Titaan on metall. Titaani omadused. Titaani kasutamine. Titaani kaubamärgid ja keemiline koostis

Igavene, salapärane, kosmiline, tulevikumaterjal - kõik need ja paljud teised epiteedid on mitmesugustes allikates titaanile eraldatud. Selle metalli avastamise ajalugu ei olnud triviaalne: samaaegselt töötasid mitmed teadlased puhta kujuga elemendi isolatsiooni. Füüsiliste ja keemiliste omaduste uurimise protsess ja selle kohaldamisala kindlaksmääramine pole seni lõpule viidud . Titaan - tuleviku metall, selle koht inimese elus ei ole veel lõplikult kindlaks määratud, mis annab kaasaegsetele teadlastele tohutu võimaluse loovusele ja teaduslikele uuringutele.

Funktsioon

Keemiline element titaan (titaan) tähistatakse DI Mendeleyjevi perioodilises tabelis sümboliga Ti. See asub neljanda perioodi IV rühma teisesel alarühmas ja selle seerianumber on 22. Titaani lihtne aine on valge-hõbe värv, kerge ja tugev. Aatomi elektronide konfiguratsioon on järgmine: +22) 2) 8) 10) 2, 1S2 2S ^{2 2} P ⁶ 3 S ^{2 3} P ⁶ 3 d ^{2 4} S ² . Seega on titaanil mitu võimalikku oksüdatsiooniastrit: 2, 3, 4 kõige stabiilsemates ühendites on tetravalentne.

Kas titaan on sulam või metall?

See küsimus huvitab palju. 1910. aastal sai Ameerika keemik Hunter esimese puhta titaani. Metall sisaldas ainult 1% lisandeid, kuid selle kogus oli tühine ja ei võimaldanud selle omaduste edasist uurimist. Saadud aine plastilisus saavutati ainult kõrgel temperatuuril, normaalsetes tingimustes (toatemperatuuril) oli proov liiga habras. Tegelikult ei tundnud see element teadlastele huvi, sest selle kasutamise väljavaated tundusid liiga ebamäärased. Hankimise ja uurimise keerukus on veelgi vähendanud selle kohaldamise potentsiaali. Ainult 1925. aastal võtsid Hollandi keemikud I. de Boer ja A. Van Arkel vastu titaanist metalli, mille omadused meelitasid maailma insenerid ja disainerid. Selle elemendi uurimise ajalugu algab 1790. aastal, praegusel ajal paralleelselt, teineteisest sõltumatult, kaks tuntud teadlast keemilise elemendina. Igaüks neist saab aine (oksiidi) ühendit, kuna ta ei kogu metalli puhtal kujul. Esimene titaani avastaja on inglise mineraalide munk William Gregor. Inglismaa edelas asuvas oma koguduse territooriumil hakkas noor teadlane uurima Menacani oru must liiva. Magnetilistest katsetest saadi peegeldavate terade eraldamine, mis olid titaaniühendid. Saksamaal tunnistas keemik Martin Heinrich Klaproth uut ainet rutiili mineraalidest. 1797. aastal tõestas ta, et paralleelselt avatud elemendid on analoogsed. Titaani dioksiid oli enam kui sajandiks paljudele keemikutele müstiline, ei olnud isegi Berzeliius, kes ei saanud puhtast metallist. XX sajandi uusimad tehnoloogiad kiirendasid oluliselt elemendi õppimise protsessi ja määravad selle kasutamise esialgsed juhised. Samal ajal laieneb rakendusala pidevalt. Piirata selle ulatust saab ainult sellist ainet puhta titaani saamise protsessi keerukust. Sulamite ja metalli hind on piisavalt kõrge, nii et täna ei saa see välja vahetada traditsioonilist rauda ja alumiiniumi.

Nime päritolu

Menakiin on titaani esimene nimi, mida kasutati kuni 1795. aastani. See täpselt on territoriaalse kuuluvuse järgi U. Gregori uus element. Martin Klaprot määrab elemendi 1797 nimeks "titaan". Praegu oma prantsuse kolleegid, mida juhtis autoriteetne kemikaal AL Lavoisier, soovitas neid nimetada äsja avastatud ained vastavalt nende põhiomadustele. Saksa teadlane ei nõustunud selle lähenemisega, leiab ta põhjendatult, et avastamisjärgus on raske määratleda kõiki ainele iseloomulikke omadusi ja kajastada neid nimes. Kuid tuleb tunnistada, et intuitiivselt valitud Klaprot termin vastab täielikult metallile - seda on tänapäeva teadlased korduvalt rõhutanud. Nimetatud titaani päritolu on kaks peamist teooriat. Metallit võib nimetada nii auks elven kuninganna Titania (Saksa mütoloogia tunnus). See nimi sümboliseerib nii aine kergust ja tugevust. Enamik teadlastest soovib kasutada vana Kreeka mütoloogia versiooni, milles titaanid nimetasid Gaia maa jumalanna vägevaid poegi. Selle versiooni kasuks öeldakse varem avastatud elemendi - uraani nime.

