Proprietățile chimice ale titanului. Caracteristici generale. Istoria descoperirilor. Argumente pro şi contra

Titanul ocupă locul 4 în ceea ce privește distribuția în producție, dar o tehnologie eficientă pentru extracția sa a fost dezvoltată abia în anii 40 ai secolului trecut. Este un metal de culoare argintie, caracterizat printr-o greutate specifică scăzută și caracteristici unice. Pentru a analiza gradul de distribuție în industrie și în alte domenii, este necesar să se pronunțe proprietățile titanului și domeniul de aplicare al aliajelor sale.

Principalele caracteristici

Metalul are o greutate specifică scăzută - doar 4,5 g/cm³. Proprietățile anticorozive se datorează unui film de oxid stabil format pe suprafață. Datorită acestei calități, titanul nu își schimbă proprietățile în timpul expunerii prelungite la apă, acid clorhidric. Zonele deteriorate nu apar din cauza stresului, care este principala problemă a oțelului.

În forma sa pură, titanul are următoarele calități și caracteristici:

• punctul de topire nominal - 1660°С;
• sub influența termică +3 227 ° С fierbe;
• rezistență la tracțiune - până la 450 MPa;
• caracterizat printr-un indice de elasticitate scăzut - până la 110,25 GPa;
• pe scara HB duritatea este 103;
• limita de curgere este una dintre cele mai optime dintre metale - până la 380 MPa;
• conductivitatea termică a titanului pur fără aditivi - 16.791 W / m * C;
• coeficient minim de dilatare termică;
• acest element este un paramagnet.

Pentru comparație, rezistența acestui material este de 2 ori mai mare decât cea a fierului pur și de 4 ori mai mare decât cea a aluminiului. Titanul are, de asemenea, două faze polimorfe - temperatură joasă și temperatură ridicată.

Pentru nevoi industriale, titanul pur nu este utilizat din cauza costului ridicat și a performanței necesare. Pentru a crește rigiditatea, în compoziție se adaugă oxizi, hibrizi și nitruri. Rareori schimbați caracteristicile materialului pentru a îmbunătăți rezistența la coroziune. Principalele tipuri de aditivi pentru obținerea aliajelor: oțel, nichel, aluminiu. În unele cazuri, îndeplinește funcțiile unei componente suplimentare.

Domenii de utilizare

Datorită greutății specifice scăzute și parametrilor de rezistență, titanul este utilizat pe scară largă în industria aviației și spațială. Este folosit ca material structural principal în forma sa pură. În cazuri speciale, prin reducerea rezistenței la căldură se realizează aliaje mai ieftine. În același timp, rezistența sa la coroziune și rezistența mecanică rămân neschimbate.

În plus, materialul cu aditivi de titan și-a găsit aplicație în următoarele domenii:

• Industria chimica. Rezistența sa la aproape toate mediile agresive, cu excepția acizilor organici, face posibilă fabricarea de echipamente complexe cu indicatori buni ai duratei de viață fără întreținere.
• Producția de vehicule. Motivul este greutatea specifică scăzută și rezistența mecanică. Din el sunt realizate cadre sau elemente structurale portante.
• Medicamentul. În scopuri speciale, se folosește un aliaj special nitinol (titan și nichel). Caracteristica sa distinctivă este memoria formei. Pentru a reduce povara pacienților și a minimiza probabilitatea efectelor negative asupra organismului, multe atele medicale și dispozitive similare sunt fabricate din titan.
• În industrie, metalul este utilizat pentru fabricarea de carcase și elemente individuale de echipamente.
• Bijuteriile din titan au un aspect unic.

În cele mai multe cazuri, materialul este prelucrat în fabrică. Dar există o serie de excepții - cunoașterea proprietăților acestui material, o parte din munca de modificare a aspectului produsului și a caracteristicilor acestuia poate fi efectuată în atelierul de acasă.

Caracteristici de procesare

Pentru a da produsului forma dorită, este necesar să folosiți echipamente speciale - un strung și o mașină de frezat. Tăierea sau frezarea manuală a titanului nu este posibilă din cauza durității sale. Pe lângă alegerea puterii și a altor caracteristici ale echipamentului, este necesar să alegeți uneltele de tăiere potrivite: freze, freze, alezoare, burghie etc.

Acest lucru ia în considerare următoarele nuanțe:

• Așchii de titan sunt foarte inflamabili. Este necesar să forțați răcirea suprafeței piesei și să lucrați la viteze minime.
• Îndoirea produsului se efectuează numai după încălzirea prealabilă a suprafeței. În caz contrar, este posibil să apară fisuri.
• Sudare. Trebuie respectate condiții speciale.

Titanul este un material unic cu performanțe bune și proprietăți tehnice. Dar pentru procesarea acesteia, ar trebui să cunoașteți specificul tehnologiei și, cel mai important, măsurile de siguranță.

Este unul dintre cele mai importante materiale structurale, deoarece combină rezistența, duritatea și ușurința. Cu toate acestea, alte proprietăți ale metalului sunt foarte specifice, ceea ce face ca procesul de obținere a unei substanțe să fie dificil și costisitor. Și astăzi vom lua în considerare tehnologia mondială pentru producția de titan, menționăm pe scurt și.

Există metal în două modificări.

• α-Ti- există până la o temperatură de 883 C, are o rețea hexagonală densă.
• β-Ti– are o rețea cubică centrată pe corp.

Tranziția se realizează cu o schimbare foarte mică a densității, deoarece aceasta din urmă scade treptat odată cu încălzirea.

• În timpul funcționării produselor din titan, în cele mai multe cazuri, acestea se ocupă de faza α. Dar atunci când topesc și fabrică aliaje, metalurgiștii lucrează cu β-modificare.
• A doua caracteristică a materialului este anizotropia. Coeficientul de elasticitate și susceptibilitatea magnetică a unei substanțe depind de direcție, iar diferența este destul de vizibilă.
• A treia caracteristică este dependența proprietăților metalului de puritate. Titanul tehnic obișnuit nu este potrivit, de exemplu, pentru utilizare în știința rachetelor, deoarece își pierde rezistența la căldură din cauza impurităților. În această industrie se folosesc doar substanțe extrem de pure.

