Хімічні характеристики титану. Загальна характеристика. Історія відкриття. Плюси і мінуси

Титан займає 4-е місце за поширенням у виробництві, але ефективна технологія його вилучення була розроблена лише у 40-х рр. минулого століття. Це метал сріблястого кольору, що характеризується невеликою питомою масою та унікальними характеристиками. Для аналізу ступеня поширення в промисловості та інших сферах необхідно озвучити властивості титану та галузі застосування його сплавів.

Основні характеристики

Метал має малу питому масу – всього 4.5 г/см³. Антикорозійні властивості обумовлені стійкою оксидною плівкою, що утворюється на поверхні. Завдяки цій якості титан не змінює своїх властивостей при тривалому знаходженні у воді, соляній кислоті. Не виникають пошкоджені ділянки через напругу, що є основною проблемою сталі.

У чистому вигляді титан має такі якості та характеристики:

• номінальна температура плавлення - 1660 ° С;
• при термічній дії +3227°С закипає;
• межа міцності при розтягуванні – до 450 МПа;
• характеризується невеликим показником пружності – до 110,25 гПа;
• за шкалою НВ твердість становить 103;
• межа плинності один із найоптимальніших серед металів – до 380 Мпа;
• теплопровідність чистого титану без добавок – 16791 Вт/м*С;
• мінімальний коефіцієнт термічного розширення;
• цей елемент є парамагніт.

Для порівняння, міцність цього матеріалу в 2 рази більша, ніж у чистого заліза та в 4 рази такого ж показника алюмінію. Також титан має дві поліморфні фази – низькотемпературну та високотемпературну.

Для виробничих потреб чистий титан не застосовується через його дорожнечу та необхідні експлуатаційні якості. Для підвищення жорсткості до складу додають оксиди, гібриди та нітриди. Рідше змінюють характеристики матеріалу для покращення стійкості до корозії. Основні види добавок для отримання металів: сталь, нікель, алюміній. У деяких випадках виконує функції додаткового компонента.

Області застосування

Завдяки невеликій питомій масі та параметрам міцності титан широко використовується в авіаційній та космічній промисловості. Його застосовують як основний конструкційний матеріал у чистому вигляді. У окремих випадках з допомогою зменшення жароміцності роблять дешевші метали. При цьому його опір корозії та механічна міцність залишаються незмінними.

Крім цього, матеріал з добавками титану знайшов застосування у таких областях:

• Хімічна промисловість. Його стійкість практично до всіх агресивних середовищ, крім органічних кислот, дозволяє виготовляти складне обладнання з добрими показниками безремонтного терміну служби.
• Виробництво транспортних засобів. Причина – невелика питома маса та механічна міцність. З нього роблять каркаси або несучі елементи конструкцій.
• Медицина. Для особливих цілей застосовується спеціальний сплав нітінол (титан та нікель). Його характерна властивість – пам'ять форми. Для зменшення навантаження пацієнтів та мінімізації ймовірності негативного впливу на організм багато медичних шин та подібні до них пристрої роблять з титану.
• У промисловості метал застосовується виготовлення корпусів і окремих елементів устаткування.
• Ювелірні прикраси з титану мають унікальний зовнішній вигляд і якості.

Найчастіше матеріал обробляється в заводських умовах. Але є ряд винятків – знаючи властивості цього матеріалу, частину робіт із зміни зовнішнього вигляду виробу та його характеристик можна виконувати у домашній майстерні.

Особливості обробки

Для надання виробу потрібної форми необхідно використовувати спеціальне обладнання – токарний та фрезерний верстат. Ручне різання або фрезерування титану неможливе через його твердість. Крім вибору потужності та інших характеристик обладнання необхідно правильно підібрати ріжучі інструменти: фрези, різці, розгортки, свердла тощо.

При цьому враховуються такі нюанси:

• Титанова стружка легко спалахує. Необхідне примусове охолодження поверхні деталі та робота на мінімальних швидкостях.
• Гнучка виробу виконується лише після попереднього розігріву поверхні. Інакше велика ймовірність появи тріщин.
• Зварювання. Обов'язкове дотримання особливих умов.

Титан – унікальний матеріал з гарними експлуатаційними та технічними якостями. Для його обробки слід знати специфіку технології, а головне – техніку безпеки.

Є одним із найважливіших конструкційних матеріалів, оскільки поєднує міцність, твердість та легкість. Однак інші властивості металу дуже специфічні, що робить процес отримання речовини важким та дорогим. І сьогодні нами буде розглянуто світову технологію виробництва титану, коротко згадаємо і .

Існує метал у двох модифікаціях.

• α-Ti– існує до температури 883 С, має щільні гексагональні ґрати.
• β-Ti– має об'ємно-центровані кубічні ґрати.

Перехід здійснюється з дуже невеликою зміною густини, оскільки остання при нагріванні поступово зменшується.

