Титан какой элемент

Тит а н (лат. Titanium), Ti, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 22, атомная масса 47,90; имеет серебристо-белый цвет, относится к лёгким металлам. Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов: 46 Ti (7,95%), 47 Ti (7,75%), 48 Ti (73,45%), 49 Ti (5,51%), 50 Ti (5,34%). Известны искусственные радиоактивные изотопы 45 Ti (Ti1/2 = 3,09ч, 51 Ti (Ti1/2 = 5,79 мин) и др.

Историческая справка. Титан в виде двуокиси был открыт английским любителем-минералогом У. Грегором в 1791 в магнитных железистых песках местечка Менакан (Англия); в 1795 немецкий химик М. Г. Клапрот установил, что минерал рутил представляет собой природный окисел этого же металла, названного им «титаном» [в греческой мифологии титаны — дети Урана (Неба) и Геи (Земли)]. Выделить титан в чистом виде долго не удавалось; лишь в 1910 американский учёный М. А. Хантер получил металлический титан нагреванием его хлорида с натрием в герметичной стальной бомбе; полученный им металл был пластичен только при повышенных температурах и хрупок при комнатной из-за высокого содержания примесей. Возможность изучать свойства чистого титана появилась только в 1925, когда нидерландские учёные А. Ван-Аркел и И. де Бур методом термической диссоциации иодида титана получили металл высокой чистоты, пластичный при низких температурах.

«Титан — медоед в мире химии»- Академия Сэма О’Неллы (от Брокколи)

В биосфере титан в основном рассеян. В морской воде его содержится 1 · 10 -7 %; титан — слабый мигрант.

Физические свойства. Титан существует в виде двух аллотропических модификаций: ниже температуры 882,5 °С устойчива a -форма с гексагональной плотноупакованной решёткой (а = 2,951 , с = 4,679 ), а выше этой температуры — b -форма с кубической объёмно-центрированной решёткой а = 3,269 . Примеси и легирующие добавки могут существенно изменять температуру a / b превращения.

Плотность a -формы при 20 °С 4,505 г/см 3 а при 870 °С 4,35 г/см 3 b -формы при 900 °С 4,32 г/см 3 ; атомный радиус Ti 1,46 , ионные радиусы Ti + 0,94 , Ti 2+ 0,78 , Ti 3+ 0,69 , Ti 4+ 0,64 , tпл1668±5°С, tкип 3227 °С; теплопроводность в интервале 20—25 °С 22,065 вт/(м × К) [0,0527 кал/(см × сек × °С)]; температурный коэффициент линейного расширения при 20 °С 8,5 × 10 -6 , в интервале 20—700 °С 9,7 × 10 -6 ; теплоёмкость 0,523 кдж/(кг × К) [0,1248 кал/(г × °С)]; удельное электросопротивление 42,1 × 10 -6 ом × см при 20 °С; температурный коэффициент электросопротивления 0,0035 при 20 °С; обладает сверхпроводимостью ниже 0,38±0,01 К. Титан парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость (3,2±0,4) × 10 -6 при 20°С. Предел прочности 256 Мн/м 2 (25,6 кгс/мм 2 ), относительное удлинение 72%, твёрдость по Бринеллю менее 1000 Мн/м 2 (100 кгс/мм 2 ). Модуль нормальной упругости 108000 Мн/м 2 (10800 кгс/мм 2 ). Металл высокой степени чистоты ковок при обычной температуре.

Применяемый в промышленности технический титан содержит примеси кислорода, азота, железа, кремния и углерода, повышающие его прочность, снижающие пластичность и влияющие на температуру полиморфного превращения, которое происходит в интервале 865—920 °С. Для технического титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 плотность около 4,32 г/см 3 , предел прочности 300— 550 Мн/м 2 (30—55 кгс/мм 2 ), относительное удлинение не ниже 25%, твёрдость по Бринеллю 1150—1650 Мн/м 2 (115—165 кгс/мм 2 ). Конфигурация внешней электронной оболочки атома Ti 3d 2 4s 2 .

Химические свойства. Чистый титан — химически активный переходный элемент, в соединениях имеет степени окисления + 4, реже +3 и +2. При обычной температуре и вплоть до 500—550 °С коррозионно устойчив, что объясняется наличием на его поверхности тонкой, но прочной окисной плёнки.