Acest videoclip va spune despre compoziția titanului:

Producția de titan

Utilizarea metalului a început abia în anii 50 ai secolului trecut. Extragerea și producerea acestuia este un proces complex, datorită căruia acest element relativ comun a fost clasificat ca fiind rar condiționat. Și apoi vom lua în considerare tehnologia, echipamentele atelierelor de producție de titan.

Materii prime

Titanul este pe locul 7 ca abundenta in natura. Cel mai adesea aceștia sunt oxizi, titanați și titanosilicați. Cantitatea maximă de substanță este conținută în dioxizi - 94–99%.

• Rutil- cea mai stabilă modificare, este un mineral albăstrui, galben-maroniu, roșu.
• Anataz- un mineral destul de rar, la temperatura de 800-900 C se transforma in rutil.
• Brookite- un cristal al sistemului rombic, la 650 C se transforma ireversibil in rutil cu scaderea volumului.

• Compușii metalici cu fier sunt mai des întâlniți - ilmenit(până la 52,8% titan). Acestea sunt geikilite, pyrophanite, krichton - compoziția chimică a ilmenitei este foarte complexă și variază foarte mult.
• Folosit în scopuri industriale, rezultat al intemperiilor ilmenitei - leucoxen. Aici are loc o reacție chimică destul de complexă, în care o parte din fier este îndepărtată din rețeaua ilmenită. Ca urmare, volumul de titan din minereu crește - până la 60%.
• De asemenea, se folosește minereu, unde metalul nu este asociat cu fierul feros, ca în ilmenit, ci acționează sub formă de titanat de oxid feros - acesta arizonit, pseudobrookit.

Depozitele de ilmenit, rutil și titanomagnetit sunt de cea mai mare importanță. Ele sunt împărțite în 3 grupe:

• magmatică- sunt asociate cu zonele de distribuție a rocilor ultrabazice și bazice, cu alte cuvinte, cu distribuția magmei. Cel mai adesea acestea sunt minereuri de ilmenit, titanomagnetit ilmenit-hematit;
• depozite exogene- placer și depozite reziduale, aluvionale, aluvionale-lacustre de ilmenit și rutil. Precum și placeri de coastă-marin, minereuri de titan, anatază în cruste de intemperii. Placerii de coastă-marin sunt de cea mai mare importanță;
• depozite metamorfozate– gresii cu leucoxeni, minereuri de ilmenit-magnetit, solide si diseminate.

Depozitele exogene - reziduale sau aluviale, sunt dezvoltate prin metoda deschisa. Pentru aceasta se folosesc drage și excavatoare.

Dezvoltarea zăcămintelor primare este asociată cu scufundarea minelor. Minereul rezultat este zdrobit și îmbogățit la fața locului. Aplicați îmbogățirea gravitațională, flotarea, separarea magnetică.

Zgura de titan poate fi folosită ca materie primă. Conține până la 85% dioxid de metal.

Tehnologia de producție

Procesul de producere a metalului din minereuri de ilmenit constă în mai multe etape:

• reducerea topirii pentru a obține zgura de titan;
• clorurare a zgurii;
• producerea metalelor prin valorificare;
• Rafinarea titanului - de regulă, se realizează pentru a îmbunătăți proprietățile produsului.

Procesul este complex, în mai multe etape și costisitor. Drept urmare, un metal destul de accesibil este foarte scump de fabricat.

Acest videoclip va spune despre producția de titan:

Primirea zgurii

Ilmenita este o asociere a oxidului de titan cu fierul feros. Prin urmare, scopul primei etape de producție este separarea dioxidului de oxizii de fier. Pentru aceasta se reduc oxizii de fier.

Procesul se desfășoară în cuptoare cu arc electric. Concentratul de ilmenit este încărcat în cuptor, apoi este introdus un agent reducător - cărbune, antracit, cocs și încălzit la 1650 C. În acest caz, fierul este redus din oxid. Fonta se obține din fontă redusă și carburată, iar oxidul de titan trece în zgură. Acesta din urmă conține în cele din urmă 82–90% titan.

Fonta și zgura sunt turnate în forme separate. Fonta este folosită în producția metalurgică.

Clorarea zgurii

Scopul procesului este de a obține tetraclorură de metal, pentru utilizare ulterioară. Este imposibil să clorurați direct concentratul de ilmenit, din cauza formării unei cantități mari de clorură ferică - compusul distruge echipamentul foarte repede. Prin urmare, este imposibil să se facă fără etapa de îndepărtare preliminară a oxidului de fier. Clorarea se realizează în cloratoare de mine sau de sare. Procesul este oarecum diferit.

• Clorator de mină- o structură cilindrică căptușită de până la 10 m înălțime și până la 2 m diametru.De sus se pun brichete din zgură zdrobită în clorinator, iar prin tuiere se alimentează gaz de la electrolizoarele de magneziu care conțin 65–70% clor. Reacția dintre zgura de titan și clor are loc cu degajarea de căldură, care asigură temperatura necesară procesului. Tetraclorura de titan gazoasă este retrasă prin partea superioară, iar zgura rămasă este îndepărtată continuu de jos.
• Clorator cu sare, o cameră căptușită cu șamotă și umplută pe jumătate cu electrolit electrolitic de magneziu uzat. Topitura conține cloruri metalice - sodiu, potasiu, magneziu și calciu. Zgura de titan zdrobită și cocsul sunt introduse în topitură de sus, iar clorul este injectat de jos. Deoarece reacția de clorinare este exotermă, regimul de temperatură este menținut prin procesul în sine.

Tetraclorura de titan este purificată de mai multe ori. Gazul poate conține dioxid de carbon, monoxid de carbon și alte impurități, astfel încât curățarea se efectuează în mai multe etape.

Electrolitul uzat este înlocuit periodic.

Primirea metalului

Metalul este redus din tetraclorura cu magneziu sau sodiu. Reducerea are loc cu eliberarea de căldură, ceea ce permite ca reacția să fie efectuată fără încălzire suplimentară.

Pentru recuperare se folosesc cuptoare cu rezistență electrică. Mai întâi, în cameră se pune un balon etanș din aliaje de crom înălțime de 2–3 m. După ce recipientul este încălzit la +750 C, se introduce magneziu în el. Și apoi servește tetraclorură de titan. Alimentația este reglabilă.

