Вечен, мистериозен, космически, материал на бъдещето - всички тези и много други епитети се приписват на титана в различни източници. Историята на откриването на този метал не беше тривиална: в същото време няколко учени работиха върху изолирането на елемента в чистата му форма. Процесът на изследване на физичните, химичните свойства и определяне на областите на неговото приложение не е завършен до момента. Титанът е металът на бъдещето, неговото място в човешкия живот все още не е окончателно определено, което дава на съвременните изследователи огромно поле за творчество и научни изследвания.
Характеристика
Химическият елемент титан (Titanium) е обозначен в периодичната таблица на Д. И. Менделеев със символа Ti. Намира се във вторичната подгрупа на IV група от четвърти период и има сериен номер 22. Простото вещество титан е бяло-сребрист метал, лек и издръжлив. Електронната конфигурация на атома има следната структура: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Съответно титанът има няколко възможни степени на окисление: 2,3, 4, в най-стабилните съединения е четиривалентен.
Титан - сплав или метал?
Този въпрос интересува мнозина. През 1910 г. американският химик Хънтър получава първия чист титан. Металът съдържаше само 1% примеси, но в същото време количеството му се оказа незначително и не направи възможно по-нататъшното изследване на неговите свойства. Пластичността на полученото вещество се постига само под въздействието на високи температури; при нормални условия (стайна температура) пробата е твърде крехка. Всъщност този елемент не интересуваше учените, тъй като перспективите за неговото използване изглеждаха твърде несигурни. Трудността при получаването и изследването допълнително намали потенциала за неговото приложение. Едва през 1925 г. химиците от Холандия I. de Boer и A. Van Arkel получават метален титан, чиито свойства привличат вниманието на инженери и дизайнери по целия свят. Историята на изследването на този елемент започва през 1790 г., точно по това време, успоредно, независимо един от друг, двама учени откриват титана като химичен елемент. Всеки от тях получава съединение (оксид) на вещество, което не успява да изолира метала в чиста форма. Откривателят на титана е английският минералог монах Уилям Грегор. На територията на своята енория, разположена в югозападната част на Англия, младият учен започва да изучава черния пясък на долината Менакен. Резултатът от експериментите с магнит е отделянето на лъскави зърна, които са титаниево съединение. По същото време в Германия химикът Мартин Хайнрих Клапрот изолира ново вещество от минераларутил. През 1797 г. той също доказва, че елементите, отворени паралелно, са подобни. Титановият диоксид е загадка за много химици повече от век и дори Берцелиус не успява да получи чист метал. Най-новите технологии на 20-ти век значително ускориха процеса на изучаване на споменатия елемент и определиха първоначалните насоки за неговото използване. В същото време обхватът на приложение непрекъснато се разширява. Само сложността на процеса на получаване на такова вещество като чист титан може да ограничи неговия обхват. Цената на сплавите и метала е доста висока, така че днес не може да измести традиционните желязо и алуминий.
Произход на името
Menakin - първото име за титан, което се използва до 1795 г. Така по териториална принадлежност В. Грегор нарече новия елемент. Мартин Клапрот дава на елемента името "титан" през 1797 г. По това време френските му колеги, водени от доста реномиран химик A. L. Lavoisier, предложиха да се назоват новооткритите вещества в съответствие с техните основни свойства. Германският учен не беше съгласен с този подход, той съвсем разумно смяташе, че на етапа на откриване е доста трудно да се определят всички характеристики, присъщи на дадено вещество, и да се отразят в името. Трябва обаче да се признае, че терминът, интуитивно избран от Клапрот, напълно съответства на метала - това многократно е подчертавано от съвременните учени. Има две основни теории за произхода на името титан. Металът може да бъде определен така в чест на елфийската кралица Титания(персонаж от германската митология). Това име символизира както лекотата, така и силата на веществото. Повечето учени са склонни да използват версията за използването на древногръцката митология, в която могъщите синове на богинята на земята Гея са наречени титани. Името на открития по-рано елемент, уран, също говори в полза на тази версия.
