Атомна маса на титан. Структура на титанов атом. Физични свойства на метала

Вечен, мистериозен, космически - всички тези и много други епитети се приписват на титана в различни източници. Историята на откриването на този метал не беше тривиална: няколко учени едновременно работиха върху изолирането на елемента в неговата чиста форма. Процесът на изучаване на физични, химични свойства и определяне на областите на неговото приложение днес. 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 е обозначен в периодичната таблица на Д. И. Менделеев със символа Ti. Намира се във вторична подгрупа на група IV от четвъртия период и има пореден номер 22. Титанът е бяло-сребрист метал, лек и издръжлив. Електронната конфигурация на атома има следната структура: +22)2)8)10)2, 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 2 4S 2. Съответно, титанът има няколко възможни степени на окисление: 2, 3, 4 в най-стабилните съединения той е четиривалентен;

Титан - сплав или метал?

Този въпрос интересува мнозина. През 1910 г. американският химик Хънтър за първи път получава чист титан. Металът съдържа само 1% примеси, но количеството му се оказва незначително и не дава възможност за по-нататъшно изследване на свойствата му. Пластичността на полученото вещество се постига само под въздействието на високи температури; при нормални условия (стайна температура) пробата е твърде крехка. Всъщност учените не се интересуваха от този елемент, тъй като перспективите за използването му изглеждаха твърде несигурни. Трудностите при получаването и проучването допълнително намаляват потенциала му за използване. Едва през 1925 г. химиците от Холандия I. de Boer и A. Van Arkel получават титанов метал, чиито свойства привличат вниманието на инженери и дизайнери по целия свят. Историята на изследването на този елемент започва през 1790 г., по това време паралелно, независимо един от друг, двама учени откриват титана като химичен елемент. Всеки от тях получава съединение (оксид) на веществото, което не може да изолира метала в чиста форма. За откривател на титана се смята английският монах минералог Уилям Грегор. На територията на своята енория, разположена в югозападната част на Англия, младият учен започва да изучава черния пясък на долината Менакан. Резултатът беше освобождаването на лъскави зърна, които бяха титаново съединение. По същото време в Германия химикът Мартин Хайнрих Клапрот изолира ново вещество от минерала рутил. През 1797 г. той също доказва, че елементите, отворени паралелно, са подобни. Титановият диоксид е бил загадка за много химици повече от век; дори Берцелиус не е успял да получи чист метал. Най-новите технологии на 20 век значително ускориха процеса на изучаване на този елемент и определиха първоначалните насоки за неговото използване. В същото време обхватът на приложение непрекъснато се разширява. Неговият обхват може да бъде ограничен само от сложността на процеса на получаване на такова вещество като чист титан. Цената на сплавите и метала е доста висока, така че днес не може да замени традиционното желязо и алуминий.

произход на името

Менакин е първото име за титан, което се използва до 1795 г. Именно така У. Грегор нарича новия елемент, въз основа на неговата териториална принадлежност. Мартин Клапрот дава името "титан" на елемента през 1797 г. По това време неговите френски колеги, водени от доста авторитетния химик A.L. Lavoisier, предложиха да се наименуват новооткритите вещества в съответствие с техните основни свойства. Германският учен не беше съгласен с този подход; той съвсем разумно вярваше, 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 би могъл да бъде обозначен по този начин в чест на елфическата кралица Титания (персонаж от немската митология). Това име символизира едновременно лекотата и здравината на веществото. Повечето учени са склонни да използват версията на древногръцката митология, в която могъщите синове на богинята на земята Гея са били наричани титани. Тази версия се подкрепя и от името на открития по-рано елемент – уран.

Да бъдеш сред природата

От металите, които са технически ценни за хората, титанът е на четвърто място по отношение на изобилие в земната кора. Само желязото, магнезият и алуминият имат висок процент в природата. Най-високото съдържание на титан е отбелязано 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 е невъзможно да се намери в чиста форма. Най-често присъства в съединения с кислород и има валентност четири. Броят на минералите, съдържащи титан, варира от 63 до 75 (в различни източници), докато на сегашния етап на изследване учените продължават да откриват нови форми на неговите съединения. За практическа употреба от голямо значение са следните минерали:

Илменит (FeTiO 3).
Рутил (TiO 2).
Титанит (CaTiSiO 5).
Перовскит (CaTiO3).
Титаномагнетит (FeTiO 3 + Fe 3 O 4) и др.

Всички съществуващи руди, съдържащи титан, се разделят на разсипни и основни руди. Този елемент е слаб мигрант, той може да се движи само под формата на натрошени камъни или движение на тинести дънни скали. В биосферата най-голямо количество титан има във водораслите. При представители на сухоземната фауна елементът се натрупва в роговите тъкани и косата. Човешкото тяло се характеризира с наличието на титан в далака, надбъбречните жлези, плацентата и щитовидната жлеза.