1 ciclu de recuperare durează 30–50 de ore, astfel încât temperatura să nu crească peste 800–900 C, retorta este suflată cu aer. Ca urmare, se obține de la 1 la 4 tone de masă spongioasă - metalul se depune sub formă de firimituri, care sunt sinterizate într-o masă poroasă. Clorura de magneziu lichidă se scurge periodic.

Masa poroasă absoarbe destul de multă clorură de magneziu. Prin urmare, după reducere, se efectuează distilare în vid. Pentru a face acest lucru, retorta este încălzită la 1000 C, se creează un vid în ea și se menține timp de 30-50 de ore. În acest timp, impuritățile se evaporă.

Reducerea cu sodiu decurge aproape în același mod. Diferența este prezentă doar în ultima etapă. Pentru a îndepărta impuritățile de clorură de sodiu, buretele de titan este zdrobit și sarea este îndepărtată din el cu apă obișnuită.

Rafinare

Titanul tehnic obținut în modul descris mai sus este destul de potrivit pentru producția de echipamente și containere pentru industria chimică. Cu toate acestea, pentru zonele în care sunt necesare rezistență ridicată la căldură și uniformitate a proprietăților, metalul nu este potrivit. În acest caz, apelați la rafinare.

Rafinarea se efectuează într-un termostat, unde temperatura este menținută la 100–200 C. O retortă cu un burete de titan este plasată în cameră, apoi, folosind un dispozitiv special, o capsulă cu iod este spartă într-o cameră închisă. Iodul reacționează cu metalul pentru a forma iodură de titan.

Firele de titan sunt întinse în retortă, prin care trece un curent electric. Firul este încălzit la 1300-1400 C, iodura rezultată se descompune pe fir, formând cristale din cel mai pur titan. Iodul este eliberat, reacționează. Cu o nouă porțiune de burete de titan, procesul continuă până când metalul este epuizat. Producția este oprită atunci când, din cauza creșterii titanului, diametrul firului devine 25-30 mm. Într-un astfel de aparat, se pot obține 10 kg de metal cu o pondere de 99,9–99,99%.

Dacă este necesar să se obțină metal maleabil în lingouri, acestea procedează diferit. Pentru a face acest lucru, buretele de titan este topit într-un cuptor cu arc cu vid, deoarece metalul absoarbe în mod activ gazele la temperaturi ridicate. Electrodul consumabil este fabricat din deșeuri de titan și un burete. Metalul lichid se solidifică în aparat într-o matriță răcită cu apă.

Topitura se repetă de obicei de două ori pentru a îmbunătăți calitatea lingourilor.

Datorită caracteristicilor substanței - reacții cu oxigenul, azotul și absorbția gazelor, producerea tuturor aliajelor de titan este posibilă și numai în cuptoarele cu vid cu arc electric.

Citiți mai jos despre Rusia și alte țări producătoare de titan.

Producători populari

Piața producției de titan este destul de închisă. De regulă, țările care produc o cantitate mare de metal sunt ele însele consumatorii săi.

În Rusia, cea mai mare și poate singura companie implicată în producția de titan este VSMPO-Avisma. Este considerat cel mai mare producător de metal, dar acest lucru nu este în întregime adevărat. Compania produce o cincime din titan, dar consumul său global arată diferit: aproximativ 5% este cheltuit pe produse și prepararea aliajelor, iar 95% este folosit pentru a produce dioxid.

Deci, producția de titan în lume în funcție de țară:

• China este principala țară producătoare. Țara are rezervele maxime de minereuri de titan. Dintre cele 18 fabrici cunoscute de burete de titan, 9 sunt situate în China.
• Japonia este pe locul doi. Interesant este că doar 2-3% din metal merge în sectorul aerospațial din țară, iar restul este folosit în industria chimică.
• Locul trei în lume în producția de titan este ocupat de Rusia și de numeroasele sale fabrici. Apoi vine Kazahstanul.
• Statele Unite sunt următoarea țară producătoare de pe listă, consumă titan în mod tradițional: 60-75% din titan este folosit de industria aerospațială.

Producția de titan este un proces complex din punct de vedere tehnologic, costisitor și îndelungat. Cu toate acestea, cererea pentru acest material este atât de mare încât se prevede o creștere semnificativă a producției de metal.

Acest videoclip vă va spune cum este tăiat titanul la una dintre unitățile de producție din Rusia:

Combinația de rezistență și ușurință într-o singură substanță este un parametru valoros atât de mult încât alte calități și caracteristici ale materialului pot fi complet ignorate. scump în , rezistent la temperaturi doar în formă ultrapură, greu de utilizat, dar toate acestea se dovedesc a fi secundare în comparație cu combinația dintre greutate redusă și rezistență ridicată.

Acest articol vă va spune despre utilizarea titanului în aviația militară, industrie, medicină, producția de aeronave, pentru fabricarea de bijuterii, aliaje de titan și aplicații casnice.

Domeniul de aplicare al metalului ar fi mult mai larg dacă nu ar fi costul ridicat al producției sale. Din această cauză, titanul este utilizat numai în acele zone în care utilizarea unei substanțe atât de scumpe este justificată din punct de vedere economic. Determină utilizarea nu numai rezistența și ușurința, ci și rezistența la coroziune, comparabilă cu rezistența metalelor prețioase și durabilitatea.

Proprietățile metalului sunt neobișnuit de puternic dependente de puritate, astfel încât utilizarea titanului tehnic și pur sunt considerate 2 probleme separate.

Despre ce proprietăți titanul este atât de utilizat pe scară largă în industrie, acest videoclip va spune:

metal tehnic

Titanul tehnic poate conține o varietate de impurități care nu afectează proprietățile chimice ale substanței, dar au un impact asupra fizicului. Titanul tehnic își pierde o calitate atât de valoroasă precum rezistența la căldură și capacitatea de a lucra la temperaturi peste 500-600 C. Dar rezistența sa la coroziune nu scade în niciun fel.

• Acesta este motivul utilizarii sale - in industria chimica si in orice alt domeniu in care este necesar sa se asigure rezistenta produselor in medii agresive. Titanul este folosit pentru a face rezervoare de stocare, fitinguri, părți ale reactoarelor, conductelor și pompelor, al căror scop este mișcarea acizilor și bazelor anorganice și organice. Majoritatea aliajelor de titan au aceleași proprietăți.
• Greutatea ușoară, împreună cu rezistența la coroziune, oferă o altă aplicație - în fabricarea echipamentelor de transport, în special, transportul feroviar. Utilizarea foilor și tijelor de titan la fabricarea vagoanelor și a trenurilor face posibilă reducerea masei trenurilor și, prin urmare, reducerea dimensiunii cutiilor și gâturilor de osie, făcând tracțiunea mai eficientă.

