Etern, misterios, cosmic, material al viitorului - toate acestea și multe alte epitete sunt atribuite titanului din diverse surse. Istoria descoperirii acestui metal nu a fost banală: în același timp, mai mulți oameni de știință au lucrat la izolarea elementului în forma sa pură. Procesul de studiere a proprietăților fizice, chimice și de determinare a zonelor de aplicare a acestuia nu a fost finalizat până în prezent. Titanul este metalul viitorului, locul său în viața umană nu a fost încă determinat în cele din urmă, ceea ce oferă cercetătorilor moderni un spațiu imens pentru creativitate și cercetare științifică.
Caracteristic
Elementul chimic titan (titan) este indicat în tabelul periodic al lui D. I. Mendeleev prin simbolul Ti. Este situat în subgrupul secundar al grupei IV a perioadei a patra și are numărul de serie 22. Substanța simplă titanul este un metal alb-argintiu, ușor și durabil. Configurația electronică a unui atom are următoarea structură: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. În consecință, titanul are mai multe stări posibile de oxidare: 2,3, 4, în cei mai stabili compuși este tetravalent.
Titan - aliaj sau metal?
Această întrebare îi interesează pe mulți. În 1910, chimistul american Hunter a obținut primul titan pur. Metalul conținea doar 1% impurități, dar, în același timp, cantitatea sa s-a dovedit a fi neglijabilă și nu a făcut posibilă studierea în continuare a proprietăților sale. Plasticitatea substanței obținute a fost realizată numai sub influența temperaturilor ridicate; în condiții normale (temperatura camerei), proba a fost prea fragilă. De fapt, acest element nu i-a interesat pe oamenii de știință, deoarece perspectivele pentru utilizarea lui păreau prea incerte. Dificultatea de obținere și cercetare a redus și mai mult potențialul de aplicare a acestuia. Abia în 1925, chimiștii din Țările de Jos I. de Boer și A. Van Arkel au primit titan metal, ale cărui proprietăți au atras atenția inginerilor și designerilor din întreaga lume. Istoria studiului acestui element începe în 1790, exact în acest moment, în paralel, independent unul de celăl alt, doi oameni de știință descoperă titanul ca element chimic. Fiecare dintre ele primește un compus (oxid) al unei substanțe, nereușind să izoleze metalul în forma sa pură. Descoperitorul titanului este călugărul mineralog englez William Gregor. Pe teritoriul parohiei sale, situată în partea de sud-vest a Angliei, tânărul om de știință a început să studieze nisipul negru al Văii Menaken. Rezultatul experimentelor cu un magnet a fost eliberarea de boabe strălucitoare, care erau un compus de titan. În același timp, în Germania, chimistul Martin Heinrich Klaproth a izolat o nouă substanță din mineralrutil. În 1797, el a mai dovedit că elementele deschise în paralel sunt asemănătoare. Dioxidul de titan a fost un mister pentru mulți chimiști de mai bine de un secol și chiar Berzelius nu a reușit să obțină metal pur. Cele mai recente tehnologii ale secolului al XX-lea au accelerat semnificativ procesul de studiu al elementului menționat și au determinat direcțiile inițiale de utilizare a acestuia. În același timp, domeniul de aplicare este în continuă extindere. Numai complexitatea procesului de obținere a unei substanțe precum titanul pur îi poate limita domeniul de aplicare. Prețul aliajelor și metalului este destul de mare, așa că astăzi nu poate înlocui fierul și aluminiul tradițional.
Originea numelui
Menakin - primul nume pentru titan, care a fost folosit până în 1795. Așa, prin apartenența teritorială, W. Gregor a numit elementul nou. Martin Klaproth dă elementului numele de „titan” în 1797. În acest moment, colegii săi francezi, conduși de un chimist destul de reputat A. L. Lavoisier, au propus să numească substanțele nou descoperite în conformitate cu proprietățile lor de bază. Omul de știință german nu a fost de acord cu această abordare, el a crezut destul de rezonabil că în stadiul de descoperire este destul de dificil să se determine toate caracteristicile inerente unei substanțe și să le reflecte în nume. Cu toate acestea, trebuie recunoscut că termenul ales intuitiv de Klaproth corespunde pe deplin metalului - acest lucru a fost subliniat în mod repetat de oamenii de știință moderni. Există două teorii principale pentru originea numelui de titan. Metalul ar putea fi desemnat astfel în onoarea reginei elfe Titania(personaj al mitologiei germanice). Acest nume simbolizează atât ușurința, cât și puterea substanței. Majoritatea oamenilor de știință sunt înclinați să folosească versiunea utilizării mitologiei grecești antice, în care fiii puternici ai zeiței pământului Gaia erau numiți titani. Numele elementului descoperit anterior, uraniu, vorbește și el în favoarea acestei versiuni.
