Opis hemijskog elementa titanijum. Najtvrđi metal na svijetu (titanijum, hrom i volfram)

Titanijum(lat. titanium), ti, hemijski element IV grupe periodni sistem Mendelejev; atomski broj 22, atomska masa 47,90; ima srebrno-bijelu boju, odnosi se na laki metali. Prirodni T. sastoji se od mješavine pet stabilnih izotopa: 46 ti (7,95%), 47 ti (7,75%), 48 ti (73,45%), 49 ti (5,51%), 50 ti (5,34%). Poznati umjetni radioaktivni izotopi 45 ti (ti 1/2 = 3,09 h, 51 ti (ti 1/2 = 5,79 min), itd.

Istorijski podaci. T. u obliku dioksida otkrio je engleski mineralog amater W. Gregor 1791. u magnetskom željeznom pijesku grada Menacan (Engleska); 1795. godine njemački hemičar M. G. Klaproth ustanovio je da mineral rutil je prirodni oksid istog metala, koji je nazvao “titanijum” [u grčkoj mitologiji titani su deca Urana (Neba) i Geje (Zemlje)]. Odaberite T. in čista forma dugo nije uspijevao; Tek je 1910. američki naučnik M. A. Hunter dobio metalni natrijum zagrijavanjem njegovog hlorida sa natrijumom u zatvorenoj čeličnoj bombi; Metal koji je dobio bio je duktilan samo na povišenim temperaturama i krt na sobnoj temperaturi zbog visokog sadržaja nečistoća. Prilika za proučavanje svojstava čistog titanijuma pojavila se tek 1925. godine, kada su holandski naučnici A. Van Arkel i I. de Boer dobili metal visoke čistoće koji je bio plastičan na niskim temperaturama koristeći termičku disocijaciju titanijum jodida.

Rasprostranjenost u prirodi. T. je jedan od najčešćih elemenata, njegov prosječni sadržaj u zemljinoj kori (klark) iznosi 0,57% po težini (među strukturalnim metalima zauzima četvrto mjesto po zastupljenosti, iza željeza, aluminija i magnezija). Najveća količina T. je u osnovnim stijenama tzv. „bazaltne školjke” (0,9%), manje u stijenama „granitne školjke” (0,23%), a još manje u ultrabazičnim stijenama (0,03%). itd. U planinske stene obogaćene torijumom spadaju pegmatiti osnovnih stena, alkalne stene, sijeniti i povezani pegmatiti itd. Poznato je 67 minerala toraksa, uglavnom magmatskog porekla; najvažniji su rutil i ilmenit

U biosferi, T. je uglavnom raštrkana. IN morska voda sadrži 1 · 10 -7%; T. je slab migrant.

Fizička svojstva. T. postoji u obliku dvije alotropske modifikacije: ispod temperature od 882,5 °C, a-oblik sa heksagonalnom zbijenom rešetkom je stabilan ( A= 2.951 å, With= 4.679 å), a iznad ove temperature - b-oblik sa kubičnom rešetkom centriranom na tijelo a = 3.269 å. Nečistoće i aditivi za legiranje mogu značajno promijeniti temperaturu a/b transformacije.

Gustina a-forme na 20 °C 4.505 g/cm 3 a na 870 °C 4.35 g/cm 3 b-oblik na 900 °C 4.32 g/cm 3; atomski radijus ti 1,46 å, ionski radijusi ti + 0,94 å, ti 2+ 0,78 å, ti 3+ 0,69 å, ti 4+ 0,64 å ,t pl 1668±5°S, t bala 3227 °C; toplotna provodljivost u opsegu 20-25 °C 22.065 uto/(m? TO) ; temperaturni koeficijent linearne ekspanzije na 20 °C 8,5? 10 -6, u opsegu 20-700 °C 9,7? 10 -6 ; toplotni kapacitet 0,523 kJ/(kg? TO) ; električna otpornost 42,1? 10 -6 ohm? cm na 20 °C; temperaturni koeficijent električnog otpora 0,0035 na 20 °C; ima superprovodljivost ispod 0,38±0,01 K. T. je paramagnetna, specifična magnetna osetljivost (3,2±0,4)? 10 -6 na 20°C. Vlačna čvrstoća 256 Mn/m 2 (25,6 kgf/mm 2) , relativno izduženje 72%, tvrdoća po Brinellu manja od 1000 Mn/m 2 (100 kgf/mm 2) . Modul normalne elastičnosti 108000 Mn/m 2 (10800 kgf/mm 2) . Metal visok stepenčistoća otkovaka na normalnim temperaturama.

Tehnički metal koji se koristi u industriji sadrži nečistoće kiseonika, azota, gvožđa, silicijuma i ugljenika, koje povećavaju njegovu čvrstoću, smanjuju duktilnost i utiču na temperaturu polimorfne transformacije koja se dešava u rasponu od 865-920 °C. Za tehničke T. klase VT1-00 i VT1-0, gustina je oko 4,32 g/cm 3 , vlačna čvrstoća 300-550 Mn/m 2 (30-55 kgf/mm 2) , relativno izduženje ne manje od 25%, tvrdoća po Brinellu 1150-1650 Mn/m 2 (115-165 kgf/mm 2) . Konfiguracija vanjske elektronske ljuske ti 3 atoma d 2 4 s 2 .

