților sale. Plasticitatea substanței obținute sa realizat numai sub influența temperaturilor ridicate, în condiții normale (temperatura camerei), eșantionul a fost prea fragil. De fapt, acest element nu era de interes pentru oamenii de știință, deoarece perspectivele de utilizare a acestora păreau prea vagi. Complexitatea obținerii și cercetării a redus și mai mult potențialul de aplicare a acesteia. Numai în 1925, chimiștii din Țările de Jos I. de Boer și A. van Arkel au primit titan metalic, ale cărui proprietăți au atras atenția inginerilor și designerilor din întreaga lume. Istoria cercetării acestui element începe în 1790, în acest moment în paralel, independent unul de altul, doi oameni de știință deschid titanul ca element chimic. Fiecare dintre ele primește compusul (oxidul) substanței, care nu separă metalul în forma sa pură. Primul descoperitor al titanului este călugărul englez mineralog William Gregor. Pe teritoriul parohiei sale, situat în sud-vestul Angliei, un tânăr om de știință a început să studieze nisipul negru al Văii Menacan. Rezultatul experimentelor cu magnetul a fost selectarea granulelor strălucitoare, care erau un compus de titan. În același timp, în Germania, chimistul Martin Heinrich Klaprot a evidențiat o substanță nouă din mineralul rutilului. În 1797, el a demonstrat de asemenea că elementele deschise în paralel sunt analogice. Dioxidul de titan pentru mai mult de un secol a fost un mister pentru mulți chimiști, nici măcar Berzelius nu a putut obține metale pure. Cele mai noi tehnologii ale secolului XX au accelerat foarte mult procesul de studiere a acestui element și au determinat direcțiile inițiale ale utilizării acestuia. În același timp, domeniul de aplicare este în continuă creștere. Limita domeniul său de aplicare nu poate decât complexitatea procesului de obținere a unei astfel de substanțe ca titanul pur. Prețul aliajelor și al metalului este suficient de ridicat, deci astăzi nu poate înlocui fierul și aluminiu tradițional.

Originea numelui

Menakin este primul nume de titan, care a fost folosit până în 1795. Exact așa, în funcție de apartenența teritorială, a numit noul element al lui U. Gregor. Martin Klaprot atribuie elementului în 1797 numele "titan". În acest moment, colegii săi francezi, conduse de un chimist autoritar AL Lavoisier, au sugerat că ar trebui să fie numiți substanțe nou descoperite în conformitate cu proprietățile lor de bază. Omul de știință german nu a fost de acord cu această abordare, a crezut în mod rezonabil că în stadiul descoperirii este dificil să se determine toate caracteristicile caracteristice substanței și să le reflecte în nume. Cu toate acestea, trebuie recunoscut faptul că termenul Klaprot ales intuitiv corespunde pe deplin metalelor - acest lucru a fost subliniat în mod repetat de oamenii de știință moderni. Există două teorii de bază despre originea denumirii titan. Metalul ar putea fi desemnat în onoarea reginei elita Titania (un personaj al mitologiei germane). Acest nume simbolizează atât ușurința, cât și puterea substanței. Majoritatea cercetătorilor au tendința de a folosi versiunea mitologiei grecești antice, în care titanii au numit fiii puternici ai zeiței țării Gaea. În favoarea acestei versiuni, spune numele elementului descoperit anterior - uraniu.

Fiind în natură

Din metale care, din punct de vedere tehnic, sunt valoroase pentru oameni, titanul se situează pe locul patru în ceea ce privește prevalența în crusta pământului. Un procent mare în natură este caracterizat doar de fier, magneziu și aluminiu. Cel mai mare conținut de titan se găsește în cochilia bazaltică, puțin mai puțin în stratul de granit. În apa de mare conținutul acestei substanțe este scăzut - aproximativ 0,001 mg / l. Elementul chimic al titanului este destul de activ, deci este imposibil să-l întâlnești în forma sa pură. Cel mai adesea este prezent în compușii cu oxigen, în timp ce are o valență de patru. Cantitatea de minerale care conțin titan variază de la 63 la 75 (în diferite surse), în timp ce în stadiul actual de cercetare oamenii de știință continuă să descopere noi forme de compuși ai săi. Pentru utilizarea în practică, următoarele minerale sunt de cea mai mare importanță:

1. Ilmenit (FeTiO₃).
2. Rutile (TiO₂).
3. Titanitul (CaTiSiO₅).
4. Perovskitul (CaTiO₃).
5. Titanomagnetit (FeTiO₃+Fe₃O₄) și așa mai departe.

Toate minereurile existente din titan sunt împărțite în plăci și de bază. Acest element este un migrant slab, poate călători numai sub formă de fracturi de piatră sau de mișcare de roci murdare de fund. În biosferă, cea mai mare cantitate de titan este conținută în alge. În reprezentanții faunei terestre, elementul se acumulează în țesuturile excesive, părul. Pentru corpul uman se caracterizează prin prezența titanului în splină, glandele suprarenale, placenta, glanda tiroidă.

Proprietăți fizice

Titanul - un metal neferos, care are o culoare alb-argintie, arata ca otelul. La o temperatură de 0 ⁰Densitatea sa este de 4.517 g / cm³. Substanța are o greutate specifică scăzută, caracteristică metalelor alcaline (cadmiu, sodiu, litiu, cesiu). Din punct de vedere al densității, titanul ocupă o poziție intermediară între fier și aluminiu, în timp ce caracteristicile sale de performanță sunt mai mari decât cele ale celor două elemente. Principalele proprietăți ale metalelor, care sunt luate în considerare la determinarea domeniului de aplicare a acestora, sunt puterea de curgere și duritatea. Titanul este mai puternic decât aluminiu de 12 ori, fier și cupru - de 4 ori, în timp ce este mult mai ușor. Ductilitatea substanței pure și limita sa de curgere permite prelucrarea la valori de temperatură înaltă și joasă, ca și în cazul altor metale, t. E. tehnici nituit, forjare, sudura, laminare. Caracteristica distinctivă a titaniu - conductivitatea termică scăzută și, prin urmare, aceste proprietăți sunt păstrate la temperaturi ridicate de până la 500 ⁰C. Într-un câmp magnetic, titanul este un element paramagnetic, nu este atras ca fierul și nu este împins ca cuprul. Performanțele anticorozive foarte ridicate în medii agresive și cu influențe mecanice sunt unice. Mai mult de 10 ani de ședere în apa de mare nu a schimbat aspectul și compoziția plăcii din titan. Fierul în acest caz ar fi distrus complet prin coroziune.

Proprietățile termodinamice ale titanului

1. Densitatea (în condiții normale) este de 4,54 g / cm³.
2. Numărul atomic este de 22.
3. Grupa de metale - refractare, ușoare.
4. Masa atomică a titanului este de 47,0.
5. Punct de fierbere (⁰C) - 3260.
6. Volumul molar de cm³/ mol este 10,6.
7. Punctul de topire al titanului (⁰C) - 1668.
8. Căldura specifică de evaporare (kJ / mol) este 422,6.
9. Rezistența electrică (la 20 ⁰C) Ohm * cm * 10^-6 - 45.

Proprietăți chimice

Creșterea rezistenței la coroziune a elementului se datorează formării unui film de oxid mic pe suprafață. Împiedică (în condiții normale) reacții chimice cu gaze (oxigen, hidrogen) situate în atmosfera înconjurătoare a unui element cum ar fi metalul de titan. Proprietățile sale se schimbă sub influența temperaturii. La creșterea sa la 600 ⁰C reacționează cu oxigenul, rezultând formarea de oxid de titan (TiO₂). În cazul absorbției gazelor atmosferice se formează compuși fragili care nu au aplicații practice, de aceea sudarea și topirea titanului se efectuează în condiții de vid. Reacția reversibilă este procesul de dizolvare a hidrogenului în metal, este mai activ când temperatura crește (de la 400 ° C) ⁰C și mai mare). Titanul, în special particulele fine (o placă subțire sau o sârmă), arde într-o atmosferă de azot. O reacție chimică de interacțiune este posibilă numai la o temperatură de 700 ⁰C, rezultând formarea de nitrură de TiN. Cu multe metale formează aliaje de înaltă calitate, adesea un element doping. Reacția cu halogeni (crom, brom, iod) intră numai atunci când prezența unui catalizator (temperatură înaltă) și supuse interacțiunilor cu o substanță uscată. În acest caz se formează aliaje refractare foarte dure. Cu soluțiile de majoritatea acizilor si titan alcali chimic excepție activă este sulfuric concentrat (fierbere prelungită), organice (acid formic, acid oxalic) fluorhidric, fierbinte.

depozit

Cele mai frecvente minereuri ilmenite din natură - rezervele lor sunt estimate la 800 milioane de tone. Depozitele de depozite rutile sunt mult mai modeste, însă volumul total - menținând în același timp creșterea producției - ar trebui să ofere omenirii pentru următorii 120 de ani un metal precum titanul. Prețul produsului finit va depinde de cererea și de nivelul de manufacturabilitate, dar variază în medie de la 1200 la 1800 de ruble pe kilogram. În condițiile unei îmbunătățiri tehnice continue, costul tuturor proceselor de producție este redus semnificativ odată cu modernizarea lor în timp util. Cele mai mari rezerve minereuri de titan posedă China și Rusia, de asemenea baze de resurse minerale au Japonia, Republica Africa de Sud, Australia, Kazahstan, India, Coreea de Sud, Ucraina, Ceylon. Depozitele se caracterizează prin volumele de extracție și procentul de titan din minereu, prospectarea geologică continuând tot timpul, ceea ce face posibilă o scădere a valorii de piață a metalului și utilizarea mai largă a acestuia. Rusia este de departe cel mai mare producător de titan.

recepție

Pentru producția de titan se utilizează cel mai adesea dioxidul său, care conține o cantitate minimă de impurități. Se obține prin îmbogățirea concentratelor de ilmenit sau a minereurilor rutile. În cuptorul cu arc electric, minereul este tratat termic, care este însoțit de separarea fierului și formarea unei zguri conținând oxid de titan. Metoda cu acid sulfuric sau clorură este utilizată pentru a trata o fracție fără fier. Oxidul de titan este o pulbere gri (a se vedea fotografia). Titanul metalic se obține prin prelucrarea etapizată a acestuia.

Prima fază este procesul de sinterizare a zgurii cu cocs și expunerea la vapori de clor. TiCl rezultat₄ este redus cu magneziu sau sodiu la 850 ° C ⁰C. Buretele de titan (masa topită poroasă), obținut ca rezultat al reacției chimice, este purificat sau reambalat în lingouri. În funcție de direcția de utilizare suplimentară, se formează un aliaj sau un metal în formă pură (impuritățile sunt îndepărtate prin încălzirea la 1000 ⁰C). Metoda de iodură este utilizată pentru producerea unei substanțe cu o fracțiune de impurități 0,01%. Se bazează pe procesul de evaporare de la un burete de titan, pre-tratat cu halogen, vaporii lui.

Domenii de aplicare

Punctul de topire al titanului este suficient de mare încât, cu ușurința metalului, este un avantaj neprețuit de a fi folosit ca material structural. Prin urmare, el găsește cea mai mare aplicație în construcția navelor, industria aeronautică, fabricarea de rachete și industria chimică. Titanul este adesea folosit ca aditiv de aliere în diverse aliaje, care au caracteristici crescute ale durității și rezistenței la căldură. Proprietățile mari de anti-coroziune și capacitatea de a rezista la cele mai agresive medii fac acest metal indispensabil pentru industria chimică. Titanul (aliajele sale) produce conducte, rezervoare, supape de oprire, filtre utilizate pentru distilarea și transportul de acizi și alte substanțe reactive. Este în căutare atunci când creați dispozitive care funcționează în condiții de indicatori de temperatură înaltă. Compușii de titan sunt utilizați pentru fabricarea de instrumente de tăiere durabile, vopsele, plastic și hârtie, instrumente chirurgicale, implanturi, bijuterii, materiale de finisare utilizate în industria alimentară. Toate direcțiile sunt dificil de descris. Medicina moderna, datorita sigurantei biologice complete, foloseste de multe ori titan metalic. Prețul - acesta este singurul factor care încă afectează amploarea aplicării acestui element. Este adevărat că Titanul este materialul viitorului, studiul căruia omenirea va trece într-o nouă etapă de dezvoltare.