Örökkévaló, titokzatos, kozmikus, a jövő anyaga – mindezeket és sok más jelzőt is a titánhoz rendelnek különböző források. Ennek a fémnek a felfedezésének története nem volt triviális: ugyanakkor több tudós is dolgozott az elem tiszta formájában történő izolálásán. A fizikai, kémiai tulajdonságok vizsgálata és az alkalmazási területek meghatározása a mai napig nem zárult le. A titán a jövő féme, helyét az emberi életben még nem határozták meg véglegesen, ami hatalmas teret ad a modern kutatóknak a kreativitás és a tudományos kutatás számára.
Jellemző
A titán (Titanium) kémiai elemet D. I. Mengyelejev periódusos rendszerében a Ti szimbólum jelzi. A negyedik periódus IV. csoportjának másodlagos alcsoportjában található és 22-es sorozatszámmal rendelkezik. Az egyszerű anyag, a titán egy fehér-ezüst fém, könnyű és tartós. Az atomok elektronikus konfigurációja a következő szerkezettel rendelkezik: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Ennek megfelelően a titánnak számos lehetséges oxidációs állapota van: 2,3, 4, a legstabilabb vegyületekben négy vegyértékű.
Titán – ötvözet vagy fém?
Ez a kérdés sokakat érdekel. 1910-ben Hunter amerikai vegyész megszerezte az első tiszta titánt. A fém mindössze 1% szennyeződést tartalmazott, ugyanakkor mennyisége elhanyagolhatónak bizonyult, és nem tette lehetővé tulajdonságainak további tanulmányozását. A kapott anyag plaszticitása csak magas hőmérséklet hatására alakult ki, normál körülmények között (szobahőmérséklet) a minta túlságosan törékeny volt. Valójában ez az elem nem érdekelte a tudósokat, mivel felhasználásának kilátásai túlságosan bizonytalannak tűntek. A megszerzés és a kutatás nehézségei tovább csökkentették alkalmazásának lehetőségét. A holland vegyészek I. de Boer és A. Van Arkel csak 1925-ben kaptak titánfémet, amelynek tulajdonságai világszerte felkeltették a mérnökök és tervezők figyelmét. Ennek az elemnek a tanulmányozásának története 1790-ben kezdődik, pontosan ekkor, párhuzamosan, egymástól függetlenül két tudós fedezi fel a titánt mint kémiai elemet. Mindegyikük egy anyag vegyületét (oxidját) kapja, és nem tudja a fémet tiszta formájában elkülöníteni. A titán felfedezője William Gregor angol mineralógus szerzetes. Anglia délnyugati részén található plébániáján a fiatal tudós elkezdte tanulmányozni a Menaken-völgy fekete homokját. A mágnessel végzett kísérletek eredményeként fényes szemcsék szabadultak fel, amelyek titánvegyületek voltak. Ugyanebben az időben Németországban Martin Heinrich Klaproth vegyész új anyagot izolált az ásványbólrutil. 1797-ben azt is bebizonyította, hogy a párhuzamosan nyitott elemek hasonlóak. A titán-dioxid több mint egy évszázada sok vegyész számára rejtély, és még Berzeliusnak sem sikerült tiszta fémet előállítania. A 20. század legújabb technológiái jelentősen felgyorsították az említett elem tanulmányozásának folyamatát, és meghatározták felhasználásának kezdeti irányait. Ugyanakkor az alkalmazási kör folyamatosan bővül. Csak az ilyen anyagok, például tiszta titán előállításának folyamatának összetettsége korlátozhatja a hatókörét. Az ötvözetek és a fémek ára meglehetősen magas, így ma már nem tudja kiszorítani a hagyományos vasat és alumíniumot.
A név eredete
Menakin – a titán első neve, amelyet 1795-ig használtak. Így nevezte W. Gregor területi hovatartozás szerint az új elemet. Martin Klaproth 1797-ben a "titán" nevet adta az elemnek. Ekkor francia kollégái egy meglehetősen tekintélyes kémikus, A. L. Lavoisier vezetésével azt javasolták, hogy az újonnan felfedezett anyagokat alapvető tulajdonságaiknak megfelelően nevezzék el. A német tudós nem értett egyet ezzel a megközelítéssel, ésszerűen azt hitte, hogy a felfedezés szakaszában meglehetősen nehéz meghatározni az anyag összes jellemzőjét, és tükrözni azokat a névben. Fel kell ismerni azonban, hogy a Klaproth által intuitív módon választott kifejezés teljes mértékben megfelel a fémnek - ezt a modern tudósok többször is hangsúlyozták. A titán név eredetére két fő elmélet létezik. A fémet Titánia tündekirálynő tiszteletére lehetne így jelölni(a germán mitológia szereplője). Ez a név az anyag könnyedségét és erejét egyaránt szimbolizálja. A legtöbb tudós hajlamos az ókori görög mitológia használatának változatát használni, amelyben Gaia földistennő hatalmas fiait titánoknak nevezték. A korábban felfedezett elem, az urán neve is e változat mellett szól.
