Το τιτάνιο είναι μέταλλο. Ιδιότητες του τιτανίου. Εφαρμογή τιτανίου. Μάρκες και χημική σύνθεση του τιτανίου

Αιώνια, μυστηριώδη, κοσμικό, υλικό του μέλλοντος - όλα αυτά και πολλά άλλα επιθέματα διατίθενται σε διάφορες πηγές στον τιτάνα. Η ιστορία της ανακάλυψης αυτού του μετάλλου δεν ήταν τετριμμένη: αρκετοί επιστήμονες εργάστηκαν ταυτόχρονα για την απομόνωση του στοιχείου σε καθαρή μορφή. Η διαδικασία μελέτης των φυσικών, χημικών ιδιοτήτων και ο προσδιορισμός των περιοχών εφαρμογής της δεν έχει ολοκληρωθεί μέχρι σήμερα. Το τιτάνιο - το μέταλλο του μέλλοντος, η θέση του στη ζωή του ανθρώπου δεν έχει καθοριστεί ακόμη οριστικά, γεγονός που δίνει στους σύγχρονους ερευνητές ένα τεράστιο πεδίο δημιουργικότητας και επιστημονικής έρευνας.

Χαρακτηριστικό

Το χημικό στοιχείο τιτάνιο (Τιτάνιο) δηλώνεται στον περιοδικό πίνακα του DI Mendeleyev με το σύμβολο Ti. Βρίσκεται στη δευτερεύουσα υποομάδα της ομάδας IV της τέταρτης περιόδου και έχει τον αύξοντα αριθμό 22. Η απλή ουσία του τιτανίου είναι ένα μέταλλο ασπρόμαυρου χρώματος, ελαφρύ και ανθεκτικό. Η διαμόρφωση ηλεκτρονίων του ατόμου έχει την ακόλουθη δομή: +22) 2) 8) 10) 2, 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 3d2 4S2. Κατά συνέπεια, το τιτάνιο έχει αρκετούς βαθμούς οξείδωσης: 2, 3, 4, στις πιο σταθερές ενώσεις είναι τετρασθενές.

Το τιτάνιο είναι κράμα ή μέταλλο;

Αυτή η ερώτηση ενδιαφέρει πολλούς. Το 1910, ο Αμερικανός χημικός Hunter έλαβε το πρώτο καθαρό τιτάνιο. Το μέταλλο περιείχε μόνο 1% προσμείξεις, αλλά η ποσότητα του ήταν αμελητέα και δεν επέτρεπε περαιτέρω διερεύνηση των ιδιοτήτων του. Η πλαστικότητα της ληφθείσας ουσίας επιτεύχθηκε μόνο υπό την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών, υπό κανονικές συνθήκες (θερμοκρασία δωματίου) το δείγμα ήταν πολύ εύθραυστο. Στην πραγματικότητα, αυτό το στοιχείο δεν ήταν ενδιαφέρον για τους επιστήμονες, δεδομένου ότι οι προοπτικές για τη χρήση του φάνηκαν υπερβολικά αόριστες. Η πολυπλοκότητα της απόκτησης και της έρευνας έχει μειώσει περαιτέρω τις δυνατότητες εφαρμογής της. Μόνο το 1925 οι χημικοί από τις Κάτω Χώρες I. de Boer και A. Van Arkel έλαβαν ένα μέταλλο τιτανίου, οι ιδιότητες του οποίου προσέλκυσαν την προσοχή των μηχανικών και των σχεδιαστών σε όλο τον κόσμο. Η ιστορία της έρευνας αυτού του στοιχείου αρχίζει το 1790, αυτή τη στιγμή παράλληλα, ανεξάρτητα μεταξύ τους, δύο επιστήμονες ανακαλύπτουν το τιτάνιο ως χημικό στοιχείο. Κάθε ένας από αυτούς λαμβάνει την ένωση (οξείδιο) της ουσίας, αποτυγχάνοντας να εκχυλίσει το μέταλλο στην καθαρή του μορφή. Ο πρώτος ανακαλύπτης του τιτανίου είναι ο Άγγλος ιρακινολόγος William Gregor. Στο έδαφος της ενορίας του, που βρίσκεται στη νοτιοδυτική Αγγλία, ένας νέος επιστήμονας άρχισε να μελετά την μαύρη άμμο της κοιλάδας Menacan. Το αποτέλεσμα των πειραμάτων με τον μαγνήτη ήταν ο διαχωρισμός των λαμπερών κόκκων, οι οποίοι ήταν μια ένωση τιτανίου. Την ίδια στιγμή στη Γερμανία, ο χημικός Martin Heinrich Klaproth ξεχώρισε μια νέα ουσία από το ορυκτό του ρουτιού. Το 1797, απέδειξε επίσης ότι τα στοιχεία που ανοίγουν παράλληλα είναι ανάλογα. Διοξείδιο του τιτανίου για περισσότερο από έναν αιώνα ήταν ένα μυστήριο για πολλούς φαρμακοποιούς, ούτε ο Berzelius δεν μπορούσε να πάρει καθαρό μέταλλο. Οι νεώτερες τεχνολογίες του 20ού αιώνα επιτάχυναν πολύ τη διαδικασία της μελέτης του αναφερόμενου στοιχείου και καθόρισαν τις αρχικές κατευθύνσεις της χρήσης του. Ταυτόχρονα, το πεδίο εφαρμογής συνεχώς επεκτείνεται. Περιορίστε το πεδίο εφαρμογής της μπορεί μόνο η πολυπλοκότητα της διαδικασίας απόκτησης μιας τέτοιας ουσίας όπως το καθαρό τιτάνιο. Η τιμή των κραμάτων και του μετάλλου είναι αρκετά υψηλή, οπότε σήμερα δεν μπορεί να αντικαταστήσει τον παραδοσιακό σίδηρο και αλουμίνιο.