Физични свойства

Титанът е цветен метал със сребристо-бял цвят, който на външен вид прилича на стомана. При температура 0 0 С неговата плътност е 4,517 g/cm 3 . Веществото има ниско специфично тегло, което е характерно за алкалните метали (кадмий, натрий, литий, цезий). По отношение на плътността титанът заема междинна позиция между желязото и алуминия, докато експлоатационните му характеристики са по-високи от тези на двата елемента. Основните свойства на металите, които се вземат предвид при определяне на обхвата на тяхното приложение, са твърдостта. Титанът е 12 пъти по-здрав от алуминия, 4 пъти по-здрав от желязото и медта, но е много по-лек. Неговата пластичност и граница на провлачване му позволяват да се обработва при ниски и високи температури, както е в случая с други метали, т.е. чрез методи на занитване, коване, заваряване и валцуване. Отличителна черта на титана е неговата ниска топло- и електропроводимост, като тези свойства се запазват при повишени температури до 500 0 С. В магнитно поле титанът е парамагнитен елемент, той не се привлича като желязото и не се изтласква като мед. Много високите антикорозионни характеристики в агресивни среди и при механични натоварвания са уникални. Повече от 10 години излагане на морска вода не промени външния вид и състава на титановата плоча. В този случай желязото би било напълно унищожено от корозия.

Термодинамични свойства на титан

Плътността (при нормални условия) е 4,54 g/cm 3 .
Атомен номер - 22.
Група метали - огнеупорни, леки.
Атомната маса на титана е 47,0.
Точка на кипене (0 С) - 3260.
Моларен обем cm 3 /mol - 10.6.
Точката на топене на титана (0 С) е 1668.
Специфична топлина на изпарение (kJ/mol) - 422,6.
Електрическо съпротивление (при 20 0 C) Ohm*cm*10 -6 - 45.

Химични свойства

Повишената устойчивост на корозия на елемента се обяснява с образуването на малък оксиден филм на повърхността. Предотвратява (при нормални условия) газове (кислород, водород), намиращи се в заобикалящата атмосфера на елемент като металния титан. Свойствата му се променят под въздействието на температурата. Когато се повиши до 600 0 C, възниква реакция с кислорода, което води до образуването на титанов оксид (TiO 2). При абсорбиране на атмосферни газове се образуват крехки съединения, които нямат практическо приложение, поради което заваряването и топенето на титан се извършват във вакуумни условия. Обратима реакция е процесът на разтваряне на водород в метала, който протича по-активно с повишаване на температурата (от 400 0 C и повече). Титанът, особено неговите малки частици (тънка плоча или тел), изгаря в азотна атмосфера. Химическата реакция е възможна само при температура от 700 0 C, което води до образуването на TiN нитрид. Той образува високотвърди сплави с много метали и често е легиращ елемент. Той реагира с халогени (хром, бром, йод) само в присъствието на катализатор (висока температура) и при взаимодействие със сухо вещество. В този случай се образуват много твърди, огнеупорни сплави. Титанът не е химически активен с разтвори на повечето алкали и киселини, с изключение на концентрирана сярна киселина (с продължително кипене), флуороводородна киселина и горещи органични киселини (мравчена киселина, оксалова киселина).

Място на раждане

Илменитовите руди са най-разпространените в природата - техните запаси се оценяват на 800 милиона тона. Отлаганията на рутил са много по-скромни, но общият обем - при запазване на растежа на производството - трябва да осигури на човечеството метал като титан за следващите 120 години. Цената на готовия продукт ще зависи от търсенето и повишаването на нивото на технологичност на производството, 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 навременната им модернизация. Китай и Русия имат най-големи запаси; Япония, Южна Африка, Австралия, Казахстан, Индия, Южна Корея, Украйна и Цейлон също имат минерални ресурси. Залежите се различават по обем на производство и процентно съдържание на титан в рудата, продължават геоложките проучвания, което позволява да се предположи намаляване на пазарната стойност на метала и по-широкото му използване. Русия е най-големият производител на титан.

Касова бележка

За производството на титан най-често се използва титанов диоксид, съдържащ минимално количество примеси. Получава се чрез обогатяване на илменитови концентрати или рутилови руди. В електродъгова пещ рудата се обработва топлинно, което е придружено от отделяне на желязо и образуване на шлака, съдържаща титанов оксид. Методът със сярна киселина или хлорид се използва за третиране на несъдържащата желязо фракция. Титановият оксид е сив прах (виж снимката). Титановият метал се получава чрез неговата поетапна обработка.

