Evig, mystisk, kosmisk, fremtidens materiale - alle disse og mange andre epitet er tildelt titan i forskjellige kilder. Historien om oppdagelsen av dette metallet var ikke triviell: Samtidig jobbet flere forskere med å isolere elementet i sin rene form. Prosessen med å studere de fysiske, kjemiske egenskapene og bestemme bruksområdene er ikke fullført til dags dato. Titan er fremtidens metall, dets plass i menneskelivet er ennå ikke endelig bestemt, noe som gir moderne forskere et stort potensiale for kreativitet og vitenskapelig forskning.
Karakteristisk
Det kjemiske grunnstoffet titan (Titan) er angitt i det periodiske systemet til D. I. Mendeleev med symbolet Ti. Den ligger i den sekundære undergruppen av gruppe IV i fjerde periode og har serienummer 22. Det enkle stoffet titan er et hvit-sølvmetall, lett og holdbart. Den elektroniske konfigurasjonen av et atom har følgende struktur: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Følgelig har titan flere mulige oksidasjonstilstander: 2,3, 4, i de mest stabile forbindelsene er den fireverdig.
Titanium – legering eller metall?
Dette spørsmålet interesserer mange. I 1910 skaffet den amerikanske kjemikeren Hunter det første rene titanet. Metallet inneholdt bare 1% urenheter, men samtidig viste mengden seg å være ubetydelig og gjorde det ikke mulig å studere egenskapene videre. Plasisiteten til det oppnådde stoffet ble kun oppnådd under påvirkning av høye temperaturer; under normale forhold (romtemperatur) var prøven for skjør. Faktisk interesserte ikke dette elementet forskere, siden utsiktene for bruken virket for usikre. Vanskeligheten med å skaffe og forske ytterligere reduserte potensialet for anvendelsen. Først i 1925 mottok kjemikere fra Nederland I. de Boer og A. Van Arkel titanmetall, hvis egenskaper vakte oppmerksomhet fra ingeniører og designere over hele verden. Historien om studiet av dette elementet begynner i 1790, nøyaktig på dette tidspunktet, parallelt, uavhengig av hverandre, oppdager to forskere titan som et kjemisk element. Hver av dem mottar en forbindelse (oksid) av et stoff, og klarer ikke å isolere metallet i sin rene form. Oppdageren av titan er den engelske mineralogmunken William Gregor. På territoriet til sognet hans, som ligger i den sørvestlige delen av England, begynte den unge forskeren å studere den svarte sanden i Menaken-dalen. Resultatet av eksperimenter med en magnet var frigjøring av skinnende korn, som var en titanforbindelse. Samtidig i Tyskland isolerte kjemikeren Martin Heinrich Klaproth et nytt stoff fra mineraletrutil. I 1797 beviste han også at elementer åpnet parallelt er like. Titandioksid har vært et mysterium for mange kjemikere i mer enn et århundre, og til og med Berzelius var ikke i stand til å skaffe rent metall. De nyeste teknologiene på 1900-tallet akselererte betydelig prosessen med å studere det nevnte elementet og bestemte de første instruksjonene for bruken. Samtidig utvides bruksområdet stadig. Bare kompleksiteten til prosessen med å oppnå et slikt stoff som rent titan kan begrense omfanget. Prisen på legeringer og metall er ganske høy, så i dag kan den ikke fortrenge tradisjonelt jern og aluminium.
Opprinnelsen til navnet
Menakin - fornavnet på titan, som ble brukt til 1795. Slik k alte W. Gregor det nye elementet ved territoriell tilhørighet. Martin Klaproth ga grunnstoffet navnet "titanium" i 1797. På dette tidspunktet foreslo hans franske kolleger, ledet av en ganske anerkjent kjemiker A. L. Lavoisier, å navngi de nyoppdagede stoffene i samsvar med deres grunnleggende egenskaper. Den tyske forskeren var ikke enig i denne tilnærmingen, han trodde ganske rimelig at det på oppdagelsesstadiet er ganske vanskelig å bestemme alle egenskapene som er iboende i et stoff og reflektere dem i navnet. Imidlertid bør det erkjennes at begrepet intuitivt valgt av Klaproth tilsvarer metallet - dette har gjentatte ganger blitt understreket av moderne forskere. Det er to hovedteorier for opprinnelsen til navnet titan. Metallet kunne utpekes slik til ære for alvedronningen Titania(karakter av germansk mytologi). Dette navnet symboliserer både lettheten og styrken til stoffet. De fleste forskere er tilbøyelige til å bruke versjonen av bruken av gammel gresk mytologi, der de mektige sønnene til jordens gudinne Gaia ble k alt titaner. Navnet på det tidligere oppdagede grunnstoffet, uran, taler også for denne versjonen.