Προέλευση του ονόματος

Το Menakin είναι το πρώτο όνομα του τιτανίου, το οποίο χρησιμοποιήθηκε μέχρι το 1795. Αυτό ακριβώς, σύμφωνα με την εδαφική υπαγωγή, ονομάζεται το νέο στοιχείο του U. Gregor. Ο Martin Klaprot αναθέτει το στοιχείο το 1797 με το όνομα "τιτάνιο". Αυτή τη στιγμή, οι γάλλοι συνάδελφοί του, με επικεφαλής έναν μάλλον έγκυρο χημικό, AL Lavoisier, πρότειναν να καλέσουν νέες ουσίες που ανακάλυψαν σύμφωνα με τις βασικές τους ιδιότητες. Ο Γερμανός επιστήμονας δεν συμφώνησε με αυτή την προσέγγιση, πίστευε λογικά ότι στο στάδιο της ανακάλυψης είναι δύσκολο να προσδιοριστούν όλα τα χαρακτηριστικά χαρακτηριστικά της ουσίας και να τα αντικατοπτρίσουν στο όνομα. Ωστόσο, θα πρέπει να αναγνωριστεί ότι ο διαισθητικά επιλεγμένος όρος Klaprot αντιστοιχεί πλήρως στο μέταλλο - αυτό έχει επανειλημμένα τονίσει οι σύγχρονοι επιστήμονες. Υπάρχουν δύο βασικές θεωρίες της προέλευσης του ονόματος τιτανίου. Το μέταλλο θα μπορούσε να χαρακτηριστεί έτσι προς τιμήν της ελβετικής βασίλισσας Τιτανίας (χαρακτήρα της γερμανικής μυθολογίας). Αυτό το όνομα συμβολίζει τόσο την ελαφρότητα όσο και τη δύναμη της ουσίας. Οι περισσότεροι μελετητές τείνουν να χρησιμοποιούν την εκδοχή της αρχαίας ελληνικής μυθολογίας, στην οποία οι Τιτάνοι αποκαλούσαν τους ισχυρούς γιους της θεάς της γης της Γαίας. Σε υπέρ αυτής της έκδοσης λέει το όνομα του προηγουμένως ανακαλυφθέντος στοιχείου - ουρανίου.

Όντας στη φύση

Από τα μέταλλα που τεχνικά έχουν αξία για τον άνθρωπο, το τιτάνιο κατατάσσεται τέταρτον όσον αφορά την επικράτηση στο φλοιό της γης. Ένα μεγάλο ποσοστό του περιεχομένου στη φύση χαρακτηρίζεται μόνο από σίδηρο, μαγνήσιο και αλουμίνιο. Η μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε τιτάνιο βρίσκεται στο βασαλτικό κέλυφος, ελαφρώς μικρότερη στο στρώμα γρανίτη. Στο θαλασσινό νερό η περιεκτικότητα της ουσίας αυτής είναι χαμηλή - περίπου 0,001 mg / l. Το χημικό στοιχείο του τιτανίου είναι αρκετά ενεργό, επομένως είναι αδύνατο να το συναντήσουμε στην καθαρή του μορφή. Συχνότερα είναι παρούσα σε ενώσεις με οξυγόνο, ενώ έχει ένα σθένιο ίσο με τέσσερα. Η ποσότητα των ορυκτών που περιέχουν τιτάνιο ποικίλλει από 63 έως 75 (σε διαφορετικές πηγές), ενώ στο σημερινό στάδιο της έρευνας, οι επιστήμονες συνεχίζουν να ανακαλύπτουν νέες μορφές ενώσεων. Για πρακτική χρήση, τα ακόλουθα μέταλλα έχουν τη μεγαλύτερη σημασία:

1. Λαμινίτη (FeTiO ₃ ).
2. Ρουτίλιο (TiO2).
3. Τιτανίτης (CaTiSiO ₅ ).
4. Perovskite (CaTiO3).
5. Ο τιτανιομαγνήτης (FeTiO ₃ + Fe ₃ O ₄ ) κλπ.

