Титан

Титан (от латинского Titanium), обозначается символом Ti, атомный номер 22. Элемент из четвертой группы (по старой классификации — побочная подгруппа четвертой группы), четвертого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Простое вещество титан представляет собой легкий прочный металл, цвет серебристо-белый. Возможно существование в двух кристаллических модификациях, температура полиморфного превращения α↔β 883 °C. α-Ti имеет гексагональную плотноупакованную решетку, β-Ti характерна кубическая объемно-центрированная упаковка. Температура плавления 1660±20 °C. По Бринеллю твердость титана 175 МПа. Используется в красках (например, титановые белила) белый диоксид титана (TiO2), а также при производстве пластика и бумаги. В пищевой промышленности пищевая добавка E171.

Металл назвали в честь титанов, персонажей из древнегреческой мифологии, детей богини Геи. Назвал элемент немец Мартин Клапрот в соответствии со своим взглядом на химическую номенклатуру в отличии от французской химической школы, которая старалась назвать элемент опираясь на его химические свойства. Немецкий исследователь отметил невозможность определения у нового элемента свойств только по его оксиду, Мартин подобрал имя из мифологии, по аналогии с открытым прежде ураном.

История

Рутил

Элемент N 22 до 1795 года назывался “менакином”. В 1791 году назвал его английский химик и минералог Уильям Грегор, который открыл новый элемент в минерале менаканите (это название в современных минералогических справочниках отсутствует – менаканит также переименован, сейчас называется ильменитом). Через четыре года после открытия Грегора Мартин Клапрот, немецкий химик, открыл новый химический элемент в другом минерале – рутиле – назвал его титаном в честь царицы эльфов Титании (германская мифология).

Другая версия названия элемента произошло от титанов, сыновей богини земли – Геи (греческая мифология). В 1797 году выяснилось, что и Грегор и Клапрот открыли всего лишь один и тот же элемент. За элементом утвердилось имя, выбранное Клапротом, хотя Грегор открыл его раньше. Грегор и Клапрот не получили элементарный титан. Выделили они белый кристаллический порошок, который был двуокисью титана ТiO2. Восстановить этот окисел, выделив чистый металл не удавалось долгое время никому из химиков. В 1823 году У. Волластон, английский ученый, сообщил, что, обнаружил в металлургических шлаках завода “Мертир-Тидвиль” кристаллы, которые не что иное, как чистый титан. А спустя 33 года Ф.Велер, известный немецкий химик, доказал, что кристаллы были опять соединением титана, на этот раз – металлоподобным карбонитридом.

Долго считали, что металлический титан первый получил Берцелиус в 1825 году восстановлением фтортитаната калия металлическим натрием. Однако проводя сравнения свойств титана и продукта, полученного Берцелиусом, смело утверждают, что президент Шведской академии наук ошибся, чистый титан хорошо растворяется в плавиковой кислоте (в отличие от многих других кислот), а продукт Берцелиуса металлический титан успешно сопротивлялся ее воздействию. Титан действительно впервые получил в 1875 году русским ученым Д.К. Кирилловым. Результаты открытия опубликовал в брошюре “Исследования над титаном”. Эта работа малоизвестного русского ученого осталась незамеченной. Спустя 12 лет чистый продукт – около 95% титана – получили известные химики Л.Нильсон и О.Петерсон, соотечественники Берцелиуса, восстанавливавшие четыреххлористый титан металлическим натрием в стальной герметической бомбе.

В 1895 году, восстанавливая двуокись титана углеродом в дуговой печи и подвергая полученный материал двукратному рафинированию, французский химик А.Муассан получил титан, содержащий всего 2% примеси углерода. Наконец, усовершенствовав способ Нильсона и Петерсона, в 1910 году американский химик М.Хантер получил несколько граммов титана чистотой порядка 99%. В большинстве книг приоритет в получении металлического титана приписывает Хантеру, а не Кириллову, Муассану, Нильсону. Однако Хантер и его современники титану не предсказывали большого будущего. Всего несколько десятых процента примесей содержащихся в металле делали титан непрочным, хрупким, непригодным к механической обработке. Соединения титана начали применять раньше, чем сам металл. В первую мировую войну для создания дымовых занавесей широко использовали четыреххлористый титан.

Монумент покорителям космоса воздвигнули в Москве в 1964 году. С 1958 по 1964г., практически почти семь лет ушло на проектирование и создание этого обелиска. Авторы решали архитектурно-художественные и технические задачи. Самой важной задачей был выбор материалов, и облицовочных в том числе. После продолжительных экспериментов остановили выбор на отполированных до блеска листах из титана. Реально, по характеристикам, и прежде по коррозионной стойкости, титан обошел подавляющее большинство сплавов, металлов. В популярной литературе титан называли вечным металлом. Сначала расскажем историю этого элемента.

Норвегия и США в 1908 году начали изготовлять белила не используя соединения свинца и цинка, а из двуокиси титана. Такими белилами можно покрасить в несколько раз большую площадь поверхности, чем тем же количеством цинковых белил или свинцовых. Титановые белила обладают большей отражающей способностью, они и не темнеют под действием сероводорода и не ядовиты. В литературе для медиков описали случай приема человеком за один раз 460 г двуокиси титана! ( И с чем же он ее интересно спутал?) Никаких болезненных ощущений любитель двуокиси титана при этом не испытал. Двуокись титана является составляющей некоторых медицинских препаратов, например, мази от кожных болезней.

Наибольшие количества ТiO2 потребляет лакокрасочная промышленность, а не медицина. Производство этого соединения в мире намного превысило половину миллиона тонн в год. Широко используется эмаль на основе двуокиси титана в качестве защитных и декоративных покрытий по металлу и дереву в судостроении, машиностроении и строительстве. При этом значительно возрастает срок службы и деталей и сооружений. Титановые белила окрашивают ткани, кожу и многие другие материалы. Двуокись титана является составляющей тугоплавких стекол, фарфоровых масс, керамических материалов с повышенной диэлектрической проницаемостью. В резиновые смеси вводят как наполнитель для повышения прочности и термостойкости. На фоне уникальных свойств чистого металлического титана все достоинства соединений титана смотрятся несущественными.

Чистый титан

В 1925 году ученые Голландии де Бур и ван Аркель иодидным способом (о нем – ниже) смогли получить титан степенью чистоты – 99,9%. Он обладал пластичностью: ковался на холоде, прокатывался в листы, ленту, проволоку, тончайшую фольгу в отличие от титана, полученного Хантером. И это не самое главное. К фантастическим результатам приводили исследования физико-химических свойств у металлического титана. Оказывается, что титан, легче железа (плотность титана 4,5г/см3) вдвое, а превосходит многие стали по прочности. Оказалось сравнение с алюминием тоже в пользу титана, который в полтора раза тяжелее алюминия, но в шесть раз прочнее и, что самое важное, сохраняет прочность при температурах до 500oC (а при добавках легирующих элементов – до 650oC), однако прочность и магниевых и алюминиевых сплавов резко уменьшается при 300oC.

Характерное свойство титана твердость: он в 12 раз превосходит алюминий, в 4 раза – железо и медь. Предел текучести одна из важных характеристик металла. Чем выше предел, тем лучше детали из металла противостоят эксплуатационным нагрузкам и дольше сохраняют свои формы и размеры. У алюминия предел текучести меньше в 18 раз чем у титана. Титан обладает значительным электросопротивлением. Понятно, что электропроводность у титана – всего 3,8 относительно серебра, электропроводность которого приняли за 100, то у меди электропроводность равна 94, у алюминия — 60, у железа и платины – 15. Это свойство, как и немагнитность титана, представляют интерес для электротехники и радиоэлектроники.

Титан устойчив к коррозии. Например, пластинка из этого металла пролежавшая10 лет в морской воде не поверглась даже малейшей коррозии. Вот от железной пластинки за такой срок остались только воспоминания. Интерес к титану не случаен судостроителей, авиаконструкторов, гидростроителей. В конце 1968 года первый в мире сверхзвуковой пассажирский лайнер Ту-144 поднялся в воздух. Элероны, рули поворота, другие детали этого гиганта, нагревающиеся за полет до высокой температуры, сделаны из титана.

Тормозит производство и потребление титана на сегодня цена. Собственно, высокая его стоимость — не из-за малых залежей титана, известно что в земной коре его много – 0,63%. Большая цена является следствием чрезвычайно сложного извлечения титана из руды. Принимая стоимость концентрате титана за единицу, увидим что стоимость готовой продукции титанового листа больше в сотни раз. Объяснение этому высокое сродство титана со многими элементами и прочность химических связей его природных соединений. Отсюда и вытекают сложности технологий. Американский ученый У. Кроль разработал в 1940 году магниетермический способ производства титана.

Переводят в четыреххлористый титан двуокись титана с помощью хлора и в присутствии углерода. Процесс протекает в шахтных электропечах при температуре от 800 до 1250oC. Еще один вариант это хлорирование в расплаве солей щелочных металлов KСl и NaCl. Следующий этап важный и трудоемкий – очистка TiCl4 от примесей – проводится разными веществами и способами. Четыреххлористый титан (TiCl4) в обычных условиях находится в жидком состоянии, температура кипения 136oC. Связь титана с хлором разорвать легче, чем с кислородом. Выполняется с помощью магния, вот реакция, описывающая протекающий процесс TiCl4+2Mg Ti+2MgCl2.

Эта реакция протекает при 900oC в стальных реакторах. Образуется так называемая титановая губка, пропитанная и хлоридом магния и магнием. Их выпаривают при 950oC в герметичном вакуумном аппарате, а титановую губку спекают или переплавляют в компактный металл. Производство титана становится одной из важнейших отраслей металлургии, несмотря на трудоемкость и энергоемкость. США в 1947 г. получили всего 2 т этого металла, через 15 лет – более 350 тыс. т, а в 1975 г. потребление титана в слитках выросло в США до 12 млн т.