Да бъдеш сред природата
От металите, които са технически ценни за хората, титанът е четвъртият най-разпространен в земната кора. Само желязо, магнезий и алуминий се характеризират с голям процент в природата. Най-високо съдържание на титан се отбелязва в базалтовата обвивка, малко по-малко в гранитния слой. В морската вода съдържанието на това вещество е ниско - приблизително 0,001 mg / l. Химическият елемент титан е доста активен, така че не може да се намери в чиста форма. Най-често той присъства в съединения с кислород, докато има валентност от четири. Броят на минералите, съдържащи титан, варира от 63 до 75 (в различни източници), докато на настоящия етап на изследване учените продължават да откриват нови форми на неговите съединения. За практическа употреба следните минерали са от най-голямо значение:
- Илменит (FeTiO3).
- Rutile (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Перовскит (CaTiO3).
- Титаномагнетит (FeTiO3+Fe3O4) и др.
Всички съществуващи руди, съдържащи титан, са разделени наалувиални и основни. Този елемент е слаб мигрант, той може да се движи само под формата на скални фрагменти или движещи се тинести дънни скали. В биосферата най-голямо количество титан се намира в водораслите. При представителите на сухоземната фауна елементът се натрупва в роговите тъкани, косата. Човешкото тяло се характеризира с наличието на титан в далака, надбъбречните жлези, плацентата, щитовидната жлеза.
Физически свойства
Титанът е цветен метал със сребристо-бял цвят, който прилича на стомана. При температура от 0 0C, неговата плътност е 4,517 g/cm3. Веществото има ниско специфично тегло, което е характерно за алкалните метали (кадмий, натрий, литий, цезий). По плътност титанът заема междинна позиция между желязото и алуминия, докато производителността му е по-висока от тази на двата елемента. Основните свойства на металите, които се вземат предвид при определяне на обхвата на тяхното приложение, са границата на провлачване и твърдостта. Титанът е 12 пъти по-здрав от алуминия, 4 пъти по-здрав от желязото и медта, като същевременно е много по-лек. Пластичността на чистото вещество и неговата граница на провлачване позволяват обработка при ниски и високи температури, както в случая на други метали, т.е. чрез занитване, коване, заваряване, валцуване. Отличителна характеристика на титана е неговата ниска топло- и електропроводимост, като тези свойства се запазват при повишени температури, до 500 0С. В магнитно поле титанът е парамагнитен елемент, не е такасе привлича като желязо, а не се изтласква като мед. Много високата антикорозионна ефективност в агресивна среда и при механично натоварване е уникална. Повече от 10 години престой в морска вода не промениха външния вид и състава на титаниевата плоча. Желязото в този случай би било напълно унищожено от корозия.
Термодинамични свойства на титана
- Плътността (при нормални условия) е 4,54g/cm3.
- Атомното число е 22.
- Метална група - огнеупорна, лека.
- Атомната маса на титана е 47,0.
- Точка на кипене (0С) – 3260.
- Моларен обем cm3/mol – 10, 6.
- Точка на топене на титана (0С) – 1668.
- Специфична топлина на изпаряване (kJ/mol) – 422, 6.
- Електрическо съпротивление (при 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Химически свойства
Повишената устойчивост на корозия на елемента се дължи на образуването на малък оксиден филм върху повърхността. Той предотвратява (при нормални условия) химични реакции с газове (кислород, водород) в заобикалящата атмосфера на елемент като титан метал. Свойствата му се променят под въздействието на температурата. Когато се повиши до 600 0С, настъпва реакция на взаимодействие с кислород, което води до образуването на титанов оксид (TiO2). При абсорбция на атмосферни газове се образуват крехки съединения, които нямат практическо приложение, поради което заваряването и топенето на титан се извършват във вакуумни условия. обратима реакцияе процесът на разтваряне на водорода в метала, той протича по-активно с повишаване на температурата (от 400 0С и по-високи). Титанът, особено малките му частици (тънка плоча или тел), изгаря в азотна атмосфера. Химична реакция на взаимодействие е възможна само при температура от 700 0С, което води до образуването на TiN нитрид. Образува силно твърди сплави с много метали, често като легиращ елемент. Той реагира с халогени (хром, бром, йод) само в присъствието на катализатор (висока температура) и подлежи на взаимодействие със сухо вещество. В този случай се образуват много твърди огнеупорни сплави. С разтвори на повечето основи и киселини титанът е химически неактивен, с изключение на концентрирана сярна (с продължително кипене), флуороводород, гореща органична (мравчена, оксалова).
Депозити
Илменитовите руди са най-разпространени в природата - запасите им се оценяват на 800 милиона тона. Находките на рутил са много по-скромни, но общият обем - при запазване на растежа на производството - трябва да осигури на човечеството за следващите 120 години такъв метал като титан. Цената на крайния продукт ще зависи от търсенето и повишаването на нивото на технологичност, но средно варира в диапазона от 1200 до 1800 рубли/кг. В условията на постоянно техническо усъвършенстване, цената на всички производствени процеси се намалява значително с тяхната навременна модернизация. Китай и Русия имат най-големите запаси на титанови руди, както и на минералиСуровинска база имат Япония, Южна Африка, Австралия, Казахстан, Индия, Южна Корея, Украйна, Цейлон. Находките се различават по обема на добив и процентното съдържание на титан в рудата, продължават геоложки проучвания, което дава възможност да се предположи намаляване на пазарната стойност на метала и по-широкото му използване. Русия е най-големият производител на титан.
Получаване
За производството на титан най-често се използва титанов диоксид, съдържащ минимално количество примеси. Получава се чрез обогатяване на илменитни концентрати или рутилови руди. В електродъговата пещ се извършва топлинната обработка на рудата, която е придружена от отделяне на желязо и образуване на шлака, съдържаща титанов оксид. Сулфатният или хлоридният метод се използва за обработка на фракцията без желязо. Титановият оксид е сив прах (виж снимката). Металът титан се получава чрез поетапна обработка.
Първата фаза е процесът на синтероване на шлаката с кокс и излагане на хлорни пари. Полученият TiCl4 се редуцира с магнезий или натрий, когато е изложен на температура от 850 0C. Титанова гъба (порьозна стопена маса), получена в резултат на химическа реакция, се рафинира или стопява на блокове. В зависимост от по-нататъшната посока на използване се образува сплав или чист метал (примесите се отстраняват чрез нагряване до 1000 0С). За производството на вещество със съдържание на примеси 0,01% се използва йодидният метод. Тя се основава на процесаизпарение от титаниева гъба, предварително обработена с халоген, нейните пари.
Области на приложение
Точката на топене на титана е доста висока, което, като се има предвид лекотата на метала, е безценно предимство при използването му като конструктивен материал. Затова намира най-голямо приложение в корабостроенето, авиационната индустрия, производството на ракети и химическата промишленост. Титанът доста често се използва като легираща добавка в различни сплави, които имат повишени характеристики на твърдост и устойчивост на топлина. Високите антикорозионни свойства и способността да издържа на повечето агресивни среди правят този метал незаменим за химическата индустрия. Титанът (негови сплави) се използва за направата на тръбопроводи, резервоари, клапани, филтри, използвани при дестилацията и транспортирането на киселини и други химически активни вещества. Той е в търсенето при създаване на устройства, работещи в условия на повишени температурни показатели. Титановите съединения се използват за направата на издръжливи режещи инструменти, бои, пластмаси и хартия, хирургически инструменти, импланти, бижута, довършителни материали и се използват в хранително-вкусовата промишленост. Всички посоки са трудни за описание. Съвременната медицина, поради пълната биологична безопасност, често използва метален титан. Цената е единственият фактор, който засега влияе върху широчината на приложение на този елемент. Справедливо е да се каже, че титанът е материалът на бъдещето, изучавайки който човечеството ще преминекъм нов етап на развитие.