În mașinile obișnuite, sistemele de evacuare și arcurile elicoidale sunt fabricate din titan. În mașinile de curse, unitățile de propulsie din titan pot ușura semnificativ mașina și pot îmbunătăți proprietățile acesteia.

• Titanul este indispensabil în producția de vehicule blindate: aici este decisivă combinația dintre rezistență și ușurință.
• Rezistența ridicată la coroziune și ușurința fac ca materialul să fie atractiv și pentru afacerile navale. Titanul este utilizat la fabricarea țevilor cu pereți subțiri și a schimbătoarelor de căldură, tobe de eșapament submarine, supape, elice, componente ale turbinei și așa mai departe.

Produse din titan (foto)

metal pur

Metalul pur prezintă o rezistență foarte mare la căldură, capacitatea de a lucra sub sarcini mari și temperaturi ridicate. Și, având în vedere greutatea sa redusă, utilizarea metalului în industria rachetelor și a aeronavei este evidentă.

• Metalul și aliajele sale sunt folosite pentru a face elemente de fixare, ornamente, piese de șasiu, un set de putere și așa mai departe. În plus, materialul este utilizat în construcția motoarelor de aeronave, ceea ce face posibilă reducerea greutății acestora cu 10-25%.
• Rachetele care trec prin straturile dense ale atmosferei se confruntă cu sarcini monstruoase. Utilizarea titanului și a aliajelor sale face posibilă rezolvarea problemei rezistenței statice a aparatului, rezistenței la oboseală și, într-o oarecare măsură, fluajului.
• O altă aplicație a titanului pur este fabricarea de piese pentru dispozitive de electrovacuum concepute pentru funcționarea în condiții de suprasarcină.
• Metalul este indispensabil în producerea tehnologiei criogenice: rezistența titanului crește doar odată cu scăderea temperaturii, dar se păstrează o oarecare plasticitate.
• Titanul este poate cea mai inertă substanță biologic. Metalul pur comercial este folosit pentru a face tot felul de proteze externe și interne până la valvele cardiace. Titanul este compatibil cu țesutul biologic și nu a provocat niciun caz de alergie. În plus, materialul este folosit pentru instrumente chirurgicale, cârje pentru scaune cu rotile, scaune cu rotile și așa mai departe.

Cu toate acestea, cu toată rezistența sa la temperaturi și durabilitate, metalul nu este utilizat la fabricarea rulmenților, bucșilor și a altor piese în care este de așteptat frecare. Titanul are proprietăți antifricțiune scăzute și această problemă nu poate fi rezolvată cu ajutorul aditivilor.

Titanul este bine lustruit, anodizat - anodizare de culoare, prin urmare este adesea folosit în opere de artă și în arhitectură. Un exemplu este un monument la primul satelit artificial de pământ sau un monument. Y. Gagarin.

Despre marcarea produselor din titan, instrucțiunile de utilizare și alte puncte importante despre utilizarea metalului în construcții, vom descrie mai jos.

Videoclipul de mai jos arată procesul de andonizare a titanului:

Utilizarea sa în construcții

Desigur, cea mai mare parte a titanului este folosită în industria aeronautică și în industria transporturilor, unde combinația dintre rezistență și ușurință este deosebit de importantă. Cu toate acestea, materialul este folosit și în construcții și ar fi folosit mai pe scară largă dacă nu ar fi costul ridicat.

Placare din titan

Această tehnologie nu este încă larg răspândită, dar, de exemplu, în Japonia, foile de titan sunt foarte utilizate pentru finisarea acoperișurilor și chiar a interioarelor. Ponderea materialului folosit în construcții este mult mai mare decât cea utilizată în sectorul aviației.

Acest lucru se datorează atât rezistenței unei astfel de placari, cât și posibilităților sale decorative uimitoare. Prin oxidare anodica se poate obtine pe suprafata tablei un strat de oxizi de diferite grosimi. Apoi culoarea se schimbă. Schimbând timpul și intensitatea de recoacere, puteți obține culori galbene, turcoaz, albastru, roz, verde.

La anodizarea în atmosferă de azot, foile sunt realizate cu un strat de nitrură de titan. Astfel, se obține o mare varietate de nuanțe de aur. Această tehnologie este folosită în restaurarea monumentelor de arhitectură - restaurarea bisericilor, de exemplu.

Cusătură acoperișuri

Această opțiune este deja foarte răspândită. Dar, adevărat, nu titanul în sine îi servește drept bază, ci aliajul său.

Acoperișurile cu cusături în sine sunt cunoscute de foarte mult timp, dar nu au fost populare de multă vreme. Cu toate acestea, astăzi, datorită modei pentru stilurile hi-tech și hi-tech, este nevoie de suprafețe sparte și spline, în special cele care intră în fațada clădirii. Și oferă o astfel de oportunitate.

Capacitatea ei de a se forma este aproape nelimitată. Iar utilizarea aliajului oferă atât o rezistență excepțională, cât și cel mai neobișnuit aspect. Deși pentru dreptate, culoarea de bază a oțelului mat este considerată cea mai respectabilă.

Deoarece zinc-titanul are o maleabilitate destul de decentă, din aliaj sunt realizate o varietate de detalii decorative complexe: coame de acoperiș, refluxuri impermeabile, cornișe și așa mai departe.

O astfel de zonă de aplicare a titanului ca placarea fațadei este discutată pe scurt mai jos.

Placarea fatadelor

La fabricarea panourilor de fațare se folosește și zinc-titan. Panourile sunt folosite atât pentru placarea fațadelor, cât și pentru decorarea interioară. Motivul este același - o combinație de rezistență, ușurință excepțională și decorativitate.

Sunt produse panouri de diferite forme - sub formă de lamele, romburi, module, solzi și așa mai departe. Cel mai interesant lucru este că panourile s-ar putea să nu fie plate, ci să ia aproape orice formă tridimensională. Drept urmare, un astfel de finisaj este posibil pe pereți și clădiri de orice configurație, cea mai de neconceput.