С кислородом воздуха заметно взаимодействует при температуре выше 600 °С с образованием TiO2 (см. также Титана окислы). Тонкая титановая стружка при недостаточной смазке может загораться в процессе механической обработки. При достаточной концентрации кислорода в окружающей среде и повреждении окисной плёнки путём удара или трения возможно загорание металла при комнатной температуре и в сравнительно крупных кусках.

Окисная плёнка не защищает титан в жидком состоянии от дальнейшего взаимодействия с кислородом (в отличие, например, от алюминия), и поэтому его плавка и сварка должны проводиться в вакууме, в атмосфере нейтрального газа или под флюсом. Титан обладает способностью поглощать атмосферные газы и водород, образуя хрупкие сплавы, непригодные для практического использования; при наличии активированной поверхности поглощение водорода происходит уже при комнатной температуре с небольшой скоростью, которая значительно возрастает при 400 °С и выше.

Растворимость водорода в титане является обратимой, и этот газ можно удалить почти полностью отжигом в вакууме. С азотом титан реагирует при температуре выше 700 °С, причём получаются нитриды типа TiN; в виде тонкого порошка или проволоки титан может гореть в атмосфере азота. Скорость диффузии азота и кислорода в титане значительно ниже, чем водорода.

Получаемый в результате взаимодействия с этими газами слой отличается повышенными твёрдостью и хрупкостью и должен удаляться с поверхности титановых изделий путём травления или механической обработки. Титан энергично взаимодействует с сухими галогенами (см. Титана галогениды), по отношению к влажным галогенам устойчив, так как влага играет роль ингибитора.

Металл устойчив в азотной кислоте всех концентраций (за исключением красной дымящейся, вызывающей коррозионное растрескивание титана, причём реакция иногда идёт со взрывом), в слабых растворах серной кислоты (до 5% по массе). Соляная, плавиковая, концентрированная серная, а также горячие органические кислоты: щавелевая, муравьиная и трихлоруксусная реагируют с титаном.

Титан коррозионно устойчив в атмосферном воздухе, морской воде и морской атмосфере, во влажном хлоре, хлорной воде, горячих и холодных растворах хлоридов, в различных технологических растворах и реагентах, применяемых в химической, нефтяной, бумагоделательной и др. отраслях промышленности, а также в гидрометаллургии. Титан образует с С, В, Se, Si металлоподобные соединения, отличающиеся тугоплавкостью и высокой твёрдостью.

Карбид TiG (tпл 3140 °С) получают нагреванием смеси TiO2 с сажей при 1900—2000 °С в атмосфере водорода; нитрид TiN (tпл 2950 °С) — нагреванием порошка титана в азоте при температуре выше 700 °С. Известны силициды TiSi2, Ti5Si3, TiSi и бориды TiB, Ti2B5, TiB2.

При температурах 400—600 °С титан поглощает водород с образованием твёрдых растворов и гидридов (TiH, TiH2). При сплавлении TiO2 со щелочами образуются соли титановых кислот мета- и ортотитанаты (например, Na2TiO3 и Na4TiO4), а также полититанаты (например, Na2Ti2O5 и Na2Ti3O7).

К титанатам относятся важнейшие минералы титана, например ильменит FeTiO3, перовскит CaTiO3. Все титанаты малорастворимы в воде. Двуокись титана, титановые кислоты (осадки), а также титанаты растворяются в серной кислоте с образованием растворов, содержащих титанилсульфат TiOSO4. При разбавлении и нагревании растворов в результате гидролиза осаждается H2TiO3, из которой получают двуокись титана. При добавлении перекиси водорода в кислые растворы, содержащие соединения Ti (IV), образуются перекисные (надтитановые) кислоты состава H4TiO5 и H4TiO8 и соответствующие им соли; эти соединения окрашены в жёлтый или оранжево-красный цвет (в зависимости от концентрации титана), что используется для аналитического определения титана.

Получение. Наиболее распространённым методом получения металлического титана является магниетермический метод, то есть восстановление тетрахлорида титана металлическим магнием (реже — натрием):

В обоих случаях исходным сырьём служат окисные руды титана — рутил, ильменит и др. В случае руд типа ильменитов титан в форме шлака отделяется от железа путём плавки в электропечах. Шлак (так же, как рутил) подвергают хлорированию в присутствии углерода с образованием тетрахлорида титана, который после очистки поступает в восстановительный реактор с нейтральной атмосферой.

Титан по этому процессу получается в губчатом виде и после измельчения переплавляется в вакуумных дуговых печах на слитки с введением легирующих добавок, если требуется получить сплав. Магниетермический метод позволяет создать крупное промышленное производство титана с замкнутым технологическим циклом, так как образующийся при восстановлении побочный продукт — хлорид магния направляется на электролиз для получения магния и хлора.

В ряде случаев для производства изделий из титана и его сплавов выгодно применять методы порошковой металлургии. Для получения особо тонких порошков (например, для радиоэлектроники) можно использовать восстановление двуокиси титана гидридом кальция.

Мировое производство металлического титана развивалось весьма быстро: около 2 т в 1948, 2100 т в 1953, 20 000 т в 1957; в 1975 оно превысило 50 000 т.

Применение. Основные преимущества титана перед др. конструкционными металлами: сочетание лёгкости, прочности и коррозионной стойкости.

Титановые сплавы по абсолютной, а тем более по удельной прочности (то есть прочности, отнесённой к плотности) превосходят большинство сплавов на основе др. металлов (например, железа или никеля) при температурах от -250 до 550 °С, а по коррозионности они сравнимы со сплавами благородных металлов (см. также Лёгкие сплавы). Однако как самостоятельный конструкционный материал титан стал применяться только в 50-е гг. 20 в. в связи с большими техническими трудностями его извлечения из руд и переработки (именно поэтому титан условно относили к редким металлам). Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения (см. также Титановые сплавы). Сплавы титана с железом, известные под названием «ферротитан» (20—50% титана), в металлургии качественных сталей и специальных сплавов служат легирующей добавкой и раскислителем.

Технический титан идёт на изготовление ёмкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов и др. изделий, работающих в агрессивных средах, например в химическом машиностроении. В гидрометаллургии цветных металлов применяется аппаратура из титана. Он служит для покрытия изделий из стали (см. Титанирование).

Использование титана даёт во многих случаях большой технико-экономический эффект не только благодаря повышению срока службы оборудования, но и возможности интенсификации процессов (как, например, в гидрометаллургии никеля). Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для изготовления оборудования для пищевой промышленности и в восстановительной хирургии.

В условиях глубокого холода прочность титана повышается при сохранении хорошей пластичности, что позволяет применять его как конструкционный материал для криогенной техники. Титан хорошо поддаётся полировке, цветному анодированию и др. методам отделки поверхности и поэтому идёт на изготовление различных художественных изделий, в том числе и монументальной скульптуры. Примером может служить памятник в Москве, сооруженный в честь запуска первого искусственного спутника Земли. Из соединений титана практического значение имеют окислы титана, галогениды титана, а также силициды титана, используемые в технике высоких температур; бориды титана и их сплавы, применяемые в качестве замедлителей в ядерных энергетических установках благодаря их тугоплавкости и большому сечению захвата нейтронов. Карбид титана, обладающий высокой твёрдостью, входит в состав инструментальных твёрдых сплавов, используемых для изготовления режущих инструментов и в качестве абразивного материала.

Двуокись титана и титанат бария служат основой титановой керамики, а титанат бария — важнейший сегнетоэлектрик.

Титан в организме. Титан постоянно присутствует в тканях растений и животных. В наземных растениях его концентрация — около 10 -4 %, в морских — от 1,2 × 10 -3 до 8 × 10 -2 %, в тканях наземных животных — менее 2 × 10 -4 %, морских — от 2 × 10 -4 до 2 × 10 -2 %. Накапливается у позвоночных животных преимущественно в роговых образованиях, селезёнке, надпочечниках, щитовидной железе, плаценте; плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека суточное поступление титана с продуктами питания и водой составляет 0,85 мг; выводится с мочой и калом (0,33 и 0,52 мг соответственно). Относительно малотоксичен.