Първата фаза е процесът на синтероване на шлака с кокс и излагане на хлорни пари. Полученият TiCl 4 се редуцира с магнезий или натрий, когато се изложи на температура от 850 0 C. Титановата гъба (пореста стопена маса), получена в резултат на химическа реакция, се пречиства или разтопява в слитъци. В зависимост от по-нататъшната посока на използване се образува сплав или чист метал (примесите се отстраняват чрез нагряване до 1000 0 C). За да се получи вещество със съдържание на примеси 0,01%, се използва йодидният метод. Основава се на процеса на изпаряване на неговите пари от титаниева гъба, предварително обработена с халоген.

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. Следователно, той намира най-голямо приложение в корабостроенето, авиационната индустрия, ракетостроенето и химическото производство. Титанът често се използва като легираща добавка в различни сплави, които имат повишена твърдост и топлоустойчивост. Високите антикорозионни свойства и способността да издържат на най-агресивните среди правят този метал незаменим за химическата промишленост. Тръбопроводите, контейнерите, спирателните вентили и филтрите, използвани при дестилацията и транспортирането на киселини и други химически активни вещества, са направени от титан (неговите сплави). Търси се при създаването на устройства, работещи при повишени температури. 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 често използва метален титан поради пълната биологична безопасност. 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, чрез изучаване на който човечеството ще премине към нов етап на развитие.

По-голямата част от титана се изразходва за нуждите на авиационната и ракетната техника и морското корабостроене. Той, както и феротитанът, се използва като легираща добавка към висококачествени стомани и като дезоксидант. Техническият титан се използва за производство на контейнери, химически реактори, тръбопроводи, фитинги, помпи, клапани и други продукти, работещи в агресивни среди. Компактният титан се използва за направата на мрежи и други части на електрически вакуумни устройства, работещи при високи температури.

По отношение на използването като конструктивен материал Ti е на 4-то място, на второ място след Al, Fe и Mg. Титановите алуминиди са много устойчиви на окисляване и топлоустойчиви, което от своя страна определя използването им в авиационното и автомобилното производство като структурни материали. Биологичната безвредност на този метал го прави отличен материал за хранително-вкусовата промишленост и реконструктивната хирургия.

Титанът и неговите сплави се използват широко в технологиите поради високата си механична якост, която се поддържа при високи температури, устойчивост на корозия, устойчивост на топлина, специфична якост, ниска плътност и други полезни свойства. Високата цена на този метал и материалите на негова основа в много случаи се компенсират от по-високите им характеристики, а в някои случаи те са единствената суровина, от която може да се направи оборудване или конструкции, които могат да работят в тези специфични условия.

Титановите сплави играят важна роля в авиационната технология, където се стремят да получат най-леката структура, съчетана с необходимата здравина. Ti е лек в сравнение с други метали, но в същото време може да работи при високи температури. Базираните на Ti материали се използват за направата на корпуса, крепежните части, захранващия комплект, частите на шасито и различни възли. Тези материали се използват и при конструирането на самолетни реактивни двигатели. Това ви позволява да намалите теглото им с 10-25%. Титанови сплави се използват за производство на компресорни дискове и лопатки, части за въздухозаборници и водачи в двигатели и различни крепежни елементи.

Друга област на приложение е ракетната техника. Поради краткотрайната работа на двигателите и бързото преминаване на плътни слоеве на атмосферата в ракетната наука проблемите на якостта на умора, статичната издръжливост и частично пълзенето са елиминирани до голяма степен.

Поради недостатъчно високата си термична якост техническият титан не е подходящ за използване в авиацията, но поради изключително високата си устойчивост на корозия в някои случаи е незаменим в химическата промишленост и корабостроенето. По този начин се използва в производството на компресори и помпи за изпомпване на такива агресивни среди като сярна и солна киселина и техните соли, тръбопроводи, спирателни вентили, автоклав, различни видове контейнери, филтри и др. Само Ti има устойчивост на корозия в такива среди като мокър хлор, водни и киселинни разтвори на хлор, следователно оборудването за хлорната промишленост се прави от този метал. Използва се и за производство на топлообменници, работещи в корозивни среди, например азотна киселина (непушачи). В корабостроенето титанът се използва за производството на витла, обшивка на кораби, подводници, торпеда и др. Черупките не залепват за този материал, което рязко увеличава съпротивлението на съда при движение.

Титановите сплави са обещаващи за използване в много други приложения, но тяхното разпространение в технологиите е възпрепятствано от високата цена и недостатъчното изобилие от този метал.

Титановите съединения също се използват широко в различни индустрии. Карбидът (TiC) има висока твърдост и се използва в производството на режещи инструменти и абразиви. Бял диоксид (TiO2) се използва в бои (напр. титаниево бяло) и в производството на хартия и пластмаса. Органо-титановите съединения (например тетрабутоксититан) се използват като катализатор и втвърдител в химическата и бояджийската промишленост. Неорганичните съединения на титан се използват в химическата електроника и промишлеността за фибростъкло като добавки. Диборидът (TiB 2) е важен компонент на свръхтвърдите материали за обработка на метали. Нитрид (TiN) се използва за покритие на инструменти.