• Під час експлуатації титанових виробів здебільшого мають справу з α-фазою. А ось при плавленні та виготовленні сплавів металурги працюють з β-модифікацією.
• Друга особливість матеріалу – анізотропія. Коефіцієнт пружності та магнітна сприйнятливість речовини залежить від напрямку, причому різниця досить помітна.
• Третя риса – залежність властивостей металу від чистоти. Звичайний технічний титан не годиться, наприклад, для використання в ракетобудуванні, оскільки через домішки втрачає свою жаростійкість. У цій галузі промисловості застосовують лише виключно чисту речовину.

Про склад титану розповість це відео:

Виробництво титану

Використовувати метал почали лише у 50-ті роки минулого століття. Його видобуток та виробництво є складним процесом, завдяки чому цей відносно поширений елемент відносили до умовно рідкісних. І надалі ми розглянемо технологію, обладнання цехів із виробництва титану.

Сировина

Титан займає 7 місце за поширеністю у природі. Найчастіше це оксиди, титанати та титаносилікати. Максимальна кількість речовини міститься у двоокисах – 94–99%.

• Рутіл- Найстійкіша модифікація, являє собою мінерал синюватого, буро-жовтого, червоного кольору.
• Анатаз- Досить рідкісний мінерал, при температурі 800-900 С переходить в рутил.
• Брукіт- Кристал ромбічної системи, при 650 С необоротно переходить в рутил зі зменшенням обсягу.

• Найбільш поширені сполуки металу із залізом – ільменіт(До 52,8% титану). Це гейкіліт, пірофаніт, кричтон - хімічний склад ільменіту дуже складний і коливається в широких межах.
• Використовується в промислових цілях результат вивітрювання ільменіту. лейкоксен. Тут відбувається досить складна хімічна реакція, коли з ільменітової решітки видаляється частина заліза. В результаті обсяг титану у руді підвищується – до 60%.
• Також використовують руду, де метал пов'язаний не з закисним залізом, як у ільменіті, а виступає у вигляді титанату окисного заліза – це аризоніт, псевдобрукіт.

Найбільше значення мають родовища ільменіту, рутила та титаномагнетиту. Поділяють їх на 3 групи:

• магматичні- пов'язані з ділянками поширення ультраосновних та основних порід, простіше кажучи, з поширенням магми. Найчастіше це ільменітові, титаномагнетитові ільменіт-гематитові руди;
• екзогенні родовища- розсипні та залишкові, алювіальні, алювіально-озерні родовища ільменіту та рутила. А також прибережно-морські розсипи, титанові, анатазові руди в корах вивітрювання. Найбільше значення має прибережно-морські розсипи;
• метаморфізовані родовища– пісковики з лейкоксеном, ільменіт-магнетитові руди, суцільні та вкраплені.

Екзогенні родовища – залишкові чи розсипні, розробляються відкритим способом. Для цього використовують драги та екскаватори.

Розробка корінних родовищ пов'язана із проходкою шахт. Отриману руду дома дроблять і збагачують. Застосовують гравітаційне збагачення, флотацію, магнітну сепарацію.

Як вихідна сировина може використовуватися титановий шлак. Він містить до 85% діоксиду металу.

Технологія отримання

Процес виробництва металу з ільменітових руд складається з кількох стадій:

• відновлювальна плавка з метою одержання титанового шлаку;
• хлорування шлаку;
• виробництва металу відновленням;
• рафінування титану - зазвичай, проводиться з метою поліпшення властивостей продукту.

Процес це складний, багатоетапний та дорогий. В результаті досить доступний метал виявляється дуже дорогим у виробництві.

Про виробництво титану розповість цей відеосюжет:

Одержання шлаку

Ільменіт є асоціацією оксиду титану із закисним залізом. Тому метою першого етапу виробництва є відокремлення діоксиду від оксидів заліза. Для цього оксиди заліза відновлюють.

Процес здійснюють в електродугових печах. Ільменітовий концентрат завантажують у піч, потім вводять відновник - деревне вугілля, антрацит, кокс і прогрівають до 1650 С. При цьому залізо відновлюється з оксиду. З відновленого і науглероживающегося заліза одержують чавун, а оксид титану перетворюється на шлак. Останній у результаті містить 82-90% титану.

Чавун та шлак розливають по окремих виливницях. Чавун використовують у металургійному виробництві.

Хлорування шлаку

Метою процесу є отримання тетрахлориду металу для подальшого застосування. Безпосередньо хлорувати концентрат ільменіту виявляється неможливим, через утворення великої кількості хлорного заліза - з'єднання дуже швидко руйнує обладнання. Тому без стадії попереднього видалення оксиду заліза не можна обійтися. Хлорування проводиться у шахтних чи сольових хлораторах. Процес дещо відрізняється.

