Tytan jest metalem. Właściwości tytanu

/mol)

Fabuła

Odkrycia dwutlenku tytanu (TiO 2) dokonali niemal jednocześnie i niezależnie od siebie Anglik W. Gregor i niemiecki chemik M. G. Klaproth. W. Gregor badając skład magnetycznego piasku żelazistego (Creed, Kornwalia, Anglia) wyizolował nową „ziemię” (tlenek) nieznanego metalu, którą nazwał menaken. W 1795 roku niemiecki chemik Klaproth odkrył w tym minerale rutyl nowy element i nazwał go Tytanem. Dwa lata później Klaproth ustalił, że rutyl i ziemia menakenowa są tlenkami tego samego pierwiastka, co dało podstawę do zaproponowanej przez Klaprotha nazwy „tytan”. Dziesięć lat później odkrycie tytanu miało miejsce po raz trzeci: francuski naukowiec L. Vauquelin odkrył tytan w anatazie i udowodnił, że rutyl i anataz to identyczne tlenki tytanu.

Pierwszą próbkę tytanu metalicznego uzyskał w 1825 roku Szwed J. J. Berzelius. Ze względu na dużą aktywność chemiczną tytanu i trudność jego oczyszczenia, czystą próbkę Ti uzyskali Holendrzy A. van Arkel i I. de Boer w 1925 roku w wyniku termicznego rozkładu par jodku tytanu TiI 4 .

Tytana nie odnaleziono zastosowań przemysłowych, natomiast Luksemburczyk G. Kroll (Język angielski) Rosyjski nie opatentował prostej magnezowo-termicznej metody redukcji metalicznego tytanu z czterochlorku w 1940 r.; ta metoda (proces Kroll (Język angielski) Rosyjski) do dziś pozostaje jednym z głównych w przemysłowej produkcji tytanu.

pochodzenie imienia

Metal otrzymał swoją nazwę na cześć tytanów, postaci ze starożytnej mitologii greckiej, dzieci Gai. Nazwę pierwiastka nadał Martin Klaproth zgodnie z jego poglądami na temat nomenklatura chemiczna w przeciwieństwie do francuskiej szkoły chemicznej, gdzie próbowano nazwać pierwiastek na podstawie jego właściwości chemicznych. Ponieważ sam niemiecki badacz zauważył niemożność określenia właściwości nowego pierwiastka jedynie na podstawie jego tlenku, wybrał dla niego nazwę z mitologii, analogicznie do odkrytego wcześniej uranu.

Będąc w naturze

Tytan znajduje się na 10. miejscu pod względem rozpowszechnienia w przyrodzie. Zawartość w skorupie ziemskiej wynosi 0,57% wag., w wodzie morskiej – 0,001 mg/l. W skałach ultrazasadowych 300 g/t, w skałach zasadowych - 9 kg/t, w skałach kwaśnych 2,3 kg/t, w iłach i łupkach 4,5 kg/t. W skorupie ziemskiej tytan jest prawie zawsze czterowartościowy i występuje tylko w związkach tlenu. Nie znaleziono w darmowej formie. W warunkach wietrzenia i opadów tytan wykazuje powinowactwo geochemiczne z Al 2 O 3 . Koncentruje się w boksytach zwietrzałych skorupy i w morskich osadach ilastych. Tytan transportowany jest w postaci mechanicznych fragmentów minerałów oraz w postaci koloidów. W niektórych glinach gromadzi się do 30% wagowych TiO2. Minerały tytanu są odporne na warunki atmosferyczne i tworzą duże stężenia w podkładkach. Znanych jest ponad 100 minerałów zawierających tytan. Najważniejsze z nich to: rutyl TiO 2, ilmenit FeTiO 3, tytanomagnetyt FeTiO 3 + Fe 3 O 4, perowskit CaTiO 3, tytanit (sfen) CaTiSiO 5. Wyróżnia się pierwotne rudy tytanu - ilmenit-tytan-magnetyt i rudy placerowe - rutyl-ilmenit-cyrkon.

Miejsce urodzenia

Duże pierwotne złoża tytanu znajdują się w Republice Południowej Afryki, Rosji, Ukrainie, Kanadzie, USA, Chinach, Norwegii, Szwecji, Egipcie, Australii, Indiach, Korea Południowa, Kazachstan; Złoża placerów znajdują się w Brazylii, Indiach, USA, Sierra Leone i Australii. W krajach WNP czołowe miejsca w rozpoznanych zasobach rud tytanu zajmują Federacja Rosyjska (58,5%) i Ukraina (40,2%). Największym złożem w Rosji jest Jaregskoje.

Rezerwy i produkcja

Od 2002 r. 90% wydobytego tytanu wykorzystywano do produkcji dwutlenku tytanu TiO 2 . Światowa produkcja dwutlenku tytanu wynosiła 4,5 miliona ton rocznie. Potwierdzone zasoby dwutlenku tytanu (bez Rosji) wynoszą około 800 mln ton.Według US Geological Survey, w 2006 roku, w przeliczeniu na dwutlenek tytanu z wyłączeniem Rosji, zasoby rud ilmenitowych wynoszą 603-673 mln ton, a rud rutylowych - 49,7-52,7 mln ton. Zatem przy obecnym tempie wydobycia potwierdzone światowe zasoby tytanu (z wyłączeniem Rosji) wystarczą na ponad 150 lat.

Rosja posiada drugie po Chinach największe zasoby tytanu na świecie. Baza surowców mineralnych Rosyjskie złoża tytanu obejmują 20 złóż (w tym 11 złóż pierwotnych i 9 aluwialnych), rozmieszczonych dość równomiernie na terenie kraju. Największe ze zbadanych złóż (Yaregskoje) położone jest 25 km od miasta Uchta (Republika Komi). Zasoby złoża szacowane są na 2 miliardy ton rudy o średniej zawartości dwutlenku tytanu na poziomie około 10%.

Największym na świecie producentem tytanu jest rosyjska firma VSMPO-AVISMA.

Paragon

Z reguły materiałem wyjściowym do produkcji tytanu i jego związków jest dwutlenek tytanu ze stosunkowo niewielką ilością zanieczyszczeń. W szczególności może to być koncentrat rutylu otrzymywany ze wzbogacania rud tytanu. Jednakże zasoby rutylu na świecie są bardzo ograniczone i coraz częściej stosuje się tzw. żużel rutylowy syntetyczny lub tytanowy, otrzymywany z przerobu koncentratów ilmenitowych. Aby otrzymać żużel tytanowy, koncentrat ilmenitu redukuje się w elektrycznym piecu łukowym, żelazo oddziela się na fazę metaliczną (żeliwo), a niezredukowane tlenki tytanu i zanieczyszczenia tworzą fazę żużlową. Żużel bogaty przerabia się metodą chlorkową lub kwasowo-siarkową.