Lejeritatea produsului duce la o altă aplicație complet unică. O fațadă ventilată convențională implică și un spațiu între placare și izolație. Cu toate acestea, panourile ușoare de zinc-titan pot fi montate pe mecanisme de deschidere mobile, formând un sistem similar jaluzelelor. Plăcile, dacă este necesar, se pot abate de la plan cu un unghi de 90 de grade.

Titanul are o combinație unică de rezistență, ușurință și rezistență la coroziune. Aceste calități determină utilizarea acestuia, în ciuda costului ridicat al materialului.

Acest videoclip vă va spune cum să faceți un inel de titan:

Un monument în onoarea cuceritorilor spațiului a fost ridicat la Moscova în 1964. A fost nevoie de aproape șapte ani (1958-1964) pentru a proiecta și construi acest obelisc. Autorii au trebuit să rezolve nu numai probleme de arhitectură și artistice, ci și probleme tehnice. Prima dintre ele a fost alegerea materialelor, inclusiv a fațatului. După lungi experimente, s-au așezat pe foi de titan lustruite până la strălucire.

Într-adevăr, în multe caracteristici, și mai ales în rezistența la coroziune, titanul depășește marea majoritate a metalelor și aliajelor. Uneori (mai ales în literatura populară) titanul este numit metalul etern. Dar mai întâi, să vorbim despre istoria acestui element.

Oxidat sau neoxidat?

Până în 1795, elementul numărul 22 a fost numit „menakin”. Așa a numit-o în 1791 de chimistul și mineralogul englez William Gregor, care a descoperit un nou element în mineralul menakanit (nu căutați acest nume în cărțile de referință mineralogice moderne - menakanit a fost și el redenumit, acum se numește ilmenit).

La patru ani de la descoperirea lui Gregor, chimistul german Martin Klaproth a descoperit un nou element chimic într-un alt mineral - rutilul - și l-a numit titan în onoarea reginei elfilor Titania (mitologia germanică).

Potrivit unei alte versiuni, numele elementului provine de la titani, fiii puternici ai zeiței pământului - Gaia (mitologia greacă).

În 1797, s-a dovedit că Gregor și Klaproth au descoperit același element și, deși Gregor făcuse acest lucru mai devreme, numele pe care i-a dat Klaproth a fost stabilit pentru noul element.

Dar nici Gregor, nici Klaproth nu au reușit să obțină elementalul titan. Pulberea cristalină albă pe care au izolat-o a fost dioxid de titan TiO2. Multă vreme niciunul dintre chimiști nu a reușit să reducă acest oxid, izolând metalul pur de el.

În 1823, omul de știință englez W. Wollaston a raportat că cristalele pe care le-a descoperit în zgura metalurgică a uzinei Merthyr Tydville nu erau altceva decât titan pur. Și 33 de ani mai târziu, celebrul chimist german F. Wöhler a demonstrat că aceste cristale erau din nou un compus de titan, de data aceasta o carbonitrură asemănătoare metalului.

Timp de mulți ani s-a crezut că metalul Titanul a fost obținut pentru prima dată de Berzelius în 1825.în reducerea fluorotitanatului de potasiu cu sodiu metalic. Cu toate acestea, astăzi, comparând proprietățile titanului și produsul obținut de Berzelius, se poate argumenta că președintele Academiei Suedeze de Științe s-a înșelat, deoarece titabnum pur se dizolvă rapid în acid fluorhidric (spre deosebire de mulți alți acizi), iar Berzelius' titanul metalic a rezistat cu succes acțiunii sale.

De fapt, Ti a fost obținut pentru prima dată abia în 1875 de omul de știință rus D.K. Kirillov. Rezultatele acestei lucrări sunt publicate în broșura sa Research on Titanium. Dar munca unui om de știință rus puțin cunoscut a trecut neobservată. După alți 12 ani, un produs destul de pur - aproximativ 95% titan - a fost obținut de compatrioții lui Berzelius, celebrii chimiști L. Nilsson și O. Peterson, care au redus tetraclorura de titan cu sodiu metalic într-o bombă ermetică din oțel.

În 1895, chimistul francez A. Moissan, reducând dioxidul de titan cu carbon într-un cuptor cu arc și supunând materialul rezultat la dublă rafinare, a obținut titan care conține doar 2% impurități, în principal carbon. În cele din urmă, în 1910, chimistul american M. Hunter, după ce a îmbunătățit metoda lui Nilsson și Peterson, a reușit să obțină câteva grame de titan cu o puritate de aproximativ 99%. De aceea, în majoritatea cărților prioritatea obținerii de titan metalic este atribuită lui Hunter, și nu lui Kirillov, Nilson sau Moissan.

Cu toate acestea, nici Hunter, nici contemporanii săi nu au prezis un viitor mare pentru titan. Doar câteva zecimi de procente de impurități erau conținute în metal, dar aceste impurități făceau titanul fragil, fragil, impropriu pentru prelucrare. Prin urmare, unii compuși de titan au găsit aplicație mai devreme decât metalul în sine. Tetraclorura de ti, de exemplu, a fost folosită pe scară largă în primul război mondial pentru a crea cortine de fum.

Nr. 22 în medicină

În 1908, în SUA și Norvegia, producția de alb a început nu din compuși de plumb și zinc, așa cum se făcea înainte, ci din dioxid de titan. O astfel de văruire poate vopsi o suprafață de câteva ori mai mare decât aceeași cantitate de văruire cu plumb sau zinc. În plus, albul de titan are mai multă reflectivitate, nu sunt otrăvitori și nu se întunecă sub influența hidrogenului sulfurat. În literatura medicală, este descris un caz când o persoană „a luat” 460 g de dioxid de titan la un moment dat! (Ma intreb cu ce a confundat-o?) „Iubitul” de dioxid de titan nu a experimentat nicio senzatie dureroasa. TiO 2 face parte din unele medicamente, în special unguente împotriva bolilor de piele.

Cu toate acestea, nu medicamentele, ci industria vopselei și lacurilor consumă cele mai mari cantități de TiO 2 . Producția mondială a acestui compus a depășit cu mult jumătate de milion de tone pe an. Emailurile pe bază de dioxid de titan sunt utilizate pe scară largă ca acoperiri de protecție și decorative pentru metal și lemn în construcții navale, construcții și inginerie mecanică. În același timp, durata de viață a structurilor și pieselor este crescută semnificativ. Albul de titan este folosit pentru vopsirea țesăturilor, a pielii și a altor materiale.