• Шахтний хлоратор- футеровану циліндричну споруду висотою до 10 м і діаметром до 2 м. Зверху в хлоратор укладають брикети з подрібненого шлаку, а через фурми подають газ магнієвих електролізерів, що містить 65-70% хлору. Реакція між титановим шлаком та хлором відбувається з виділенням тепла, що забезпечує необхідний для процесу температурний режим. Газоподібний тетрахлорид титану відводять через верх, а залишки шлаку безперервно видаляють знизу.
• Сольовий хлоратор, Камера, футерована шамотом і наполовину заповнена електролітом магнієвих електролізерів - відпрацьованим. У розплаві містяться хлориди металів – натрію, калію, магнію та кальцію. У розплав зверху подають подрібнений титановий шлак та кокс, знизу вдмухують хлор. Оскільки реакція хлорування є екзотермічною, температурний режим підтримується самим процесом.

Тетрахлорид титану очищають, причому кілька разів. Газ може містити вуглекислий газ, чадний газ, інші домішки, тому очищення проводиться в кілька етапів.

Відпрацьований електроліт періодично замінюють.

Одержання металу

Метал відновлюють із тетрахлориду магнієм або натрієм. Відновлення відбувається із тепла, що дозволяє проводити реакцію без додаткового обігріву.

Для відновлення використовують електричні печі опору. Спочатку в камеру поміщають герметичну колбу з хромосплавів заввишки 2–3 м. Після того, як ємність прогріють до +750 С, у неї вводять магній. А потім подають тетрахлорид титану. Подання регулюється.

1 цикл відновлення триває 30-50 год, щоб температура не підвищувалася вище 800-900 С, реторту обдувають повітрям. У результаті одержують від 1 до 4 тонн губчастої маси - метал осаджується у вигляді крихт, які спікаються в пористу масу. Рідкий магнію хлорид періодично зливають.

Пориста маса вбирає чимало хлориду магнію. Тому після відновлення здійснюють вакуумну відгін. Для цього реторту прогрівають до 1000 ° С, створюють у ній вакуум і витримують 30-50 годин. За цей час домішки випаровуються.

Відновлення натрієм протікає майже так само. Різниця є тільки в останньому етапі. Щоб видалити домішки хлориду натрію, титанову губку подрібнюють і вилуговують із неї сіль звичайною водою.

Рафінування

Отриманий описаним вище чином технічний титан цілком годиться для обладнання та ємностей для хімічної промисловості. Однак для областей, де потрібна висока жаростійкість та однорідність властивостей, метал не годиться. У цьому випадку вдаються до рафінування.

Рафінування проводиться в термостаті, де підтримується температура 100-200 С. У камеру поміщають реторту з титановою губкою, а потім за допомогою спеціального пристрою в закритій камері розбивають капсулу з йодом. Йод реагує із металом, утворюючи йодид титану.

У реторті натягнуті титанові дроти, якими пропускають електричний струм. Дріт розжарюється до 1300-1400 С, отриманий йодид розкладається на дроті, формуючи кристали чистого титану. Йод звільняється, входить у реакцію. З новою порцією титанової губки та процес триває, доки не вичерпається метал. Одержання зупиняють, коли завдяки нарощуванню титану діаметр дроту стає рівним 25-30 мм. В одному такому апараті можна отримати 10 кг металу з часткою 99,9-99,99%.

Якщо необхідно отримати кування металу в зливках, надходять інакше. Для цього титанову губку переплавляють у вакуумній дуговій печі, оскільки метал за високої температури активно вбирає гази. Витратний електрод отримують з титанових відходів та губки. Рідкий метал твердне в апараті в кристалізаторі, що охолоджується водою.

Плавку, як правило, повторюють двічі, щоб покращити якість зливків.

Через особливості речовини – реакції з киснем, азотом і вбирання газів, отримання всіх титанових сплавів також можливе лише електричних дугових вакуумних печах.

Про Росію та інші країни-виробники титану читайте нижче.

Популярні виробники

Ринок виробництва титану досить закритий. Як правило, країни, що виробляють велику кількість металу, самі ж є його споживачами.

У Росії найбільшою і чи не єдиною компанією, що займається отриманням титану, є ВСМПО-Авісма. Вона вважається найбільшим виробником металу, але це не зовсім правильно. Компанія виробляє п'яту частину титану, однак світове споживання його виглядає інакше: близько 5% витрачається на вироби та приготування сплавів, а 95% – на діоксид.

Отже, виробництво титану у світі за країнами:

• Провідною країною-виробником є ​​Китай. Країна має максимальні запаси титанових руд. З 18 відомих заводів з отримання титанової губки 9 розташовані у Китаї.
• Друге місце посідає Японія. Цікаво, що в країні на авіакосмічний сектор йде лише 2–3% металу, а решта використовується у хімічній промисловості.
• Третє місце у світі з виробництва титану посідає Росія та її численні заводи. Потім слідує Казахстан.
• США – країна-виробник, що йде в списку, витрачає титан традиційним чином: 60–75% титану використовує авіакосмічна промисловість.

Виробництво титану – процес технологічно складний, дорогий та тривалий. Однак потреби в цьому матеріалі настільки великі, що прогнозується неабияке збільшення виплавки металу.

