Wieczny, tajemniczy, kosmiczny materiał przyszłości - wszystkie te i wiele innych epitetów przypisuje się tytanowi w różnych źródłach. Historia odkrycia tego metalu nie była trywialna: w tym samym czasie kilku naukowców pracowało nad wyizolowaniem pierwiastka w czystej postaci. Proces badania właściwości fizycznych, chemicznych i określania obszarów ich zastosowania nie został do tej pory zakończony. Tytan to metal przyszłości, jego miejsce w życiu człowieka nie zostało jeszcze ostatecznie ustalone, co daje współczesnym badaczom ogromne pole do kreatywności i badań naukowych.
Charakterystyka
Pierwiastek chemiczny tytan (tytan) jest oznaczony w układzie okresowym pierwiastków D. I. Mendelejewa symbolem Ti. Znajduje się w drugorzędnej podgrupie grupy IV czwartego okresu i ma numer seryjny 22. Prosta substancja tytan jest metalem biało-srebrnym, lekkim i trwałym. Elektroniczna konfiguracja atomu ma następującą strukturę: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. W związku z tym tytan ma kilka możliwych stanów utlenienia: 2,3, 4, w najbardziej stabilnych związkach jest czterowartościowy.
Tytan - stop czy metal?
To pytanie interesuje wielu. W 1910 roku amerykański chemik Hunter otrzymał pierwszy czysty tytan. Metal zawierał tylko 1% zanieczyszczeń, ale jednocześnie jego ilość okazała się znikoma i nie pozwalała na dalsze badania jego właściwości. Plastyczność otrzymanej substancji osiągnięto jedynie pod wpływem wysokich temperatur, w normalnych warunkach (temperatura pokojowa) próbka była zbyt krucha. W rzeczywistości ten pierwiastek nie zainteresował naukowców, ponieważ perspektywy jego wykorzystania wydawały się zbyt niepewne. Trudność pozyskania i badań dodatkowo ograniczyła możliwość jej zastosowania. Dopiero w 1925 r. chemicy z Holandii I. de Boer i A. Van Arkel otrzymali metal tytanowy, którego właściwości przyciągnęły uwagę inżynierów i projektantów na całym świecie. Historia badań tego pierwiastka rozpoczyna się w 1790 roku, dokładnie w tym czasie równolegle, niezależnie od siebie, dwóch naukowców odkrywa tytan jako pierwiastek chemiczny. Każdy z nich otrzymuje związek (tlenek) substancji, nie izolując metalu w czystej postaci. Odkrywcą tytanu jest angielski mnich mineralog William Gregor. Na terenie swojej parafii, położonej w południowo-zachodniej części Anglii, młody naukowiec zaczął badać czarny piasek doliny Menaken. Efektem eksperymentów z magnesem było uwolnienie błyszczących ziaren, które były związkiem tytanu. W tym samym czasie w Niemczech chemik Martin Heinrich Klaproth wyizolował z minerału nową substancjęrutyl. W 1797 udowodnił też, że elementy otwierane równolegle są podobne. Dwutlenek tytanu był tajemnicą dla wielu chemików od ponad wieku, a nawet Berzelius nie był w stanie uzyskać czystego metalu. Najnowsze technologie XX wieku znacznie przyspieszyły proces badania wspomnianego elementu i wyznaczyły wstępne kierunki jego wykorzystania. Jednocześnie zakres zastosowania stale się poszerza. Jedynie złożoność procesu otrzymywania takiej substancji jak czysty tytan może ograniczać jego zakres. Cena stopów i metali jest dość wysoka, więc dziś nie może zastąpić tradycyjnego żelaza i aluminium.
Pochodzenie nazwy
Menakin - pierwsza nazwa tytanu, która była używana do 1795 roku. Tak przez przynależność terytorialną W. Gregor nazwał nowy element. Martin Klaproth nadaje pierwiastkowi nazwę „tytan” w 1797 roku. W tym czasie jego francuscy koledzy, kierowani przez dość renomowanego chemika A. L. Lavoisiera, zaproponowali nazwanie nowo odkrytych substancji zgodnie z ich podstawowymi właściwościami. Niemiecki naukowiec nie zgadzał się z tym podejściem, całkiem słusznie wierzył, że na etapie odkrycia raczej trudno jest określić wszystkie cechy tkwiące w substancji i odzwierciedlić je w nazwie. Należy jednak uznać, że intuicyjnie wybrany przez Klaprotha termin w pełni odpowiada metalowi – co wielokrotnie podkreślali współcześni naukowcy. Istnieją dwie główne teorie dotyczące pochodzenia nazwy tytan. Metal można nazwać tak na cześć królowej elfów Tytanii(charakter mitologii germańskiej). Ta nazwa symbolizuje zarówno lekkość, jak i siłę substancji. Większość naukowców jest skłonna korzystać z wersji użycia starożytnej mitologii greckiej, w której potężni synowie bogini ziemi Gaia nazywani byli tytanami. Na korzyść tej wersji przemawia również nazwa wcześniej odkrytego pierwiastka, uranu.