Роль титана как конструкционного материала быстро возрастает, это основы высокопрочных сплавов для ракетной техники, авиации, судостроения. Большая часть выплавляемого в мире титана идет в сплавы. Известный сплав авиационной промышленности, состоит из 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия. В 1976 г. американская печать обнародовала сообщение о новом сплаве с тем же назначением: 85% титана, 10% ванадия, 3% алюминия и 2% железа. Появилось утверждение, что новый сплав лучше и экономичнее.

Залежи

Титан занимает 10-е место по распространенности в природе. В земной коре содержание по массе 0,57 %, в морской воде — 0,001 мг/л. В ультраосновных породах 300 г/т, в основных — 9 кг/т, в кислых 2,3 кг/т, в глинах и сланцах 4,5 кг/т. В земной коре титан содержится всегда четырехвалентный и присутствует в кислородных соединениях. В свободном виде нигде не встречается. В условиях выветривания и осаждения титан имеет геохимическое сродство с Al2O3. Концентрируется в морских глинистых осадках, бокситах коры выветривания. Титан переносится в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов. Накапливается в некоторых глинах до 30 % TiO2 по весу. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях. Известно титан содержат более 100 минералов. Важнейшие из них: ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, рутил TiO2, титанит CaTiSiO5, перовскит CaTiO3. Различают россыпные — рутил-ильменит-цирконовые и коренные руды титана — ильменит-титаномагнетитовые.

Известно 70 минералов титана, где он находится в виде двуокиси или как соль титановой кислоты. Практическое наибольшее значение имеют ильменит, перовскит, рутил, сфен. Ильменит – метатитанат железа FeTiO3, который содержит 52,65% TiO2. Название этого минерала идет от места нахождения на Урале в Ильменских горах. В Индии есть крупнейшие россыпи ильменитовых песков. Важнейший минерал – рутил представляет собой двуокись титана. Промышленное значение имеют титаномагнетиты, представляющие собой природную смесь ильменита с минералами железа.

В СССР есть места богатые титановыми рудами. Месторождения руд имеют США, Индия, Канада, Австралия, Норвегия и другие страны. В Северном Прибайкалье геологи открыли новый титаносодержащий минерал, названный ландауитом в честь советского академика Л.Д. Ландау. На земном шаре известны 150 рудных и россыпных месторождений титана. Основные руды: рутил (TiO2), ильменит (FeTiO3), титанит (CaTiSiO5).

На производство диоксида титана TiO2 на 2002 год использовалось 90 % добываемого титана. За год производство диоксида титана в мире составляло 4,5 млн т. Запасы диоксида титана составляют порядка 800 млн т. На 2006 год без учета России по оценкам Геологической службы США в пересчете на диоксид титана, запасы ильменитовых руд составляют 603—673 млн т., а рутиловых — 49,7—52,7 млн т. При существующих темпах добычи мировых разведанных запасов титана хватит более чем на 150 лет.

Россия занимает второе место в мире после Китая по запасам титана. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений, из которых 11 коренных и 9 россыпных, равномерно расположенных по территории страны. Крупнейшее из разведанных месторождений Ярегское, находящееся в 25 км от Ухты в Республике Коми. Его запасы оцениваются в два миллиарда тонн руды со средним содержанием диоксида титана около 10 %. Российская компания «ВСМПО-АВИСМА» является крупнейшим в мире производителем титана.

В организме

Человеческий организм содержит до 20 мг титана. Больше всего титана в надпочечниках, селезенке и щитовидной железе. Содержание элемента титана в этих органах с возрастом не изменяется, а в легких за 65 лет жизни накапливается более чем в 100 раз. Среди растений богата титаном водоросль кладофора, содержание в которой элемента титана превышает 0,03%. Титан применяют стоматологи. Отличительная черта заключается не только в прочности, но и способности металла сращиваться с костью, что дает возможность обеспечить квазимонолитность основы зуба.

Титан нетоксичен даже в больших дозах и, по-видимому, не участвует в жизнедеятельности организма. Небольшое количество (0,8 мг) попадает внутрь с пищей, но большая часть не поглощается тканями. Титан обычно откладывается рядом с диоксидом кремния. Ученые предполагают о связи между содержанием этого металла и синдрома желтых ногтей. Не изученный пока механизм заставляет растения в присутствии титана вырабатывать больше углеводов. Этим может объясняться тот факт, что каждое растение на планете содержит примерно одну миллионную долю элемента. Употребляемые в пищу части – вдвое больше. А в хвоще и крапиве содержится до 80 миллионных долей.

Титан напыляется на лезвия бритв. В чистом виде огнеопасен, и в некоторых случаях может дойти до взрыва. Вода и углекислота неэффективны для тушения титана. Приходится использовать сухие порошки класса D. При использовании и хранении хлора титан не должен контактировать с сухим газом. Даже это может привести к возгоранию.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *