История на откриването на метали
Всичко започва през 1791 г., когато, независимо един от друг, едновременно W. Gregor (Англия) и MG Klaproth (Германия) получават титанов диоксид, но не успяват да извлекат от него чисто вещество. Минералогът и, в същото време, селският свещеник Грегор изучават черния железен пясък, намерен в околността на неговата енория. Резултатът е извличане на съединение от титан - брилянтни зърна, които с името "менакин" (от минералния менаканит) увековечават местните места на англичанина.
По същото време химикът Клапрот, изучавайки червените пясъци, донесени от Унгария, намерил ново вещество в минералния рутил и го нарекъл “титан”. Няколко години по-късно той доказа, че рутилът и изнасят земята са идентични съединения. През 1825 г. първата химическа проба от метален титан е получена от шведския химик Берцелиус, но това не позволява напредък в изследването на свойствата, тъй като примесите правят пробата крехка и неподходяща за механична обработка.
Само през 1925 г. холандските химици Ван Аркел и де Бур, прилагайки термичното разлагане на титанов йодид, които не намират широко приложение, получават вещество с чистота 99, 9%. Такъв метал имаше пластичност, можеше да се навие на листа, тел и фолио. Това позволи да се започне пълномащабно проучване на физичните и химичните свойства, да се привлече вниманието на инженерите и строителите, да се очертае обхватът на приложение. И още през 1940 г. се появи процесът Krollow за възстановяване на титанов тетрахлорид с магнезий, който успешно се използва и до днес.
Теории за произхода на името
Има две теории за произхода на имената:
Първият, подчертаващ основните свойства на метала от титан - лекота и издръжливост, се свързва с името на характера на немската легенда - елфската царица Титания.- Друга теория се отнася до древногръцката митология, където титаните наричали силните братя - божества от второ поколение, децата на боговете Уран и Гея. Ехото от това се чува в името на елемента уран.
Намиране на титан в природата
Титанът заема четвъртото място на чест по отношение на съдържанието му в земната кора сред най-важните за човека метали, на второ място след желязо, магнезий и алуминий. Неговото максимално количество е концентрирано в долния, базалтов слой, малко по-малко - в гранита. Като се има предвид високата химическа активност, не е възможно да се намери титан в чист вид. Най-често срещаните тетравалентни оксиди, които са концентрирани в рудите на изветрящата кора и в морската глина.
Днес има до 75 титанови минерала, а учените периодично обявяват откриването на всички нови форми и съединения. За промишлена преработка най-важни са:
Илменита.- Leucoxen (продукт на илменитови промени).
- Рутил.
- Титанит (sphene).
- ПероВскитната.
- Анатаза.
- Titanomagnetite.
- Брук.
Титан е слаб мигрант, може да се транспортира само под формата на механични фрагменти от скали или по време на движението на колоидни тиняви слоеве на водните тела. Биосферата се характеризира със съдържание на максимални количества от този метал в водорасли, при животни се среща в вълна и рогови тъкани, присъстващи в човешкото тяло в щитовидната жлеза, далака, надбъбречните жлези и плацентата.
Депозити от космически материали
Най-често срещаните находища на илменит са около 800 милиона тона. Запасите от рутилови руди са много по-малки, но с запазването на растежа на производството те могат да осигурят на човечеството още 100 години. По отношение на титановите резерви, Русия е на второ място след Китай и има 20 проучени находища. Повечето от тях са сложни, където се добиват и желязо, фосфор, ванадий и цирконий. Днес руската металургична компания ВСМПО-АВИСМА се счита за най -големият производител на титан в света .
Обширните находища се намират в Южна Африка, Украйна, Канада, САЩ, Бразилия, Австралия, Швеция, Норвегия, Египет, Казахстан, Индия и Южна Корея. Те се различават по съдържание на метали в руди и производствени обеми, геоложките изследвания не спират. Дори на Луната са открити запаси от руди, съдържащи титан, някои от които са десет пъти по-богати от големите находища на Земята. Това ни позволява да се надяваме на намаляване на пазарните цени на метала и разширяване на сферата на използване.
Физични свойства на елемента
Титанът е химичен елемент на периодичната таблица и е в група IV на четвъртия период. Той има атомно число 22, моларна маса 47.867, обозначен със символа Ti и проявява окислителни състояния от 2 до 4, неговите четиривалентни съединения са най-стабилни. При нормално налягане, точката на топене на титан е 1670 ± 2 ° C, тя се отнася до цветни огнеупорни метали и наподобява външен вид на стомана.
Твърдостта, пластичността и границата на провлачане са важни параметри за всеки метал, който определя неговия обхват. Титанът е 12 пъти по-силен от алуминий, 4 пъти мед и желязо. Той е също много по-лек от всички тях (плътността на титана е само 4, 54 g / cm 3) и се обработва свободно чрез методите на заваряване, занитване, коване и валцуване. Важни характеристики са ниската топлопроводимост и електрическата проводимост, които остават непроменени дори при високи температури.
Титанът проявява парамагнитни свойства: той не се намагнетизира в магнитно поле, като никел и желязо, и не се избутва като сребро и злато. Неговите лоши антифрикционни свойства се дължат на залепване към много материали. Има уникални показатели за устойчивост на корозия и устойчивост на механично натоварване: плочи от титан, които са лежали в продължение на десет години на морското дъно, няма да претърпят промени във външния вид и състава, а желязото ще се разложи напълно през това време.