Przebywanie na łonie natury
Spośród metali, które są technicznie cenne dla ludzi, tytan jest czwartym najobficiej występującym w skorupie ziemskiej. Jedynie żelazo, magnez i aluminium charakteryzują się dużym udziałem w przyrodzie. Największą zawartość tytanu notuje się w łupinie baz altowej, nieco mniej w warstwie granitu. W wodzie morskiej zawartość tej substancji jest niska - około 0,001 mg / l. Pierwiastek chemiczny tytan jest dość aktywny, więc nie można go znaleźć w czystej postaci. Najczęściej występuje w związkach z tlenem, podczas gdy ma wartościowość równą cztery. Liczba minerałów zawierających tytan waha się od 63 do 75 (w różnych źródłach), natomiast na obecnym etapie badań naukowcy wciąż odkrywają nowe formy jego związków. Do praktycznego zastosowania największe znaczenie mają następujące minerały:
- Ilmenit (FeTiO3).
- Rutyl (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perowskit (CaTiO3).
- Titanomagnetyt (FeTiO3+Fe3O4) itd.
Wszystkie istniejące rudy zawierające tytan są podzielone naaluwialne i podstawowe. Ten pierwiastek jest słabym migrantem, może podróżować tylko w postaci fragmentów skał lub poruszających się mulistych skał dna. W biosferze najwięcej tytanu znajduje się w algach. U przedstawicieli fauny lądowej pierwiastek gromadzi się w zrogowaciałych tkankach, włosach. Organizm ludzki charakteryzuje się obecnością tytanu w śledzionie, nadnerczach, łożysku, tarczycy.
Właściwości fizyczne
Tytan to metal nieżelazny o srebrzystobiałym kolorze, który wygląda jak stal. W temperaturze 0 0C jego gęstość wynosi 4,517 g/cm3. Substancja ma niski ciężar właściwy, typowy dla metali alkalicznych (kadm, sód, lit, cez). Pod względem gęstości tytan zajmuje pozycję pośrednią między żelazem a aluminium, a jego wydajność jest wyższa niż obu pierwiastków. Głównymi właściwościami metali branymi pod uwagę przy określaniu zakresu ich zastosowania są granica plastyczności i twardość. Tytan jest 12 razy mocniejszy niż aluminium, 4 razy mocniejszy niż żelazo i miedź, a jednocześnie jest znacznie lżejszy. Plastyczność czystej substancji i jej granica plastyczności umożliwiają obróbkę w niskich i wysokich temperaturach, podobnie jak w przypadku innych metali, tj. poprzez nitowanie, kucie, spawanie, walcowanie. Charakterystyczną cechą tytanu jest jego niska przewodność cieplna i elektryczna, podczas gdy właściwości te są zachowywane w podwyższonych temperaturach, do 500 0С. W polu magnetycznym tytan jest pierwiastkiem paramagnetycznym, niejest przyciągany jak żelazo i nie jest wypychany jak miedź. Bardzo wysoka odporność na korozję w agresywnych środowiskach i pod naprężeniem mechanicznym jest wyjątkowa. Ponad 10 lat przebywania w wodzie morskiej nie zmieniło wyglądu i składu tytanowej płyty. Żelazo w tym przypadku zostałoby całkowicie zniszczone przez korozję.
Właściwości termodynamiczne tytanu
- Gęstość (w normalnych warunkach) wynosi 4,54g/cm3.
- Liczba atomowa to 22.
- Grupa metalowa - ogniotrwałe, lekkie.
- Masa atomowa tytanu wynosi 47,0.
- Punkt wrzenia (0С) – 3260.
- Objętość molowa cm3/mol – 10, 6.
- Temperatura topnienia tytanu (0С) – 1668.
- Właściwe ciepło parowania (kJ/mol) – 422, 6.
- Rezystancja elektryczna (przy 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Właściwości chemiczne
Zwiększona odporność elementu na korozję jest spowodowana tworzeniem się cienkiej warstwy tlenku na powierzchni. Zapobiega (w normalnych warunkach) reakcjom chemicznym z gazami (tlen, wodór) w otaczającej atmosferze pierwiastka, takiego jak metaliczny tytan. Jego właściwości zmieniają się pod wpływem temperatury. Kiedy wzrasta do 600 0С, zachodzi reakcja interakcji z tlenem, w wyniku której powstaje tlenek tytanu (TiO2). W przypadku absorpcji gazów atmosferycznych powstają kruche związki, które nie mają praktycznego zastosowania, dlatego spawanie i topienie tytanu odbywa się w warunkach próżni. reakcja odwracalnajest procesem rozpuszczania wodoru w metalu, zachodzi bardziej aktywnie wraz ze wzrostem temperatury (od 400 0С i więcej). Tytan, zwłaszcza jego małe cząstki (cienka płyta lub drut), spala się w atmosferze azotu. Reakcja chemiczna interakcji jest możliwa tylko w temperaturze 700 0С, w wyniku czego powstaje azotek TiN. Tworzy bardzo twarde stopy z wieloma metalami, często jako pierwiastek stopowy. Reaguje z halogenami (chrom, brom, jod) tylko w obecności katalizatora (wysoka temperatura) i podlega interakcji z suchą substancją. W tym przypadku powstają bardzo twarde stopy ogniotrwałe. W przypadku roztworów większości zasad i kwasów tytan jest chemicznie nieaktywny, z wyjątkiem stężonego siarkowego (przy długotrwałym wrzeniu), fluorowodorowego, gorącego organicznego (mrówkowy, szczawiowy).