Όλα τα υπάρχοντα μεταλλεύματα που περιέχουν τιτάνιο χωρίζονται σε πλαστικά και βασικά. Το στοιχείο αυτό είναι ένας ασθενής μετανάστης, μπορεί να ταξιδέψει μόνο με τη μορφή πέτρινων καταγμάτων ή την κίνηση λασπώδους βράχου που κατοικεί στο βυθό. Στη βιόσφαιρα, η μεγαλύτερη ποσότητα τιτανίου περιέχεται στα φύκη. Στους εκπροσώπους της χερσαίας πανίδας, το στοιχείο συσσωρεύεται στους καυτούς ιστούς, τα μαλλιά. Για το ανθρώπινο σώμα χαρακτηρίζεται από την παρουσία τιτανίου στη σπλήνα, επινεφρίδια, πλακούντα, θυρεοειδή αδένα.

Φυσικές ιδιότητες

Το τιτάνιο - ένα μη σιδηρούχο μέταλλο, με ασημένιο λευκό χρώμα, μοιάζει με χάλυβα. Σε θερμοκρασία 0 ^° C, η πυκνότητά του είναι 4.517 g / cm3. Η ουσία έχει χαμηλό ειδικό βάρος, το οποίο είναι χαρακτηριστικό των αλκαλικών μετάλλων (κάδμιο, νάτριο, λίθιο, καίσιο). Όσον αφορά την πυκνότητα, το τιτάνιο καταλαμβάνει μια ενδιάμεση θέση ανάμεσα στον σίδηρο και το αλουμίνιο, ενώ τα χαρακτηριστικά απόδοσής του είναι υψηλότερα από αυτά των δύο στοιχείων. Οι κύριες ιδιότητες των μετάλλων που λαμβάνονται υπόψη για τον προσδιορισμό του πεδίου εφαρμογής τους είναι η ισχύς και η σκληρότητα της απόδοσης . Το τιτάνιο είναι ισχυρότερο από το αλουμίνιο 12 φορές, ο σίδηρος και ο χαλκός - 4 φορές, ενώ είναι πολύ ελαφρύτερο. Η πλαστικότητα μιας καθαρής ουσίας και το σημείο απόκλισης της καθιστούν δυνατή τη διεργασία σε τιμές χαμηλής και υψηλής θερμοκρασίας, όπως συμβαίνει με τα υπόλοιπα μέταλλα, δηλ., Νήσιμο, σφυρηλάτηση, συγκόλληση και κύλιση. Χαρακτηριστικό του τιτανίου είναι η χαμηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητά του, ενώ οι ιδιότητες αυτές διατηρούνται σε υψηλές θερμοκρασίες έως 500 ^° C. Σε ένα μαγνητικό πεδίο, το τιτάνιο είναι ένα παραμαγνητικό στοιχείο, δεν έλκεται σαν σίδηρος και δεν εκβάλλεται σαν χαλκός. Η πολύ υψηλή αντιδιαβρωτική απόδοση σε επιθετικά περιβάλλοντα και με μηχανικές επιδράσεις είναι μοναδική. Περισσότερο από 10 χρόνια διαμονής σε θαλασσινό νερό δεν άλλαξε την εμφάνιση και τη σύνθεση της πλάκας από τιτάνιο. Ο σίδηρος στην περίπτωση αυτή θα καταστραφεί εντελώς από τη διάβρωση.

Θερμοδυναμικές ιδιότητες του τιτανίου

1. Η πυκνότητα (υπό κανονικές συνθήκες) είναι 4,54 g / cm3.
2. Ο ατομικός αριθμός είναι 22.
3. Ομάδα μετάλλων - πυρίμαχο, ελαφρύ.
4. Η ατομική μάζα του τιτανίου είναι 47,0.
5. Το σημείο βρασμού ( ⁰ C) είναι 3260.
6. Ο μοριακός όγκος cm3 / mol είναι 10,6.
7. Το σημείο τήξης του τιτανίου ( ⁰ C) είναι 1668.
8. Η ειδική θερμότητα εξάτμισης (kJ / mol) είναι 422,6.
9. Η ηλεκτρική αντίσταση (στους 20 ⁰ C) Ohm * cm * 10 ^-6 - 45.