Hemijska svojstva . Čisti T. - hemijski aktivan prelazni element, u jedinjenjima ima oksidaciona stanja +4, rjeđe +3 i +2. Na uobičajenim temperaturama i do 500-550 °C otporan je na koroziju, što se objašnjava prisustvom tankog, ali izdržljivog oksidnog filma na njegovoj površini.

Primetno reaguje sa atmosferskim kiseonikom na temperaturama iznad 600 °C i formira tio 2 . Ako nema dovoljno podmazivanja, tanke titanijumske strugotine mogu se zapaliti tokom procesa. mašinska obrada. Sa dovoljnom koncentracijom kiseonika u okruženje i oštećenja oksidnog filma udarom ili trenjem, metal se može zapaliti na sobnoj temperaturi iu relativno velikim komadima.

Oksidni film ne štiti metal u tekućem stanju od daljnje interakcije s kisikom (za razliku od, na primjer, aluminija), pa se njegovo topljenje i zavarivanje mora obavljati u vakuumu, u atmosferi neutralnog plina ili pod potopljenim lukom. T. ima sposobnost da apsorbuje atmosferske gasove i vodonik, formirajući lomljive legure neprikladne za praktičnu upotrebu; u prisustvu aktivirane površine, apsorpcija vodonika se javlja već na sobnoj temperaturi malom brzinom, koja se značajno povećava na 400 °C i više. Rastvorljivost vodonika u vodiku je reverzibilna, a ovaj plin se može skoro u potpunosti ukloniti žarenjem u vakuumu. T. reaguje sa azotom na temperaturama iznad 700 °C i dobijaju se nitridi tipa kalaja; u obliku finog praha ili žice, T. može izgorjeti u atmosferi dušika. Brzina difuzije dušika i kisika u T. je mnogo niža od one u vodiku. Sloj koji nastaje interakcijom s ovim plinovima karakterizira povećana tvrdoća i krhkost i mora se ukloniti s površine proizvoda od titana jetkanjem ili mehaničkim tretmanom. T. snažno reaguje sa suvim halogenima , Otporan je na vlažne halogene, jer vlaga djeluje kao inhibitor.

Metal je otporan na azotne kiseline sve koncentracije (osim crvenog dimljenja, koje izaziva koroziono pucanje T., a reakcija se ponekad javlja i eksplozijom), u slabim rastvorima sumporne kiseline (do 5% masenog udjela). Hlorovodonična, fluorovodična, koncentrisana sumporna, kao i vruće organske kiseline: oksalna, mravlja i trihlorosirćetna reaguju sa T.

T. je otporan na koroziju u atmosferskom vazduhu, morskoj vodi i morskoj atmosferi, u vlažnom hloru, hlornoj vodi, toplim i hladnim rastvorima hlorida, u raznim tehnološkim rastvorima i reagensima koji se koriste u hemijskoj, naftnoj, papirnoj i drugim industrijama, kao kao i u hidrometalurgiji. T. formira spojeve nalik metalima sa C, B, se i si, koji se odlikuju vatrostalnošću i velikom tvrdoćom. Karbidni tig ( t mp 3140 °C) se dobija zagrevanjem mešavine tio 2 sa čađom na 1900-2000 °C u atmosferi vodonika; kalaj nitrid ( t pl 2950 °C) - zagrijavanjem praha T. u dušiku na temperaturama iznad 700 °C. Poznati su silicidi tisi 2, ti 5 si 3, tisi i boridi tib, ti 2 b 5, tib 2. Na temperaturama od 400–600 °C, toplota apsorbuje vodonik sa formiranjem čvrstih rastvora i hidrida (tih, tih 2). Kada se tio 2 spoji sa alkalijama, nastaju soli titanske kiseline: meta- i orto-titanati (na primjer, na 2 tio 3 i na 4 tio 4), kao i polititanati (na primjer, na 2 ti 2 o 5 i na 2 ti 3 o 7). Titanati uključuju najvažnije minerale T., na primjer, ilmenit fetio 3, perovskit catio 3. Svi titanati su slabo rastvorljivi u vodi. T. dioksid, titanske kiseline (precipitati) i titanati se otapaju u sumpornoj kiselini i formiraju rastvore koji sadrže titanil sulfat tioso 4. Prilikom razrjeđivanja i zagrijavanja otopina, h 2 tio 3 se taloži kao rezultat hidrolize, iz kojeg se dobije T dioksid, kada se u kisele otopine koji sadrže ti (iv) spojeve, peroksidne (supratitanske) kiseline, dobije T dioksid. h 4 tio 5 i h 4 tio nastaju 8 i njihove odgovarajuće soli; Ovi spojevi su obojeni žuto ili narančasto-crveno (ovisno o koncentraciji T), što se koristi za analitičko određivanje T.

Potvrda. Najčešća metoda za proizvodnju metalnog magnezija je magnezijum-termalna metoda, odnosno redukcija tetrahlorida metalnim magnezijem (rjeđe, natrijem):

ticl 4 + 2mg = ti + 2mgcl 2 .

U oba slučaja sirovina Koriste se oksidne rude željeza - rutil, ilmenit itd. Kod ruda kao što je ilmenit, željezo u obliku šljake se odvaja od željeza topljenjem u električnim pećima. Šljaka (kao i rutil) se podvrgava kloriranju u prisustvu ugljika kako bi se formirao T. tetrahlorid, koji nakon prečišćavanja ulazi u redukcijski reaktor s neutralnom atmosferom.

Ovim postupkom se dobija metal u obliku sunđera koji se nakon mlevenja topi u vakum-lučnim pećima u ingote uz uvođenje legirajućih aditiva, ako je legura potrebna. Magnezij-termalna metoda vam omogućava stvaranje velikih industrijska proizvodnja T. sa zatvorenim tehnološkim ciklusom, budući da se nusprodukt koji nastaje pri redukciji – magnezijum hlorid – šalje na elektrolizu za proizvodnju magnezijuma i hlora.

U nizu slučajeva, za proizvodnju proizvoda od čelika i njegovih legura, korisno je koristiti metode metalurgija praha. Za dobivanje posebno finih prahova (na primjer, za radio elektroniku), može se koristiti redukcija T. dioksida kalcijevim hidridom.

Svjetska proizvodnja metalni T. se razvijao vrlo brzo: oko 2 T 1948, 2100 T 1953. godine 20.000 T 1957. godine; 1975. premašio je 50.000 T.

Aplikacija . Glavne prednosti čelika u odnosu na druge konstrukcijske metale su: kombinacija lakoće, čvrstoće i otpornosti na koroziju. Legure titana u apsolutnoj, a još više po specifičnoj čvrstoći (tj. čvrstoći u odnosu na gustinu) su superiornije od većine legura na bazi drugih metala (na primjer, željeza ili nikla) na temperaturama od -250 do 550 °C, i u pogledu korozije oni su uporedivi sa legurama plemenitih metala . Međutim, T. se kao samostalni konstrukcijski materijal počeo koristiti tek 50-ih godina. 20. vek zbog velikih tehničkih poteškoća njegovog vađenja iz ruda i prerade (zbog čega je T. konvencionalno klasifikovan kao rijetki metali) . Najveći dio goriva troši se na potrebe zrakoplovne i raketne tehnologije i brodogradnje . Legure titanijuma sa gvožđem, poznate kao ferotitanijum (20-50% ferotitanija), služe kao legirajući aditiv i deoksidaciono sredstvo u metalurgiji visokokvalitetnih čelika i specijalnih legura.

Tehnička tehnologija se koristi za proizvodnju kontejnera, hemijskih reaktora, cjevovoda, fitinga, pumpi i drugih proizvoda koji rade u agresivnim sredinama, na primjer, u hemijskom inženjerstvu. U hidrometalurgiji obojenih metala koristi se oprema od T. Koristi se za premazivanje čeličnih proizvoda . Upotreba metala u mnogim slučajevima daje veliki tehnički i ekonomski učinak ne samo zbog povećanja vijeka trajanja opreme, već i zbog mogućnosti intenziviranja procesa (kao, na primjer, u hidrometalurgiji nikla). Biološka neškodljivost T. čini ga odličnim materijalom za izradu opreme za prehrambenu industriju i rekonstruktivnu hirurgiju. U dubokim hladnim uslovima, čvrstoća T. se povećava uz održavanje dobre duktilnosti, što omogućava da se koristi kao konstrukcijski materijal za kriogenu tehnologiju. T. je pogodan za poliranje, eloksiranje u boji i druge metode površinske obrade te se stoga koristi za izradu raznih umjetničkih proizvoda, uključujući i monumentalnu skulpturu. Primjer je spomenik u Moskvi, podignut u čast lansiranja prvog umjetnog satelita Zemlje. Od jedinjenja titanijuma praktični značaj imaju T. okside, T. halogenide, kao i T. silicide, koji se koriste u visokotemperaturnoj tehnologiji; Boridi T. i njihove legure koji se koriste kao moderatori u nuklearnoj jezgri elektrane zbog njihove refraktornosti i velikog poprečnog presjeka hvatanja neutrona. T. karbid, koji ima veliku tvrdoću, uključen je u sastav alata tvrde legure, koji se koristi za proizvodnju reznih alata i kao abrazivni materijal.

Titanijum dioksid i barijum titanat služe kao baza titanijum keramika, a barijum titanat je najvažniji Ferroelectric.

S. G. Glazunov.

Titanijum u telu. T. je stalno prisutan u tkivima biljaka i životinja. U kopnenim biljkama njegova koncentracija je oko 10-4% , u pomorskom - od 1,2? 10 -3 do 8 ? 10 -2% , u tkivima kopnenih životinja - manje od 2? 10 -4% , more - od 2? 10 -4 do 2 ? 10 -2%. Akumulira se kod kičmenjaka uglavnom u formacijama rogova, slezeni, nadbubrežnim žlijezdama, štitnoj žlijezdi, posteljici; slabo se apsorbira iz gastrointestinalnog trakta. Kod ljudi dnevni unos T. iz hrane i vode iznosi 0,85 mg; izlučuje se urinom i izmetom (0,33 i 0,52 mg odnosno). Relativno nisko toksično.