Depozyty
Rudy ilmenitu są najbardziej rozpowszechnione w przyrodzie – ich zasoby szacowane są na 800 milionów ton. Złoża złóż rutylu są znacznie skromniejsze, ale łączny wolumen - przy zachowaniu wzrostu produkcji - powinien zapewnić ludzkości na najbliższe 120 lat taki metal jak tytan. Cena gotowego produktu będzie zależeć od popytu i wzrostu poziomu możliwości produkcyjnych, ale średnio waha się w przedziale od 1200 do 1800 rubli/kg. W warunkach ciągłego doskonalenia technicznego koszty wszystkich procesów produkcyjnych są znacznie obniżane dzięki ich terminowej modernizacji. Chiny i Rosja mają największe zasoby rud tytanu, a także minerałuBazę surowcową mają Japonia, RPA, Australia, Kazachstan, Indie, Korea Południowa, Ukraina, Cejlon. Złoża różnią się wielkością wydobycia i zawartością tytanu w rudzie, prowadzone są badania geologiczne, co pozwala przypuszczać spadek wartości rynkowej metalu i jego szersze wykorzystanie. Rosja jest zdecydowanie największym producentem tytanu.
Odbierz
Do produkcji tytanu najczęściej stosuje się dwutlenek tytanu, zawierający minimalną ilość zanieczyszczeń. Uzyskuje się go poprzez wzbogacenie koncentratów ilmenitu lub rud rutylowych. W elektrycznym piecu łukowym następuje obróbka cieplna rudy, której towarzyszy oddzielenie żelaza i powstanie żużla zawierającego tlenek tytanu. Do przetwarzania frakcji wolnej od żelaza stosowana jest metoda siarczanowa lub chlorkowa. Tlenek tytanu jest szarym proszkiem (patrz zdjęcie). Metaliczny tytan pozyskiwany jest poprzez jego stopniową obróbkę.
Pierwsza faza to proces spiekania żużla z koksem i wystawiania na działanie oparów chloru. Powstały TiCl4 jest redukowany magnezem lub sodem po wystawieniu na działanie temperatury 850 0C. Gąbka tytanowa (porowata stopiona masa), uzyskana w wyniku reakcji chemicznej, jest rafinowana lub przetapiana na wlewki. W zależności od dalszego kierunku użytkowania powstaje stop lub czysty metal (zanieczyszczenia są usuwane przez ogrzewanie do 1000 0С). Do produkcji substancji o zawartości zanieczyszczeń 0,01% stosuje się metodę jodkową. Opiera się na procesieparowanie z gąbki tytanowej wstępnie potraktowanej halogenem, jej opary.
Obszary zastosowań
Temperatura topnienia tytanu jest dość wysoka, co biorąc pod uwagę lekkość metalu, jest nieocenioną zaletą wykorzystania go jako materiału konstrukcyjnego. Dlatego znajduje największe zastosowanie w przemyśle stoczniowym, przemyśle lotniczym, produkcji rakiet i przemyśle chemicznym. Tytan jest dość często stosowany jako dodatek stopowy w różnych stopach, które mają zwiększoną twardość i odporność na ciepło. Wysokie właściwości antykorozyjne i odporność na najbardziej agresywne środowiska sprawiają, że metal ten jest niezbędny dla przemysłu chemicznego. Z tytanu (jego stopów) wykonuje się rurociągi, zbiorniki, zawory, filtry stosowane w destylacji i transporcie kwasów oraz innych substancji chemicznie czynnych. Jest poszukiwany przy tworzeniu urządzeń pracujących w warunkach podwyższonej temperatury. Związki tytanu są wykorzystywane do produkcji trwałych narzędzi skrawających, farb, tworzyw sztucznych i papieru, narzędzi chirurgicznych, implantów, biżuterii, materiałów wykończeniowych oraz są wykorzystywane w przemyśle spożywczym. Wszystkie kierunki są trudne do opisania. Współczesna medycyna, ze względu na całkowite bezpieczeństwo biologiczne, często wykorzystuje tytan metaliczny. Cena to jedyny czynnik, który do tej pory wpływa na szerokie zastosowanie tego pierwiastka. Można śmiało powiedzieć, że tytan jest materiałem przyszłości, badając, przez którą ludzkość przejdziew nowy etap rozwoju.