Химични свойства
Висока устойчивост на корозия, дължаща се на факта, че при нормални условия на повърхността на металния оксиден филм присъства. Въпреки това, под формата на прах, фини стърготини или тел, той може да се запали и експлодира. Титанът е устойчив на водни разтвори на хлор и много разредени основи и киселини, с изключение на флуороводородна, ортофосфорна и сярна. Заваряването и топенето се извършват във вакуум, защото при дори леко загряване се проявява едно от основните свойства на титана - активното поглъщане на газовете от околната атмосфера.
Реакцията с водород, която започва при 60 ° С, е обратима, получените хидриди се разлагат при нагряване. Във въздуха при температура 1200 ° C титанът свети с ярък бял пламък и само той може да гори в азотна атмосфера при температури над 400 ° C, за да образува нитриди. За взаимодействие с халогени, необходимите условия са липсата на влага и наличието на катализатор - висока температура. Реакцията с въглерода води до свръх-твърд карбид. При повечето метали, титанът образува високоякостни структурни или топлоустойчиви сплави и интерметални съединения, които често се използват като важен компонент на сплавта.
Методът на получаване от суровини
Суровината е титанов диоксид, съдържащ малко примеси. Това изисква рутилов концентрат, получен чрез обогатяване на руда. Но неговите световни запаси са малки и по-често използват титанова шлака (синтетичен рутил), която се получава чрез топлинна обработка - обогатяване на илменитови концентрати в електрическа дъгова пещ. В резултат на това желязото под формата на чугун се събира на дъното на специална вана и остава сив прах - шлака, съдържаща титанов оксид. Раздробява се, смесва се с въглища, брикетирани и хлорирани в пещи, където при 800 ° С се образуват пари титанов тетрахлорид в присъствието на въглерод.
След това се почистват и редуцират в специални реактори с магнезий при 950 ° С. По стените се образува порьозна маса, титанова гъба, която се калцинира във вакуум за отделяне от магнезиеви съединения. За да се получат титанови слитъци, получената гъба се стопява във вакуумно-дъгови пещи. Това предпазва метала от окисление и допринася за окончателното освобождаване от примесите. За обработка под налягане (валцуване, щамповане, коване) се използват готови слитъци с чистота до 99.7%.
Основни приложения
Трудно е да се опишат всички области на живота, в които титанът е намерил място, но сред основните области може да се спомене:
Основните потребители са космическата и ракетната наука. Високите точки на топене и лекота са безценни предимства на титан, когато се използва като "летящ" строителен материал. За летателни апарати, например, това са елероните и рангоутите, въртящите се крила, тръбопроводите и рамките. Силно символично е, че през 1980 г. паметникът на Ю. А. Гагарин, издигнат в Москва, е направен от този космически метал.- Корабостроенето също се нуждае от леки и устойчиви на корозия материали. В края на 70-те години на ХХ век почти целият годишен обем на производството на титан в Съветския съюз отиде за създаването на ядрена подводница, където тя служи като основен структурен материал. Резултатът е намаляване на една трета от теглото на подводницата, нейния парамагнетизъм, максималните показатели на дълбочината и скоростта под водата.
- Титановите плочи се използват в бронежилетки. Лека броня - 4 кг, тежка - 10, 5 кг. Дори една такава лента с дебелина само 5 мм надеждно предпазва от куршуми и пистолети.
- Металът е незаменим за нуждите на химическата промишленост поради неговата устойчивост на корозия в повечето агресивни среди и при високи температури: инструменти и тръбопроводи, резервоари за съхранение и дестилация, филтри и спирателни клапани.
- За да се получат стомани на твърдост и устойчивост на топлина, той се използва като легираща добавка.
- Титанови сплави се използват за производството на режещи и хирургически инструменти, бижута. Металът не се отхвърля от човешкото тяло, така че се използва в медицината за създаване на импланти.
Отдавна сградите в европейските градове бяха покрити с цинкови листове. През ХХ век за тези нужди е създаден екологично чист и дълготраен цинково-титанов материал. Неговата отлична пластичност помага да се направи покривът на почти всички вериги и да се оформи всеки нестандартен дизайн на фасадите.- Производството на строителни материали, бои, каучук, пластмаси, хартия и хранителни добавки е трудно да си представим без титанови съединения. Те са търсени в електротехниката, те могат да бъдат намерени в състава на огнеупорни стъкла и керамични части, в опори на сондажни платформи, работещи в екстремни морски условия, както и в случаите на домашни компютри.
Обхватът на приложение на титан непрекъснато се разширява, ограничава се от сложността и енергийната интензивност на процеса на получаване на чисти вещества. Това отчасти се дължи на това, че традиционните желязо и алуминий все още твърдо задържат позициите си днес. Титан е скъпо лечение. Цената на метала под формата на концентрат е стотици пъти по-малка от цената на готовите продукти, като например метални листове. Днес тези разходи не са достъпни за всички, така че използването на титан определя нивото на икономическо развитие и отбранителните способности на държавата.