Лит.: Глазунов С. Г., Моисеев В. Н., Конструкционные титановые сплавы, М., 1974; Металлургия титана, М., 1968; Горощенко Я. Г., Химия титана, [ч. 1—2], К., 1970—72; Zwicker U., Titan und Titanlegierungen, B., 1974; Bowen H. I. M., Trace elements in biochemistry, L.— N. Y., 1966.

Источник: xumuk.ru

XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2019

Титан и его применение в различных отраслях промышленности.

Лысенко М.П. 1 , Тлехусеж М.А. 1
1 Кубанский государственный технологический университет
Работа в формате PDF

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Титан (Ti) — химический элемент с порядковым номером 22. Принадлежит к четвертой группе периодической таблицы химических элементов, находится в четвёртом периоде. Атомная масса элемента 47,867 а.е.м. Простое вещество титан — лёгкий прочный металл серебристо-белого цвета, который плавится при температуре 3200 °C и закипает при температуре 3300 °C.

Титан — один из самых популярных элементов. Это название маркетологи дают многим продуктам, независимо от того, действительно ли в них содержится титан. Металл является символом прочности. Он абсолютно устойчив к коррозии и не вызывает аллергию. Однако, это дорогой металл, хотя его руды легкодоступны.

Диоксид титана есть везде, например в титановых белилах — одной из самых распространенных белых красок. Диоксид титана добавляют и в краски других цветов для обеспечения матовости и непрозрачности покрытия [1].

Название элементу дал Мартин Клапрот в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру. Поскольку немецкий исследователь сам отметил невозможность определения свойств нового элемента только по его оксиду, он подобрал для него имя из мифологии, по аналогии с открытым им ранее ураном [2].

Основными титановыми рудами являются ильменит (FeTiO3), рутил (TiO2), титанит (CaTiSiO5). Наиболее богатыми по содержанию диоксида титана являются рутилсодержащие руды (93–96 %). Ильменитовые содержат 44–70 % диоксида титана, а концентраты из лейкоксеновых руд могут включать до 90 % TiO2. По данным на 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO2. Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год [3].

Цена титана достаточно высокая. Объясняется это тем, что его очень сложно извлекать из добытой руды. Если принять стоимость титана в концентрате за единицу, то стоимость готовой продукции — титанового листа в сотни раз больше. Объясняется это высоким сродством титана многим элементам и прочностью химических связей в его природных соединениях. Отсюда — сложности технологии.

Магниетермический способ производства титана разработан в 1940 г. американским учёным У. Кролем [5].

Существует большое количество титановых сплавов. TITAN GRABE 1-4: технически чистый титан, не имеющий никаких примесей, высокого уровня устойчивости к коррозии, включая самые агрессивные среды применения. Эта характеристика дала возможность очень широкого применения чистого титана. Очень тоненькая плёночка оксида около 10 нм, незаметная обычному зрению, быстро покрывает сам материал при реакции с влагой или кислородом. Эдакое автовосстановление поврежденных участков.

TITAN GRABE 5: это самый широко применяемый сплав титана с алюминием (6 %), железом (максимум 0,25 %), ванадием (4 %) и кислородом (максимум 0,2 %). Дополнительные элементы увеличивают прочность сплава, не нарушая термодинамические характеристики и жесткость чистого титана, а вот в показателе устойчивости к коррозии он немного уступает чистому титану, но очень успешен в таких средах, как морская вода, растворы хлора, кислоты. По сути, Titan Grade 5 – это основа 70 % всего объёма выплавляемых титановых сплавов [6].

Титан является универсальным конструкционным материалом, нашедшим свое применение в авиастроении. Например, титановый корпус самолета при полете достигает скорости, намного большей, чем скорость звука. При этом нагревается до температуры свыше 300 °C и не плавится.

Целесообразно применение титана в таких отраслях промышленности, как пищевая, нефтяная, электротехническая. Например, говоря о пищевой промышленности невозможно не отметить, что титан очень стойкий в органических кислотах, в рассолах, маринадах, острых соусах, в пищевых соках, спиртах, во всевозможных приправах.