Χημικές ιδιότητες

Η αυξημένη αντοχή στη διάβρωση του στοιχείου οφείλεται στο σχηματισμό ενός μικρού φιλμ οξειδίου στην επιφάνεια. Προλαμβάνει (υπό κανονικές συνθήκες) χημικές αντιδράσεις με αέρια (οξυγόνο, υδρογόνο) που βρίσκονται στην περιβάλλοντα ατμόσφαιρα ενός στοιχείου όπως το μέταλλο τιτανίου. Οι ιδιότητές του αλλάζουν υπό την επίδραση της θερμοκρασίας. Όταν αυξάνεται στους 600 ^° C, λαμβάνει χώρα αντίδραση με οξυγόνο, με αποτέλεσμα το σχηματισμό οξειδίου του τιτανίου (TiO ₂ ). Στην περίπτωση απορρόφησης ατμοσφαιρικών αερίων σχηματίζονται εύθραυστες ενώσεις οι οποίες δεν έχουν πρακτική εφαρμογή, γι 'αυτό και η συγκόλληση και η τήξη του τιτανίου διεξάγονται υπό συνθήκες κενού. Μια αναστρέψιμη αντίδραση είναι η διαδικασία διαλυτοποίησης υδρογόνου σε μέταλλο, είναι πιο δραστική όταν η θερμοκρασία αυξάνεται (από 400 ^° C και υψηλότερη). Το τιτάνιο, ειδικά τα λεπτά σωματίδια του (μια λεπτή πλάκα ή σύρμα), καίει σε ατμόσφαιρα αζώτου. Μια αντίδραση χημικής αλληλεπίδρασης είναι δυνατή μόνο σε θερμοκρασία 700 ^° C, με αποτέλεσμα το σχηματισμό νιτριδίου TiN. Με πολλά μέταλλα μορφές υψηλής σκληρό κράματα, συχνά ένα στοιχείο ντόπινγκ. Σε αντίδραση με τα αλογόνα (χρώμιο, βρώμιο, ιώδιο) εισέρχεται μόνο παρουσία καταλύτη (υψηλή θερμοκρασία) και υπό συνθήκες αλληλεπίδρασης με ξηρά ύλη. Στην περίπτωση αυτή σχηματίζονται πολύ σκληρά πυρίμαχα κράματα. Με διαλύματα των περισσότερων αλκαλίων και οξέων, το τιτάνιο δεν είναι χημικά ενεργό, με εξαίρεση το συμπυκνωμένο θειικό οξύ (με παρατεταμένο βρασμό), υδροφθορικό, θερμό οργανικό (φορμικό, οξαλικό).

Καταθέσεις

Τα πιο κοινά στη φύση λαμινιτικά ορυκτά - τα αποθέματά τους υπολογίζονται σε 800 εκατομμύρια τόνους. Οι καταθέσεις των αποθέσεων ρουτίλ είναι πολύ πιο μέτριες, αλλά ο συνολικός όγκος - διατηρώντας παράλληλα τη μεγέθυνση της παραγωγής - θα πρέπει να παρέχει την ανθρωπότητα για τα επόμενα 120 χρόνια με ένα μέταλλο όπως το τιτάνιο. Η τιμή του τελικού προϊόντος θα εξαρτηθεί από τη ζήτηση και την αύξηση του επιπέδου κατασκευής, αλλά κυμαίνεται κατά μέσο όρο από 1200 έως 1800 ρούβλια ανά χιλιόγραμμο. Υπό συνθήκες συνεχούς τεχνικής βελτίωσης, το κόστος όλων των διαδικασιών παραγωγής μειώνεται σημαντικά με τον έγκαιρο εκσυγχρονισμό τους. Τα μεγαλύτερα αποθέματα μεταλλεύματος τιτανίου βρίσκονται στην Κίνα και τη Ρωσία, καθώς και στην Ιαπωνία, τη Νότια Αφρική, την Αυστραλία, το Καζακστάν, την Ινδία, τη Νότια Κορέα, την Ουκρανία, την Κεϋλάνη. Οι καταθέσεις χαρακτηρίζονται από τον όγκο της εξόρυξης και το ποσοστό του τιτανίου στο μεταλλεύμα, η γεωλογική έρευνα συνεχίζεται συνεχώς, γεγονός που καθιστά δυνατή την υποβάθμιση της αγοραίας αξίας του μετάλλου και της ευρύτερης χρήσης του. Η Ρωσία είναι μακράν ο μεγαλύτερος παραγωγός τιτανίου.