Про те, як відбувається різання титану на одному з виробництв у Росії, розповість це відео:

Поєднання в одній речовині міцності та легкості – параметр цінний настільки, що інші якості та особливості матеріалу можуть ігноруватися. доріг, стійкий до температур тільки в надчистому вигляді, складний у використанні, але все це виявляється другорядним у порівнянні з комбінацією малої ваги та високої міцності.

Ця стаття розповість вам про застосування титану у військовій авіації, промисловості, медицині, авіабудуванні, для виготовлення ювелірних виробів, про сплави титану та застосування в побуті.

Область використання металу була значно ширша, якби не висока вартість його отримання. Через це застосовують титан лише у тих областях, де використання такої дорогої речовини економічно виправдане. Обумовлює застосування не тільки міцність та легкість, але й стійкість до корозії, порівнянна зі стійкістю благородних металів та довговічності.

Властивості металу дуже залежить від чистоти, тому застосування технічного і чистого титану розглядаються як 2 окремих питання.

Про те, завдяки яким властивостям титан так широко використовується у промисловості, розповість це відео:

Технічний метал

Технічний титан може містити різноманітні домішки, що не позначаються на хімічних властивостях речовини, але мають вплив на фізичні. Технічний титан втрачає таку цінну якість, як жароміцність та здатність працювати при температурах вище 500-600 С. А ось корозійна його стійкість ніяк не зменшується.

• Цим і обумовлено його застосування – у хімічній промисловості та у будь-якій іншій області, де необхідно забезпечити стійкість виробів у агресивних середовищах. З титану виготовляють ємності для зберігання, арматуру, частини реакторів, трубопроводів та насосів, призначенням яких є переміщення неорганічних та органічних кислот та основ. Такими ж властивостями здебільшого володіють і титанові сплави.
• Мала вага разом із корозійною стійкістю забезпечує й інше застосування – під час виготовлення транспортної техніки, зокрема, залізничного транспорту. Використання титанових листів та прутків при виготовленні вагонів та поїздів дозволяє зменшити масу поїздів, а, значить, зменшити розміри букс та шийок, зробивши тягу більш ефективною.

У звичайних автомобілях з титану виготовляють системи відведення відпрацьованих газів та кручені пружини. У гоночних автомобілях титанові рушійні вузли дозволяють помітно полегшити машину та покращити її властивості.

• Незамінний титан у виробництві бронетанкової техніки: ось де поєднання міцності та легкості виявляється вирішальним.
• Висока корозійна стійкість і легкість робить матеріал привабливим для військово-морської справи. Титан застосовують при виготовленні тонкостінних труб та теплообмінників, вихлопних глушників на підводних човнах, клапанів, пропелерів, елементів турбін тощо.

Вироби із титану (фото)

Чистий метал

Чистий метал виявляє дуже високу жароміцність, здатність працювати в умовах високого навантаження та високої температури. А, враховуючи його малу вагу, застосування металу в ракето- та авіабудуванні виявляється очевидним.

• З металу та його сплавів виготовляють деталі кріплення, обшивку, частини шасі, силовий набір тощо. Крім того, матеріал використовується при конструюванні авіаційних двигунів, що дозволяє знизити їхню вагу на 10–25%.
• Ракети при проходженні через щільні шари атмосфери зазнають жахливих навантажень. Застосування титану та його сплавів дозволяє вирішити завдання статичної витривалості апарату, втомної міцності та певною мірою повзучості.
• Ще одне застосування чистого титану – виготовлення деталей електровакуумних приладів, які розраховані на експлуатацію в умовах перевантажень.
• Незамінний метал у виробництві кріогенної техніки: міцність титану зі зниженням температури тільки збільшується, але зберігається деяка пластичність.
• Титан є чи не найбільш біологічно інертною речовиною. Комерційно чистий метал використовують для виготовлення всіх видів зовнішніх та внутрішніх протезів аж до серцевих клапанів. Титан сумісний із біологічною тканиною і не викликав жодного випадку алергії. Крім того, матеріал застосовують для хірургічних інструментів, інвалідних милиць, колясок тощо.

Однак при всій своїй стійкості до температур та довговічності метал не використовується при виготовленні підшипників, втулок та інших деталей, де передбачається тертя. Титан має низькі антифрикційні властивості і за допомогою добавок це питання не вирішується.

Титан добре полірується, анодується – кольорове анодування, тому часто застосовується у художніх творах та архітектурі. Прикладом може бути пам'ятник першому штучному супутнику землі або пам'ятник. Ю. Гагаріну.

Про маркування на виробах з титану, інструкції щодо його застосування та інші важливі моменти використання металу в будівництві розповімо нижче.

У відео нижче показаний процес андонування титану:

Його використання у будівництві

Звичайно, левова частка титану використовується в авіабудуванні та в транспортній промисловості, де особливо важливим є поєднання міцності та легкості. Однак і в будівництві матеріал застосовується і застосовувався б ширше, якби не висока вартість.