Мнозина се интересуват от леко мистериозния и не напълно проучен титан - метал, чиито свойства са донякъде двусмислени. Металът е едновременно най-здравият и най-крехкият.

Най-здравият и крехък метал

Открит е от двама учени с разлика от 6 години - англичанинът У. Грегор и германецът М. Клапрот. Името титан се свързва, от една страна, с митичните титани, свръхестествени и безстрашни, а от друга страна, с Титания, кралицата на феите.
Това е един от най-често срещаните материали в природата, но процесът на получаване на чист метал е особено сложен.

22 химичен елемент от таблицата на Д. Менделеев Титан (Ti) принадлежи към група 4 от период 4.

Цветът на титана е сребристо-бял с подчертан блясък. Отблясъците му блестят с всички цветове на дъгата.

Това е един от огнеупорните метали. Топи се при температура +1660 °C (±20°). Титанът е парамагнитен: не се магнетизира в магнитно поле и не се изтласква от него.
Металът се характеризира с ниска плътност и висока якост. Но особеността на този материал е, че дори минималните примеси от други химични елементи коренно променят свойствата му. При наличието на незначителна част от други метали титанът губи своята топлоустойчивост, а минимумът на неметалните вещества в състава му прави сплавта крехка.
Тази характеристика определя наличието на 2 вида материал: чист и технически.

Чистият титан се използва, когато се изисква много лека субстанция, която може да издържи на големи натоварвания и свръхвисоки температурни диапазони.
Техническият материал се използва там, където се оценяват параметри като лекота, здравина и устойчивост на корозия.

Веществото има свойството на анизотропия. Това означава, че металът може да промени физическите си характеристики въз основа на приложената сила. Трябва да обърнете внимание на тази характеристика, когато планирате използването на материала.

Титанът губи сила при най-малкото наличие на примеси от други метали

Изследванията на свойствата на титана при нормални условия потвърждават неговата инертност. Веществото не реагира на елементи в околната атмосфера.
Промените в параметрите започват, когато температурата се повиши до +400°C и повече. Титанът реагира с кислород, може да се запали в азот и абсорбира газове.
Тези свойства затрудняват получаването на чисто вещество и неговите сплави. Производството на титан се основава на използването на скъпо вакуумно оборудване.

Титан и конкуренция с други метали

Този метал постоянно се сравнява с алуминиеви и железни сплави. Много химически свойства на титана са значително по-добри от тези на конкурентите:

По механична якост титанът е 2 пъти по-голям от желязото, а алуминият 6 пъти. Силата му се увеличава с понижаване на температурата, което не се наблюдава при конкурентите.
Антикорозионните характеристики на титана значително надвишават тези на другите метали.
При температура на околната среда металът е напълно инертен. Но когато температурата се повиши над +200 ° C, веществото започва да абсорбира водород, променяйки своите характеристики.
При по-високи температури титанът реагира с други химични елементи. Има висока специфична якост, която е 2 пъти по-висока от свойствата на най-добрите железни сплави.
Антикорозионните свойства на титана значително надвишават тези на алуминия и неръждаемата стомана.
Веществото не провежда добре електричество. Титанът има електрическо съпротивление 5 пъти по-високо от това на желязото, 20 пъти по-високо от това на алуминия и 10 пъти по-високо от това на магнезия.
Титанът се характеризира с ниска топлопроводимост, това се дължи на ниския му коефициент на топлинно разширение. То е 3 пъти по-малко от това на желязото и 12 пъти по-малко от това на алуминия.

Как се получава титан?

Материалът се нарежда на 10-то място по разпространение в природата. Има около 70 минерала, съдържащи титан под формата на титанова киселина или титанов диоксид. Най-често срещаните от тях и съдържащи висок процент метални производни са:

илменит;
рутил;
анатаз;
перовскит;
брукит.

Основните находища на титанови руди се намират в САЩ, Великобритания, Япония, големи находища са открити в Русия, Украйна, Канада, Франция, Испания и Белгия.

Добивът на титан е скъп и трудоемък процес

Извличането на метал от тях е много скъпо. Учените са разработили 4 метода за производство на титан, всеки от които е функционален и ефективно използван в индустрията:

Магнезиево-термичен метод. Извлечените суровини, съдържащи титанови примеси, се преработват и се получава титанов диоксид. Това вещество се подлага на хлориране в шахти или солни хлоратори при повишени температури. Процесът е много бавен и се провежда в присъствието на въглероден катализатор. В този случай твърдият диоксид се превръща в газообразно вещество - титанов тетрахлорид. Полученият материал се редуцира с магнезий или натрий. Сплавта, образувана по време на реакцията, се нагрява във вакуумно устройство до свръхвисоки температури. В резултат на реакцията магнезият и неговите съединения с хлора се изпаряват. В края на процеса се получава материал, подобен на гъба. Разтопява се и се получава висококачествен титан.
Метод на калциев хидрид. Рудата се подлага на химическа реакция за получаване на титанов хидрид. Следващият етап е разделянето на веществото на неговите компоненти. При нагряване във вакуумни агрегати се отделят титан и водород. В края на процеса се получава калциев оксид, който се промива със слаби киселини. Първите два метода се отнасят до промишленото производство. Те позволяват да се получи чист титан за възможно най-кратко време при относително ниски разходи.
Метод на електролиза. Титановите съединения са изложени на силен ток. В зависимост от суровината съединенията се разделят на компоненти: хлор, кислород и титан.
Йодиден метод или рафиниране. Титановият диоксид, получен от минерали, се облива с йодни пари. В резултат на реакцията се образува титанов йодид, който се нагрява до висока температура - +1300 ... + 1400 ° C и се излага на електрически ток. В този случай от изходния материал се изолират следните компоненти: йод и титан. Металът, получен по този метод, няма примеси или добавки.

Области на използване

Използването на титан зависи от степента на неговото пречистване от примеси. Наличието дори на малко количество други химични елементи в състава на титанова сплав радикално променя нейните физико-механични характеристики.

Титан с определено количество примеси се нарича технически титан. Има висока устойчивост на корозия, той е лек и много издръжлив материал. Използването му зависи от тези и други показатели.

В химическата промишленостТоплообменници, тръби с различни диаметри, фитинги, корпуси и части за помпи за различни цели са изработени от титан и неговите сплави. Субстанцията е незаменима на места, където се изисква висока якост и устойчивост на киселини.
С транспортТитанът се използва за производството на части и възли за велосипеди, автомобили, железопътни вагони и влакове. Използването на материала намалява теглото на подвижния състав и автомобилите и придава лекота и здравина на велосипедните части.
Титанът е от голямо значение във военноморския отдел. От него се изработват части и корпусни елементи за подводници, витла за лодки и хеликоптери.
В строителната индустрияИзползва се цинк-титанова сплав. Използва се като довършителен материал за фасади и покриви. Тази много издръжлива сплав има важно свойство: може да се използва за направата на архитектурни части с най-фантастична конфигурация. Може да приеме всякаква форма.
Титанът се използва широко през последното десетилетие в петролната индустрия. Неговите сплави се използват в производството на оборудване за свръхдълбоко сондиране. Материалът се използва за производство на оборудване за добив на нефт и газ в морето.

Титанът има много широк спектър от приложения

Чистият титан има свои собствени области на приложение. Необходим е там, където е необходима устойчивост на високи температури, като същевременно се запази здравината на метала.

Използва се в :

самолетостроене и космическа индустрия за производство на обшивки, корпуси, крепежни елементи, колесници;
медицина за протезиране и производство на сърдечни клапи и други устройства;
технология за работа в криогенна зона (тук се използва свойството на титана - при понижаване на температурата силата на метала се увеличава и неговата пластичност не се губи).

В процентно изражение използването на титан за производството на различни материали изглежда така:

60% се използват за производство на бои;
пластмасата консумира 20%;
13% се използват в производството на хартия;
машиностроенето консумира 7% от произведения титан и неговите сплави.

Суровините и процесът на производство на титан са скъпи, разходите за неговото производство се компенсират и изплащат от експлоатационния живот на продуктите, изработени от това вещество, способността му да не променя външния си вид през целия период на експлоатация.

Елемент 22 (английски Titanium, френски Titane, немски Titan) е открит в края на 18 век, когато търсенето и анализът на нови минерали, които все още не са описани в литературата, увлича не само химиците и минералозите, но и учените аматьори. Един такъв аматьор, английският свещеник Грегор, намери черен пясък, смесен с фин почти бял пясък в своята енория в долината Меначан в Корнуол. Грегор разтвори пясъчна проба в солна киселина; В същото време 46% от желязото се отделя от пясъка. Грегор разтвори останалата част от пробата в сярна киселина и почти цялото вещество премина в разтвор, с изключение на 3,5% силициев диоксид. След изпаряване на разтвора на сярната киселина остава бял прах в количество 46% от пробата. Грегор го смяташе за специален вид вар, разтворим в излишък от киселина и утаен от разяждащ калий. Продължавайки да изучава праха, Грегър стигна до заключението, че това е съединение на желязо с някакъв неизвестен метал. След консултация с приятеля си, минералога Хокинс, Грегър публикува резултатите от своята работа през 1791 г., като предлага новият метал да бъде наречен Меначин на името на долината, в която е открит черният пясък. В съответствие с това оригиналният минерал е наречен менаконит. Клапрот се запознава с посланието на Грегор и независимо от него започва да анализира минерала, известен по това време като „червен унгарски шерл” (рутил). Скоро той успява да изолира оксид на неизвестен метал от минерала, който нарича титан (Титан) по аналогия с титаните - древните митични обитатели на земята. Клапрот съзнателно избра митологично име, за разлика от именуване на елементи според техните свойства, както беше предложено от Лавоазие и номенклатурната комисия на Парижката академия на науките и което доведе до сериозни недоразумения. Подозирайки, че менахина и титана на Грегор са един и същ елемент, Клапрот извършва сравнителен анализ на менаконит и рутил и установява идентичността на двата елемента. В Русия в края на 19 век. титанът е изолиран от илменит и е изследван подробно от химическа страна от T.E.Lovitz; В същото време той отбеляза някои грешки в определенията на Клапрот. Електролитно чист титан е получен през 1895 г. от Moissan. В руската литература от началото на 19 век. титанът понякога се нарича титан (Dvigubsky, 1824), а пет години по-късно името титан се появява там.