Lit.: Glazunov S.G., Moiseev V.N., Strukturne legure titanijuma, M., 1974; Metalurgija titana, M., 1968; Goroshchenko Ya G., Hemija titana, [dio. 1-2], K., 1970-72; zwicker u., titan und titanlegierungen, b., 1974; bowen h. i. m., elementi u tragovima u biohemiji, l.-n. god, 1966.

Vječni, tajanstveni, kosmički - svi ovi i mnogi drugi epiteti su dodijeljeni raznih izvora Titan. Istorija otkrića ovog metala nije bila trivijalna: nekoliko naučnika istovremeno je radilo na izolovanju elementa u njegovom čistom obliku. Proces proučavanja fizičkih, hemijskih svojstava i određivanje područja njegove primjene danas. Titanijum je metal budućnosti, njegovo mesto u ljudskom životu još uvek nije konačno određeno, što savremenim istraživačima daje ogroman prostor za kreativnost i naučna istraživanja.

Karakteristično

Hemijski element je u periodnom sistemu D.I. Mendeljejeva označen simbolom Ti. Nalazi se u sekundarnoj podgrupi IV grupe četvrtog perioda i ima serijski broj 22. Titanijum je bijelo-srebrni metal, lagan i izdržljiv. Elektronska konfiguracija atoma ima sledeću strukturu: +22)2)8)10)2, 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 2 4S 2. Shodno tome, titan ima nekoliko mogućih oksidacionih stanja: 2, 3, 4 u najstabilnijim jedinjenjima je četvorovalentan.

Titanijum - legura ili metal?

Ovo pitanje zanima mnoge. Godine 1910. američki hemičar Hunter je prvi put dobio čisti titanijum. Metal je sadržavao samo 1% nečistoća, ali se pokazalo da je njegova količina zanemarljiva i nije omogućila daljnje proučavanje njegovih svojstava. Plastičnost dobivene tvari postignuta je samo pod utjecajem visokih temperatura u normalnim uvjetima (sobna temperatura), uzorak je bio previše krhak. Zapravo, naučnici nisu bili zainteresovani za ovaj element, jer su se izgledi za njegovu upotrebu činili previše neizvjesnim. Poteškoće u dobijanju i istraživanju dodatno su smanjile njegov potencijal za upotrebu. Tek 1925. godine, kemičari iz Holandije I. de Boer i A. Van Arkel dobili su metal titanijum, čija su svojstva privukla pažnju inženjera i dizajnera širom svijeta. Povijest proučavanja ovog elementa počinje 1790. godine, u to vrijeme, paralelno, nezavisno jedan od drugog, dva naučnika su otkrila titanijum kao hemijski element. Svaki od njih prima spoj (oksid) supstance, nesposoban da izoluje metal u njegovom čistom obliku. Za pronalazača titanijuma smatra se engleski monah mineralog Vilijam Gregor. Na teritoriji svoje župe, koja se nalazi u jugozapadnom dijelu Engleske, mladi naučnik je počeo proučavati crni pijesak doline Menacan. Rezultat je bio oslobađanje sjajnih zrnaca, koji su bili spoj titana. Istovremeno, u Njemačkoj je hemičar Martin Heinrich Klaproth izolirao novu supstancu iz minerala rutila. On je 1797. godine također dokazao da su elementi koji se otvaraju paralelno slični. Titanijum dioksid je bio misterija za mnoge hemičare više od jednog veka, čak ni Berzelius nije mogao da dobije čist metal. Najnovije tehnologije 20. vijek značajno je ubrzao proces proučavanja pomenutog elementa i odredio početne pravce njegove upotrebe. Istovremeno, opseg primjene se stalno širi. Njegov opseg može biti ograničen samo složenošću procesa dobivanja takve tvari kao što je čisti titan. Cijena legura i metala je prilično visoka, tako da danas ne može zamijeniti tradicionalno željezo i aluminij.

Porijeklo imena

Menakin je bio prvi naziv za titanijum, koji se koristio do 1795. godine. Upravo tako je W. Gregor nazvao novi element, na osnovu njegove teritorijalne pripadnosti. Martin Klaproth je elementu dao naziv "titanijum" 1797. U to vrijeme, njegove francuske kolege, na čelu s prilično autoritativnim hemičarem A.L. Lavoisierom, predložili su imenovanje novootkrivenih supstanci u skladu sa njihovim osnovnim svojstvima. Njemački naučnik se nije slagao s ovim pristupom, sasvim razumno je vjerovao da je u fazi otkrića prilično teško odrediti sve karakteristike koje su svojstvene supstanci i odraziti ih u nazivu. Međutim, treba priznati da izraz koji je Klaproth intuitivno odabrao u potpunosti odgovara metalu - to su više puta naglašavali moderni znanstvenici. Postoje dvije glavne teorije o porijeklu naziva titanijum. Metal je mogao biti označen na ovaj način u čast vilenjačke kraljice Titanije (lik iz njemačke mitologije). Ovo ime simbolizira i lakoću i snagu supstance. Većina naučnika sklona je upotrebi verzije starogrčke mitologije, u kojoj su moćni sinovi boginje zemlje Geje nazivani titanima. Ovu verziju podržava i naziv prethodno otkrivenog elementa - uranijuma.