Å være i naturen
Av metallene som er teknisk verdifulle for mennesker, er titan det fjerde mest tallrike i jordskorpen. Bare jern, magnesium og aluminium er preget av en stor prosentandel i naturen. Det høyeste innholdet av titan er notert i bas altskallet, noe mindre i granittlaget. I sjøvann er innholdet av dette stoffet lavt - omtrent 0,001 mg / l. Det kjemiske elementet titan er ganske aktivt, så det kan ikke finnes i sin rene form. Oftest er det tilstede i forbindelser med oksygen, mens det har en valens på fire. Antall titanholdige mineraler varierer fra 63 til 75 (i forskjellige kilder), mens forskere på nåværende forskningsstadium fortsetter å oppdage nye former for dets forbindelser. For praktisk bruk er følgende mineraler av største betydning:
- Ilmenite (FeTiO3).
- Rutile (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskite (CaTiO3).
- Titanomagnetitt (FeTiO3+Fe3O4) osv.
Alle eksisterende titanholdige malmer er delt inn ialluvial og grunnleggende. Dette elementet er en svak migrant, det kan bare reise i form av steinfragmenter eller bevegelige siltholdige bergarter. I biosfæren finnes den største mengden titan i alger. I representanter for den terrestriske faunaen akkumuleres elementet i kåte vev, hår. Menneskekroppen er preget av tilstedeværelsen av titan i milten, binyrene, morkaken, skjoldbruskkjertelen.
Fysiske egenskaper
Titan er et ikke-jernholdig metall med en sølvhvit farge som ser ut som stål. Ved en temperatur på 0 0C er tettheten 4,517 g/cm3. Stoffet har lav egenvekt, som er typisk for alkalimetaller (kadmium, natrium, litium, cesium). Når det gjelder tetthet, inntar titan en mellomposisjon mellom jern og aluminium, mens ytelsen er høyere enn for begge elementene. Hovedegenskapene til metaller som tas i betraktning når man bestemmer omfanget av deres anvendelse, er flytestyrken og hardheten. Titan er 12 ganger sterkere enn aluminium, 4 ganger sterkere enn jern og kobber, samtidig som det er mye lettere. Plassiteten til et rent stoff og dets flytegrense gjør det mulig å behandle ved lave og høye temperaturer, som for andre metaller, det vil si ved nagling, smiing, sveising, valsing. Et karakteristisk kjennetegn ved titan er dets lave termiske og elektriske ledningsevne, mens disse egenskapene bevares ved høye temperaturer, opptil 500 0С. I et magnetfelt er titan et paramagnetisk grunnstoff, det gjør det ikketiltrekkes som jern, og presses ikke ut som kobber. Svært høy anti-korrosjonsytelse i aggressive miljøer og under mekanisk påkjenning er unik. Mer enn 10 år med å være i sjøvann endret ikke utseendet og sammensetningen av titanplaten. Jern i dette tilfellet ville bli fullstendig ødelagt av korrosjon.
Termodynamiske egenskaper til titan
- Tetthet (under normale forhold) er 4,54 g/cm3.
- Atomnummeret er 22.
- Metalgruppe - ildfast, lett.
- Atommassen til titan er 47,0.
- Kokepunkt (0С) – 3260.
- Molart volum cm3/mol – 10, 6.
- Titansmeltepunkt (0С) – 1668.
- Spesifikk fordampningsvarme (kJ/mol) – 422, 6.
- Elektrisk motstand (ved 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Kjemiske egenskaper
Den økte korrosjonsmotstanden til elementet skyldes dannelsen av en liten oksidfilm på overflaten. Det forhindrer (under normale forhold) kjemiske reaksjoner med gasser (oksygen, hydrogen) i atmosfæren rundt et grunnstoff som titanmetall. Dens egenskaper endres under påvirkning av temperatur. Når den stiger til 600 0С, oppstår en interaksjonsreaksjon med oksygen, noe som resulterer i dannelsen av titanoksid (TiO2). Ved absorpsjon av atmosfæriske gasser dannes sprø forbindelser som ikke har noen praktisk anvendelse, og derfor utføres sveising og smelting av titan under vakuumforhold. reversibel reaksjoner prosessen med hydrogenoppløsning i metallet, skjer den mer aktivt med en temperaturøkning (fra 400 0С og høyere). Titan, spesielt dets små partikler (tynne plate eller tråd), brenner i en nitrogenatmosfære. En kjemisk interaksjonsreaksjon er bare mulig ved en temperatur på 700 0С, noe som resulterer i dannelsen av TiN-nitrid. Danner svært harde legeringer med mange metaller, ofte som legeringselement. Det reagerer med halogener (krom, brom, jod) bare i nærvær av en katalysator (høy temperatur) og gjenstand for interaksjon med et tørt stoff. I dette tilfellet dannes det svært harde ildfaste legeringer. Med løsninger av de fleste alkalier og syrer er titan kjemisk inaktivt, med unntak av konsentrert svovelsyre (med langvarig koking), flussyre, varm organisk (maursyre, oksalsyre).
innskudd
Ilmenittmalm er de vanligste i naturen - deres reserver er anslått til 800 millioner tonn. Forekomstene av rutilforekomster er mye mer beskjedne, men det totale volumet - samtidig som produksjonsveksten opprettholdes - bør gi menneskeheten i de neste 120 årene et metall som titan. Prisen på det ferdige produktet vil avhenge av etterspørselen og en økning i produksjonsnivået, men i gjennomsnitt varierer den i området fra 1200 til 1800 rubler/kg. Under forhold med konstant teknisk forbedring reduseres kostnadene for alle produksjonsprosesser betydelig med deres rettidige modernisering. Kina og Russland har de største reservene av titanmalm, samt mineralerJapan, Sør-Afrika, Australia, Kasakhstan, India, Sør-Korea, Ukraina, Ceylon har en råvarebase. Forekomstene varierer i produksjonsvolum og prosentandel titan i malmen, geologiske undersøkelser pågår, noe som gjør det mulig å anta en nedgang i markedsverdien av metallet og dets bredere bruk. Russland er den klart største produsenten av titan.
Motta
For produksjon av titan brukes titandioksid oftest, som inneholder en minimumsmengde urenheter. Det oppnås ved anrikning av ilmenittkonsentrater eller rutilmalm. I lysbueovnen foregår varmebehandlingen av malmen, som er ledsaget av separasjon av jern og dannelse av slagg som inneholder titanoksid. Sulfat- eller kloridmetoden brukes til å behandle den jernfrie fraksjonen. Titanoksid er et grått pulver (se bilde). Titanmetall oppnås ved trinnvis prosessering.
Den første fasen er prosessen med sintring av slagg med koks og eksponering for klordamp. Den resulterende TiCl4 reduseres med magnesium eller natrium når den utsettes for en temperatur på 850 0C. Titansvamp (porøs smeltet masse), oppnådd som et resultat av en kjemisk reaksjon, raffineres eller smeltes til ingots. Avhengig av videre bruksretning dannes det en legering eller rent metall (urenheter fjernes ved oppvarming til 1000 0С). For produksjon av et stoff med et urenhetsinnhold på 0,01 %, brukes jodidmetoden. Det er basert på prosessenfordampning fra en titansvamp forbehandlet med halogen, dens damp.
Bruksområder
Smeltepunktet til titan er ganske høyt, noe som gitt metallets letthet er en uvurderlig fordel ved å bruke det som et strukturelt materiale. Derfor finner den størst anvendelse innen skipsbygging, luftfartsindustrien, produksjon av raketter og kjemisk industri. Titan brukes ganske ofte som legeringsadditiv i forskjellige legeringer, som har økt hardhet og varmebestandighetsegenskaper. Høye anti-korrosjonsegenskaper og evnen til å motstå de fleste aggressive miljøer gjør dette metallet uunnværlig for kjemisk industri. Titan (dets legeringer) brukes til å lage rørledninger, tanker, ventiler, filtre som brukes i destillasjon og transport av syrer og andre kjemisk aktive stoffer. Det er etterspurt når du lager enheter som opererer under forhold med forhøyede temperaturindikatorer. Titanforbindelser brukes til å lage holdbare skjæreverktøy, maling, plast og papir, kirurgiske instrumenter, implantater, smykker, etterbehandlingsmaterialer, og brukes i næringsmiddelindustrien. Alle retninger er vanskelige å beskrive. Moderne medisin, på grunn av fullstendig biologisk sikkerhet, bruker ofte titanmetall. Pris er den eneste faktoren som så langt påvirker bruksbredden for dette elementet. Det er rimelig å si at titan er fremtidens materiale, ved å studere hvilken menneskehet som vil beståtil et nytt utviklingsstadium.