A fi în natură
Dintre metalele care sunt valoroase din punct de vedere tehnic pentru oameni, titanul este al patrulea cel mai abundent în scoarța terestră. Doar fierul, magneziul și aluminiul se caracterizează printr-un procent mare în natură. Cel mai mare conținut de titan se observă în învelișul de baz alt, puțin mai puțin în stratul de granit. În apa de mare, conținutul acestei substanțe este scăzut - aproximativ 0,001 mg / l. Elementul chimic titanul este destul de activ, deci nu poate fi găsit în forma sa pură. Cel mai adesea, este prezent în compuși cu oxigen, în timp ce are o valență de patru. Numărul de minerale care conțin titan variază de la 63 la 75 (în diverse surse), în timp ce în stadiul actual al cercetării, oamenii de știință continuă să descopere noi forme ale compușilor săi. Pentru utilizare practică, următoarele minerale sunt de cea mai mare importanță:
- Ilmenit (FeTiO3).
- Rutil (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskit (CaTiO3).
- Titanomagnetit (FeTiO3+Fe3O4) etc.
Toate minereurile existente cu purtători de titan sunt împărțite înaluviale și de bază. Acest element este un migrant slab, poate călători doar sub formă de fragmente de rocă sau roci de fund mâloase în mișcare. În biosferă, cea mai mare cantitate de titan se găsește în alge. La reprezentanții faunei terestre, elementul se acumulează în țesuturile cornoase, păr. Corpul uman se caracterizează prin prezența titanului în splină, glandele suprarenale, placentă, glanda tiroidă.
Proprietăți fizice
Titanul este un metal neferos cu o culoare alb-argintiu care arată ca oțelul. La o temperatură de 0 0C, densitatea sa este de 4,517 g/cm3. Substanța are o greutate specifică scăzută, care este tipică pentru metalele alcaline (cadmiu, sodiu, litiu, cesiu). Din punct de vedere al densității, titanul ocupă o poziție intermediară între fier și aluminiu, în timp ce performanța sa este mai mare decât cea a ambelor elemente. Principalele proprietăți ale metalelor care sunt luate în considerare la determinarea domeniului de aplicare a acestora sunt limita de curgere și duritatea. Titanul este de 12 ori mai puternic decât aluminiul, de 4 ori mai puternic decât fierul și cuprul, fiind în același timp mult mai ușor. Plasticitatea unei substanțe pure și limita sa de curgere fac posibilă prelucrarea la temperaturi scăzute și ridicate, ca și în cazul altor metale, adică prin nituire, forjare, sudare, laminare. O caracteristică distinctivă a titanului este conductivitatea sa termică și electrică scăzută, în timp ce aceste proprietăți sunt păstrate la temperaturi ridicate, până la 500 0С. Într-un câmp magnetic, titanul este un element paramagnetic, nueste atras ca fierul și nu este împins ca cuprul. Performanța anti-coroziune foarte ridicată în medii agresive și sub stres mecanic este unică. Mai mult de 10 ani de stat în apa de mare nu au schimbat aspectul și compoziția plăcii de titan. Fierul în acest caz ar fi complet distrus de coroziune.
Proprietăți termodinamice ale titanului
- Densitatea (în condiții normale) este de 4,54 g/cm3.
- Numărul atomic este 22.
- Grup metalic - refractar, ușor.
- Masa atomică a titanului este de 47,0.
- Punct de fierbere (0С) – 3260.
- Volum molar cm3/mol – 10, 6.
- Punctul de topire a titanului (0С) – 1668.
- Căldura specifică de vaporizare (kJ/mol) – 422, 6.
- Rezistență electrică (la 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Proprietăți chimice
Rezistența crescută la coroziune a elementului se datorează formării unei pelicule mici de oxid pe suprafață. Previne (în condiții normale) reacțiile chimice cu gazele (oxigen, hidrogen) din atmosfera înconjurătoare a unui element precum titanul metal. Proprietățile sale se modifică sub influența temperaturii. Când crește la 600 0С, are loc o reacție de interacțiune cu oxigenul, care are ca rezultat formarea oxidului de titan (TiO2). În cazul absorbției gazelor atmosferice se formează compuși fragili care nu au aplicație practică, motiv pentru care sudarea și topirea titanului se realizează în condiții de vid. reacție reversibilăeste procesul de dizolvare a hidrogenului în metal, acesta are loc mai activ cu creșterea temperaturii (de la 400 0С și mai mare). Titanul, în special particulele sale mici (placă subțire sau sârmă), arde într-o atmosferă de azot. O reacție chimică de interacțiune este posibilă numai la o temperatură de 700 0С, rezultând formarea nitrurii de TiN. Formează aliaje foarte dure cu multe metale, adesea ca element de aliere. Reacționează cu halogenii (crom, brom, iod) numai în prezența unui catalizator (temperatura ridicată) și supus interacțiunii cu o substanță uscată. În acest caz, se formează aliaje refractare foarte dure. Cu soluțiile majorității alcalinelor și acizilor, titanul este inactiv din punct de vedere chimic, cu excepția sulfuricului concentrat (cu fierbere prelungită), fluorhidric, organic fierbinte (formic, oxalic).
Depozite
Minereurile ilmenite sunt cele mai comune în natură - rezervele lor sunt estimate la 800 de milioane de tone. Depozitele de zăcăminte de rutil sunt mult mai modeste, dar volumul total - menținând în același timp creșterea producției - ar trebui să ofere omenirii pentru următorii 120 de ani un metal precum titanul. Prețul produsului finit va depinde de cerere și de o creștere a nivelului de fabricabilitate, dar în medie variază în intervalul de la 1200 la 1800 de ruble/kg. În condiții de îmbunătățire tehnică constantă, costul tuturor proceselor de producție este redus semnificativ odată cu modernizarea lor în timp util. China și Rusia au cele mai mari rezerve de minereuri de titan, precum și mineraleJaponia, Africa de Sud, Australia, Kazahstan, India, Coreea de Sud, Ucraina, Ceylon au o bază de materie primă. Zăcămintele diferă în ceea ce privește volumul de producție și procentul de titan din minereu, cercetările geologice sunt în curs de desfășurare, ceea ce face posibilă presupunerea unei scăderi a valorii de piață a metalului și utilizarea mai largă a acestuia. Rusia este de departe cel mai mare producător de titan.
Primire
Pentru producerea de titan, cel mai des este folosit dioxid de titan, care conține o cantitate minimă de impurități. Se obține prin îmbogățirea concentratelor de ilmenit sau a minereurilor rutilice. În cuptorul cu arc electric are loc tratamentul termic al minereului, care este însoțit de separarea fierului și formarea de zgură care conține oxid de titan. Metoda sulfatului sau clorurii este utilizată pentru procesarea fracțiunii fără fier. Oxidul de titan este o pulbere gri (vezi fotografia). Titanul metal este obținut prin prelucrarea sa în faze.
Prima fază este procesul de sinterizare a zgurii cu cocs și expunerea la vapori de clor. TiCl4 rezultat este redus cu magneziu sau sodiu atunci când este expus la o temperatură de 850 0C. Buretele de titan (masa topita poroasa), obtinut ca urmare a unei reactii chimice, este rafinat sau topit in lingouri. În funcție de direcția ulterioară de utilizare, se formează un aliaj sau un metal pur (impuritățile sunt îndepărtate prin încălzire la 1000 0С). Pentru producerea unei substanțe cu un conținut de impurități de 0,01% se folosește metoda iodurii. Se bazează pe procesevaporarea dintr-un burete de titan pretratat cu halogen, vaporii acestuia.
Domenii de aplicare
Punctul de topire al titanului este destul de ridicat, ceea ce, dată fiind ușurința metalului, este un avantaj neprețuit al folosirii acestuia ca material structural. Prin urmare, găsește cea mai mare aplicație în construcțiile navale, industria aviației, fabricarea de rachete și industria chimică. Titanul este destul de des folosit ca aditiv de aliaj în diferite aliaje, care au caracteristici crescute de duritate și rezistență la căldură. Proprietățile anti-coroziune ridicate și capacitatea de a rezista la cele mai agresive medii fac din acest metal indispensabil pentru industria chimică. Titanul (aliajele sale) este folosit pentru fabricarea conductelor, rezervoarelor, supapelor, filtrelor utilizate la distilarea și transportul acizilor și a altor substanțe active din punct de vedere chimic. Este solicitat atunci când se creează dispozitive care funcționează în condiții de indicatoare de temperatură ridicate. Compușii de titan sunt utilizați pentru a face instrumente de tăiere durabile, vopsele, materiale plastice și hârtie, instrumente chirurgicale, implanturi, bijuterii, materiale de finisare și sunt utilizați în industria alimentară. Toate direcțiile sunt greu de descris. Medicina modernă, datorită siguranței biologice complete, folosește adesea titanul metalic. Prețul este singurul factor care afectează până acum amploarea de aplicare a acestui element. Este corect să spunem că titanul este materialul viitorului, studiind pe care umanitatea va trecela o nouă etapă de dezvoltare.