Koncentrat rudy tytanu poddawany jest obróbce kwasem siarkowym lub pirometalurgii. Produktem obróbki kwasem siarkowym jest proszek dwutlenku tytanu TiO2. Metodą pirometalurgiczną rudę spieka się z koksem i poddaje działaniu chloru, w wyniku czego powstają pary tetrachlorku tytanu TiCl 4:

Powstałe pary TiCl 4 są redukowane magnezem w temperaturze 850 °C:

Ponadto tak zwany proces FFC Cambridge, nazwany na cześć jego twórców Dereka Fraya, Toma Farthinga i George'a Chena z Uniwersytetu w Cambridge, gdzie został stworzony, zaczyna zyskiwać obecnie na popularności. Ten proces elektrochemiczny umożliwia bezpośrednią, ciągłą redukcję tytanu z tlenku w stopionej mieszaninie chlorku wapnia i wapna palonego (tlenku wapnia). W procesie tym wykorzystuje się kąpiel elektrolityczną wypełnioną mieszaniną chlorku wapnia i wapna, z grafitową anodą protektorową (lub neutralną) i katodą wykonaną z redukowalnego tlenku. Gdy prąd przepływa przez kąpiel, temperatura szybko osiąga ~ 1000-1100 ° C, a stopiony tlenek wapnia rozkłada się na anodzie na tlen i wapń metaliczny:

Powstały tlen utlenia anodę (w przypadku zastosowania grafitu), a wapń migruje w stopie do katody, gdzie redukuje tytan z jego tlenku:

Powstały tlenek wapnia ponownie dysocjuje na tlen i metaliczny wapń, a proces jest powtarzany aż do całkowitego przekształcenia katody w gąbkę tytanową lub wyczerpania się tlenku wapnia. Chlorek wapnia w ten proces stosowany jako elektrolit w celu nadania przewodności elektrycznej stopowi i mobilności aktywnych jonów wapnia i tlenu. W przypadku zastosowania obojętnej anody (na przykład dwutlenku cyny) zamiast dwutlenku węgla na anodzie uwalniany jest tlen cząsteczkowy, co powoduje mniejsze zanieczyszczenie środowisko jednak proces w tym przypadku staje się mniej stabilny, a dodatkowo w pewnych warunkach rozkład chlorku, a nie tlenku wapnia, staje się bardziej korzystny energetycznie, co prowadzi do uwolnienia chloru cząsteczkowego.

Powstałą tytanową „gąbkę” topi się i oczyszcza. Tytan rafinuje się metodą jodkową lub elektrolizą, oddzielając Ti od TiCl 4 . Aby uzyskać wlewki tytanowe, stosuje się obróbkę łukową, wiązką elektronów lub plazmą.

Właściwości fizyczne

Tytan to lekki srebrzystobiały metal. Przy normalnym ciśnieniu występuje w dwóch odmianach krystalicznych: niskotemperaturowej α-Ti z sześciokątną, gęsto upakowaną siatką (układ sześciokątny, grupa przestrzenna C 6mmc, parametry komórki A= 0,2953 nm, C= 0,4729 nm, Z = 2 ) i wysokotemperaturowy β-Ti z sześciennym wypełnieniem skupionym wokół korpusu (układ sześcienny, grupa przestrzenna Jestem 3M, parametry komórki A= 0,3269 nm, Z = 2 ), temperatura przejścia α↔β 883 °C, ciepło przejścia Δ H=3,8 kJ/mol (87,4 kJ/kg). Większość metali rozpuszczonych w tytanie stabilizuje fazę β i obniża temperaturę przejścia α↔β. Przy ciśnieniach powyżej 9 GPa i temperaturach powyżej 900°C tytan przekształca się w fazę heksagonalną (ω -Ti). Gęstości α-Ti i β-Ti wynoszą odpowiednio 4,505 g/cm3 (w temperaturze 20°C) i 4,32 g/cm3 (w temperaturze 900°C). Gęstość atomowa α-tytanu wynosi 5,67⋅10 22 at/cm3.

Temperatura topnienia tytanu pod ciśnieniem normalnym wynosi 1670 ± 2°C, czyli 1943 ± 2 K (przyjęta jako jeden z wtórnych punktów kalibracyjnych skali temperatury ITS-90 (Język angielski) Rosyjski) . Temperatura wrzenia 3287 °C. W wystarczająco niskich temperaturach (-80°C) tytan staje się dość kruchy. Ciepło molowe w warunkach normalnych C str= 25,060 kJ/(mol · K), co odpowiada pojemności cieplnej właściwej wynoszącej 0,523 kJ/(kg·K). Ciepło topnienia 15 kJ/mol, ciepło parowania 410 kJ/mol. Charakterystyczna temperatura Debye'a wynosi 430 K. Przewodność cieplna 21,9 W/(mK) przy 20°C. Współczynnik temperaturowy rozszerzalności liniowej wynosi 9,2·10 −6 K −1 w zakresie od −120 do +860 °C. Entropia molowa α-tytanu S 0 = 30,7 kJ/(mol · K). W przypadku tytanu w fazie gazowej entalpia tworzenia wynosi Δ H0
F= 473,0 kJ/mol, Energia Gibbsa Δ G0
F= 428,4 kJ/mol, entropia molowa S 0 = 180,3 kJ/(mol·K), pojemność cieplna przy stałym ciśnieniu C str= 24,4 kJ/(mol·K)

Plastik, zgrzewalny w atmosferze obojętnej. Charakterystyka wytrzymałościowa w niewielkim stopniu zależy od temperatury, ale w dużym stopniu zależy od czystości i obróbki wstępnej. Dla tytanu technicznego twardość Vickersa wynosi 790-800 MPa, normalny moduł sprężystości wynosi 103 GPa, a moduł sprężystości przy ścinaniu wynosi 39,2 GPa. Tytan o wysokiej czystości, wyżarzany w próżni, ma granicę plastyczności 140-170 MPa, wydłużenie względne 55-70%, twardość Brinella 716 MPa.

Posiada dużą lepkość, podczas obróbki ma skłonność do przyklejania się do narzędzia skrawającego, dlatego wymaga nanoszenia na narzędzie specjalnych powłok oraz różnorodnych smarów.

Na normalna temperatura pokryty ochronną pasywującą warstwą tlenku TiO 2, dzięki czemu jest odporny na korozję w większości środowisk (z wyjątkiem zasadowych).

Właściwości chemiczne

Łatwo reaguje nawet ze słabymi kwasami w obecności czynników kompleksujących, np. oddziałuje z kwasem fluorowodorowym w wyniku tworzenia kompleksowego anionu 2-. Tytan jest najbardziej podatny na korozję w środowiskach organicznych, ponieważ w obecności wody na powierzchni produktu tytanowego tworzy się gęsta pasywna warstwa tlenków i wodorków tytanu. Najbardziej zauważalny wzrost odporności korozyjnej tytanu zauważalny jest przy wzroście zawartości wody w środowisku agresywnym od 0,5 do 8,0%, co potwierdzają badania elektrochemiczne potencjałów elektrodowych tytanu w roztworach kwasów i zasad w mieszanych wodno-organicznych głoska bezdźwięczna.

Po podgrzaniu na powietrzu do temperatury 1200°C Ti zapala się jasnym białym płomieniem, tworząc fazy tlenkowe o zmiennym składzie TiOx. Wodorotlenek TiO(OH) 2·xH 2 O wytrąca się z roztworów soli tytanu i po dokładnej kalcynacji otrzymuje się tlenek TiO 2. Wodorotlenek TiO(OH) 2 xH 2 O i dwutlenek TiO 2 są amfoteryczne.

Kiedy tytan oddziałuje z węglem, powstaje węglik tytanu Ti x C x (x = Ti 20 C 9 - TiC.