Исследования коррозионной стойкости титановых сплавов продемонстрировали, что титан успешно может найти применение в консервном, чайном, эфиромасличном, сахарном, мясо-молочном, кондитерском, рыбо­перерабатывающем, хлебопекарном, пивоваренном, солевом и в других пищевых производствах. [7] В электротехнической промышленности металл применяется для бронирования кабелей, чему способствует его удельная прочность, высокое электрическое сопротивление и немагнитные свойства. Этот металл активно применяют в медицинской сфере при изготовлении медицинских инструментов, пластинок и винтов для крепления костей. Он может находиться в организме животного несколько месяцев, чему способствует образование на титановой пластине внутри организма мышечной ткани. Также титан широко используется в стоматологии.

Титан широко применяется в металлургии в роли легирующего элемента в производстве жаростойких и нержавеющих сталей. Титан добавляют в медь, алюминий, никель с целью повышения прочности последних. Двуокись титана применяется в производстве сварочных электродов, четыреххлористый титан используется в военном деле для организации дымовых завес. В радиотехнике и электротехнике применяется порошкообразный титан в роли поглотителя газов [8].

В производстве потребительской электроники титан также играет важную роль. Из TITAN GRABE 1 производят корпусы портативных компьютеров, мобильных телефонов, плазменных телевизоров и другого электронного оборудования. Из титана изготавливают часы и акустическое оборудование. Такая область применения металла обусловлена его легкостью, прочностью и привлекательным внешним видом готовых изделий.

Различные сплавы титана находят широкое применение в строительстве. В первую очередь — это сплав титана с цинком, который отличается высокими механическими показателями, устойчивостью к коррозии, высокой жесткостью и пластичностью. В составе сплава содержится до 0,2 % легирующих добавок, выполняющих функции модификаторов структуры.

Благодаря алюминию и меди обеспечивается требуемая пластичность. Кроме того, использование меди позволяет повысить предельную прочность материала на растяжение, а сочетание химических элементов способствует снижению коэффициента расширения.

Сплав применяется и для производства длинных лент и листов с хорошими эстетическими характеристиками и безопасностью для человека и окружающей среды. Кроме того, этот сплав хорош для изготовления нестандартных архитектурных элементов (куполов, фронтонов, шпилей), декоративных изделий (водостоков, отливов, кровельных коньков и т.д.). Сплав титана с цинком не имеет проблем в пайке, отличается большим сроком службы и способностью самовостанавливаться. Например, несущественные царапины через время устраняются сами по себе [9]. Однако, из-за высокой стоимости металл титан в строительстве применяют только для уникальных сооружений (например, памятник космонавтам у станции метро «ВДНХ» в Москве).

Еще одно соединение — нитрид титана, используется как жаропрочный материал, в частности, из него делают тигли для плавки металлов в бескислородной атмосфере. В металлургии это соединение встречается в виде относительно крупных (единицы и десятки микрон) неметаллических включений в сталях, легированных титаном [10].

Но в основном применяется в качестве износостойкого и декоративного покрытия. Изделия, покрытые им, по внешнему виду похожи на золото и могут иметь различные оттенки, в зависимости от соотношения металла и азота в соединении. Нитрид титана используется для создания износостойких покрытий металлорежущего инструмента. Нанесение покрытия из нитрида титана производится в специальных камерах термодиффузионным методом. При высокой температуре титан и азот реагируют вблизи поверхности покрываемого изделия и диффундируют в саму структуру металла [11].

Чтобы улучшить свойства титановых сплавов, их легируют. Легирующие элементы, входящие в состав промышленных титановых сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру аллотропического превращения.

Элементы, повышающие температуру превращения, способствуют стабилизации α-твердого раствора и называются α-стабилизаторами, это – алюминий, кислород, азот, углерод. Элементы, понижающие температуру превращения, способствуют стабилизации β–твердого раствора и называются β–стабилизаторами, это – молибден, ванадий, хром, железо. Кроме α– и β–стабилизаторов различают нейтральные упрочнители: олово, цирконий, гафний. В соответствии с влиянием легирующих элементов титановые сплавы при нормальной температуре могут иметь структуру α- или α+β.

Сплавы на основе титана можно подвергать всем видам термической, химико-термической и термомеханической обработки. Упрочнение титановых сплавов достигается легированием, наклепом, термическим воздействием. Часто титановые сплавы легируют алюминием, он увеличивает прочность и жаропрочность, уменьшает вредное влияние водорода, увеличивает термическую стабильность. Для повышения износостойкости титановых сплавов их подвергают цементации или азотированию [12].

Перспективной сферой использования сплавов из титана считается сверхглубокое бурение. Для изучения и добычи подземных богатств есть необходимость проникнуть глубоко под землю – свыше 15 тысяч метров. Буровые трубы из алюминия, например, разорвутся из-за собственной тяжести, и только сплавы из титана могут достигнуть действительно большой глубины [13].

Титан является негорючим строительным материалом. Экологический аспект использования строительных материалов сегодня имеет важное значение. Ученые из Германии провели исследования и доказали, что металл титан и его сплавы безопасны для человека и природы, не вызывают аллергии и мало подвержены коррозии [14].

Все вышеперечисленное факты доказывают, что титан — прочный и лёгкий, универсальный металл. Его называют «металлом будущего». Титан является экологически безопасным и мало подверженным коррозии металлом, поэтому титан и его сплавы находят широкое применение в различных отраслях легкой и тяжелой промышленности.

Список литературы:

1. Грей Т. Элементы: путеводитель по периодической таблице / Е. Грэй; пер. с англ. Г. Эрлиха. — М.: АСТ: CORPUS, 2014. — 240 с.

2.Открытие титана. URL : http :// www . chem . msu . su / rus / history / element / Ti . html (дата обращения 23.12.18).

3.Титановые руды. URL:http://www.petropavlovsk-io.ru/rus/useful-information/titan/2007/01/23/titan_264.html (дата обращения 26.11.18.)

4. Добыча титана. URL : https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/494 (дата обращения 26.11.18)

5. Цена титана. URL : http://titanen.ru/interesno_o_titane (дата обращения 23.12.18).

6.Сплавы титана. URL : http :// metizmsk . ru / blog / titan — i — ego — primenenie — krepezh — iz — titana (дата обращения 13.12.18)

7.Применение титана в пищевой промышленности. URL :https://aviatitan.net/108-primenenie-titana-v-pischevoy-promyshlennosti.html (дата обращения 24.12.18)

8. Применение титана. URL :https://www.etalonstal.ru/statii/titan-i-ego-splavy-svoystva-i-sfera-primeneniya/(дата обращения 23.12.18).

9. Свойства сплава титана с цинком. URL:protown.ru/information/hide/5616.html ( датаобращения 26.11.18).

10. Нитрид титана. URL : https :// ru . wikipedia . org / wiki (дата обращения 13.12.18).

11.Применение нитрида титана как декоративного покрытия. URL : moyasvarka . ru / izdeliya / titan — svoistva — i — primenenie . html (дата обращения 26.11.18).

12. Легирование титановых сплавов. URL : http :// www . mtomd . info / archives /1683(дата обращения 23.12.18).

13.Применение титана в сверхглубоком бурении. URL:titanchik.ru/about/42-sfery-primeneniya-titana.html ( датаобращения 26.11.18).

14.Использование титана с экологической точки зрения. URL : www . metotech . ru / titan — opisanie . htm (дата обращения 13.12.18)

Источник: scienceforum.ru

Титан (элемент)

Титан (лат. Titanium, символ Ti) — химический элемент с атомным номером 22, а также соответствующее простое вещество — твердый серебристый металл, температура плавления 1675° C, температура кипения 3262° C, плотность 4540 кг/м³.

• 1 Происхождение названия
• 2 История открытия
• 3 Общее описание и свойства
• 4 Распространение
• 5 Получение
• 6 Применение
• 7 Прочность
• 8 Титан — антикоррозионный металл

• 8.1 Поведение титана и его сплавов в различных агрессивных средах
• 8.2 Влияние легирующих элементов в титане на коррозионную стойкость
• 8.3 Особенности взаимодействия титана с воздухом

Происхождение названия

Это название заимствовано из древнегреческой мифологии: Титаны — дети богини Земли (Геи) и бога Неба (Урана).

История открытия

В 1791 году английский химик и минералог Уильям Грегор открыл новый элемент в минерале менаканните и назвал его «менаканумом». Немецкий химик Мартин Клапрот в 1795 году повторно открыл его в минерале рутил и предоставил ему красивое название «титан». За 2 года выяснилось, что Грегор и Клапрот открыли один и тот же элемент, который с тех пор носит величественное имя — титан.

Впервые металлический титан добыл Берцелиус в 1825 году, но это был очень загрязненный металл. Многие ученые пытались получить титан в чистом виде и только в 1875 г. российский ученый Д. К. Кириллов впервые смог получить металлический титан, содержащий несколько процентов смеси. В 1910 г. американский химик Хантер смог выработать несколько граммов чистого титана, который содержал несколько десятых долей процента смесей, которые делают его практически непригодным для обработки. И хотя соли титана уже находили применение, лишь в 1925 году полученный голландскими учеными Ван Аркелем и где Буре титан высокой чистоты продемонстрировал свои уникальные свойства.

Общее описание и свойства

Фильм про титан

В природе существует 5 стабильных изотопов титана с массовыми числами 46-50: 46 Ti (7,95 %), 47 Ti (7,75 %), 48 Ti (7,345 %), 49 Ti (5,51 %), 50 Ti (5,34 %).

Титан существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотно упакованной решеткой; β-Ti с кубической объемно-центрированной решеткой. При обычных условиях устойчив к действию кислорода и воды. Химическая активность быстро растет при повышении температуры. Металл отличается высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Соединения: TiO, Ti2O3, TiO2, Ti3O5, Ti4O7, Ti10O19.

Распространение

К началу XXI в. известно около 100 титановых минералов. В состав ряда минералов титан входит как примесь.

Главные минералы титановых руд: ильменит (43,7-52,8 % ТіО 2); рутил, анатаз и брукит (94,2-99,5); лейкоксен (61,9-97,6); лопарит (38,3-41); сфен (33,7-40,8); перовскит (38,7-57,8).

Количество титана в земной коре в несколько раз превышает запасы меди, цинка, свинца, золота, серебра, платины, хрома, вольфрама, ртути, молибдена, висмута, сурьмы, никеля и олова вместе взятых. Кларк титана в основных изверженных породах составляет 20,46 атомных %.

Получение

Получение титана

Промышленный способ добычи титана был разработан только в 40-х гг. XX века.

Процесс добычи титана (Кролль-процесс) был разработан Уильямом Джасти Кроллем — люксембургским металлургом в 1940 году. До сих пор он мало чем изменился. Из руд титана рутила или ильменита при воздействии высокой температуры и угля переводят в оксид с выплавкой железа:

• F e T i O 3 + C ⟶ F e + T i O 2 + C O +C longrightarrow Fe+TiO_+ CO> >

Затем при температуре 750—1000 ° C действием кокса и хлора переводят оксид титана в хлорид:

• T i O 2 + 2 C + 2 C l 2 ⟶ T i C l 4 + 2 C O +2 C+2 Cl_ longrightarrow TiCl_+ 2 CO> >

В третьей стадии процесса восстанавливают тетрахлорид титана действием жидкого магния до металлического титана при 800—900 ° C под защитной атмосферой аргона:

• T i C l 4 + 2 M g ⟶ T i + 2 M g C l 2 +2 Mg longrightarrow Ti+ 2 MgCl_> >

Полученную титановую губку переплавляют в дуговых вакуумных печах. Для производства чистого титана используют газотранспортные реакции.

Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как: малая плотность, высокая прочность, коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, холодостойкость, немагнитность и другие ценные физико-механические характеристики.

Применение

Титан и его сплавы с Al, V, Mo, ​​Mn, Cr, Si, Fe, Sn, Zr, Nb, Ta применяются как конструкционный металл в авиационной и ракетной технике, судостроительной, энергомашиностроительной, пищевой, медицинской промышленности и цветной металлургии, где они надежно и длительно эксплуатируются во многих химических агрессивных средах. Самое главное значение имеют титано-ванадиевые сплавы, которые имеют высокую прочность, ковкость и свариваемость; карбид титана применяется для изготовления сверхтвердых сплавов, диоксид титана — для производства устойчивых титановых белил, пластмасс и в целлюлозно-бумажной промышленности; оксид титана TiO имеет металлическую проводимость, используется в электрохромных системах.

Титан является одним из немногих металлов с высокой коррозионной стойкостью: он устойчив в атмосферном воздухе, морской воде и морской атмосфере, во влажном хлоре, горячих и холодных растворах хлоридов, в различных технологических растворах и реагентах, применяемых в химической, нефтяной, бумажной и других отраслях промышленности, а также в гидрометаллургии.