Паметникът в чест на космическите изследователи е издигнат в Москва през 1964 г. Почти седем години (1958-1964) са били изразходвани за проектиране и изграждане на този обелиск. Авторите трябваше да решават не само архитектурни и художествени проблеми, но и технически проблеми. Първият от тях беше изборът на материали, включително облицовка. След много експерименти се спряхме на титаниеви листове, полирани до блясък.

Наистина, по много характеристики и най-вече по устойчивост на корозия, титанът превъзхожда по-голямата част от металите и сплавите. Понякога (особено в популярната литература) титанът се нарича вечният метал. Но нека първо да поговорим за историята на този елемент.

Окислени или неокислени?

До 1795 г. елемент No 22 се нарича "менакин". Така е наречен през 1791 г. от английския химик и минералог Уилям Грегор, който открива нов елемент в минерала менаканит (не търсете това име в съвременните минералогични справочници - менаканитът също е преименуван, сега се нарича илменит ).

Четири години след откритието на Грегор немският химик Мартин Клапрот открива нов химичен елемент в друг минерал – рутил – и го нарича титан в чест на кралицата на елфите Титания (немска митология).

Според друга версия името на елемента идва от титаните, могъщите синове на богинята на земята Гея (гръцката митология).

През 1797 г. се оказва, че Грегор и Клапрот са открили същия елемент и въпреки че Грегор го е направил по-рано, името, дадено му от Клапрот, е установено за новия елемент.

Но нито Грегор, нито Клапрот успяха да получат елементала титан. Белият кристален прах, който те изолират, е титанов диоксид TiO 2 . Дълго време никой от химиците не успя да редуцира този оксид и да изолира чист метал от него.

През 1823 г. английският учен W. Wollaston съобщава, че откритите от него кристали в металургичната шлака на завода Merthyr Tydfil не са нищо повече от чист титан. И 33 години по-късно известният немски химик Ф. Вьолер доказа, че тези кристали отново са титаново съединение, този път металоподобен карбонитрид.

Дълги години се смяташе, че метал титанът е получен за първи път от Берцелиус през 1825 г.при редукция на калиев флуоротитанат с метален натрий. Въпреки това, днес, сравнявайки свойствата на титана и продукта, получен от Берцелиус, може да се твърди, че президентът на Шведската академия на науките е сбъркал, тъй като чистият титабн бързо се разтваря във флуороводородна киселина (за разлика от много други киселини) и Берцелиус металният титан успешно устоя на неговото действие.

Всъщност Ti е получен за първи път едва през 1875 г. от руския учен Д.К. Резултатите от тази работа са публикувани в неговата брошура „Изследване на титана“. Но работата на малко известния руски учен остана незабелязана. Още 12 години по-късно доста чист продукт - около 95% титан - беше получен от сънародниците на Берцелиус, известните химици Л. Нилсон и О. Петерсън, които редуцираха титанов тетрахлорид с метален натрий в стоманена херметична бомба.

През 1895 г. френският химик А. Моасан, редуциращ титанов диоксид с въглерод в дъгова пещ и подлагайки получения материал на двойно рафиниране, получава титан, съдържащ само 2% примеси, главно въглерод. И накрая, през 1910 г. американският химик М. Хънтър, след като подобри метода на Нилсон и Питърсън, успя да получи няколко грама титан с чистота около 99%. Ето защо в повечето книги приоритетът за получаване на титанов метал се приписва на Хънтър, а не на Кирилов, Нилсон или Мойсан.

Въпреки това нито Хънтър, нито неговите съвременници предричат голямо бъдеще на титана. Само няколко десети от процента от примесите се съдържат в метала, но тези примеси правят титана чуплив, чуплив и неподходящ за машинна обработка. Следователно някои титанови съединения намериха приложение по-рано от самия метал. Титрахлоридът например е широко използван през Първата световна война за създаване на димни завеси.