Biti u prirodi

Od metala koji su tehnički vrijedni za ljude, titan je na četvrtom mjestu po zastupljenosti u zemljinoj kori. Samo gvožđe, magnezijum i aluminijum imaju visok procenat u prirodi. Najveći sadržaj titana zabilježen je u bazaltnoj ljusci, nešto manji u granitnom sloju. U morskoj vodi sadržaj ove tvari je nizak - oko 0,001 mg/l. Hemijski element titan je prilično aktivan, pa ga je nemoguće pronaći u čistom obliku. Najčešće je prisutan u jedinjenjima sa kiseonikom, a ima valencu četiri. Broj minerala koji sadrže titan varira od 63 do 75 (u različitim izvorima), dok moderna pozornica Naučnici istraživanja nastavljaju da otkrivaju nove oblike njegovih jedinjenja. Za praktičnu upotrebu od najvećeg su značaja sledeći minerali:

Ilmenit (FeTiO 3).
Rutil (TiO 2).
Titanit (CaTiSiO 5).
Perovskit (CaTiO 3).
Titanomagnetit (FeTiO 3 + Fe 3 O 4) itd.

Sve postojeće rude koje sadrže titan dijele se na placer i osnovne rude. Ovaj element je slab migrant može putovati samo u obliku lomljenog kamenja ili kretanja muljevitih stijena. U biosferi se najveća količina titana nalazi u algama. Kod predstavnika kopnene faune element se akumulira u rožnatim tkivima i kosi. Za ljudsko tijelo Tipično je prisustvo titana u slezeni, nadbubrežnim žlezdama, posteljici i štitnoj žlezdi.

Fizička svojstva

Titanijum je obojeni metal srebrno-bijele boje koja po izgledu podsjeća na čelik. Na temperaturi od 0 0 C njegova gustina je 4,517 g/cm 3 . Supstanca ima nisku specifičnu težinu, što je tipično za alkalne metale (kadmijum, natrijum, litijum, cezijum). Što se tiče gustoće, titan zauzima srednju poziciju između gvožđa i aluminijuma, dok su njegove karakteristike performansi veće od karakteristika oba elementa. Glavna svojstva metali koji se uzimaju u obzir pri određivanju obima njihove primjene su tvrdoća. Titanijum je 12 puta jači od aluminijuma, 4 puta jači od gvožđa i bakra, ali je mnogo lakši. Njegova plastičnost i granica popuštanja omogućavaju da se obrađuje na niskim i visokim temperaturama, kao što je slučaj sa drugim metalima, odnosno metodama zakivanja, kovanja, zavarivanja i valjanja. Karakteristična karakteristika titanijuma je njegova niska toplotna i električna provodljivost, dok se ta svojstva zadržavaju na povišenim temperaturama, do 500 0 C. U magnetnom polju, titan je paramagnetski element, ne privlači se kao gvožđe i ne istiskuje se poput bakra. Veoma visoke antikorozivne performanse u agresivnim sredinama i pod mehaničkim opterećenjem su jedinstvene. Više od 10 godina izlaganja morskoj vodi nije promijenilo izgled i sastav titanijumske ploče. U tom slučaju, gvožđe bi bilo potpuno uništeno korozijom.

Termodinamička svojstva titanijuma

Gustina (u normalnim uslovima) je 4,54 g/cm 3 .
Atomski broj - 22.
Grupa metala - vatrostalni, lagani.
Atomska masa titanijuma je 47,0.
Tačka ključanja (0 C) - 3260.
Molarni volumen cm 3 /mol - 10,6.
Tačka topljenja titanijuma (0 C) je 1668.
Specifična toplota isparavanja (kJ/mol) - 422,6.
Električni otpor (na 20 0 C) Ohm*cm*10 -6 - 45.

Hemijska svojstva

Povećana otpornost elementa na koroziju objašnjava se stvaranjem malog oksidnog filma na površini. Sprečava (u normalnim uslovima) gasove (kiseonik, vodonik) koji se nalaze u okolnoj atmosferi elementa kao što je metal titanijum. Njegova svojstva se mijenjaju pod utjecajem temperature. Kada se poveća na 600 0 C, dolazi do reakcije s kisikom, što rezultira stvaranjem titanovog oksida (TiO 2). Kada se atmosferski gasovi apsorbuju, formiraju se krhka jedinjenja koja nemaju praktična primjena, zbog čega se zavarivanje i topljenje titanijuma vrši u uslovima vakuuma. Reverzibilna reakcija je proces rastvaranja vodika u metalu, a odvija se aktivnije s povećanjem temperature (od 400 0 C i više). Titan, posebno njegove male čestice (tanka ploča ili žica), gori u atmosferi dušika. Hemijska reakcija je moguća samo na temperaturi od 700 0 C, što rezultira stvaranjem TiN nitrida. Formira legure visoke tvrdoće s mnogim metalima i često je legirajući element. Reaguje sa halogenima (hrom, brom, jod) samo u prisustvu katalizatora (visoka temperatura) i podložan interakciji sa suvom materijom. U tom slučaju nastaju vrlo tvrde, vatrostalne legure. Titanijum nije hemijski aktivan sa rastvorima većine alkalija i kiselina, sa izuzetkom koncentrovane sumporne kiseline (sa produženim ključanjem), fluorovodonične kiseline i vrućih organskih kiselina (mravlja kiselina, oksalna kiselina).

Depoziti

Rude ilmenita su najčešće u prirodi - njihove rezerve se procjenjuju na 800 miliona tona. Nalazišta rutila su mnogo skromnija, ali ukupni obim - uz održavanje rasta proizvodnje - trebao bi čovječanstvu osigurati metal kao što je titan u narednih 120 godina. Cijena gotovog proizvoda ovisit će o potražnji i povećanju nivoa proizvodnosti proizvodnje, ali u prosjeku varira u rasponu od 1200 do 1800 rubalja/kg. U uslovima stalnog tehničkog usavršavanja, cena svega proizvodni procesi uz njihovu blagovremenu modernizaciju. Kina i Rusija imaju najveće rezerve u Japanu, Južnoj Africi, Australiji, Kazahstanu, Indiji, Južnoj Koreji, Ukrajini i Cejlonu. Ležišta se razlikuju po obimu proizvodnje i procentu titanijuma u rudi, geološka istraživanja se nastavljaju konstantno, što omogućava pretpostavku smanjenja tržišnu vrijednost metala i njegove šire primjene. Rusija je daleko najveći proizvođač titanijuma.

Potvrda

Za proizvodnju titana najčešće se koristi titan dioksid koji sadrži minimalna količina nečistoće. Dobiva se obogaćivanjem koncentrata ilmenita ili rutila. U elektrolučnoj peći ruda se termički obrađuje, što je praćeno odvajanjem željeza i stvaranjem šljake koja sadrži titanov oksid. Metoda sumporne kiseline ili klorida koristi se za tretiranje frakcije bez željeza. Titanov oksid je sivi prah (vidi sliku). Metalni titan se dobija njegovom obradom korak po korak.

Prva faza je proces sinterovanja šljake sa koksom i izlaganje parama hlora. Rezultirajući TiCl 4 se reducira sa magnezijem ili natrijumom kada se izloži temperaturi od 850 0 C. Titanijumski sunđer (porozna fuzionisana masa) dobijena kao rezultat hemijske reakcije se prečišćava ili topi u ingote. U zavisnosti od daljeg pravca upotrebe, formira se legura ili čisti metal (nečistoće se uklanjaju zagrevanjem do 1000 0 C). Za proizvodnju tvari s udjelom nečistoća od 0,01% koristi se jodidna metoda. Zasnovan je na procesu isparavanja njegovih para iz titanijumskog sunđera prethodno tretiranog halogenom.

Područja primjene

Tačka topljenja titanijuma je prilično visoka, što je, s obzirom na lakoću metala, neprocenjiva prednost upotrebe kao konstrukcijskog materijala. Stoga najveću primjenu nalazi u brodogradnji, zrakoplovnoj industriji, raketnoj proizvodnji i kemijskoj proizvodnji. Titan se često koristi kao aditiv za legiranje u raznim legurama koje imaju povećane karakteristike tvrdoće i otpornosti na toplinu. Visoka antikorozivna svojstva i sposobnost da izdrži najagresivnije sredine čine ovaj metal nezamjenjivim za kemijsku industriju. Cjevovodi, kontejneri, zaporni ventili i filteri koji se koriste u destilaciji i transportu kiselina i drugih kemijski aktivnih tvari izrađeni su od titana (njegovih legura). Potreban je pri stvaranju uređaja koji rade na povišenim temperaturama. Jedinjenja titanijuma se koriste za izradu izdržljivih reznih alata, boja, plastike i papira, hirurških instrumenata, implantata, nakit, završni materijali, koji se koriste u prehrambenoj industriji. Sve pravce je teško opisati. Moderna medicina često koristi metalni titan zbog potpune biološke sigurnosti. Cijena je jedini faktor koji do sada utiče na širinu primjene ovog elementa. Pošteno je reći da je titanijum materijal budućnosti, proučavanjem kojeg će čovječanstvo prijeći na novu fazu razvoja.

– element 4 grupe 4 perioda. Prijelazni metal, pokazuje i bazična i kisela svojstva, prilično je rasprostranjen u prirodi - 10. mjesto. Za nacionalnu privredu najzanimljivija je kombinacija visoke tvrdoće i lakoće metala, što ga čini nezamjenjivim elementom za konstrukciju aviona. Ovaj članak će vam reći o oznakama, legiranju i drugim svojstvima metala titanijuma opšte karakteristike I zanimljive činjenice o njemu.

By izgled Metal najviše liči na čelik, ali su mu mehaničke kvalitete veće. Istovremeno, titan je lagan - molekulska težina 22. Fizička svojstva elementa su prilično dobro proučena, ali jako zavise od čistoće metala, što dovodi do značajnih odstupanja.

Osim toga, njegova specifičnost hemijska svojstva. Titan je otporan na alkalije i dušičnu kiselinu, a istovremeno burno reagira sa suhim halogenima, a na višim temperaturama s kisikom i dušikom.

Još gore, počinje apsorbirati vodik na sobnoj temperaturi ako postoji aktivna površina. A u talini apsorbuje kiseonik i vodonik tako intenzivno da se topljenje mora obaviti u vakuumu.

Još jedna važna karakteristika koja određuje fizičke karakteristike je postojanje 2 faze stanja. Niska temperatura
– α-Ti ima heksagonalnu zbijenu rešetku, gustina supstance je 4,55 g/kubni. cm (na 20 C). Visoka temperatura

– β-Ti karakteriše kubična rešetka usredsređena na telo, a gustina faze je shodno tome niža – 4,32 g/kubik. vidi (na 900C).

Temperatura faznog prijelaza je 883 C.

U normalnim uvjetima, metal je prekriven zaštitnim oksidnim filmom. U svom nedostatku titanijum predstavlja veliku opasnost. Dakle, titanijumska prašina može eksplodirati, temperatura takvog blica je 400C. Titanijumske strugotine su materijal opasan za požar i skladište se u posebnom okruženju.

Video ispod objašnjava strukturu i svojstva titanijuma:

Titan je danas najjači među svim postojećim tehničkim materijalima, pa se, unatoč poteškoćama u dobivanju i visokim sigurnosnim zahtjevima za njega, koristi prilično široko. Fizičke karakteristike elementi su prilično neobični, ali vrlo zavise od čistoće. Tako se čisti titan i legure aktivno koriste u konstrukciji raketa i aviona, ali tehnički titanijum je neprikladan jer zbog nečistoća gubi snagu na visokim temperaturama.

Gustina metala

Gustina tvari varira ovisno o temperaturi i fazi.

Na temperaturama od 0 do tačke topljenja opada sa 4,51 na 4,26 g/kubnom metru. cm, a tokom faznog prelaza se povećava za 0,15%, a zatim ponovo opada.
Gustina tečnog metala je 4,12 g/kubni. cm, a zatim opada sa porastom temperature.

Tačke topljenja i ključanja

Fazna tranzicija dijeli sva svojstva metala na kvalitete koje α- i β-faze mogu pokazati. Tako se gustina do 883 C odnosi na kvalitete α-faze, a tačke topljenja i ključanja se odnose na parametre β-faze.

Tačka topljenja titanijuma (u stepenima) je 1668+/-5 C;
Tačka ključanja dostiže 3227 C.

O sagorijevanju titanijuma govori se u ovom videu:

Mehaničke karakteristike

Titanijum je otprilike 2 puta jači od gvožđa i 6 puta jači od aluminijuma, što ga čini tako vrednim konstrukcijskim materijalom. Pokazatelji se odnose na svojstva α-faze.

Vlačna čvrstoća tvari je 300-450 MPa. Indikator se može povećati na 2000 MPa dodavanjem nekih elemenata, kao i pribjegavanjem posebnoj obradi - otvrdnjavanju i starenju.

Zanimljivo je da titanijum zadržava svoju visoku specifičnu čvrstoću čak i na najnižim temperaturama. Štoviše, kako se temperatura smanjuje, čvrstoća na savijanje se povećava: na +20 C indikator je 700 MPa, a na -196 – 1100 MPa.

Elastičnost metala je relativno niska, što je značajan nedostatak supstance. Modul elastičnosti u normalnim uslovima je 110,25 GPa. Osim toga, titan se odlikuje anizotropijom: elastičnost u različitim pravcima dostiže različite vrijednosti.
Tvrdoća tvari na HB skali je 103. Štaviše, ovaj pokazatelj je prosječan. U zavisnosti od čistoće metala i prirode nečistoća, tvrdoća može biti veća.
Nazivna granica tečenja je 250–380 MPa. Što je ovaj pokazatelj veći, proizvodi napravljeni od tvari bolje su otporni na opterećenja i otporniji su na habanje. Indeks titanijuma je 18 puta veći od aluminijuma.

U poređenju sa drugim metalima koji imaju istu rešetku, metal ima veoma pristojnu duktilnost i savitljivost.

Toplotni kapacitet

Metal ima nisku toplinsku provodljivost, stoga se u relevantnim područjima - na primjer, ne koristi proizvodnja termoelektroda.

Njegova toplotna provodljivost je 16,76 l, W/(m × deg). To je 4 puta manje od željeza i 12 puta manje od željeza.
Ali koeficijent toplinskog širenja titanijuma je zanemariv na normalnim temperaturama i raste s porastom temperature.
Toplotni kapacitet metala je 0,523 kJ/(kg K).

Električne karakteristike

Kao što se najčešće dešava, niska toplotna provodljivost osigurava i nisku električnu provodljivost.

Električna otpornost metala je veoma visoka - 42,1·10 -6 ohm·cm u normalnim uslovima. Ako pretpostavimo da je provodljivost srebra 100%, onda će provodljivost titanijuma biti 3,8%.
Titanijum je paramagnet, odnosno ne može se magnetizirati u polju, kao gvožđe, ali se ne može istisnuti iz polja, jer neće. Ovo svojstvo opada linearno sa padom temperature, ali nakon prolaska minimuma, blago se povećava. Specifična magnetna susceptibilnost je 3,2 10 -6 G -1. Vrijedi napomenuti da osjetljivost, kao i elastičnost, formira anizotropiju i varira ovisno o smjeru.

Na temperaturi od 3,8 K, titanijum postaje superprovodnik.

Otpornost na koroziju

U normalnim uslovima, titanijum ima veoma visoka antikorozivna svojstva. Na vazduhu je prekriven slojem titan oksida debljine 5-15 mikrona, što obezbeđuje odličnu hemijsku inertnost. Metal ne korodira u vazduhu, morskom vazduhu, morskoj vodi, vlažnom hloru, hlornoj vodi i brojnim drugim tehnološkim rešenjima i reagensima, što ga čini nezamenljivim u hemijskoj, papirnoj i naftnoj industriji.

Kada temperatura poraste ili metal postane jako zdrobljen, slika se dramatično mijenja. Metal reaguje sa gotovo svim gasovima koji čine atmosferu, a u tečnom stanju ih i apsorbuje.

Sigurnost

Titan je jedan od biološki najinertnijih metala. U medicini se koristi za izradu protetika, jer je otporan na koroziju, lagan i izdržljiv.

Titanov dioksid nije toliko siguran, iako se koristi mnogo češće - u kozmetičkoj i prehrambenoj industriji, na primjer. Prema nekim podacima - UCLA, istraživanje profesora patologije Roberta Schiestlea, nanočestice titan dioksida utiču na genetski aparat i mogu doprinijeti razvoju raka. Štaviše, supstanca ne prodire u kožu, pa upotreba krema za sunčanje koje sadrže dioksid ne predstavlja opasnost, ali supstanca koja uđe u organizam – sa bojama za hranu, biološkim aditivima – može biti opasna.

Titanijum je jedinstveno jak, tvrd i laki metal sa vrlo zanimljivom hemikalijom i fizička svojstva. Ova kombinacija je toliko vrijedna da čak ni poteškoće s topljenjem i pročišćavanjem titana ne zaustavljaju proizvođače.

Ovaj video će vam reći kako razlikovati titan od čelika:

Element 22 (engleski Titanium, francuski Titane, njemački Titan) otkriven je krajem 18. stoljeća, kada su potraga i analiza novih minerala koji još nisu opisani u literaturi fascinirali ne samo hemičare i mineraloge, već i naučnike amatere. Jedan takav amater, engleski svećenik Gregor, pronašao je crni pijesak pomiješan sa finim prljavo bijelim pijeskom u svojoj župi u dolini Menachan u Cornwallu. Gregor je rastvorio uzorak peska u hlorovodoničkoj kiselini; Istovremeno, 46% željeza je otpušteno iz pijeska. Gregor je ostatak uzorka rastvorio u sumpornoj kiselini, a gotovo sva supstanca je otišla u rastvor, sa izuzetkom 3,5% silicijum dioksida. Nakon isparavanja otopine sumporne kiseline, ostao je bijeli prah u količini od 46% uzorka. Gregor ga je smatrao posebnom vrstom vapna, rastvorljivog u višku kiseline i taloženog kaustičnim kalijumom. Nastavljajući proučavanje praha, Gregor je došao do zaključka da se radi o spoju željeza s nekim nepoznatim metalom. Nakon konsultacija sa svojim prijateljem, mineralogom Hawkinsom, Gregor je objavio rezultate svog rada 1791. godine, predlažući da se novi metal nazove Menachine po dolini u kojoj je pronađen crni pijesak. U skladu s tim, originalni mineral je nazvan menakonit. Klaproth se upoznao s Gregorovom porukom i, nezavisno od njega, počeo je analizirati mineral poznat u to vrijeme kao „crveni mađarski šerl“ (rutil). Ubrzo je uspio izolirati oksid nepoznatog metala iz minerala, koji je nazvao titanijum (Titan) po analogiji s titanima - drevnim mitskim stanovnicima zemlje. Klaproth je namjerno odabrao mitološko ime za razliku od imenovanja elemenata prema njihovim svojstvima, kao što su predložili Lavoisier i Komisija za nomenklaturu Pariške akademije nauka i što je dovelo do ozbiljnih nesporazuma. Sumnjajući da su Gregorov menahin i titanijum isti element, Klaproth je izvršio komparativnu analizu menakonita i rutila i utvrdio identitet oba elementa. U Rusiji krajem 19. veka. titan je izolovan iz ilmenita i detaljno ga je proučavao sa hemijske strane T.E. Istovremeno je uočio neke greške u Klaprothovim definicijama. Elektrolitički čisti titanijum je 1895. dobio Moissan. U ruskoj književnosti ranog 19. veka. titanijum se ponekad naziva i titanijum (Dvigubsky, 1824), a pet godina kasnije tu se pojavljuje naziv titanijum.

DEFINICIJA

Titanijum nalazi se u četvrtom periodu IV grupe sekundarne (B) podgrupe periodnog sistema.

Odnosi se na elemente d-familije. Metal. Oznaka - Ti. Serijski broj- 22. Relativna atomska masa - 47.956 a.m.u.

Elektronska struktura atoma titana

Atom titana sastoji se od pozitivno nabijenog jezgra (+22), unutar kojeg se nalaze 22 protona i 26 neutrona, a 22 elektrona se kreću u četiri orbite.

Fig.1. Šematska struktura atoma titana.

Raspodjela elektrona među orbitalama je sljedeća:

1s 2 2s 2 2str 6 3s 2 3str 6 3d 2 4s 2 .

Vanjski energetski nivo atoma titanijuma sadrži 4 elektrona, koji su valentni elektroni. Oksidacijsko stanje kalcijuma je +4. Energetski dijagram osnovnog stanja ima sljedeći oblik: