Večni, skrivnostni, kozmični, material prihodnosti - vsi ti in številni drugi epiteti so titanu dodeljeni v različnih virih. Zgodovina odkritja te kovine ni bila trivialna: hkrati je več znanstvenikov delalo na izolaciji elementa v njegovi čisti obliki. Proces preučevanja fizikalnih, kemijskih lastnosti in določanja področij njegove uporabe do danes še ni zaključen. Titan je kovina prihodnosti, njegovo mesto v človeškem življenju še ni dokončno določeno, kar daje sodobnim raziskovalcem ogromno prostora za ustvarjalnost in znanstveno raziskovanje.
značilnost
Kemični element titan (Titan) je v periodnem sistemu D. I. Mendelejeva označen s simbolom Ti. Nahaja se v sekundarni podskupini skupine IV četrtega obdobja in ima zaporedno številko 22. Enostavna snov titan je belo-srebrna kovina, lahka in trpežna. Elektronska konfiguracija atoma ima naslednjo strukturo: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. V skladu s tem ima titan več možnih oksidacijskih stanj: 2,3, 4, v najbolj stabilnih spojinah je štirivalenten.
Titan - zlitina ali kovina?
To vprašanje zanima mnoge. Leta 1910 je ameriški kemik Hunter pridobil prvi čisti titan. Kovina je vsebovala le 1% nečistoč, hkrati pa se je njena količina izkazala za zanemarljivo in ni omogočila nadaljnjega preučevanja njenih lastnosti. Plastičnost dobljene snovi je bila dosežena le pod vplivom visokih temperatur, v normalnih pogojih (sobna temperatura) je bil vzorec preveč krhek. Pravzaprav ta element znanstvenikov ni zanimal, saj so se zdele možnosti za njegovo uporabo preveč negotova. Težave pri pridobivanju in raziskavah so še dodatno zmanjšale možnost njegove uporabe. Šele leta 1925 sta nizozemska kemika I. de Boer in A. Van Arkel prejela kovinski titan, katerega lastnosti so pritegnile pozornost inženirjev in oblikovalcev po vsem svetu. Zgodovina preučevanja tega elementa se začne leta 1790, točno v tem času, vzporedno, neodvisno drug od drugega, dva znanstvenika odkrivata titan kot kemični element. Vsak od njih prejme spojino (oksid) snovi, ki ne more izolirati kovine v njeni čisti obliki. Odkritelj titana je angleški mineralog menih William Gregor. Na ozemlju svoje župnije, ki se nahaja v jugozahodnem delu Anglije, je mladi znanstvenik začel preučevati črni pesek doline Menaken. Rezultat poskusov z magnetom je bil sproščanje sijočih zrn, ki so bila titanova spojina. Hkrati je v Nemčiji kemik Martin Heinrich Klaproth iz minerala izoliral novo snovrutil. Leta 1797 je tudi dokazal, da so elementi, ki se odpirajo vzporedno, podobni. Titanov dioksid je za mnoge kemike že več kot stoletje skrivnost in tudi Berzelius ni mogel dobiti čiste kovine. Najnovejše tehnologije 20. stoletja so bistveno pospešile proces proučevanja omenjenega elementa in določile začetne usmeritve njegove uporabe. Hkrati se obseg uporabe nenehno širi. Le zapletenost postopka pridobivanja takšne snovi, kot je čisti titan, lahko omeji njegov obseg. Cena zlitin in kovin je precej visoka, zato danes ne more izpodriniti tradicionalnega železa in aluminija.
Izvor imena
Menakin - prvo ime za titan, ki se je uporabljalo do leta 1795. Tako je po teritorialni pripadnosti novi element imenoval W. Gregor. Martin Klaproth je elementu leta 1797 poimenoval "titan". Takrat so njegovi francoski kolegi pod vodstvom dokaj uglednega kemika A. L. Lavoisierja predlagali, da bi novo odkrite snovi poimenovali v skladu z njihovimi osnovnimi lastnostmi. Nemški znanstvenik se s tem pristopom ni strinjal, povsem razumno je verjel, da je v fazi odkritja precej težko določiti vse lastnosti, ki so lastne snovi, in jih odražati v imenu. Vendar je treba priznati, da izraz, ki ga je Klaproth intuitivno izbral, v celoti ustreza kovini - to so že večkrat poudarili sodobni znanstveniki. Obstajata dve glavni teoriji o izvoru imena titan. Kovino bi lahko tako označili v čast vilinski kraljici Titaniji(lik germanske mitologije). To ime simbolizira tako lahkotnost kot moč snovi. Večina znanstvenikov je nagnjena k uporabi različice uporabe starogrške mitologije, v kateri so bili močni sinovi boginje zemlje Geje imenovani titani. V prid tej različici govori tudi ime prej odkritega elementa, urana.
Biti v naravi
Med kovinami, ki so tehnično dragocene za ljudi, je titan četrti najbolj razširjen v zemeljski skorji. Samo železo, magnezij in aluminij so v naravi značilni za velik odstotek. Najvišja vsebnost titana je v baz altni lupini, nekoliko manjša v granitni plasti. V morski vodi je vsebnost te snovi nizka - približno 0,001 mg / l. Kemični element titan je precej aktiven, zato ga ni mogoče najti v čisti obliki. Najpogosteje je prisoten v spojinah s kisikom, medtem ko ima valenco štiri. Število mineralov, ki vsebujejo titan, se giblje od 63 do 75 (v različnih virih), medtem ko znanstveniki na sedanji stopnji raziskav še naprej odkrivajo nove oblike njegovih spojin. Za praktično uporabo so najpomembnejši naslednji minerali:
- Ilmenit (FeTiO3).
- Rutil (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskite (CaTiO3).
- Titanomagnetit (FeTiO3+Fe3O4) itd.
Vse obstoječe rude, ki vsebujejo titan, so razdeljene naaluvialni in osnovni. Ta element je šibek migrant, lahko potuje le v obliki kamnin ali premikajočih se muljevitih skal. V biosferi je največja količina titana v algah. Pri predstavnikih kopenske favne se element kopiči v poroženelih tkivih, laseh. Za človeško telo je značilna prisotnost titana v vranici, nadledvičnih žlezah, posteljici, ščitnici.
Fizične lastnosti
Titan je neželezna kovina srebrno bele barve, ki je videti kot jeklo. Pri temperaturi 0 0C je njegova gostota 4,517 g/cm3. Snov ima nizko specifično težo, kar je značilno za alkalijske kovine (kadmij, natrij, litij, cezij). Po gostoti titan zaseda vmesni položaj med železom in aluminijem, medtem ko je njegova zmogljivost višja kot pri obeh elementih. Glavne lastnosti kovin, ki se upoštevajo pri določanju obsega njihove uporabe, so meja tečenja in trdota. Titan je 12-krat močnejši od aluminija, 4-krat močnejši od železa in bakra, hkrati pa je veliko lažji. Plastičnost čiste snovi in njena meja tečenja omogočata obdelavo pri nizkih in visokih temperaturah, kot pri drugih kovinah, to je s kovičenjem, kovanjem, varjenjem, valjanjem. Posebnost titana je nizka toplotna in električna prevodnost, medtem ko se te lastnosti ohranijo pri povišanih temperaturah, do 500 0С. V magnetnem polju je titan paramagnetni element, nese privlači kot železo in ne izriva kot baker. Zelo visoka protikorozijska zmogljivost v agresivnih okoljih in pod mehanskimi obremenitvami je edinstvena. Več kot 10 let bivanja v morski vodi ni spremenilo videza in sestave titanove plošče. Železo bi v tem primeru korozija popolnoma uničila.
Termodinamične lastnosti titana
- Gostota (v normalnih pogojih) je 4,54 g/cm3.
- Atomsko število je 22.
- Kovinska skupina - ognjevzdržna, lahka.
- Atomska masa titana je 47,0.
- Vrelišče (0С) – 3260.
- Molarni volumen cm3/mol – 10, 6.
- Tališče titana (0С) – 1668.
- Specifična toplota izhlapevanja (kJ/mol) – 422, 6.
- Električna upornost (pri 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Kemijske lastnosti
Povečana korozijska odpornost elementa je posledica tvorbe majhnega oksidnega filma na površini. Preprečuje (v normalnih pogojih) kemične reakcije s plini (kisik, vodik) v okoliški atmosferi elementa, kot je kovina titan. Njegove lastnosti se spreminjajo pod vplivom temperature. Ko se dvigne na 600 0С, pride do interakcijske reakcije s kisikom, ki povzroči nastanek titanovega oksida (TiO2). Pri absorpciji atmosferskih plinov nastanejo krhke spojine, ki nimajo praktične uporabe, zato se varjenje in taljenje titana izvajata v vakuumskih pogojih. reverzibilna reakcijaje proces raztapljanja vodika v kovini, se bolj aktivno pojavlja s povišanjem temperature (od 400 0С in višje). Titan, zlasti njegovi majhni delci (tanka plošča ali žica), gori v dušikovi atmosferi. Kemična reakcija interakcije je možna le pri temperaturi 700 0С, kar povzroči nastanek TiN nitrida. Tvori zelo trde zlitine s številnimi kovinami, pogosto kot legirni element. Reagira s halogeni (krom, brom, jod) le v prisotnosti katalizatorja (visoka temperatura) in podvržen interakciji s suho snovjo. V tem primeru nastanejo zelo trde ognjevzdržne zlitine. Pri raztopinah večine alkalij in kislin je titan kemično neaktiven, z izjemo koncentrirane žveplove (s podaljšanim vretjem), fluorovodikove, vroče organske (mravljinčne, oksalne).
Depoziti
Ilmenitske rude so najpogostejše v naravi - njihove zaloge so ocenjene na 800 milijonov ton. Zaloge rutila so veliko skromnejše, a skupni obseg - ob ohranjanju rasti proizvodnje - bi moral človeštvu v naslednjih 120 letih zagotoviti takšno kovino, kot je titan. Cena končnega izdelka bo odvisna od povpraševanja in povečanja stopnje izdelave, v povprečju pa se giblje v razponu od 1200 do 1800 rubljev / kg. V pogojih nenehnih tehničnih izboljšav se stroški vseh proizvodnih procesov znatno zmanjšajo z njihovo pravočasno posodobitvijo. Kitajska in Rusija imata največje zaloge titanovih rud, pa tudi mineralovSurovinsko bazo imajo Japonska, Južna Afrika, Avstralija, Kazahstan, Indija, Južna Koreja, Ukrajina, Cejlon. Najdišča se razlikujejo po obsegu proizvodnje in odstotku titana v rudi, geološka raziskovanja so v teku, kar omogoča domnevo znižanja tržne vrednosti kovine in njene širše uporabe. Rusija je daleč največji proizvajalec titana.
Prejmi
Za proizvodnjo titana se najpogosteje uporablja titanov dioksid, ki vsebuje minimalno količino nečistoč. Pridobiva se z obogatitvijo ilmenitnih koncentratov ali rutilnih rud. V električni obločni peči poteka toplotna obdelava rude, ki jo spremlja ločevanje železa in tvorba žlindre, ki vsebuje titanov oksid. Za obdelavo frakcije brez železa se uporablja sulfatna ali kloridna metoda. Titanov oksid je siv prah (glej fotografijo). Titan kovina se pridobiva s postopno obdelavo.
Prva faza je postopek sintranja žlindre s koksom in izpostavljenost klorovim param. Nastali TiCl4 se zmanjša z magnezijem ali natrijem, ko je izpostavljen temperaturi 850 0C. Titanova goba (porozna stopljena masa), pridobljena kot posledica kemične reakcije, se rafinira ali stopi v ingote. Glede na nadaljnjo smer uporabe nastane zlitina ali čista kovina (nečistoče odstranimo s segrevanjem na 1000 0С). Za proizvodnjo snovi z vsebnostjo nečistoč 0,01 % se uporablja jodidna metoda. Temelji na procesuizhlapevanje iz titanove gobice, predhodno obdelane s halogenom, njegove pare.
Območja uporabe
Tališče titana je precej visoko, kar je glede na lahkotnost kovine neprecenljiva prednost njegove uporabe kot konstrukcijskega materiala. Zato najde največjo uporabo v ladjedelništvu, letalski industriji, proizvodnji raket in kemični industriji. Titan se pogosto uporablja kot legirni dodatek v različnih zlitinah, ki imajo povečane lastnosti trdote in toplotne odpornosti. Zaradi visokih protikorozijskih lastnosti in odpornosti na najbolj agresivna okolja je ta kovina nepogrešljiva za kemično industrijo. Titan (njegove zlitine) se uporablja za izdelavo cevovodov, rezervoarjev, ventilov, filtrov, ki se uporabljajo pri destilaciji in transportu kislin in drugih kemično aktivnih snovi. Povprašan je pri ustvarjanju naprav, ki delujejo v pogojih povišanih temperaturnih indikatorjev. Titanove spojine se uporabljajo za izdelavo trpežnih rezalnih orodij, barv, plastike in papirja, kirurških instrumentov, vsadkov, nakita, zaključnih materialov in se uporabljajo v živilski industriji. Vse smeri je težko opisati. Sodobna medicina zaradi popolne biološke varnosti pogosto uporablja kovinski titan. Cena je edini dejavnik, ki doslej vpliva na širino uporabe tega elementa. Pošteno je reči, da je titan material prihodnosti, s preučevanjem katerega bo človeštvo minilona novo stopnjo razvoja.