Обшивка титаном

Ця технологія поширена поки що мало, але, наприклад, в Японії титанові листи дуже широко використовують для обробки дахів і навіть внутрішніх інтер'єрів. Частка матеріалу, що витрачається у будівництві, значно вища за частку, що використовується в авіасекторі.

Пов'язано це як із міцністю такого облицювання, так і з її дивовижними декоративними можливостями. Методом анодного окиснення поверхні листа можна отримати шар оксидів різної товщини. Колір у своїй змінюється. Змінюючи час відпалу та інтенсивність, можна отримати жовтий, бірюзовий, синій, рожевий, зелений кольори.

При анодуванні в атмосфері азоту виготовляють листи із шаром нітриду титану. Таким чином, отримують найрізноманітніші відтінки золота.Ця технологія використовується для реставрації пам'яток архітектури – відновлення церков, наприклад.

Фальцеві покрівлі

Цей варіант вже набув дуже широкого поширення. Але, щоправда, основою його служить не сам титан, яке його метал з .

Самі собою фальцеві покрівлі відомі дуже давно, але давно не користувалися популярністю. Однак сьогодні завдяки моді на стилі хай-так і техно з'явилася потреба в ламаних та сплайнових поверхнях, що особливо переходять у фасад будівлі. А таку можливість і надає.

Її здатність до формоутворення практично безмежна. А застосування металу забезпечує і виняткову міцність, і незвичайний зовнішній вигляд. Хоча справедливості заради базовий матово-сталевий колір вважається найреспектабельнішим.

Оскільки цинк-титан має цілком гідну ковкість, зі сплаву виготовляють різноманітні складні декоративні деталі: ковзани дахів, водостійкі відливи, карнизи та інше.

Така сфера застосування титану як облицювання фасаду розглянута коротко нижче.

Облицювання фасаду

При виготовленні облицювальних панелей також використовують цинк-титан. Використовують панелі і для облицювання фасадів, і для обробки інтер'єрів. Причина та сама – комбінація міцності, виняткової легкості та декоративності.

Випускаються панелі різної форми - у вигляді ламелей, ромбів, модулів, луски і так далі. Найцікавіше це те, що панелі можуть бути не плоскими, а приймати чи не будь-які об'ємні форми. В результаті таке оздоблення можливе на стінах і будинках будь-якої, найнеймовірнішої конфігурації.

Легкість виробу обумовлює й інше унікальне застосування. Звичайний вентильований фасад передбачає і зазор між облицюванням та утеплювачем. Однак легкі панелі цинк-титану можна кріпити на рухомі механізми, що відкриваються, утворюючи систему, на зразок жалюзі. Пластини за необхідності можуть відхилятися від площини на кут 90 градусів.

Титан має унікальне поєднання міцності, легкості та корозійної стійкості. Ці якості спричиняють його застосування, незважаючи на високу вартість матеріалу.

Про те, як зробити кільце з титану, розповість це відео:

Пам'ятник на честь підкорювачів космосу споруджено Москві 1964 р. Майже сім років (1958-1964) пішло на проектування і спорудження цього обеліска. Авторам довелося вирішувати не лише архітектурно-художні, а й технічні завдання. Першою був вибір матеріалів, зокрема і облицювальних. Після довгих експериментів зупинилися на відполірованих до блиску титанових листах.

Дійсно, за багатьма характеристиками, і насамперед за корозійною стійкістю, титан перевершує переважну більшість металів та сплавів. Іноді (особливо у популярній літературі) титан називають вічним металом. Але розповімо спочатку про історію цього елемента.

Окисел чи не окис?

До 1795 елемент № 22 називався «менакіном». Так назвав його в 1791 р. англійський хімік і мінералог Вільям Грегор, який відкрив новий елемент у мінералі менаканіті (не шукайте цю назву в сучасних мінералогічних довідниках - менаканіт теж перейменований, зараз він називається ільменітом).

Через чотири роки після відкриття Грегора німецький хімік Мартін Клапрот виявив новий хімічний елемент в іншому мінералі – рутилі – і в честь цариці ельфів Титанії (німецька міфологія) назвав його титаном.

За іншою версією назва елемента походить від титанів, могутніх синів богині землі – Геї (грецька міфологія).

У 1797 р. з'ясувалося, що Грегор і Клапрот відкрили той самий елемент, і хоча Грегор зробив це раніше, за новим елементом утвердилося ім'я, дане йому Клапротом.

Але ні Грегору, ні Клапроту не вдалося отримати елементарний титан. Виділений ними білий кристалічний порошок був двоокис титану TiO 2 . Відновити цей окис, виділити з нього чистий метал довгий час не вдавалося нікому з хіміків.

У 1823 р. англійський вчений У. Волластон повідомив, що кристали, виявлені ним у металургійних шлаках заводу «Мертир-Тідвіль», - не що інше, як чистий титан. А через 33 роки відомий німецький хімік Ф. Велер довів, що й ці кристали були знову ж таки з'єднанням титану, цього разу – металоподібним карбонітридом.

Багато років вважалося, що металевий титан вперше було отримано Берцеліусом в 1825 р.при відновленні фтортитанату калію металевим натрієм. Однак сьогодні, порівнюючи властивості титану та продукту, отриманого Берцеліусом, можна стверджувати, що президент Шведської академії наук помилявся, бо чистий titabnum швидко розчиняється у плавиковій кислоті (на відміну від багатьох інших кислот), а металевий титан Берцеліуса успішно чинив опір її дії.

Насправді Ti було вперше отримано лише 1875 р. російським ученим Д. До. Кириловым. Результати цієї роботи опубліковані у його брошурі «Дослідження над титаном». Але робота маловідомого російського вченого залишилася непоміченою. Ще через 12 років досить чистий продукт – близько 95% титану – отримали співвітчизники Берцеліуса, відомі хіміки Л. Нільсон та О. Петерсон, які відновлювали чотирихлористий титан металевим натрієм у сталевій герметичній бомбі.

У 1895 р. французький хімік А. Муассан, відновлюючи двоокис титану вуглецем у дуговій печі та піддаючи отриманий матеріал дворазовому рафінуванню, отримав титан, що містив лише 2% домішок, в основному вуглецю. Нарешті, в 1910 р. американський хімік М. Хантер, удосконаливши спосіб Нільсона та Петерсона, зумів отримати кілька грамів титану чистотою близько 99%. Саме тому у більшості книг пріоритет отримання металевого титану приписується Хантеру, а не Кирилову, Нільсону чи Муассану.

Однак ні Хантер, ні його сучасники не пророкували титану великого майбутнього. Усього кілька десятих відсотка домішок утримувалося в металі, але ці домішки робили титан тендітним, неміцним, непридатним до механічної обробки. Тому деякі з'єднання титану знайшли застосування раніше, ніж метал. Чотирьоххлористий Ti, наприклад, широко використовували в першу світову війну для створення димових завіс.

№22 у медицині

У 1908 р. у США та Норвегії почалося виготовлення білил не зі сполук свинцю та цинку, як робилося раніше, а з двоокису титану. Такими білилами можна пофарбувати у кілька разів більшу поверхню, ніж тією самою кількістю свинцевих або цинкових білил. До того ж у титанових білил більша відбивна здатність, вони не отруйні і не темніють під дією сірководню. У медичній літературі описано випадок, коли людина за один раз «прийняла» 460 г двоокису титану! (Цікаво, з чим він її сплутав?) «Любитель» двоокису титану не зазнав при цьому жодних болючих відчуттів. TiO 2 входить до складу деяких медичних препаратів, зокрема мазей проти хвороб шкіри.

Проте чи медицина, а лакофарбова промисловість споживає найбільші кількості TiO 2 . Світове виробництво цієї сполуки набагато перевищило півмільйона тонн на рік. Емалі на основі двоокису титану широко використовують як захисні та декоративні покриття по металу та дереву в суднобудуванні, будівництві та машинобудуванні. Термін служби споруд та деталей при цьому значно підвищується. Титановими білилами фарбують тканини, шкіру та інші матеріали.

Ti у промисловості

Двоокис титану входить до складу фарфорових мас, тугоплавкого скла, керамічних матеріалів з високою діелектричною проникністю. Як наповнювач, що підвищує міцність та термостійкість, її вводять у гумові суміші. Проте всі переваги сполук титану здаються несуттєвими і натомість унікальних властивостей чистого металевого титану.

Елементний титан

У 1925 р. голландські вчені ван Аркель і де Бур йодидним способом (про нього - нижче) отримали титан високого ступеня чистоти - 99,9%. На відміну від титану, отриманого Хантером, він мав пластичність: його можна було кувати на холоді, прокочувати в листи, стрічку, дріт і навіть найтоншу фольгу. Але навіть це головне. Дослідження фізикохімічних властивостей металевого титану призводили до майже фантастичних результатів. Виявилося, наприклад, що титан, майже вдвічі легший заліза (щільність титану 4,5 г/см 3 ), за міцністю перевершує багато стали. Порівняння з алюмінієм теж виявилося на користь титану: титан всього в півтора рази важчий за алюміній, зате в шість разів міцніше і, що особливо важливо, він зберігає свою міцність при температурах до 500°С (а при додаванні легуючих елементів - до 650°С ), у той час як міцність алюмінієвих та магнієвих сплавів різко падає вже за 300°С.

Титан має і значну твердість: він у 12 разів твердіший за алюміній, у 4 рази - заліза і міді. Ще одна важлива характеристика металу – межа плинності. Чим він вищий, тим краще деталі з цього металу пручаються експлуатаційним навантаженням, тим довше вони зберігають свої форми та розміри. Межа плинності у титану майже в 18 разів вища, ніж у алюмінію.

На відміну від більшості металів титан має значний електроопір: якщо електропровідність срібла прийняти за 100, то електропровідність міді дорівнює 94, алюмінію - 60, заліза та платини - 15, а титану - всього 3,8. Навряд чи треба пояснювати, що ця властивість, як і немагнітність титану, становить інтерес для радіоелектроніки та електротехніки.