A természetben lenni
Az ember számára műszakilag értékes fémek közül a titán a negyedik legelterjedtebb a földkéregben. A természetben csak a vas, a magnézium és az alumínium jellemző nagy százalékban. A legmagasabb titántartalom a baz althéjban található, valamivel kevesebb a gránitrétegben. A tengervízben ennek az anyagnak a tartalma alacsony - körülbelül 0,001 mg / l. A titán kémiai elem meglehetősen aktív, ezért tiszta formájában nem található meg. Leggyakrabban oxigénnel rendelkező vegyületekben van jelen, míg vegyértéke négy. A titántartalmú ásványok száma 63 és 75 között változik (különböző forrásokban), miközben a kutatás jelenlegi szakaszában a tudósok továbbra is vegyületeinek új formáit fedezik fel. A gyakorlati felhasználás szempontjából a következő ásványok a legfontosabbak:
- Ilmenite (FeTiO3).
- Rutil (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskite (CaTiO3).
- Titanomagnetit (FeTiO3+Fe3O4) stb.
Az összes létező titántartalmú érc fel van osztvahordalékos és bázikus. Ez az elem gyenge vándorló, csak szikladarabok vagy mozgó iszapos fenékkőzetek formájában tud utazni. A bioszférában a legnagyobb mennyiségű titán az algákban található. A szárazföldi fauna képviselőinél az elem felhalmozódik a kanos szövetekben, a hajban. Az emberi szervezetre jellemző a titán jelenléte a lépben, a mellékvesékben, a méhlepényben és a pajzsmirigyben.
Fizikai tulajdonságok
A titán egy ezüstös-fehér színű színesfém, amely acélnak tűnik. 0 0C hőmérsékleten a sűrűsége 4,517 g/cm3. Az anyag fajsúlya alacsony, ami az alkálifémekre (kadmium, nátrium, lítium, cézium) jellemző. Sűrűség szempontjából a titán köztes helyet foglal el a vas és az alumínium között, miközben teljesítménye mindkét eleménál magasabb. A fémek alkalmazási körének meghatározásakor figyelembe vett fő tulajdonságai a folyáshatár és a keménység. A titán 12-szer erősebb, mint az alumínium, 4-szer erősebb, mint a vas és a réz, ugyanakkor sokkal könnyebb. A tiszta anyag plaszticitása és folyáshatára lehetővé teszi a többi fémhez hasonlóan alacsony és magas hőmérsékleten történő feldolgozást, azaz szegecseléssel, kovácsolással, hegesztéssel, hengerléssel. A titán megkülönböztető jellemzője az alacsony hő- és elektromos vezetőképesség, miközben ezek a tulajdonságok magas hőmérsékleten is megmaradnak, akár 500 0С. Mágneses térben a titán paramágneses elem, nem azvonzza, mint a vas, és nem nyomja ki, mint a réz. A rendkívül magas korróziógátló teljesítmény agresszív környezetben és mechanikai igénybevétel esetén egyedülálló. Több mint 10 év tengervízben való tartózkodás nem változtatta meg a titánlemez megjelenését és összetételét. Ebben az esetben a vas teljesen tönkremenne a korrózió következtében.
A titán termodinamikai tulajdonságai
- Sűrűség (normál körülmények között) 4,54g/cm3.
- A rendszám 22.
- Fém csoport - tűzálló, könnyű.
- A titán atomtömege 47,0.
- Forráspont (0С) – 3260.
- Moláris térfogat cm3/mol – 10, 6.
- Titán olvadáspontja (0С) – 1668.
- Fajlagos párolgási hő (kJ/mol) – 422, 6.
- Elektromos ellenállás (20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Kémiai tulajdonságok
Az elem megnövekedett korrózióállósága annak köszönhető, hogy egy kis oxidfilm képződik a felületen. Megakadályozza (normál körülmények között) a kémiai reakciókat gázokkal (oxigén, hidrogén) egy elem, például a titán atmoszférájában. Tulajdonságai a hőmérséklet hatására megváltoznak. Amikor 600 0С-ra emelkedik, kölcsönhatási reakció lép fel az oxigénnel, ami titán-oxid (TiO2) képződését eredményezi. A légköri gázok abszorpciója esetén rideg vegyületek keletkeznek, amelyeknek nincs gyakorlati alkalmazása, ezért a titán hegesztése és olvasztása vákuum körülmények között történik. reverzibilis reakcióa hidrogén feloldódási folyamata a fémben, aktívabban megy végbe a hőmérséklet emelkedésével (400 0С és magasabb). A titán, különösen apró részecskéi (vékony lemez vagy huzal), nitrogénatmoszférában égnek. A kölcsönhatás kémiai reakciója csak 700 0С hőmérsékleten lehetséges, ami TiN-nitrid képződését eredményezi. Nagyon kemény ötvözeteket képez sok fémmel, gyakran ötvözőelemként. Halogénekkel (króm, bróm, jód) csak katalizátor jelenlétében (magas hőmérsékleten) és száraz anyaggal kölcsönhatásba lépve lép reakcióba. Ebben az esetben nagyon kemény tűzálló ötvözetek keletkeznek. A legtöbb lúg és sav oldatával a titán kémiailag inaktív, kivéve a tömény kénsavat (hosszú forrásban lévő), fluorhidrogén-savat, forró szerves anyagot (hangyasav, oxálsav).