• Tytan w postaci stopów jest najważniejszym materiałem konstrukcyjnym w przemyśle lotniczym, rakietowym i stoczniowym.
• Metal jest używany w przemysł chemiczny(reaktory, rurociągi, pompy, armatura rurociągów), przemysł militarny(kamizelki kuloodporne, bariery pancerne i ogniowe w lotnictwie, kadłuby okrętów podwodnych), procesy przemysłowe (odsalalnie, procesy celulozowo-papiernicze), przemysł motoryzacyjny, przemysł rolniczy, przemysł spożywczy, artykuły sportowe, biżuteria, telefony komórkowe, stopy lekkie itp.
• Tytan jest fizjologicznie obojętny, dzięki czemu znajduje zastosowanie w medycynie (protezy, osteoprotezy, implanty zębowe), w instrumentach stomatologicznych i endodontycznych oraz w biżuterii do piercingu.
• Odlewanie tytanu odbywa się w piecach próżniowych do form grafitowych. Stosowane jest również odlewanie próżniowe metodą traconego wosku. Ze względu na trudności technologiczne w ograniczonym zakresie stosowany jest w odlewnictwie artystycznym. Pierwszą w praktyce światowej monumentalną rzeźbą odlewaną z tytanu jest pomnik Jurija Gagarina na placu jego imienia w Moskwie.
• Tytan jest dodatkiem stopowym wielu stali stopowych i większości stopów specjalnych [ które?] .
• Nitinol (nikiel-tytan) to stop z pamięcią kształtu stosowany w medycynie i technologii.
• Glinki tytanu są bardzo odporne na utlenianie i żaroodporne, co z kolei zdecydowało o ich zastosowaniu w przemyśle lotniczym i samochodowym jako materiałów konstrukcyjnych.
• Tytan jest jednym z najpowszechniejszych

Najbardziej znaczące dla gospodarki narodowej były i pozostają stopy i metale, które łączą w sobie lekkość i wytrzymałość. Tytan należy specjalnie do tej kategorii materiałów, a ponadto ma doskonałą odporność na korozję.

Tytan jest metalem przejściowym z grupy 4, okresu 4. Masa cząsteczkowa to tylko 22, co świadczy o lekkości materiału. Jednocześnie substancja charakteryzuje się wyjątkową wytrzymałością: spośród wszystkich materiałów konstrukcyjnych tytan ma najwyższą wytrzymałość właściwą. Kolor jest srebrzysto-biały.

Poniższy film pokaże Ci, czym jest tytan:

Koncepcja i funkcje

Tytan jest dość powszechny - zajmuje 10. miejsce pod względem zawartości w skorupie ziemskiej. Jednak prawdziwie czysty metal udało się wyizolować dopiero w 1875 roku. Wcześniej substancję albo otrzymywano z zanieczyszczeniami, albo jej związki nazywano metalicznym tytanem. To zamieszanie doprowadziło do zastosowania związków metali znacznie wcześniej niż samego metalu.

Wynika to ze specyfiki materiału: najbardziej nieistotne zanieczyszczenia znacząco wpływają na właściwości substancji, czasami całkowicie pozbawiając ją jej nieodłącznych właściwości.

Zatem najmniejsza proporcja innych metali pozbawia tytan odporności na ciepło, co jest jedną z jego cennych właściwości. Niewielki dodatek niemetalu sprawia, że ​​trwały materiał staje się kruchy i nienadający się do użytku.

Ta cecha natychmiast podzieliła powstały metal na 2 grupy: techniczną i czystą.

• Pierwszy stosowane tam, gdzie najbardziej potrzebna jest wytrzymałość, lekkość i odporność na korozję Najnowsza jakość tytan nigdy nie przegrywa.
• Materiał o wysokiej czystości stosowany tam, gdzie potrzebny jest materiał, który może pracować pod bardzo dużymi obciążeniami i wysokimi temperaturami, a jednocześnie jest lekki. Jest to oczywiście inżynieria lotnicza i rakietowa.

Drugą szczególną cechą substancji jest anizotropia. Trochę cechy fizyczne zmieniać się w zależności od przyłożenia sił, co należy uwzględnić podczas stosowania.

W normalnych warunkach metal jest obojętny i nie ulega żadnej korozji. woda morska ani w morzu, ani w powietrzu miejskim. Co więcej, jest to najbardziej obojętna biologicznie substancja, dlatego tytanowe protezy i implanty znajdują szerokie zastosowanie w medycynie.

Jednocześnie wraz ze wzrostem temperatury zaczyna reagować z tlenem, azotem, a nawet wodorem, a w postaci płynnej pochłania gazy. Ta nieprzyjemna cecha sprawia, że ​​niezwykle trudno jest uzyskać sam metal i wytworzyć na jego bazie stopy.

To drugie jest możliwe tylko przy użyciu sprzętu próżniowego. Najbardziej złożony proces produkcja zmieniła dość powszechny element w bardzo kosztowny.

Związek z innymi metalami

Tytan zajmuje pozycję pośrednią pomiędzy dwoma innymi dobrze znanymi materiałami konstrukcyjnymi - aluminium i żelazem, a raczej stopami żelaza. Pod wieloma względami metal przewyższa swoich „konkurentów”:

• Wytrzymałość mechaniczna tytanu jest 2 razy większa niż żelaza i 6 razy większa niż aluminium. Jednocześnie wytrzymałość wzrasta wraz ze spadkiem temperatury;
• odporność na korozję jest znacznie wyższa niż w przypadku żelaza, a nawet aluminium;
• Na normalna temperatura tytan jest obojętny. Jednak po podniesieniu do 250 C zaczyna wchłaniać wodór, co wpływa na jego właściwości. Pod względem aktywności chemicznej jest gorszy od magnezu, ale niestety lepszy od żelaza i aluminium;
• metal przewodzi prąd znacznie słabiej: jego oporność elektryczna jest 5 razy większa niż żelaza, 20 razy większa niż aluminium i 10 razy większa niż magnezu;
• przewodność cieplna jest również znacznie niższa: 3 razy mniejsza niż żelazo i 12 razy mniejsza niż aluminium. Jednak ta właściwość powoduje bardzo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej.

Zalety i wady

Tak naprawdę tytan ma wiele wad. Jednak połączenie wytrzymałości i lekkości jest tak pożądane, że ani złożona metoda produkcji, ani potrzeba wyjątkowej czystości nie powstrzymują konsumentów metali.

Do niewątpliwych zalet substancji należą:

• niska gęstość, co oznacza bardzo niską wagę;
• wyjątkowa wytrzymałość mechaniczna zarówno samego tytanu metalicznego, jak i jego stopów. Wraz ze wzrostem temperatury stopy tytanu mają lepsze właściwości niż wszystkie stopy aluminium i magnezu;
• stosunek wytrzymałości do gęstości - wytrzymałości właściwej - osiąga 30–35, czyli prawie 2 razy więcej niż w przypadku najlepszych stali konstrukcyjnych;
• Tytan wystawiony na działanie powietrza pokrywa się cienką warstwą tlenku, co zapewnia doskonałą odporność na korozję.

Metal ma również wiele wad:

• Odporność na korozję i obojętność dotyczy wyłącznie produktów o nieaktywnej powierzchni. Na przykład pył lub wióry tytanu ulegają samozapłonowi i spalają się w temperaturze 400 ° C;
• Bardzo złożona metoda otrzymywania tytanu metalicznego zapewnia bardzo wysoki koszt. Materiał jest znacznie droższy niż żelazo lub;
• zdolność do pochłaniania gazów atmosferycznych przy wzroście temperatury wymaga stosowania urządzeń próżniowych podczas topienia i wytwarzania stopów, co również znacznie zwiększa koszty;
• tytan ma słabe właściwości przeciwcierne - nie działa na tarcie;
• metal i jego stopy są podatne na korozję wodorową, której trudno zapobiec;
• Tytan jest trudny w obróbce. Spawanie jest również trudne ze względu na przemianę fazową podczas ogrzewania.

Blacha tytanowa (zdjęcie)

Właściwości i cechy

Zależy w dużej mierze od czystości. Dane referencyjne opisują oczywiście czysty metal, ale właściwości tytanu technicznego mogą się znacznie różnić.

• Gęstość metalu zmniejsza się po podgrzaniu z 4,41 do 4,25 g/cm 3. Przejście fazowe zmienia gęstość tylko o 0,15%.
• Temperatura topnienia metalu wynosi 1668 C. Temperatura wrzenia wynosi 3227 C. Tytan jest substancją ogniotrwałą.
• Średnio wytrzymałość na rozciąganie wynosi 300–450 MPa, ale liczbę tę można zwiększyć do 2000 MPa, stosując hartowanie i starzenie, a także wprowadzenie dodatkowych elementów.
• W skali HB twardość wynosi 103 i to nie jest granica.
• Pojemność cieplna tytanu jest niska – 0,523 kJ/(kg·K).
• Specyficzna oporność elektryczna - 42,1·10 -6 om·cm.
• Tytan jest paramagnetykiem. Wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się jego podatność magnetyczna.
• Metal ogólnie charakteryzuje się ciągliwością i kowalnością. Jednakże na te właściwości duży wpływ ma zawartość tlenu i azotu w stopie. Obydwa elementy powodują, że materiał jest kruchy.