Чудова стійкість титану проти корозії. На платівці із цього металу за 10 років перебування у морській воді не з'явилося й слідів корозії. З титанових сплавів виготовлені гвинти сучасних важких вертольотів. Кермо повороту, елерони та деякі інші відповідальні деталі надзвукових літаків теж виготовлені з цих сплавів. На багатьох хімічних виробництвах сьогодні можна зустріти цілі апарати та колони, виконані з титану.

Як отримують титан

Ціна - ось що ще гальмує виробництво та споживання титану. Власне, висока вартість – не вроджена вада титану. У земній корі його багато – 0,63%. Все ще висока ціна титану – наслідок складності вилучення його з руд. Пояснюється вона високою спорідненістю титану до багатьох елементів та міцністю хімічних зв'язків у його природних сполуках. Звідси – складності технології. Ось як виглядає магнієтермічний спосіб виробництва титану, розроблений 1940 р. американським ученим В. Кроллем.

Двоокис титану за допомогою хлору (в присутності вуглецю) переводять у чотирихлористий титан:

HO 2 + C + 2CI 2 → HCI 4 + CO 2 .

Процес іде у шахтних електропечах при 800-1250°С. Інший варіант - хлорування в розплаві солей лужних металів NaCl і KCl Наступна операція (однаково важлива і трудомістка) - очищення TiCl 4 від домішок - проводиться різними способами та речовинами. Чотирьоххлористий титан у звичайних умовах є рідиною з температурою кипіння 136°С.

Розірвати зв'язок титану з хлором легше, ніж із киснем. Це можна зробити за допомогою магнію реакції

TiCl 4 + 2Mg → T + 2MgCl 2 .

Ця реакція йде в сталевих реакторах за 900°С. В результаті утворюється так звана титанова губка, просочена магнієм та хлоридом магнію. Їх випаровують у герметичному вакуумному апараті при 950°С, а титанову губку потім спікають або переплавляють компактний метал.

Натрієтермічний метод отримання металевого титану в принципі мало чим відрізняється від магнієтермічного. Ці два методи найбільш широко застосовуються у промисловості. Для отримання більш чистого титану і досі використовується йодидний метод, запропонований ван Аркелем і Буром. Металотермічний титан губчастий перетворюють в иодид TiI 4 , який потім відганяють у вакуумі. На своєму шляху пари йодиду титапу зустрічають розпечений до 1400 ° С титановий дріт. При цьому іодид розкладається і на дроті наростає шар чистого титану. Цей метод виробництва титану малопродуктивний і дорогий, у промисловості він застосовується вкрай обмежено.

Незважаючи на трудомісткість та енергоємність виробництва титану, воно вже стало однією з найважливіших підгалузей кольорової металургії. Світове виробництво титану розвивається швидкими темпами. Про це можна судити навіть за тими уривчастими відомостями, які потрапляють до друку.

Відомо, що у 1948 р. у світі було виплавлено лише 2 т титану, а через 9 років – вже 20 тис. т. Значить, у 1957 р. 20 тис. т титану припадало на всі країни, а у 1980 р. лише США споживали. 24,4 тис. т. титану... Ще недавно, здається, титан називали рідкісним металом – зараз він найважливіший конструкційний матеріал. Пояснюється це лише одним: рідкісним поєднанням корисних властивостей елемента № 22. І, звісно, ​​потребами техніки.

Роль титану як конструкційного матеріалу, основи високоміцних сплавів для авіації, суднобудування та ракетної техніки швидко зростає. Саме в сплави йде більша частина титану, що виплавляється у світі. Широко відомий сплав для авіаційної промисловості, що складається з 90% титану, 6% алюмінію та 4% ванадію. У 1976 р. в американській пресі з'явилися повідомлення про новий метал того ж призначення: 85% титану, 10% ванадію, 3% алюмінію і 2% заліза. Стверджують, що цей сплав не лише кращий, а й економічніший.

А взагалі в титанові сплави входять дуже багато елементів, аж до платини та паладію. Останні (у кількості 0,1-0,2%) підвищують і так високу хімічну стійкість титанових сплавів.

Міцність титану підвищують і такі «легуючі добавки», як азот та кисень. Але разом із міцністю вони підвищують твердість і, головне, крихкість титану, тому їх вміст найсуворіше регламентується: у сплав допускається не більше 0,15% кисню та 0,05% азоту.

Незважаючи на те, що титан доріг, заміна їм більш дешевих матеріалів у багатьох випадках виявляється економічно вигідною. Ось характерний приклад. Корпус хімічного апарату, виготовлений з нержавіючої сталі, коштує 150 рублів, та якщо з титанового металу - 600 рублів. Але при цьому сталевий реактор служить лише 6 місяців, а титановий – 10 років. Додати витрати на заміну сталевих реакторів, вимушені простої обладнання - і стане очевидно, що застосовувати дорогий титан буває вигідніше, ніж сталь.