Ti in industrie

Dioxidul de titan este un constituent al maselor de porțelan, sticlelor refractare și materialelor ceramice cu o constantă dielectrică ridicată. Ca umplutură care crește rezistența și rezistența la căldură, este introdus în compușii de cauciuc. Cu toate acestea, toate avantajele compușilor de titan par nesemnificative pe fondul proprietăților unice ale titanului metalic pur.

titan elementar

În 1925, oamenii de știință olandezi van Arkel și de Boer au obținut titan de înaltă puritate - 99,9% folosind metoda iodurii (mai multe despre asta mai jos). Spre deosebire de titanul obținut de Hunter, acesta avea plasticitate: putea fi forjat la rece, rulat în foi, bandă, sârmă și chiar și cea mai subțire folie. Dar chiar și acesta nu este principalul lucru. Studiile asupra proprietăților fizico-chimice ale titanului metalic au condus la rezultate aproape fantastice. S-a dovedit, de exemplu, că titanul, fiind aproape de două ori mai ușor decât fierul (densitatea titanului este de 4,5 g/cm3), depășește multe oțeluri ca rezistență. Comparația cu aluminiul s-a dovedit, de asemenea, în favoarea titanului: titanul este de doar o dată și jumătate mai greu decât aluminiul, dar de șase ori mai puternic și, cel mai important, își păstrează rezistența la temperaturi de până la 500 ° C (și cu adăugarea de aliaje). elemente - până la 650 ° C), în timp ce rezistența aliajelor de aluminiu și magneziu scade brusc deja la 300 ° C.

Titanul are și o duritate semnificativă: este de 12 ori mai dur decât aluminiul, de 4 ori mai dur decât fierul și cuprul. O altă caracteristică importantă a unui metal este limita sa de curgere. Cu cât este mai mare, cu atât detaliile acestui metal rezistă mai bine la sarcinile operaționale, cu atât își păstrează mai mult forma și dimensiunea. Limita de curgere a titanului este de aproape 18 ori mai mare decât cea a aluminiului.

Spre deosebire de majoritatea metalelor, titanul are o rezistență electrică semnificativă: dacă conductivitatea electrică a argintului este luată ca 100, atunci conductivitatea electrică a cuprului este 94, aluminiul este 60, fierul și platina este 15, iar titanul este doar 3,8. Nu este deloc necesar să explicăm că această proprietate, la fel ca natura nemagnetică a titanului, este de interes pentru electronica radio și inginerie electrică.

Rezistența remarcabilă a titanului la coroziune. Pe o placă din acest metal timp de 10 ani de stat în apă de mare, nu erau semne de coroziune. Rotoarele principale ale elicopterelor grele moderne sunt fabricate din aliaje de titan. Cârmele, eleronoanele și unele alte părți critice ale aeronavelor supersonice sunt, de asemenea, fabricate din aceste aliaje. În multe industrii chimice astăzi puteți găsi aparate și coloane întregi din titan.

Cum se obține titanul?

Prețul - asta mai încetinește producția și consumul de titan. De fapt, costul ridicat nu este un defect congenital al titanului. Există o mulțime de ea în scoarța terestră - 0,63%. Prețul încă ridicat al titanului este o consecință a dificultății de extracție a acestuia din minereuri. Se explică prin afinitatea ridicată a titanului pentru multe elemente și prin puterea legăturilor chimice din compușii săi naturali. De aici și complexitatea tehnologiei. Așa arată metoda magneziu-termică de producere a titanului, dezvoltată în 1940 de omul de știință american V. Kroll.

Dioxidul de titan este transformat cu clorul (în prezența carbonului) în tetraclorură de titan:

HO2 + C + 2CI2 → HCI4 + CO2.

Procesul are loc în cuptoare electrice cu arbore la 800-1250°C. O altă opțiune este clorurarea în topitura sărurilor de metale alcaline NaCl și KCl. Următoarea operație (care este la fel de importantă și laborioasă) este purificarea TiCl 4 de impurități - se realizează în diferite moduri și substanțe. Tetraclorura de titan în condiții normale este un lichid cu un punct de fierbere de 136°C.

Este mai ușor să rupeți legătura titanului cu clorul decât cu oxigenul. Acest lucru se poate face cu magneziu prin reacție

TiCl4 + 2Mg → T + 2MgCl2.

Această reacție are loc în reactoare din oțel la 900°C. Rezultatul este un așa-numit burete de titan impregnat cu magneziu și clorură de magneziu. Acestea sunt evaporate într-un aparat de vid sigilat la 950°C, iar buretele de titan este apoi sinterizat sau topit într-un metal compact.

Metoda sodio-termică de obținere a titanului metalic nu este, în principiu, foarte diferită de metoda magnezio-termică. Aceste două metode sunt cele mai utilizate în industrie. Pentru a obține titan mai pur, se mai folosește metoda iodurii propusă de van Arkel și de Boer. Buretele metalotermic de titan este transformat în iodură de TiI4, care este apoi sublimată în vid. Pe drum, vaporii de iodură de titap întâlnesc sârmă de titan încălzită la 1400°C. În acest caz, iodura se descompune, iar pe fir crește un strat de titan pur. Această metodă de producție a titanului este ineficientă și costisitoare; prin urmare, este utilizată în industrie într-o măsură foarte limitată.

În ciuda forței de muncă și a intensității energetice a producției de titan, acesta a devenit deja unul dintre cele mai importante subsectoare ale metalurgiei neferoase. Producția mondială de titan se dezvoltă într-un ritm foarte rapid. Acest lucru poate fi judecat chiar și după informațiile fragmentare care intră în tipar.

Se știe că în 1948 au fost topite în lume doar 2 tone de titan, iar după 9 ani - deja 20 de mii de tone, asta înseamnă că în 1957 20 de mii de tone de titan au reprezentat toate țările, iar în 1980 doar SUA au consumat. 24,4 mii de tone de titan... Mai recent, se pare, titanul a fost numit un metal rar - acum este cel mai important material structural. Acest lucru se explică printr-un singur lucru: o combinație rară a proprietăților utile ale elementului nr. 22. Și, desigur, nevoile tehnologiei.

Rolul titanului ca material structural, baza aliajelor de înaltă rezistență pentru aviație, construcții navale și rachete, crește rapid. În aliaje se află cea mai mare parte a titanului topit în lume. Un aliaj larg cunoscut pentru industria aviației, constând din 90% titan, 6% aluminiu și 4% vanadiu. În 1976, presa americană a relatat despre un nou aliaj cu același scop: 85% titan, 10% vanadiu, 3% aluminiu și 2% fier. Se pretinde că acest aliaj este nu numai mai bun, ci și mai economic.

În general, aliajele de titan includ o mulțime de elemente, până la platină și paladiu. Acestea din urmă (în cantitate de 0,1-0,2%) măresc rezistența chimică deja ridicată a aliajelor de titan.

Rezistența titanului este, de asemenea, crescută de astfel de „aditivi de aliere” precum azotul și oxigenul. Dar, împreună cu rezistența, cresc duritatea și, cel mai important, fragilitatea titanului, astfel încât conținutul lor este strict reglementat: nu sunt permise mai mult de 0,15% oxigen și 0,05% azot în aliaj.

În ciuda faptului că titanul este scump, înlocuirea lui cu materiale mai ieftine se dovedește în multe cazuri a fi viabilă din punct de vedere economic. Iată un exemplu tipic. Carcasa unui aparat chimic din oțel inoxidabil costă 150 de ruble, iar a unui aliaj de titan - 600 de ruble. Dar, în același timp, un reactor din oțel servește doar 6 luni, iar unul din titan - 10 ani. Adăugați costul înlocuirii reactoarelor din oțel, timpul de oprire forțat al echipamentelor - și devine evident că utilizarea titanului scump poate fi mai profitabilă decât oțelul.

În metalurgie sunt folosite cantități semnificative de titan. Există sute de clase de oțeluri și alte aliaje care conțin titan ca adiție de aliere. Este introdus pentru a îmbunătăți structura metalelor, pentru a crește rezistența și rezistența la coroziune.

Unele reacții nucleare trebuie să aibă loc într-un vid aproape absolut. Cu pompele cu mercur, rarefacția poate fi adusă la câteva miliarde de atmosferă. Dar acest lucru nu este suficient, iar pompele cu mercur sunt incapabile de mai mult. Pomparea suplimentară a aerului este efectuată de pompe speciale din titan. În plus, pentru a obține o rarefacție și mai mare, titanul fin este pulverizat pe suprafața interioară a camerei în care au loc reacțiile.

Titanul este adesea numit metalul viitorului. Faptele pe care știința și tehnologia le au deja la dispoziție ne convinge că acest lucru nu este în întregime adevărat - titanul a devenit deja metalul prezentului.

Perovskit și sfenă. Ilmenit - metatitanat de fier FeTiO 3 - contine 52,65% TiO 2. Numele acestui mineral se datorează faptului că a fost găsit în Urali din munții Ilmensky. Cei mai mari plasători de nisipuri ilmenite se găsesc în India. Un alt mineral important, rutilul, este dioxidul de titan. Titanomagnetitele sunt, de asemenea, de importanță industrială - un amestec natural de ilmenit cu minerale de fier. Există zăcăminte bogate de minereuri de titan în URSS, SUA, India, Norvegia, Canada, Australia și alte țări. Nu cu mult timp în urmă, geologii au descoperit un nou mineral care conținea titan în regiunea Baikal de Nord, care a fost numit landauite în onoarea fizicianului sovietic academicianul L. D. Landau. În total, peste 150 de zăcăminte semnificative de minereu și de titan sunt cunoscute pe glob.

În sistemul periodic, elementul chimic titan este desemnat Ti (Titan) și este situat într-un subgrup lateral al grupului IV, în perioada 4 sub numărul atomic 22. Este un metal solid alb-argintiu care face parte dintr-un număr mare. de minerale. Puteți cumpăra titan de pe site-ul nostru.

Titanul a fost descoperit la sfârșitul secolului al XVIII-lea de către chimiști din Anglia și Germania, William Gregor și Martin Klaproth, independent unul de celălalt, cu o diferență de șase ani. Martin Klaproth a fost cel care a dat numele elementului în onoarea personajelor grecești antice ale titanilor (creaturi uriașe, puternice, nemuritoare). După cum s-a dovedit, numele a devenit profetic, dar omenirii ia luat chiar mai mult de 150 de ani pentru a se familiariza cu toate proprietățile titanului. Doar trei decenii mai târziu, a fost obținută prima probă de titan metalic. La acea vreme, practic nu era folosit din cauza fragilității sale. În 1925, după o serie de experimente, chimiștii Van Arkel și De Boer au obținut titan pur folosind metoda iodurii.

Datorită proprietăților valoroase ale metalului, inginerii și designerii au atras imediat atenția asupra acestuia. A fost o adevărată descoperire. În 1940, Kroll a dezvoltat o metodă termică de magneziu pentru obținerea titanului din minereu. Această metodă este valabilă și astăzi.

Proprietăți fizice și mecanice

Titanul este un metal destul de refractar. Punctul său de topire este de 1668±3°C. Conform acestui indicator, este inferior unor metale precum tantal, wolfram, reniu, niobiu, molibden, tantal, zirconiu. Titanul este un metal paramagnetic. Într-un câmp magnetic, nu este magnetizat, dar nu este împins afară din el. Poza 2
Titanul are o densitate scăzută (4,5 g/cm³) și o rezistență ridicată (până la 140 kg/mm²). Aceste proprietăți practic nu se schimbă la temperaturi ridicate. Este de peste 1,5 ori mai greu decât aluminiul (2,7 g/cm³), dar de 1,5 ori mai ușor decât fierul (7,8 g/cm³). În ceea ce privește proprietățile mecanice, titanul este cu mult superior acestor metale. În ceea ce privește rezistența, titanul și aliajele sale sunt la egalitate cu multe clase de oțeluri aliate.

În ceea ce privește rezistența la coroziune, titanul nu este inferior platinei. Metalul are o rezistență excelentă la condițiile de cavitație. Bulele de aer formate într-un mediu lichid în timpul mișcării active a unei piese de titan practic nu o distrug.

Este un metal durabil care poate rezista la rupere și deformare plastică. Este de 12 ori mai dur decât aluminiul și de 4 ori mai dur decât cuprul și fierul. Un alt indicator important este puterea de curgere. Odată cu creșterea acestui indicator, rezistența pieselor din titan la sarcinile operaționale se îmbunătățește.

În aliajele cu anumite metale (în special nichel și hidrogen), titanul este capabil să „amintească” forma produsului creat la o anumită temperatură. Un astfel de produs poate fi apoi deformat și își va păstra această poziție mult timp. Dacă produsul este încălzit la temperatura la care a fost făcut, atunci produsul își va lua forma inițială. Această proprietate se numește „memorie”.

Conductivitatea termică a titanului este relativ scăzută și, respectiv, coeficientul de dilatare liniară este de asemenea. De aici rezultă că metalul este un slab conductor de electricitate și căldură. Dar la temperaturi scăzute, este un supraconductor al electricității, ceea ce îi permite să transmită energie pe distanțe considerabile. Titanul are, de asemenea, o rezistență electrică ridicată.
Metalul de titan pur este supus diferitelor tipuri de prelucrare la rece și la cald. Poate fi trasă și transformată în sârmă, forjată, rulată în benzi, foi și folii cu o grosime de până la 0,01 mm. Următoarele tipuri de produse laminate sunt fabricate din titan: bandă de titan, fir de titan, țevi de titan, bucșe din titan, cerc de titan, bară de titan.

Proprietăți chimice

Titanul pur este un element reactiv. Datorită faptului că pe suprafața sa se formează o peliculă densă de protecție, metalul este foarte rezistent la coroziune. Nu suferă oxidare în aer, în apa de mare sărată, nu se modifică în multe medii chimice agresive (de exemplu: acid azotic diluat și concentrat, aqua regia). La temperaturi ridicate, titanul interacționează mult mai activ cu reactivii. Se aprinde în aer la o temperatură de 1200°C. Când este aprins, metalul emană o strălucire strălucitoare. O reacție activă are loc și cu azotul, cu formarea unei pelicule de nitrură galben-maro pe suprafața titanului.

Reacțiile cu acizii clorhidric și sulfuric la temperatura camerei sunt slabe, dar când este încălzit, metalul se dizolvă puternic. Ca rezultat al reacției, se formează cloruri inferioare și monosulfat. De asemenea, apar interacțiuni slabe cu acizii fosforic și azotic. Metalul reacţionează cu halogenii. Reacția cu clorul are loc la 300°C.
Reacția activă cu hidrogenul are loc la o temperatură puțin peste temperatura camerei. Titanul absoarbe activ hidrogenul. 1 g de titan poate absorbi până la 400 cm³ de hidrogen. Metalul încălzit descompune dioxidul de carbon și vaporii de apă. Interacțiunea cu vaporii de apă are loc la temperaturi peste 800°C. Ca rezultat al reacției, se formează oxid de metal și hidrogenul scapă. La temperaturi mai ridicate, titanul fierbinte absoarbe dioxidul de carbon și formează carbură și oxid.

Cum să obțineți

Titanul este unul dintre cele mai comune elemente de pe Pământ. Conținutul său în intestinele planetei în greutate este de 0,57%. Cea mai mare concentrație a metalului se observă în „cochilia de bazalt” (0,9%), în rocile granitice (0,23%) și în rocile ultrabazice (0,03%). Există aproximativ 70 de minerale de titan care îl conțin sub formă de acid sau dioxid titanic. Principalele minerale ale minereurilor de titan sunt: ​​ilmenitul, anataza, rutilul, brookita, loparitul, leucoxenul, perovskitul și sfena. Principalii producători mondiali de titan sunt Marea Britanie, SUA, Franța, Japonia, Canada, Italia, Spania și Belgia.
Există mai multe moduri de a obține titan. Toate sunt aplicate în practică și sunt destul de eficiente.

1. Procesul termic cu magneziu.

Minereul care conține titan este extras și procesat în dioxid, care este supus lent și la temperaturi foarte ridicate clorării. Clorarea se realizează într-un mediu de carbon. Clorura de titan formată ca rezultat al reacției este apoi redusă cu magneziu. Metalul rezultat este încălzit într-un echipament de vid la o temperatură ridicată. Ca rezultat, magneziul și clorura de magneziu se evaporă, lăsând titanul cu mulți pori și goluri. Burete de titan este topit pentru a produce metal de înaltă calitate.

2. Metoda hidruro-calciu.

În primul rând, se obține hidrură de titan, apoi este separată în componente: titan și hidrogen. Procesul are loc într-un spațiu fără aer la temperatură ridicată. Se formează oxid de calciu, care se spală cu acizi slabi.
Metodele termice cu hidrură de calciu și magneziu sunt utilizate în mod obișnuit la scară industrială. Aceste metode fac posibilă obținerea unei cantități semnificative de titan într-o perioadă scurtă de timp, cu costuri bănești minime.

3. Metoda electrolizei.

Clorura sau dioxidul de titan este expus la un curent ridicat. Ca rezultat, compușii sunt descompuși.

4. Metoda iodurii.

Dioxidul de titan interacționează cu vaporii de iod. Apoi, iodura de titan este expusă la temperaturi ridicate, rezultând titan. Această metodă este cea mai eficientă, dar și cea mai scumpă. Titanul are o puritate foarte mare, fără impurități și aditivi.

Aplicarea titanului

Datorită proprietăților sale bune anticorozive, titanul este utilizat pentru fabricarea echipamentelor chimice. Rezistența ridicată la căldură a metalului și a aliajelor sale contribuie la utilizarea în tehnologia modernă. Aliajele de titan sunt un material excelent pentru avioane, rachete și construcții navale.

Monumentele sunt realizate din titan. Iar clopotele din acest metal sunt cunoscute pentru sunetul lor extraordinar și foarte frumos. Dioxidul de titan este o componentă a unor medicamente, de exemplu: unguente împotriva bolilor de piele. Compușii metalici cu nichel, aluminiu și carbon sunt, de asemenea, la mare căutare.

Titanul și aliajele sale și-au găsit aplicații în domenii precum industria chimică și alimentară, metalurgia neferoasă, electronică, tehnologia nucleară, inginerie energetică, galvanizare. Armele, plăcile de blindaj, instrumentele și implanturile chirurgicale, sistemele de irigare, echipamentele sportive și chiar bijuteriile sunt fabricate din titan și aliajele sale. În procesul de nitrurare, pe suprafața metalului se formează o peliculă aurie, care nu este inferioară ca frumusețe chiar și aurul real.