Befizetések
Az ilmenit ércek a legelterjedtebbek a természetben – készleteiket 800 millió tonnára becsülik. A rutillelőhelyek lelőhelyei jóval szerényebbek, de a teljes mennyiség - a termelés növekedésének fenntartása mellett - az emberiséget a következő 120 évre ellátja olyan fémmel, mint a titán. A késztermék ára a kereslettől és a gyárthatóság növekedésétől függ, de átlagosan 1200 és 1800 rubel/kg között változik. Folyamatos műszaki fejlesztés mellett az összes gyártási folyamat költsége jelentősen csökken azok időben történő korszerűsítésével. Kína és Oroszország rendelkezik a legnagyobb titánérc- és ásványkészletekkelJapán, Dél-Afrika, Ausztrália, Kazahsztán, India, Dél-Korea, Ukrajna, Ceylon rendelkezik nyersanyagbázissal. A lelőhelyek a termelés mennyiségében és az ércben lévő titán százalékában különböznek, a geológiai kutatások folyamatban vannak, ami lehetővé teszi a fém piaci értékének csökkenését és szélesebb körű felhasználását. Oroszország messze a legnagyobb titángyártó.
Fogadás
A titán előállításához leggyakrabban titán-dioxidot használnak, amely minimális mennyiségű szennyeződést tartalmaz. Ilmenit koncentrátumok vagy rutilércek dúsításával nyerik. Az elektromos ívkemencében az érc hőkezelése történik, amely a vas leválasztásával és titán-oxid tartalmú salakképződéssel jár együtt. A vasmentes frakció feldolgozására szulfátos vagy kloridos módszert alkalmaznak. A titán-oxid egy szürke por (lásd a fényképet). A titán fémet szakaszos feldolgozásával nyerik.
Az első fázis a salak koksszal történő szinterezésének és klórgőznek való kitételének folyamata. A kapott TiCl4 magnéziummal vagy nátriummal redukálódik, ha 850 °C 0C hőmérsékletnek tesszük ki. A kémiai reakció eredményeként kapott titánszivacsot (porózus olvasztott masszát) finomítják vagy tuskóba olvasztják. A további felhasználási iránytól függően ötvözet vagy tiszta fém keletkezik (1000 0С-ra melegítéssel távolítják el a szennyeződéseket). 0,01%-os szennyezőanyag-tartalmú anyag előállításához a jodid módszert alkalmazzák. A folyamaton alapulpárolgás halogénnel előkezelt titán szivacsról, annak gőzei.
Alkalmazási területek
A titán olvadáspontja meglehetősen magas, ami a fém könnyűsége miatt felbecsülhetetlen előnye, hogy szerkezeti anyagként használjuk. Ezért a legnagyobb alkalmazást a hajógyártásban, a repülési iparban, a rakétagyártásban és a vegyiparban találja. A titánt gyakran használják ötvöző adalékként különféle ötvözetekben, amelyek megnövelt keménységgel és hőállósági jellemzőkkel rendelkeznek. A magas korróziógátló tulajdonságok és a legtöbb agresszív környezettel szembeni ellenálló képesség miatt ez a fém nélkülözhetetlen a vegyiparban. A titánból (ötvözeteiből) csővezetékeket, tartályokat, szelepeket, szűrőket készítenek, amelyeket savak és egyéb kémiailag aktív anyagok desztillálásához és szállításához használnak. Szükség van rá, amikor olyan eszközöket hoznak létre, amelyek megemelt hőmérsékleti mutatók körülményei között működnek. A titánvegyületekből tartós vágószerszámokat, festékeket, műanyagokat és papírt, sebészeti eszközöket, implantátumokat, ékszereket, befejező anyagokat készítenek, és az élelmiszeriparban használják. Minden irányt nehéz leírni. A modern orvostudomány a teljes biológiai biztonság miatt gyakran titánfémet használ. Az ár az egyetlen tényező, amely eddig befolyásolja ennek az elemnek a széleskörű alkalmazását. Joggal mondhatjuk, hogy a titán a jövő anyaga, amelynek tanulmányozása során az emberiség el fog múlnia fejlődés új szakaszába.
