Титан (элемент)

← другие значения

Титан

Химический элемент

Серебристый металл

Символ, номер

Ti, 22

Атомная масса

47,867 а.е.м.

Электронная конфигурация

[Ar] 3d² 4s²

Электроотрицательность

1,54 (шкала Полинга)

Степени окисления

2; 3; 4

Плотность

4,54 г/см³

Температура плавления

1675° C

Температура кипения

3262° C

Молярная теплоёмкость

 Дж/(K·моль)

Структура кристаллической решетки

гексагональная плотноупакованная (α-Ti)

Теплопроводность

(300 K) 21,9 Вт/(м·К)

Титан (лат. Titanium, символ Ti) — химический элемент с атомным номером 22, а также соответствующее простое вещество — твердый серебристый металл, температура плавления 1675° C, температура кипения 3262° C, плотность 4540 кг/м³.

Происхождение названия

Это название заимствовано из древнегреческой мифологии: Титаны — дети богини Земли (Геи) и бога Неба (Урана).

История открытия

В 1791 году английский химик и минералог Уильям Грегор открыл новый элемент в минерале менаканните и назвал его «менаканумом». Немецкий химик Мартин Клапрот в 1795 году повторно открыл его в минерале рутил и предоставил ему красивое название «титан». За 2 года выяснилось, что Грегор и Клапрот открыли один и тот же элемент, который с тех пор носит величественное имя — титан. Впервые металлический титан добыл Берцелиус в 1825 году, но это был очень загрязненный металл. Многие ученые пытались получить титан в чистом виде и только в 1875 г. российский ученый Д. К. Кириллов впервые смог получить металлический титан, содержащий несколько процентов смеси. В 1910 г. американский химик Хантер смог выработать несколько граммов чистого титана, который содержал несколько десятых долей процента смесей, которые делают его практически непригодным для обработки. И хотя соли титана уже находили применение, лишь в 1925 году полученный голландскими учеными Ван Аркелем и где Буре титан высокой чистоты продемонстрировал свои уникальные свойства.

Общее описание и свойства

Фильм про титан

В природе существует 5 стабильных изотопов титана с массовыми числами 46-50: ⁴⁶Ti (7,95 %), ⁴⁷Ti (7,75 %), ⁴⁸Ti (7,345 %), ⁴⁹Ti (5,51 %), ⁵⁰Ti (5,34 %).

Титан существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотно упакованной решеткой; β-Ti с кубической объемно-центрированной решеткой. При обычных условиях устойчив к действию кислорода и воды. Химическая активность быстро растет при повышении температуры. Металл отличается высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Соединения: TiO, Ti₂O₃, TiO₂, Ti₃O₅, Ti₄O₇, Ti₁₀O₁₉.

Распространение

Среднее содержание титана в земной коре (кларк) 0,45 % (по другим данным — 0,61 % до глубины 16 км). Только три других важных металла — алюминий, железо и магний — распространены в природе больше, чем титан. Наиболее богаты титаном пегматиты гранитов и щелочных пород.

К началу XXI в. известно около 100 титановых минералов. В состав ряда минералов титан входит как примесь.

Главные минералы титановых руд: ильменит (43,7-52,8 % ТіО 2); рутил, анатаз и брукит (94,2-99,5); лейкоксен (61,9-97,6); лопарит (38,3-41); сфен (33,7-40,8); перовскит (38,7-57,8).

Количество титана в земной коре в несколько раз превышает запасы меди, цинка, свинца, золота, серебра, платины, хрома, вольфрама, ртути, молибдена, висмута, сурьмы, никеля и олова вместе взятых. Кларк титана в основных изверженных породах составляет 20,46 атомных %.

Получение

Получение титана

Промышленный способ добычи титана был разработан только в 40-х гг. XX века.

Промышленная добыча титана в основном проводится с ильменита (FeTiO₃ 31,6 %) и рутила (TiO₂ 60 %). Изъятие ильменита с титаномагнетитов возможно, если размер зерен ильменита больше 0,3 мм. Частично титан изымается из лейкоксена, анатаза и лопарита. Важными минералами также являются перовскит, титанит, ильменорутил. Металл ассоциирует с щелочными металлами, кальцием, ванадием, хромом, кремнием, марганцом, фосфором, оловом, ураном, иттрием и др. В промышленных масштабах титан получают хлорированием рудных концентратов. В соответствии с требованиям к концентратам, содержание диоксида титана должно быть не менее 45 %, диоксида кремния — не более 2,5-4,0 %, примесей S — десятые доли %, Р — сотые доли %. Восстановлением TiCl₄ металлическим магнием получают титановую губку. Переплавки губки в вакуумных дуговых печах дает компактный металл.

Процесс добычи титана (Кролль-процесс) был разработан Уильямом Джасти Кроллем — люксембургским металлургом в 1940 году. До сих пор он мало чем изменился. Из руд титана рутила или ильменита при воздействии высокой температуры и угля переводят в оксид с выплавкой железа:

• $\mathrm {FeTiO_{3}+C\ \longrightarrow \ Fe+TiO_{2}+\ CO}$

Затем при температуре 750—1000 ° C действием кокса и хлора переводят оксид титана в хлорид:

• $\mathrm {TiO_{2}\ +2\ C+2\ Cl_{2}\ \longrightarrow \ TiCl_{4}+\ 2\ CO}$

В третьей стадии процесса восстанавливают тетрахлорид титана действием жидкого магния до металлического титана при 800—900 ° C под защитной атмосферой аргона:

• $\mathrm {TiCl_{4}\ +2\ Mg\ \longrightarrow \ Ti+\ 2\ MgCl_{2}}$

Полученную титановую губку переплавляют в дуговых вакуумных печах. Для производства чистого титана используют газотранспортные реакции.

Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как: малая плотность, высокая прочность, коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, холодостойкость, немагнитность и другие ценные физико-механические характеристики.

Применение

Титан и его сплавы с Al, V, Mo, ​​Mn, Cr, Si, Fe, Sn, Zr, Nb, Ta применяются как конструкционный металл в авиационной и ракетной технике, судостроительной, энергомашиностроительной, пищевой, медицинской промышленности и цветной металлургии, где они надежно и длительно эксплуатируются во многих химических агрессивных средах. Самое главное значение имеют титано-ванадиевые сплавы, которые имеют высокую прочность, ковкость и свариваемость; карбид титана применяется для изготовления сверхтвердых сплавов, диоксид титана — для производства устойчивых титановых белил, пластмасс и в целлюлозно-бумажной промышленности; оксид титана TiO имеет металлическую проводимость, используется в электрохромных системах.

Титан является одним из немногих металлов с высокой коррозионной стойкостью: он устойчив в атмосферном воздухе, морской воде и морской атмосфере, во влажном хлоре, горячих и холодных растворах хлоридов, в различных технологических растворах и реагентах, применяемых в химической, нефтяной, бумажной и других отраслях промышленности, а также в гидрометаллургии.

По своей коррозионной стойкостью в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благородных — золота, платины и др., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие сплавы. Дело в том, что реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакцию. Это связано с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, хорошо срастающаяся с металлом, тончайшая (в несколько ангстрем пленка диоксида титана (пассивация), которая предохраняет его от дальнейшего окисления. Если даже эту пленку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка появляется вновь, и металл, как говорят, пассивируется, то есть защищает сам себя от дальнейшего разрушения.

Прочность

Сверло с покрытием из нитрида титана

При удельной прочности титан не имеет соперников среди промышленных металлов. Даже такой металл, как алюминий, уступил ряду позиций титана, который только в 1,7 раза тяжелее алюминия, но в шесть раз прочнее. И что особенно важно, титан сохраняет свою прочность при высоких температурах (до 500° C, а при добавлении легирующих элементов — 650° C), в то время как прочность большинства алюминиевых сплавов резко падает уже при 300° C.

Титан — очень твердый металл: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза — с железо и медь. Чем выше предел текучести металла, то лучше детали из него противостоят эксплуатационной нагрузкой, тем дольше они сохраняют свои формы и размеры. Граница текучести титана в 18 раз выше, чем у алюминия, и в 2,5 раза — чем у железа.

Титан — антикоррозионный металл

Поведение титана и его сплавов в различных агрессивных средах

Реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакции. Связано это с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, такая, что хорошо срастается с металлом тончайшая (в несколько ангстрем (1А = 10⁻¹⁰ м) пленка диоксида титана, что предохраняет его от дальнейшего окисления. Если даже эту пленку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка появляется вновь, и металл, как говорится, ею «пассивируется», то есть защищает сам себя от дальнейшего разрушения.

Влияние легирующих элементов в титане на коррозионную стойкость

Все присутствующие в титане легирующие элементы по коррозионной стойкости можно разделить на четыре группы. К первой группе относятся элементы, которые легко пассивируются, повышают коррозионную стойкость титана за счет торможения анодного процесса (в разной степени и в зависимости от природы среды). К этой группе относятся: Мо, ТаNb, Zr, V (расположены в порядке убывания благоприятного воздействия на коррозионную стойкость).

Ко второй группе металлов, оказывающих похож влияние на коррозионную стойкость титана, относятся Cr, Ni, Mn, Fe . Эти элементы, некоторые из которых сами являются коррозионно (Cr, Ni), хотя и не сильно, но снижают коррозионную стойкость титана, особенно в кислотах-неокислителях по мере повышения легирования титана.

К третьей группе легирующих элементов, имеющих общие черты влияния на коррозионную стойкость титана, относятся Al, Sn, С. Установлено, что добавки алюминия снижают коррозионную стойкость титана в активном и пассивном состояниях. В нейтральных средах алюминий (до 5 % Al) хотя и оказывает негативное влияние, но оно невелико. Понижение коррозионной стойкости при легировании алюминием связано с облегчением анодного и катодного процессов вследствие изменения химической природы пассивных пленок.

К четвертой группе легирующих элементов, которые однотипно влияют на коррозионную стойкость титана, относятся металлы с низким сопротивлением катодной процесса. По возрастанию эффективности воздействия на титан эти элементы располагаются в следующий ряд: CuW, МоNi, Re, Ru, Pd, Pt.

Доказано, что введение в титановые сплавы таких элементов, как молибден, ниобий, цирконий, тантал, не лимитируется по количеству. Они повышают коррозионную стойкость, способствуют увеличению прочности.

Особенности взаимодействия титана с воздухом

Воздух, представляющий собой смесь различных газов, является сложной газовой фазой, действие которой на титан может быть весьма многообразным. При этом взаимодействие титана с кислородом воздуха отличается от взаимодействия титана с чистым кислородом, поскольку на это взаимодействие оказывает влияние азот и другие составные части воздуха. В то же время следует иметь в виду, что при всей сложности газовой фазы (воздух) действие ее на титан следует рассматривать прежде всего как реакцию взаимодействия с ним активной и достаточно значительной по количеству составляющей — кислорода.

Литература

• Глоссарий терминов по химии // Й.Опейда, О.Швайка. Ин-т физико-органической химии и углехимии им. Л. Н. Литвиненко НАН Украины, Донецкий национальный университет — Донецк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
• Горный энциклопедический словарь: в 3 т. / Под ред. В. С. Белецкого . — Донецк: Восточный издательский дом, 2001—2004