Substancja jest odporna na wiele kwasów, w tym azotowy, siarkowy w niskich stężeniach i prawie wszystkie kwasy organiczne z wyjątkiem kwasu mrówkowego. Ta jakość zapewnia popyt na tytan w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, papierniczym i tak dalej.

Struktura i skład

Tytan, choć jest metalem przejściowym i ma niską rezystywność elektryczną, jest nadal metalem i przewodzi prąd elektryczny, co oznacza uporządkowaną strukturę. Po podgrzaniu do określonej temperatury struktura zmienia się:

• do 883 C faza α o gęstości 4,55 g/m3 jest stabilna. cm Wyróżnia się gęstą sześciokątną siatką. Tlen rozpuszcza się w tej fazie tworząc roztwory śródmiąższowe i stabilizuje modyfikację α – przesuwa granicę temperatury;
• powyżej 883 C faza β z siatką sześcienną skupioną na ciele jest stabilna. Jego gęstość jest nieco mniejsza - 4,22 g / metr sześcienny. patrz Ta struktura jest stabilizowana przez wodór - po rozpuszczeniu w tytanie powstają również roztwory śródmiąższowe i wodorki.

Cecha ta bardzo utrudnia pracę metalurga. Po ochłodzeniu tytanu rozpuszczalność wodoru gwałtownie maleje, a w stopie wytrąca się wodorowodór, faza γ.

Powoduje zimne pęknięcia podczas spawania, więc producenci muszą włożyć większy wysiłek po stopieniu metalu, aby oczyścić go z wodoru.

Poniżej powiemy Ci, gdzie możesz znaleźć i jak zrobić tytan.

Ten film opisuje tytan jako metal:

Produkcja i ekstrakcja

Tytan jest bardzo powszechny, więc z rudami zawierającymi metal i dość duże ilości, nie pojawiają się żadne trudności. Surowcami wyjściowymi są rutyl, anataz i strumyk – dwutlenek tytanu w różnych modyfikacjach, ilmenit, pirofanit – związki z żelazem i tak dalej.

Jest to jednak skomplikowane i wymaga drogiego sprzętu. Metody ekstrakcji są nieco inne, ponieważ skład rudy jest inny. Na przykład schemat pozyskiwania metalu z rud ilmenitu wygląda następująco:

• otrzymanie żużla tytanowego - skałę ładuje się do elektrycznego pieca łukowego wraz z czynnikiem redukującym - antracytem, ​​węglem drzewnym i podgrzewa do temperatury 1650 C. Jednocześnie oddziela się żelazo, które służy do produkcji żeliwa i dwutlenku tytanu w żużlu ;
• Żużel jest chlorowany w kopalniach lub chloratorach solnych. Istota procesu polega na przekształceniu stałego dwutlenku tytanu w gazowy czterochlorek tytanu;
• w piecach oporowych w specjalnych kolbach metal jest redukowany sodem lub magnezem z chlorku. W rezultacie uzyskuje się prostą masę - gąbkę tytanową. Ten techniczny tytan nadaje się na przykład do produkcji sprzętu chemicznego;
• jeśli potrzebny jest czystszy metal, uciekają się do rafinacji - w tym przypadku metal reaguje z jodem w celu otrzymania jodku gazowego, który pod wpływem temperatury - 1300-1400 C i prądu elektrycznego rozkłada się, uwalniając czysty tytan. Elektryczność podawany jest poprzez naciągnięty w retorcie drut tytanowy, na którym osadzana jest czysta substancja.

Aby otrzymać wlewki tytanowe, gąbkę tytanową topi się w piecu próżniowym, aby zapobiec rozpuszczeniu wodoru i azotu.

Cena tytanu za 1 kg jest bardzo wysoka: w zależności od stopnia czystości metal kosztuje od 25 do 40 dolarów za 1 kg. Z drugiej strony korpus aparatu ze stali kwasoodpornej będzie kosztować 150 rubli. i potrwa nie dłużej niż 6 miesięcy. Tytan będzie kosztować około 600 rubli, ale będzie używany przez 10 lat. W Rosji istnieje wiele zakładów produkujących tytan.

Obszary zastosowań

Wpływ stopnia oczyszczenia na właściwości fizyczne i mechaniczne zmusza do rozważenia tego z tego punktu widzenia. Zatem techniczny, czyli nie najczystszy metal, ma doskonałą odporność na korozję, lekkość i wytrzymałość, co determinuje jego zastosowanie:

• przemysł chemiczny– wymienniki ciepła, rury, obudowy, części pomp, armatura i tak dalej. Materiał jest niezbędny w obszarach, w których wymagana jest odporność na kwasy i wytrzymałość;
• branża transportowa– substancja służy do produkcji pojazdów – od pociągów po rowery. W pierwszym przypadku metal zapewnia mniejszą masę związków, co zwiększa efektywność trakcji, w drugim nadaje lekkość i wytrzymałość, nie bez powodu tytanowa rama rowerowa uznawana jest za najlepszą;
• sprawy morskie– wymienniki ciepła, tłumiki wydechowe do łodzi podwodnych, zawory, śmigła itp. są wykonane z tytanu;
• V budowa Tytan ma szerokie zastosowanie - doskonały materiał do wykończenia fasad i dachów. Oprócz wytrzymałości stop zapewnia jeszcze jedną ważną zaletę dla architektury – możliwość nadawania produktom najdziwniejszych konfiguracji; zdolność stopu do kształtowania jest nieograniczona.

Czysty metal jest również bardzo odporny na wysokie temperatury i zachowuje swoją wytrzymałość. Zastosowanie jest oczywiste:

• do produkcji rakiet i samolotów - wykonywana jest z niego obudowa. Części silnika, elementy mocujące, części podwozia i tak dalej;
• medycyna – obojętność biologiczna i lekkość sprawia, że ​​tytan jest znacznie bardziej obiecującym materiałem na protetykę, w tym zastawki serca;
• technologia kriogeniczna – tytan jest jedną z nielicznych substancji, które wraz ze spadkiem temperatury stają się jedynie mocniejsze i nie tracą swojej ciągliwości.

Tytan jest materiałem konstrukcyjnym o najwyższej wytrzymałości, przy jednocześnie lekkości i plastyczności. Te wyjątkowe cechy zapewniają mu coraz więcej ważna rola w gospodarce narodowej.

Poniższy film powie Ci, gdzie zdobyć tytan na nóż:

W układzie okresowym pierwiastek chemiczny tytan jest oznaczony jako Ti (tytan) i znajduje się w drugorzędnej podgrupie grupy IV, w 4. okresie pod liczbą atomową 22. Jest srebrzystobiały twardy metal, który jest częścią duża ilość minerały. Tytan możesz kupić na naszej stronie internetowej.

Tytan odkryli pod koniec XVIII wieku chemicy z Anglii i Niemiec, William Gregor i Martin Klaproth, niezależnie od siebie z sześcioletnią różnicą. Nazwę żywiołu nadał Martin Klaproth na cześć starożytnych greckich postaci tytanów (ogromnych, silnych, nieśmiertelnych istot). Jak się okazało, nazwa stała się prorocza, ale ludzkość potrzebowała ponad 150 lat, aby zapoznać się ze wszystkimi właściwościami tytanu. Dopiero trzydzieści lat później udało się uzyskać pierwszą próbkę metalicznego tytanu. W tamtym czasie praktycznie nie był używany ze względu na swoją kruchość. W 1925 roku, po serii eksperymentów, metodą jodkową, chemicy Van Arkel i De Boer wyekstrahowali czysty tytan.

Dzięki cenne właściwości metal, inżynierowie i projektanci natychmiast zwrócili na to uwagę. To był prawdziwy przełom. W 1940 roku Kroll opracował magnezowo-termiczną metodę otrzymywania tytanu z rudy. Ta metoda jest nadal aktualna.

Właściwości fizyczne i mechaniczne

Tytan jest dość ogniotrwałym metalem. Jego temperatura topnienia wynosi 1668±3°C. W tym wskaźniku jest gorszy od takich metali jak tantal, wolfram, ren, niob, molibden, tantal, cyrkon. Tytan jest metalem paramagnetycznym. W polu magnetycznym nie jest namagnesowany, ale nie jest z niego wypychany. Obraz 2
Tytan ma niską gęstość (4,5 g/cm3) i wysoką wytrzymałość (do 140 kg/mm²). Właściwości te praktycznie nie zmieniają się w wysokich temperaturach. Jest ponad 1,5 razy cięższy od aluminium (2,7 g/cm3), ale 1,5 razy lżejszy od żelaza (7,8 g/cm3). Pod względem właściwości mechanicznych tytan znacznie przewyższa te metale. Pod względem wytrzymałości tytan i jego stopy dorównują wielu gatunkom stali stopowej.

Tytan jest tak samo odporny na korozję jak platyna. Metal posiada doskonałą odporność na warunki kawitacyjne. Powstały pęcherzyki powietrza płynny środek przy aktywnym ruchu części tytanowej praktycznie jej nie niszczą.

Jest to trwały metal, który jest odporny na pękanie i odkształcenia plastyczne. Jest 12 razy twardszy od aluminium i 4 razy twardszy od miedzi i żelaza. Kolejnym ważnym wskaźnikiem jest siła plastyczności. Wraz ze wzrostem tego wskaźnika poprawia się odporność części tytanowych na obciążenia eksploatacyjne.

W stopach z niektórymi metalami (zwłaszcza niklem i wodorem) tytan jest w stanie „zapamiętać” kształt produktu powstałego w określonej temperaturze. Taki produkt może się wówczas odkształcić i na długo zachowa tę pozycję. Jeśli produkt zostanie podgrzany do temperatury, w której został wykonany, wówczas produkt przyjmie swój pierwotny kształt. Ta właściwość nazywa się „pamięcią”.

Przewodność cieplna tytanu jest stosunkowo niska, a współczynnik rozszerzalności liniowej odpowiednio niski. Wynika z tego, że metal jest złym przewodnikiem prądu i ciepła. Ale kiedy niskie temperatury jest nadprzewodnikiem prądu elektrycznego, co pozwala mu przesyłać energię na znaczne odległości. Tytan ma również wysoką rezystancję elektryczną.
Czysty tytan metaliczny podlega różne rodzaje obróbka na zimno i na gorąco. Można go rozciągać i drutować, kuć, zwijać w paski, arkusze i folię o grubości do 0,01 mm. Z tytanu wykonane są następujące rodzaje wyrobów walcowanych: taśma tytanowa, drut tytanowy, rury tytanowe, tuleje tytanowe, tytanowe koło, pręt tytanowy.

Właściwości chemiczne

Czysty tytan jest pierwiastkiem aktywnym chemicznie. Dzięki temu, że na jego powierzchni tworzy się gęsty film ochronny, metal charakteryzuje się dużą odpornością na korozję. Nie ulega utlenianiu w powietrzu, w słonej wodzie morskiej i nie ulega zmianom w wielu agresywnych środowiskach chemicznych (np.: rozcieńczony i stężony kwas azotowy, woda królewska). W wysokich temperaturach tytan oddziałuje z odczynnikami znacznie aktywniej. W powietrzu o temperaturze 1200°C zapala się. Po zapaleniu metal wydziela jasny blask. Aktywna reakcja zachodzi również z azotem, z utworzeniem żółto-brązowej warstwy azotku na powierzchni tytanu.

Reakcje z kwasami solnym i siarkowym w temperaturze pokojowej są słabe, ale po podgrzaniu metal intensywnie się rozpuszcza. W wyniku reakcji powstają niższe chlorki i monosiarczany. Słabe interakcje występują także z kwasami fosforowymi i azotowymi. Metal reaguje z halogenami. Reakcja z chlorem zachodzi w temperaturze 300°C.
Aktywna reakcja z wodorem zachodzi w temperaturze nieco wyższej od temperatury pokojowej. Tytan aktywnie pochłania wodór. 1 g tytanu może wchłonąć do 400 cm3 wodoru. Ogrzany metal rozkłada dwutlenek węgla i parę wodną. Oddziaływanie z parą wodną zachodzi w temperaturach powyżej 800°C. W wyniku reakcji powstaje tlenek metalu i odparowuje wodór. W wyższych temperaturach gorący tytan absorbuje dwutlenek węgla i tworzy węglik i tlenek.

Metody uzyskiwania

Tytan jest jednym z najpowszechniej występujących pierwiastków na Ziemi. Jego zawartość masowa w jelitach planety wynosi 0,57%. Najwyższe stężenie metalu występuje w „powłoce bazaltowej” (0,9%), w skałach granitowych (0,23%) i ultramaficznych (0,03%). Istnieje około 70 minerałów tytanu, w których występuje on w postaci kwasu tytanowego lub dwutlenku tytanu. Głównymi minerałami rud tytanu są: ilmenit, anataz, rutyl, brookit, loparyt, leukoksen, perowskit i sfen. Główni producenci tytanu na świecie to Wielka Brytania, USA, Francja, Japonia, Kanada, Włochy, Hiszpania i Belgia.
Istnieje kilka sposobów pozyskiwania tytanu. Wszystkie są stosowane w praktyce i są dość skuteczne.

1. Proces magnezowo-termiczny.

Ruda zawierająca tytan jest wydobywana i przetwarzana na dwutlenek, który powoli i w bardzo wysokich temperaturach poddawany jest chlorowaniu. Chlorowanie przeprowadza się w środowisku węglowym. Powstały w wyniku reakcji chlorek tytanu redukuje się następnie magnezem. Powstały metal jest podgrzewany w urządzeniu próżniowym w wysokiej temperaturze. W rezultacie magnez i chlorek magnezu odparowują, pozostawiając tytan z wieloma porami i pustymi przestrzeniami. Gąbka tytanowa jest topiona w celu uzyskania wysokiej jakości metalu.

2. Metoda wodorkowo-wapniowa.

Najpierw otrzymuje się wodorek tytanu, a następnie rozdziela się go na składniki: tytan i wodór. Proces zachodzi w pozbawionej powietrza przestrzeni, w wysokich temperaturach. Tworzy się tlenek wapnia, który przemywa się słabymi kwasami.
Na skalę przemysłową powszechnie stosuje się metody wodorkowo-wapniowe i magnezowo-termiczne. Metody te umożliwiają uzyskanie znacznych ilości tytanu w krótkim czasie, przy minimalnych kosztach pieniężnych.

3. Metoda elektrolizy.

Chlorek lub dwutlenek tytanu jest narażony na działanie wysokiego prądu. W rezultacie związki ulegają rozkładowi.

4. Metoda jodkowa.

Dwutlenek tytanu reaguje z parami jodu. Następnie jodek tytanu poddaje się działaniu wysokiej temperatury, w wyniku czego powstaje tytan. Ta metoda jest najskuteczniejsza, ale i najdroższa. Tytan otrzymywany jest o bardzo wysokiej czystości, bez zanieczyszczeń i dodatków.

Zastosowanie tytanu

Ze względu na dobre właściwości antykorozyjne tytan stosowany jest do produkcji sprzętu chemicznego. Wysoka odporność cieplna metalu i jego stopów ułatwia jego zastosowanie w nowoczesna technologia. Stopy tytanu są doskonałym materiałem do budowy samolotów, rakiet i statków.

Pomniki są wykonane z tytanu. A dzwony wykonane z tego metalu znane są ze swojej niezwykłej i bardzo piękny dźwięk. Dwutlenek tytanu jest składnikiem niektórych leków, np. maści przeciwbólowych choroby skórne. Duże zapotrzebowanie są również na związki metali z niklem, aluminium i węglem.

Tytan i jego stopy znalazły zastosowanie w takich dziedzinach jak chemia i przemysł spożywczy, metalurgia metali nieżelaznych, elektronika, inżynieria nuklearna, energetyka, galwanizacja. Broń, płyty pancerne, narzędzia chirurgiczne i implanty, systemy irygacyjne, sprzęt sportowy, a nawet biżuteria są wykonane z tytanu i jego stopów. Podczas azotowania na powierzchni metalu tworzy się złoty film, który pod względem urody nie ustępuje nawet prawdziwemu złotu.

Pomnik ku czci badaczy kosmosu wzniesiono w Moskwie w 1964 roku. Projektowanie i budowa tego obelisku pochłonęły prawie siedem lat (1958–1964). Autorzy musieli rozwiązać nie tylko problemy architektoniczne i artystyczne, ale także techniczne. Pierwszym z nich był wybór materiałów, w tym okładzin. Po wielu eksperymentach zdecydowaliśmy się na wypolerowane na połysk blachy tytanowe.

Rzeczywiście, pod wieloma właściwościami, a przede wszystkim pod względem odporności na korozję, tytan przewyższa zdecydowaną większość metali i stopów. Czasami (zwłaszcza w literaturze popularnej) tytan nazywany jest metalem wiecznym. Ale najpierw porozmawiajmy o historii tego elementu.

Utleniony czy nie utleniony?

Do 1795 roku element nr 22 nosił nazwę „menakin”. Tak go nazwał w 1791 roku angielski chemik i mineralog William Gregor, który odkrył nowy pierwiastek w minerale menakanicie (nie szukaj tej nazwy we współczesnych podręcznikach mineralogicznych - zmieniono także nazwę menakanitu, obecnie nazywa się go ilmenitem) ).

Cztery lata po odkryciu Gregora niemiecki chemik Martin Klaproth odkrył nowy pierwiastek chemiczny w innym minerale – rutylu – i nazwał go tytanem na cześć elfiej królowej Tytanii (mitologia niemiecka).

Według innej wersji nazwa żywiołu pochodzi od Tytanów, potężnych synów bogini ziemi Gai (mitologia grecka).

W 1797 roku okazało się, że Gregor i Klaproth odkryli ten sam pierwiastek i choć Gregor zrobił to już wcześniej, dla nowego pierwiastka została przyjęta nazwa nadana mu przez Klaprotha.

Ale ani Gregorowi, ani Klaprothowi nie udało się zdobyć żywiołaka tytan. Wyodrębniony biały krystaliczny proszek to dwutlenek tytanu TiO2. Zredukuj ten tlenek i wydobądź z niego czysty metal przez długi czasŻadnemu z chemików się to nie udało.

W 1823 roku angielski naukowiec W. Wollaston poinformował, że kryształy, które odkrył w żużlu metalurgicznym fabryki Merthyr Tydfil, to nic innego jak czysty tytan. A 33 lata później słynny niemiecki chemik F. Wöhler udowodnił, że kryształy te były ponownie związkiem tytanu, tym razem węglikoazotkiem przypominającym metal.

Przez wiele lat wierzono, że to metal tytan został po raz pierwszy uzyskany przez Berzeliusa w 1825 roku. w redukcji fluorotytanianu potasu metalicznym sodem. Jednak dzisiaj, porównując właściwości tytanu i produktu otrzymanego przez Berzeliusa, można postawić tezę, że prezes Szwedzkiej Akademii Nauk pomylił się, gdyż czysty tytan szybko rozpuszcza się w kwasie fluorowodorowym (w przeciwieństwie do wielu innych kwasów), a Berzelius metaliczny tytan skutecznie oparł się jego działaniu.

W rzeczywistości Ti został po raz pierwszy uzyskany dopiero w 1875 roku przez rosyjskiego naukowca D.K. Kirillova. Wyniki tych prac opublikował w swojej broszurze „Badania nad tytanem”. Ale praca mało znanego rosyjskiego naukowca pozostała niezauważona. Kolejne 12 lat później w miarę czysty produkt - około 95% tytanu - uzyskali rodacy Berzeliusa, słynni chemicy L. Nilsson i O. Peterson, którzy zredukowali czterochlorek tytanu metalicznym sodem w stalowej hermetycznej bombie.

W 1895 roku francuski chemik A. Moissan redukując dwutlenek tytanu węglem w piecu łukowym i poddając powstały materiał podwójnej rafinacji, uzyskał tytan zawierający jedynie 2% zanieczyszczeń, głównie węgla. Wreszcie w 1910 roku amerykańskiemu chemikowi M. Hunterowi, udoskonalając metodę Nilssona i Petersona, udało się uzyskać kilka gramów tytanu o czystości około 99%. Dlatego w większości książek pierwszeństwo w pozyskiwaniu tytanu metalicznego przypisuje się Hunterowi, a nie Kirillovowi, Nilssonowi czy Moissanowi.

Jednak ani Hunter, ani jego współcześni nie przewidzieli wspaniałej przyszłości dla tytana. Metal zawierał tylko kilka dziesiątych procenta zanieczyszczeń, ale te zanieczyszczenia sprawiły, że tytan stał się kruchy, kruchy i nie nadawał się do obróbki skrawaniem. Dlatego niektóre związki tytanu znalazły zastosowanie wcześniej niż sam metal. Na przykład czterochlorek tytanu był szeroko stosowany podczas pierwszej wojny światowej do tworzenia zasłon dymnych.

Nr 22 w medycynie

W 1908 roku w USA i Norwegii zaczęto produkcję bieli nie ze związków ołowiu i cynku, jak to miało miejsce wcześniej, ale z dwutlenku tytanu. Taką bielą można pomalować kilkakrotnie większe powierzchnie niż tą samą ilością bieli ołowiowej czy cynkowej. Dodatkowo biel tytanowa charakteryzuje się większym współczynnikiem odbicia, nie jest trująca i nie ciemnieje pod wpływem siarkowodoru. W literaturze medycznej opisano przypadek, gdy osoba „pobrała” jednorazowo 460 g dwutlenku tytanu! (Ciekawe, z czym go pomylił?) „Wachlarz” dwutlenku tytanu nie doświadczył żadnego bolesne doznania. TiO 2 jest częścią niektórych Produkty medyczne, w szczególności maści na choroby skóry.

Jednak to nie medycyna, ale przemysł farb i lakierów konsumuje największe ilości TiO2. Światowa produkcja tego związku znacznie przekroczyła pół miliona ton rocznie. Emalie na bazie dwutlenku tytanu znajdują szerokie zastosowanie jako powłoki ochronne i dekoracyjne metali i drewna w przemyśle stoczniowym, konstrukcyjnym i mechanicznym. Żywotność konstrukcji i części znacznie wzrasta. Biel tytanowa służy do barwienia tkanin, skóry i innych materiałów.

Ti w przemyśle

Dwutlenek tytanu wchodzi w skład mas porcelanowych, szkieł ogniotrwałych i materiałów ceramicznych o wysokiej stałej dielektrycznej. Jako wypełniacz zwiększający wytrzymałość i odporność cieplną, wprowadza się go do mieszanek gumowych. Jednak wszystkie zalety związków tytanu wydają się nieistotne na tle unikalne właściwości czystego tytanu metalu.

Żywiołowy Tytan

W 1925 roku holenderscy naukowcy van Arkel i de Boer uzyskali tytan metodą jodkową (więcej o tym poniżej). wysoki stopień czystość - 99,9%. W przeciwieństwie do tytanu uzyskanego przez Huntera miał on plastyczność: można go było kuć na zimno, zwijać w arkusze, taśmę, drut, a nawet najcieńszą folię. Ale to nawet nie jest najważniejsze. Badania właściwości fizykochemicznych tytanu metalicznego doprowadziły do ​​niemal fantastycznych wyników. Okazało się np., że tytan, będąc prawie dwukrotnie lżejszym od żelaza (gęstość tytanu 4,5 g/cm3), przewyższa wytrzymałością wiele stali. Porównanie z aluminium również wypadło na korzyść tytanu: tytan jest tylko półtora raza cięższy od aluminium, ale jest sześciokrotnie mocniejszy i co szczególnie ważne, zachowuje swoją wytrzymałość w temperaturach do 500°C ( i z dodatkiem pierwiastków stopowych – do 650°C), natomiast wytrzymałość stopów aluminium i magnezu gwałtownie spada już w temperaturze 300°C.

Tytan ma również znaczną twardość: jest 12 razy twardszy niż aluminium, 4 razy twardszy niż żelazo i miedź. Kolejną ważną cechą metalu jest jego granica plastyczności. Im jest ona wyższa, tym lepiej części wykonane z tego metalu wytrzymują obciążenia eksploatacyjne, tym dłużej zachowują swój kształt i rozmiar. Granica plastyczności tytanu jest prawie 18 razy większa niż aluminium.

W przeciwieństwie do większości metali tytan ma znaczną rezystancję elektryczną: jeśli przewodność elektryczną srebra przyjmie się na poziomie 100, wówczas przewodność elektryczna miedzi wynosi 94, aluminium - 60, żelaza i platyny - 15, a tytanu - tylko 3,8. Nie trzeba chyba wyjaśniać, że ta właściwość, podobnie jak niemagnetyzm tytanu, jest przedmiotem zainteresowania radioelektroniki i elektrotechniki.

Odporność tytanu na korozję jest niezwykła. Po 10 latach ekspozycji na wodę morską na płycie tego metalu nie pojawiły się żadne ślady korozji. Wirniki nowoczesnych ciężkich helikopterów wykonane są ze stopów tytanu. Z tych stopów wykonane są również stery, lotki i inne krytyczne części samolotów naddźwiękowych. W wielu zakładach chemicznych można dziś znaleźć całe aparaty i kolumny wykonane z tytanu.

Jak zdobyć tytan

Cena to kolejna rzecz, która spowalnia produkcję i zużycie tytanu. W rzeczywistości wysoki koszt nie jest wrodzoną wadą tytanu. Jest go dużo w skorupie ziemskiej - 0,63%. Utrzymująca się wysoka cena tytanu jest konsekwencją trudności w jego wydobyciu z rud. Tłumaczy się to dużym powinowactwem tytanu do wielu pierwiastków oraz siłą wiązań chemicznych w jego naturalnych związkach. Stąd złożoność technologii. Tak wygląda magnezowo-termiczna metoda produkcji tytanu, opracowana w 1940 roku przez amerykańskiego naukowca V. Krolla.

Dwutlenek tytanu przekształca się w czterochlorek tytanu za pomocą chloru (w obecności węgla):

HO 2 + C + 2CI 2 → HCI 4 + CO 2.

Proces odbywa się w elektrycznych piecach szybowych w temperaturze 800-1250°C. Inną opcją jest chlorowanie soli metali alkalicznych NaCl i KCl w stopie.Następna operacja (równie ważna i czasochłonna) - oczyszczanie TiCl 4 z zanieczyszczeń różne sposoby i substancje. Czterochlorek tytanu w normalne warunki jest cieczą o temperaturze wrzenia 136°C.

Łatwiej jest zerwać wiązanie między tytanem i chlorem niż tlenem. Można tego dokonać za pomocą magnezu w reakcji

TiCl 4 + 2Mg → T + 2MgCl 2.

Reakcja ta zachodzi w reaktorach stalowych w temperaturze 900°C. Rezultatem jest tak zwana gąbka tytanowa impregnowana magnezem i chlorkiem magnezu. Odparowuje się je w szczelnie zamkniętym aparacie próżniowym w temperaturze 950°C, a następnie tytanową gąbkę spieka się lub stapia w zwarty metal.

Metoda sodowo-termiczna wytwarzania tytanu metalicznego w zasadzie niewiele różni się od metody magnezowo-termicznej. Te dwie metody są najczęściej stosowane w przemyśle. Aby uzyskać czystszy tytan, nadal stosuje się metodę jodkową zaproponowaną przez van Arkela i de Boera. Metalotermiczną gąbkę tytanową przekształca się w jodek TiI 4, który następnie sublimuje w próżni. Po drodze pary jodku titapu napotykają drut tytanowy nagrzany do 1400°C. W tym przypadku jodek rozkłada się, a na drucie rośnie warstwa czystego tytanu. Ta metoda produkcji tytanu jest mało wydajna i kosztowna, dlatego w przemyśle stosowana jest w niezwykle ograniczonym zakresie.

Pomimo pracochłonności i energochłonności produkcji tytanu, stał się on już jednym z najważniejszych podsektorów metalurgii metali nieżelaznych. Światowa produkcja tytanu rozwija się w bardzo szybkim tempie. Można to ocenić nawet na podstawie fragmentarycznych informacji, które trafiają do druku.

Wiadomo, że w 1948 roku na świecie wytopiono zaledwie 2 tony tytanu, a 9 lat później już 20 tysięcy ton, co oznacza, że ​​w 1957 roku we wszystkich krajach wyprodukowano 20 tysięcy ton tytanu, a w 1980 roku zużyły je jedynie USA . 24,4 tys. ton tytanu... Wydaje się, że do niedawna tytan był nazywany metalem rzadkim – obecnie jest najważniejszym materiałem konstrukcyjnym. Można to wytłumaczyć tylko jednym: rzadką kombinacją przydatne właściwości element nr 22. I oczywiście potrzeby technologii.

Rola tytanu jako materiału konstrukcyjnego, podstawy stopów o wysokiej wytrzymałości dla lotnictwa, przemysłu stoczniowego i technologia rakietowa, szybko rośnie. Stosowany jest do stopów większość wytopionego tytanu na świecie. Szeroko znany stop dla przemysłu lotniczego, składający się z 90% tytanu, 6% aluminium i 4% wanadu. W 1976 roku w prasie amerykańskiej pojawiły się doniesienia o nowym stopie o tym samym przeznaczeniu: 85% tytanu, 10% wanadu, 3% aluminium i 2% żelaza. Twierdzą, że ten stop jest nie tylko lepszy, ale i bardziej ekonomiczny.

Ogólnie stopy tytanu zawierają wiele pierwiastków, w tym platynę i pallad. Te ostatnie (w ilości 0,1-0,2%) zwiększają i tak już wysoką odporność chemiczną stopów tytanu.

Wytrzymałość tytanu zwiększają także „dodatki stopowe”, takie jak azot i tlen. Ale wraz z wytrzymałością zwiększają twardość i, co najważniejsze, kruchość tytanu, dlatego ich zawartość jest ściśle regulowana: do stopu dopuszcza się nie więcej niż 0,15% tlenu i 0,05% azotu.

Pomimo tego, że tytan jest drogi, zastąpienie go tańszymi materiałami w wielu przypadkach okazuje się opłacalne. Oto typowy przykład. Rama aparatura chemiczna wykonany ze stali nierdzewnej kosztuje 150 rubli, a wykonany ze stopu tytanu - 600 rubli. Ale jednocześnie reaktor stalowy wytrzymuje tylko 6 miesięcy, a tytanowy - 10 lat. Dodajmy do tego koszty wymiany reaktorów stalowych i wymuszone przestoje sprzętu – a staje się oczywiste, że stosowanie drogiego tytanu może być bardziej opłacalne niż stali.

Metalurgia zużywa znaczne ilości tytanu. Istnieją setki gatunków stali i innych stopów zawierających tytan jako dodatek stopowy. Wprowadza się go w celu poprawy struktury metali, zwiększenia wytrzymałości i odporności na korozję.

Niektóre reakcje jądrowe musi odbywać się w niemal absolutnej pustce. Za pomocą pomp rtęciowych próżnię można doprowadzić do kilku miliardowych części atmosfery. Ale to nie wystarczy, a pompy rtęciowe nie są w stanie więcej. Dalsze pompowanie powietrza odbywa się za pomocą specjalnych pomp tytanowych. Dodatkowo, aby uzyskać jeszcze większą próżnię, na wewnętrzną powierzchnię komory, w której zachodzą reakcje, natryskuje się drobno zdyspergowany tytan.

Tytan często nazywany jest metalem przyszłości. Fakty, którymi dysponuje już nauka i technologia, przekonują nas, że nie jest to do końca prawda – tytan stał się już metalem współczesności.

Perowskit i sfen. Ilmenit – metatytanian żelaza FeTiO 3 – zawiera 52,65% TiO 2. Nazwa tego minerału wynika z faktu, że znaleziono go na Uralu w górach Ilmen. Największe składowiska piasków ilmenitowych znajdują się w Indiach. Innym ważnym minerałem, rutylem, jest dwutlenek tytanu. Znaczenie przemysłowe mają także tytanomagnetyty, naturalna mieszanina ilmenitu z minerałami żelaza. Bogate złoża rud tytanu znajdują się w ZSRR, USA, Indiach, Norwegii, Kanadzie, Australii i innych krajach. Niedawno geolodzy odkryli w północnym regionie Bajkału nowy minerał zawierający tytan, który nazwano landauite na cześć radzieckiego fizyka, akademika L. D. Landaua. Razem za glob Znanych jest ponad 150 znaczących złóż rud i złóż tytanu.

Tytan (łac. Tytan; oznaczony symbolem Ti) to pierwiastek drugiej podgrupy czwartej grupy, czwartego okresu układu okresowego pierwiastków chemicznych, o liczbie atomowej 22. Prosta substancja tytan (numer CAS: 7440- 32-6) to metal lekki o srebrzystobiałej barwie.

Fabuła

Odkrycia TiO 2 dokonali niemal jednocześnie i niezależnie od siebie Anglik W. Gregor i niemiecki chemik M. G. Klaproth. W. Gregor badając skład magnetycznego piasku żelazistego (Creed, Cornwall, Anglia, 1789) wyodrębnił nową „ziemię” (tlenek) nieznanego metalu, którą nazwał menaken. W 1795 roku niemiecki chemik Klaproth odkrył nowy pierwiastek w mineralnym rutylu i nazwał go tytanem. Dwa lata później Klaproth ustalił, że rutyl i ziemia menakenowa są tlenkami tego samego pierwiastka, co dało podstawę do zaproponowanej przez Klaprotha nazwy „tytan”. Dziesięć lat później po raz trzeci odkryto tytan. Francuski naukowiec L. Vauquelin odkrył tytan w anatazie i udowodnił, że rutyl i anataz to identyczne tlenki tytanu.
Pierwszą próbkę metalicznego tytanu uzyskał w 1825 r. J. Ya. Berzelius. Ze względu na dużą aktywność chemiczną tytanu i trudność jego oczyszczenia, czystą próbkę Ti uzyskali Holendrzy A. van Arkel i I. de Boer w 1925 roku w wyniku termicznego rozkładu par jodku tytanu TiI 4 .

pochodzenie imienia

Metal otrzymał swoją nazwę na cześć Tytanów, postaci ze starożytnej mitologii greckiej, dzieci Gai. Nazwę pierwiastka nadał Martin Klaproth, zgodnie ze swoimi poglądami na nomenklaturę chemiczną, w przeciwieństwie do francuskiej szkoły chemicznej, która próbowała nazwać pierwiastek na podstawie jego właściwości chemicznych. Ponieważ sam niemiecki badacz zauważył niemożność określenia właściwości nowego pierwiastka jedynie na podstawie jego tlenku, wybrał dla niego nazwę z mitologii, analogicznie do odkrytego wcześniej uranu.
Jednak według innej wersji, opublikowanej w czasopiśmie „Technology-Youth” pod koniec lat 80. XX wieku, nowo odkryty metal zawdzięcza swoją nazwę nie potężnym tytanom ze starożytnych mitów greckich, ale Tytanii, królowej wróżek z mitologii germańskiej ( żona Oberona w „Śnie nocy letniej” Szekspira). Nazwa ta związana jest z niezwykłą „lekkością” (niską gęstością) metalu.

Paragon

Z reguły materiałem wyjściowym do produkcji tytanu i jego związków jest dwutlenek tytanu ze stosunkowo niewielką ilością zanieczyszczeń. W szczególności może to być koncentrat rutylu otrzymywany ze wzbogacania rud tytanu. Jednakże zasoby rutylu na świecie są bardzo ograniczone i coraz częściej stosuje się tzw. żużel rutylowy syntetyczny lub tytanowy, otrzymywany z przerobu koncentratów ilmenitowych. Aby otrzymać żużel tytanowy, koncentrat ilmenitu redukuje się w elektrycznym piecu łukowym, żelazo oddziela się na fazę metaliczną (żeliwo), a niezredukowane tlenki tytanu i zanieczyszczenia tworzą fazę żużlową. Żużel bogaty przerabia się metodą chlorkową lub kwasowo-siarkową.
Koncentrat rudy tytanu poddawany jest obróbce kwasem siarkowym lub pirometalurgii. Produktem obróbki kwasem siarkowym jest proszek dwutlenku tytanu TiO2. Metodą pirometalurgiczną rudę spieka się z koksem i poddaje działaniu chloru, w wyniku czego powstają pary tetrachlorku tytanu TiCl 4:
TiO2 + 2C + 2Cl2 = TiCl2 + 2CO

Powstałe pary TiCl 4 są redukowane magnezem w temperaturze 850 °C:
TiCl4 + 2Mg = 2MgCl2 + Ti

Powstałą tytanową „gąbkę” topi się i oczyszcza. Tytan rafinuje się metodą jodkową lub elektrolizą, oddzielając Ti od TiCl 4 . Aby uzyskać wlewki tytanowe, stosuje się obróbkę łukową, wiązką elektronów lub plazmą.

Właściwości fizyczne

Tytan to lekki srebrzystobiały metal. Występuje w dwóch odmianach krystalicznych: α-Ti z sześciokątną, gęsto upakowaną siatką, β-Ti z sześciennym upakowaniem skupionym na ciele, temperatura transformacji polimorficznej α↔β wynosi 883 °C.
Ma dużą lepkość i podczas obróbki ma skłonność do przyklejania się do narzędzia skrawającego, dlatego wymaga nanoszenia na narzędzie specjalnych powłok i różnych smarów.
W zwykłych temperaturach pokrywa się ochronną, pasywacyjną warstwą tlenku TiO 2, dzięki czemu jest odporny na korozję w większości środowisk (z wyjątkiem zasadowych).
Pył tytanowy ma tendencję do eksplozji. Temperatura zapłonu 400°C. Wióry tytanu są niebezpieczne dla ognia.