Λήψη

Για την παραγωγή του τιτανίου χρησιμοποιείται συχνότερα το διοξείδιο του, που περιέχει μια ελάχιστη ποσότητα ακαθαρσιών. Λαμβάνεται με τον εμπλουτισμό των συμπυκνωμάτων ιλμενίτη ή των ρουτιλικών μεταλλευμάτων. Στον κλίβανο ηλεκτρικού τόξου, το μετάλλευμα υποβάλλεται σε θερμική επεξεργασία, το οποίο συνοδεύεται από τον διαχωρισμό του σιδήρου και το σχηματισμό σκωρίας που περιέχει οξείδιο του τιτανίου. Η μέθοδος θειικού οξέος ή χλωριδίου χρησιμοποιείται για την επεξεργασία ενός κλάσματος χωρίς σίδηρο. Το οξείδιο του τιτανίου είναι μια γκρίζα σκόνη (βλέπε φωτογραφία). Το μεταλλικό τιτάνιο επιτυγχάνεται με τη σταδιακή επεξεργασία του.

Η πρώτη φάση είναι η διαδικασία της σύντηξης της σκωρίας με τον οπτάνθρακα και η έκθεση σε ατμούς χλωρίου. Το προκύπτον TiCl4 μειώνεται με μαγνήσιο ή νάτριο σε θερμοκρασία 850 ^° C. Ο σπόγγος τιτανίου (πορώδης συντηγμένη μάζα) που λαμβάνεται ως αποτέλεσμα χημικής αντίδρασης καθαρίζεται ή μετασχηματίζεται σε πλινθώματα. Ανάλογα με την περαιτέρω κατεύθυνση της χρήσης, το κράμα ή το μέταλλο σχηματίζεται σε καθαρή μορφή (οι ακαθαρσίες αφαιρούνται με θέρμανση στους 1000 ^° C). Η μέθοδος ιωδιδίου χρησιμοποιείται για την παραγωγή μιας ουσίας με περιεκτικότητα σε προσμείξεις 0,01%. Βασίζεται στη διαδικασία εξάτμισης από ένα σφουγγάρι τιτανίου, προεπεξεργασμένο με αλογόνο, τους ατμούς του.

Εφαρμογές

Το σημείο τήξης του τιτανίου είναι αρκετά υψηλό ώστε, με την ευκολία του μετάλλου, είναι ένα ανεκτίμητο πλεονέκτημα της χρήσης του ως δομικού υλικού. Ως εκ τούτου, βρίσκει τη μεγαλύτερη εφαρμογή στη ναυπηγική βιομηχανία, τη βιομηχανία αεροσκαφών, την κατασκευή πυραύλων, τη χημική βιομηχανία. Το τιτάνιο χρησιμοποιείται συχνά ως πρόσθετο κράματος σε διάφορα κράματα, τα οποία έχουν αυξημένα χαρακτηριστικά σκληρότητας και αντοχής στη θερμότητα. Οι υψηλές αντιδιαβρωτικές ιδιότητες και η ικανότητα να αντέχουν τα πιο επιθετικά μέσα καθιστούν αυτό το μέταλλο αναντικατάστατο για τη χημική βιομηχανία. Το τιτάνιο (τα κράματά του) παράγει σωληνώσεις, δεξαμενές, βαλβίδες διακοπής, φίλτρα που χρησιμοποιούνται για την απόσταξη και τη μεταφορά οξέων και άλλων δραστικών ουσιών. Είναι σε ζήτηση κατά τη δημιουργία συσκευών που λειτουργούν σε συνθήκες υψηλών θερμοκρασιών. Οι ενώσεις του τιτανίου χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ανθεκτικών εργαλείων κοπής, χρωμάτων, πλαστικών και χαρτιού, χειρουργικών εργαλείων, εμφυτευμάτων, κοσμημάτων, υλικών φινιρίσματος που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία τροφίμων. Όλες οι κατευθύνσεις είναι δύσκολο να περιγραφούν. Η σύγχρονη ιατρική λόγω της πλήρους βιολογικής ασφάλειας συχνά χρησιμοποιεί μέταλλο τιτανίου. Τιμή - αυτός είναι ο μόνος παράγοντας που μέχρι στιγμής επηρεάζει το εύρος της εφαρμογής αυτού του στοιχείου. Είναι αλήθεια ότι το Τιτάνιο είναι το υλικό του μέλλοντος, μελετώντας το οποίο, η ανθρωπότητα θα περάσει σε ένα νέο στάδιο ανάπτυξης.