По своей коррозионной стойкостью в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благородных — золота, платины и др., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие сплавы. Дело в том, что реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакцию. Это связано с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, хорошо срастающаяся с металлом, тончайшая (в несколько ангстрем пленка диоксида титана (пассивация), которая предохраняет его от дальнейшего окисления. Если даже эту пленку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка появляется вновь, и металл, как говорят, пассивируется, то есть защищает сам себя от дальнейшего разрушения.

Прочность

Сверло с покрытием из нитрида титана

При удельной прочности титан не имеет соперников среди промышленных металлов. Даже такой металл, как алюминий, уступил ряду позиций титана, который только в 1,7 раза тяжелее алюминия, но в шесть раз прочнее. И что особенно важно, титан сохраняет свою прочность при высоких температурах (до 500° C, а при добавлении легирующих элементов — 650° C), в то время как прочность большинства алюминиевых сплавов резко падает уже при 300° C.

Титан — очень твердый металл: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза — с железо и медь. Чем выше предел текучести металла, то лучше детали из него противостоят эксплуатационной нагрузкой, тем дольше они сохраняют свои формы и размеры. Граница текучести титана в 18 раз выше, чем у алюминия, и в 2,5 раза — чем у железа.

Титан — антикоррозионный металл

Поведение титана и его сплавов в различных агрессивных средах

Влияние легирующих элементов в титане на коррозионную стойкость

Все присутствующие в титане легирующие элементы по коррозионной стойкости можно разделить на четыре группы. К первой группе относятся элементы, которые легко пассивируются, повышают коррозионную стойкость титана за счет торможения анодного процесса (в разной степени и в зависимости от природы среды). К этой группе относятся: Мо, ТаNb, Zr, V (расположены в порядке убывания благоприятного воздействия на коррозионную стойкость).

Ко второй группе металлов, оказывающих похож влияние на коррозионную стойкость титана, относятся Cr, Ni, Mn, Fe . Эти элементы, некоторые из которых сами являются коррозионно (Cr, Ni), хотя и не сильно, но снижают коррозионную стойкость титана, особенно в кислотах-неокислителях по мере повышения легирования титана.

К третьей группе легирующих элементов, имеющих общие черты влияния на коррозионную стойкость титана, относятся Al, Sn, С. Установлено, что добавки алюминия снижают коррозионную стойкость титана в активном и пассивном состояниях. В нейтральных средах алюминий (до 5 % Al) хотя и оказывает негативное влияние, но оно невелико. Понижение коррозионной стойкости при легировании алюминием связано с облегчением анодного и катодного процессов вследствие изменения химической природы пассивных пленок.

К четвертой группе легирующих элементов, которые однотипно влияют на коррозионную стойкость титана, относятся металлы с низким сопротивлением катодной процесса. По возрастанию эффективности воздействия на титан эти элементы располагаются в следующий ряд: CuW, МоNi, Re, Ru, Pd, Pt.

Доказано, что введение в титановые сплавы таких элементов, как молибден, ниобий, цирконий, тантал, не лимитируется по количеству. Они повышают коррозионную стойкость, способствуют увеличению прочности.

Особенности взаимодействия титана с воздухом

Воздух, представляющий собой смесь различных газов, является сложной газовой фазой, действие которой на титан может быть весьма многообразным. При этом взаимодействие титана с кислородом воздуха отличается от взаимодействия титана с чистым кислородом, поскольку на это взаимодействие оказывает влияние азот и другие составные части воздуха. В то же время следует иметь в виду, что при всей сложности газовой фазы (воздух) действие ее на титан следует рассматривать прежде всего как реакцию взаимодействия с ним активной и достаточно значительной по количеству составляющей — кислорода.

Литература

• Глоссарий терминов по химии // Й.Опейда, О.Швайка. Ин-т физико-органической химии и углехимии им. Л. Н. Литвиненко НАН Украины, Донецкий национальный университет — Донецк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
• Горный энциклопедический словарь: в 3 т. / Под ред. В. С. Белецкого . — Донецк: Восточный издательский дом, 2001—2004

Источник: cyclowiki.org