Olemuselt

Metallidest, mis tehniliselt on inimestele väärtuslikud, on titaan neljandaks levimuse poolest maakoores. Looduslikku suurt protsentuaalset sisaldust iseloomustab ainult raud, magneesium ja alumiinium. Suurim titaani sisaldus on leitud basaltic shellis, veidi vähem graniidi kihis. Merevees on selle aine sisaldus madal - ligikaudu 0,001 mg / l. Titaani keemiline element on üsna aktiivne, seetõttu on võimatu täita seda puhtal kujul. Enamasti esineb ühendites hapnikuga, samas kui selle valents on neli. Titaani sisaldavate mineraalide hulk varieerub vahemikus 63 kuni 75 (erinevatest allikatest), samal ajal kui praegusel uurimisetapis jätkavad teadlased uute ühendite vormide avastamist. Praktilisel kasutamisel on eriti olulised järgmised mineraalid:

1. Ilmeniit (FeTiO ₃ ).
2. Rutiil (TiO ₂ ).
3. Titaniit (CaTiSiO ₅ ).
4. Perovskite (CaTiO ₃ ).
5. Titaanagneetti (FeTiO ₃ + Fe ₃ O ₄ ) jne

Kõik olemasolevad titaani sisaldavad maagid jagunevad rohi ja põhjaga. See element on nõrk sisserändaja, ta saab reisida ainult kivimurdude kujul või mudase põhjaga elamute kivide liikumisel. Biosfääris sisaldub vetikatest suurim kogus titaani. Maa loomuliku fauna esindajatest koguneb element sarvjas kudedesse, juustele. Inimkeha iseloomustab titaani olemasolu põrn, neerupealised, platsenta, kilpnääre.

Füüsilised omadused

Titaan - värviline metall, millel on hõbedalt-valge värv, näeb välja nagu teras. Temperatuuril 0 ^° C on selle tihedus 4,517 g / cm3. Aine on madal leelismetallide (kaadmium, naatrium, liitium, tseesium) spetsiifiline gravitatsioon. Tihedus tähendab titaani raua ja alumiiniumi vahepealset positsiooni, samal ajal kui selle omadused on kõrgemad kui mõlema elemendi omadused. Metallide peamised omadused, mida nende kohaldamisala kindlaksmääramisel võetakse arvesse, on saagikuse tugevus ja kõvadus. Titaan on tugevam kui alumiinium 12 korda, rauast ja vasest - 4 korda, kuid see on palju kergem. Puhta aine plastilisus ja selle saagikuse määr võimaldavad töödelda madalate ja kõrgete temperatuuride väärtustega, nagu ka ülejäänud metallide, s.o neetimine, sepistamine, keevitamine ja veeretamine. Titaani omadus on selle madal soojus- ja elektrijuhtivus, samal ajal kui need omadused säilivad kõrgel temperatuuril kuni 500 ^° C. Magnetväljas on titaan paramagneetiline element, see ei meelitata nagu raud ja ei ole välja tõmmatud nagu vask. Väga kõrge korrosioonivus agressiivses keskkonnas ja mehaaniliste mõjudega on ainulaadne. Üle 10 aasta jooksul merevees viibimine ei muutnud titaaniplaadi välimust ja koostist. Raud käesoleval juhul hävitaks täielikult korrosioon.

Titaani termodünaamilised omadused

1. Tihedus (normaalsetes tingimustes) on 4,54 g / cm3.
2. Aatominumber on 22.
3. Metallide rühm - tulekindlad, kerged.
4. Titaani aatomi mass on 47,0.
5. Keemispunkt ( ⁰ C) on 3260.
6. Molaarmaht cm3 / mol on 10,6.
7. Titaani sulamistemperatuur ( ⁰ ° C) on 1668.
8. Aurustumiskõver (kJ / mol) on 422,6.
9. Elektriline takistus (20 ^° C juures) Ohm * cm * 10 ^-6 - 45.

Keemilised omadused

Elemendi suurenenud korrosioonikindlus on tingitud väikese oksiidkihi moodustumisest pinnal. See takistab (normaalsetes tingimustes) keemiliste reaktsioonide tekitamist gaasi (hapnik, vesinik) kaudu, mis asub elemendi nagu titaanmetalli ümbritsevas atmosfääris. Selle omadused muutuvad temperatuuri mõjul. Kui see tõuseb 600 ^° C-ni, toimub reaktsioon hapnikuga, mille tagajärjel tekib titaanoksiid (TiO ₂ ). Looduslike gaaside imendumise korral moodustuvad õrnad ühendid, millel pole praktilisi rakendusi, seetõttu valmistatakse titaani keevitamist ja sulatamist vaakumitingimustes. Pöörduv reaktsioon on vesiniku lahustumine metallis, see on aktiivsem, kui temperatuur tõuseb (400 ^° C ja kõrgemal). Titaan, eriti selle peened osakesed (õhuke plaat või traat), põletab lämmastiku atmosfääri. Keemilise interaktsiooni reaktsioon on võimalik ainult temperatuuril 700 ⁰ C, mille tulemuseks on TiN nitriidi moodustumine. Paljude metallidega moodustavad kõrge raskusega sulamid, sageli dopingielement. Halogeenide (kroom, broom, jood) reaktsioon siseneb ainult katalüsaatori (kõrge temperatuur) juuresolekul ja kuivaine interaktsiooni tingimustes. Sellisel juhul moodustuvad väga kõvad tulekindlad sulamid. Titaan ei ole enamike leeliste ja hapete lahustega keemiliselt aktiivne, välja arvatud kontsentreeritud väävelhape (pikaajalisel keeval), vesinikfluoriid, kuum orgaaniline (sipelghape, oblikhape).

Hoiused

Kõige tavalisem ilmeniidist maagid - nende reservid on hinnanguliselt 800 miljonit tonni. Rutiili hoiuste deposiidid on palju tagasihoidlikumad, kuid kogumaht - säilitades samal ajal tootmise kasvu - peaks andma inimkonnale järgmise 120 aasta jooksul metalli, nagu näiteks titaan. Valmistoote hind sõltub nõudlusest ja valmistatavuse taseme suurenemisest, kuid varieerub keskmiselt 1200-1800 rubla kilogrammi kohta. Pideva tehnilise täiustamise tingimustes väheneb kõigi tootmisprotsesside maksumus nende õigeaegse moderniseerimisega. Suurimad titaanimaagid on Hiinas ja Venemaal, aga ka Jaapanis, Lõuna-Aafrikas, Austraalias, Kasahstanis, Indias, Lõuna-Koreas, Ukrainas, Ceylonis. Hoiuseid iseloomustab kaevandamise maht ja titaani osakaal maagis, geoloogiline uuring jätkub pidevalt, mis võimaldab eeldada metalli turuväärtuse vähenemist ja selle laiemat kasutamist. Venemaa on siiani suurim titaani tootja.

Vastuvõtmine

Titaani tootmiseks kasutatakse kõige sagedamini oma dioksiidi, mis sisaldab minimaalset lisandit. See saadakse ilmeniidi kontsentraatide või rutiilimaagide rikastamisega. Elektrilise kaarahjuga töödeldakse maagi kuumtöötlusega, millega kaasneb raua eraldamine ja titaanoksiidi sisaldava räbu moodustumine. Väävelhappe või kloriidi meetodit kasutatakse raua vabast fraktsiooni raviks. Titaandioksiid on hall pulber (vt foto). Metallist titaan saadakse selle etapiviisilise töötlemise teel.

Esimene faas on räbu paagutamise protsess koos koksi ja kokkupuutega klooriaurudega. Saadud TiCl4 redutseeritakse magneesiumi või naatriumiga temperatuuril 850 ^° C. Keemilise reaktsiooni tulemusena saadud titaanist käsn (poorne sulatatud mass) puhastatakse või viiakse valuplokkideks. Sõltuvalt edaspidistest kasutamisviisidest moodustatakse sulam või metall puhta kujuga (lisandid eemaldatakse kuumutades kuni 1000 ^° C-ni). Jodiidmeetodit kasutatakse aine tootmiseks 0,01% lisandifraktsiooniga. See põhineb aurustumisprotsessil titaanist käsnast, mis on eelnevalt töödeldud halogeeniga, selle auruga.

Taotlused

Titaani sulamistemperatuur on piisavalt kõrge, et metalli kergusega on see väärtuslik eelis, kui kasutada seda konstruktsioonimaterjalina. Seetõttu leiab ta laevaehituse, lennukitööstuse, raketite tootmise, keemiatööstuse suurima rakenduse. Titaani kasutatakse tihti mitmesuguste sulamite legeeriva lisandina, mille karedus ja kuumuskindlus on suurenenud. Kõrge korrosioonivastane omadus ja võime taluda kõige agressiivsemat meediat muudavad selle metalli keemiatööstuses asendamatuks. Titaan (selle sulamid) toodab torusid, mahuteid, sulgeventiile, filtreid, mida kasutatakse hapete ja muude reaktiivsete ainete destilleerimiseks ja transportimiseks. See on nõudlik, kui luuakse seadmeid, mis töötavad kõrgtemperatuuriliste indeksite tingimustes. Titaanühendeid kasutatakse toiduainetööstuses kasutatavate vastupidavate lõikamisvahendite, värvide, plasti ja paberi, kirurgiliste instrumentide, implantaatide, ehete, viimistlusmaterjalide valmistamiseks. Kõiki suundi on raske kirjeldada. Tänapäevane meditsiin täieliku bioloogilise ohutuse tõttu kasutab sageli titaanmetalli. Hind - see on ainus tegur, mis seni mõjutab selle elemendi rakenduse ulatust. On tõsi, et titaan on tuleviku materjal, uurides, milline inimkond läheb edasi uuele arengutasemele.