No22 в медицината

През 1908 г. в САЩ и Норвегия започва производството на бяло не от оловни и цинкови съединения, както се правеше преди, а от титанов диоксид. С такова бяло можете да боядисвате няколко пъти по-големи повърхности, отколкото със същото количество оловно или цинково бяло. В допълнение, титановото бяло има по-голяма отразяваща способност, не е отровно и не потъмнява под въздействието на сероводород. В медицинската литература е описан случай, при който човек е "приел" 460 g титанов диоксид наведнъж! (Чудя се с какво го е объркал?) „Любовникът“ на титановия диоксид не изпитва никакви болезнени усещания. TiO 2 е включен в някои лекарства, по-специално мехлеми срещу кожни заболявания.

Но не медицината, а индустрията за бои и лакове консумира най-големи количества TiO 2. Световното производство на това съединение далеч надхвърля половин милион тона годишно. Емайлите на основата на титанов диоксид се използват широко като защитни и декоративни покрития за метал и дърво в корабостроенето, строителството и машиностроенето. Срокът на експлоатация на конструкциите и частите се увеличава значително. Титаново бяло се използва за оцветяване на тъкани, кожа и други материали.

Ти в индустрията

Титановият диоксид е част от порцеланови маси, огнеупорни стъкла и керамични материали с висока диелектрична константа. Като пълнител, който повишава якостта и устойчивостта на топлина, той се въвежда в каучукови смеси. Въпреки това, всички предимства на титановите съединения изглеждат незначителни на фона на уникалните свойства на чистия метален титан.

Елементален титан

През 1925 г. холандски учени ван Аркел и де Боер получават титан с висока чистота - 99,9%, използвайки йодидния метод (повече за това по-долу). За разлика от титана, получен от Хънтър, той имаше пластичност: можеше да бъде изкован на студено, навит на листове, ленти, тел и дори най-тънкото фолио. Но дори това не е основното. Изследванията на физикохимичните свойства на металния титан са довели до почти фантастични резултати. Оказа се например, че титанът, който е почти два пъти по-лек от желязото (плътност на титана 4,5 g/cm3), превъзхожда по здравина много стомани. Сравнението с алуминия също се оказа в полза на титана: титанът е само един път и половина по-тежък от алуминия, но е шест пъти по-здрав и, което е особено важно, запазва здравината си при температури до 500°C ( и с добавяне на легиращи елементи - до 650°C), докато якостта на алуминиевите и магнезиевите сплави рязко спада още при 300°C.

Титанът също има значителна твърдост: той е 12 пъти по-твърд от алуминия, 4 пъти по-твърд от желязото и медта. Друга важна характеристика на метала е неговата граница на провлачване. Колкото по-високо е, толкова по-добре частите от този метал издържат на експлоатационни натоварвания, толкова по-дълго запазват своите форми и размери. Границата на провлачване на титана е почти 18 пъти по-висока от тази на алуминия.

За разлика от повечето метали, титанът има значително електрическо съпротивление: ако електропроводимостта на среброто се приеме за 100, то електропроводимостта на медта е 94, алуминия - 60, желязото и платината - 15, а титана - само 3,8. Едва ли има нужда да обясняваме, че това свойство, подобно на немагнетизма на титана, представлява интерес за радиоелектрониката и електротехниката.

Устойчивостта на титана на корозия е забележителна. След 10 години излагане на морска вода, върху плочата от този метал не се появиха следи от корозия. Роторите на съвременните тежки хеликоптери са направени от титанови сплави. Руловете, елероните и някои други критични части на свръхзвукови самолети също са направени от тези сплави. В много химически заводи днес можете да намерите цели апарати и колони, изработени от титан.

Как да получите титан

Цената е друго нещо, което забавя производството и потреблението на титан. Всъщност високата цена не е присъщ дефект на титана. Има го много в земната кора - 0,63%. Все още високата цена на титана е следствие от трудното му извличане от рудите. Това се обяснява с високия афинитет на титана към много елементи и силата на химичните връзки в естествените му съединения. Оттук и сложността на технологията. Ето как изглежда магнезиево-термичният метод за производство на титан, разработен през 1940 г. от американския учен В. Крол.

Титановият диоксид се превръща в титанов тетрахлорид с помощта на хлор (в присъствието на въглерод):

HO 2 + C + 2CI 2 → HCI 4 + CO 2.

Процесът протича в шахтови електрически пещи при 800-1250°C. Друг вариант е хлориране на соли на алкални метали NaCl и KCl в стопилка (също толкова важна и трудоемка) - пречистване на TiCl 4 от примеси - се извършва с помощта на различни методи и вещества. Титановият тетрахлорид при нормални условия е течност с точка на кипене 136°C.

По-лесно е да се прекъсне връзката между титан и хлор, отколкото с кислород. Това може да стане с помощта на магнезий чрез реакцията

TiCl4 + 2Mg → T + 2MgCl2.

Тази реакция протича в стоманени реактори при 900°C. Резултатът е така наречената титанова гъба, импрегнирана с магнезий и магнезиев хлорид. Те се изпаряват в запечатан вакуумен апарат при 950°C и титановата гъба след това се синтерова или разтопява в компактен метал.

Натриево-термичният метод за производство на метален титан по принцип не се различава много от магнезиево-термичния метод. Тези два метода са най-широко използвани в индустрията. За получаване на по-чист титан все още се използва йодидният метод, предложен от van Arkel и de Boer. Металотермичната титанова гъба се превръща в TiI 4 йодид, който след това се сублимира във вакуум. По пътя си парите на титап йодид се натъкват на титанова тел, нагрята до 1400°C. В този случай йодидът се разлага и върху жицата се образува слой от чист титан. Този метод за производство на титан е нископроизводителен и скъп, така че се използва в индустрията в изключително ограничена степен.

Въпреки трудоемкостта и енергоемкостта на производството на титан, то вече се превърна в един от най-важните подотрасли на цветната металургия. Световното производство на титан се развива с много бързи темпове. За това може да се съди дори от откъслечните сведения, които попадат в печата.

Известно е, че през 1948 г. в света са били претопени само 2 тона титан, а 9 години по-късно - вече 20 хиляди тона. Това означава, че през 1957 г. са произведени 20 хиляди тона титан във всички страни, а през 1980 г. са консумирали само САЩ. . 24,4 хиляди тона титан... Изглежда, че доскоро титанът се наричаше рядък метал - сега той е най-важният конструктивен материал. Това може да се обясни само с едно нещо: рядка комбинация от полезни свойства на елемент № 22. И, естествено, нуждите на технологиите.

Ролята на титана като конструктивен материал, в основата на високоякостни сплави за авиацията, корабостроенето и ракетостроенето, бързо нараства. Именно в сплави се използва по-голямата част от титана, който се топи в света. Широко известна сплав за авиационната индустрия, състояща се от 90% титан, 6% алуминий и 4% ванадий. През 1976 г. в американската преса се появяват съобщения за нова сплав за същата цел: 85% титан, 10% ванадий, 3% алуминий и 2% желязо. Те твърдят, че тази сплав е не само по-добра, но и по-икономична.

Като цяло титановите сплави включват много елементи, включително платина и паладий. Последните (в количество от 0,1-0,2%) повишават вече високата химическа устойчивост на титановите сплави.

Силата на титана също се увеличава от „легиращи добавки“ като азот и кислород. Но заедно със здравината те повишават твърдостта и най-важното - крехкостта на титана, така че съдържанието им е строго регулирано: в сплавта се допускат не повече от 0,15% кислород и 0,05% азот.

Въпреки факта, че титанът е скъп, замяната му с по-евтини материали в много случаи се оказва рентабилна. Ето един типичен пример. Корпусът на химически апарат от неръждаема стомана струва 150 рубли, а този от титанова сплав струва 600 рубли. Но в същото време стоманеният реактор издържа само 6 месеца, а титановият - 10 години. Добавете разходите за подмяна на стоманени реактори и принудителен престой на оборудването - и става очевидно, че използването на скъп титан може да бъде по-изгодно от стоманата.

Металургията използва значителни количества титан. Има стотици марки стомана и други сплави, които съдържат титан като легираща добавка. Въвежда се за подобряване на структурата на металите, повишаване на якостта и устойчивостта на корозия.

Някои ядрени реакции трябва да протичат в почти абсолютен вакуум. С помощта на живачни помпи вакуумът може да се доведе до няколко милиардни от атмосферата. Но това не е достатъчно, а живачните помпи не могат повече. По-нататъшното изпомпване на въздуха се извършва от специални титанови помпи. В допълнение, за постигане на още по-голям вакуум, фино диспергиран титан се напръсква върху вътрешната повърхност на камерата, където протичат реакциите.

Титанът често се нарича металът на бъдещето. Фактите, с които науката и технологиите вече разполагат, ни убеждават, че това не е съвсем вярно – титанът вече се е превърнал в метала на настоящето.

Перовскит и сфен. Илменит - железен метатитанат FeTiO 3 - съдържа 52,65% TiO 2. Името на този минерал се дължи на факта, че е открит в Урал в планината Илмен. Най-големите разсипи от илменитови пясъци се намират в Индия. Друг важен минерал, рутил, е титанов диоксид. Титаномагнетитите, естествена смес от илменит с железни минерали, също са от индустриално значение. Богати находища на титанови руди има в СССР, САЩ, Индия, Норвегия, Канада, Австралия и други страни. Неотдавна геолозите откриха в района на Северен Байкал нов минерал, съдържащ титан, който беше наречен ландауит в чест на съветския физик академик Л. Д. Ландау. Общо повече от 150 значими рудни и разсипни находища на титан са известни по целия свят.