Значну кількість титану використовує металургія. Існують сотні марок сталей та інших сплавів, до складу яких титан входить як легуюча добавка. Його вводять для покращення структури металів, збільшення міцності та корозійної стійкості.

Деякі ядерні реакції повинні відбуватися майже в абсолютній порожнечі. Ртутними насосами розрідження може бути доведено до кількох мільярдних часток атмосфери. Але цього недостатньо, а ртутні насоси більш нездатні. Подальше відкачування повітря здійснюється вже спеціальними титановими насосами. Крім того, для досягнення ще більшого розрідження на внутрішній поверхні камери, де протікають реакції, розпорошують дрібнодисперсний титан.

Титан часто називають металом майбутнього. Факти, які вже зараз мають наука і техніка, переконують, що це не зовсім так - титан уже став металом сьогодення.

Перовскіт і сфен. Ільменіт – метатитанат заліза FeTiO 3 – містить 52,65% TiO 2 . Назва цього мінералу пов'язана з тим, що його знайшли на Уралі в Ільменських горах. Найбільші розсипи ільменітових пісків є Індії. Інший найважливіший мінерал - рутил є двоокис титану. Промислове значення мають також титаномагнетити – природна суміш ільменіту з мінералами заліза. Багаті родовища титанових руд є у СРСР, США, Індії, Норвегії, Канаді, Австралії та інших країнах. Нещодавно геологи відкрили в Північному Прибайкаллі новий титановмісний мінерал, який був названий ландауїтом на честь радянського фізика академіка Л. Д. Ландау. Всього на земній кулі відомо понад 150 значних рудних та розсипних родовищ титану.

У періодичній системі хімічний елемент титан позначається як Ti (Titanium) і розташовується в побічній підгрупі IV групи, в 4 періоді під атомним номером 22. Це сріблясто-білий твердий метал, який входить до складу великої кількості мінералів. Купити титан можна на нашому сайті.

Відкрили титан наприкінці 18 століття хіміки з Англії та Німеччини Ульям Грегор та Мартін Клапрот, причому незалежно один від одного із шестирічною різницею. Назву елементу дав саме Мартін Клапрот на честь давньогрецьких персонажів титанів (величезних, сильних, безсмертних істот). Як виявилося, назва стала пророчою, але щоб познайомитися з усіма властивостями титану, людству знадобилося ще понад 150 років. Тільки за три десятиліття вдалося отримати перший зразок металу титану. На той час його практично не використовували через крихкість. В 1925 після ряду дослідів, за допомогою йодидного методу хіміки Ван Аркель і Де Бур здобули чистий титан.

Завдяки цінним властивостям металу, на нього відразу звернули увагу інженери та конструктори. То справжній прорив. В 1940 Кролль розробив магнієтермічний спосіб отримання титану з руди. Цей спосіб актуальний і сьогодні.

Фізичні та механічні властивості

Титан є доволі тугоплавким металом. Температура його плавлення становить 1668±3°С. За цим показником він поступається таким металам, як тантал, вольфрам, реній, ніобій, молібден, тантал, цирконій. Титан – це парамагнітний метал. У магнітному полі не намагнічується, але з виштовхується з нього. Зображення 2
Титан має низьку щільність (4,5 г/см³) та високу міцність (до 140 кг/мм²). Ці властивості практично не змінюються за високих температур. Він більш ніж у 1,5 рази важчий за алюміній (2,7 г/см³), зате в 1,5 разу легший за залізо (7,8 г/см³). За механічними властивостями титан набагато перевершує ці метали. По міцності титан та її сплави розташовуються у одному ряду з багатьма марками легованих сталей.

За стійкістю до корозії титан не поступається платині. Метал має відмінну стійкість в умовах кавітації. Пухирці повітря, що утворюються в рідкому середовищі при активному русі титанової деталі, практично не руйнують її.

Це міцний метал, здатний чинити опір руйнуванню та пластичній деформації. Він у 12 разів твердіший за алюміній і в 4 рази - міді та заліза. Ще один важливий показник – це межа плинності. Зі збільшенням цього показника покращується опір деталей із титану експлуатаційним навантаженням.

У сплавах з певними металами (особливо з нікелем і воднем) титан здатний запам'ятовувати форму виробу, створену при певній температурі. Такий виріб потім можна деформувати і він надовго збереже це становище. Якщо ж виріб нагріти до температури, при якій він був зроблений, то виріб набуде початкової форми. Називають цю властивість «пам'яттю».

Теплопровідність титану порівняно низька і коефіцієнт лінійного розширення відповідно також. З цього випливає, що метал погано проводить електрику та тепло. Зате за низьких температур він є надпровідником електрики, що дозволяє йому передавати енергію на значні відстані. Також титан має високий електроопір.
Чистий метал титан підлягає різним видам обробки у холодному та гарячому стані. Його можна витягувати і робити дріт, кувати, прокочувати у стрічки, листи та фольгу з товщиною до 0,01 мм. З титану виготовляють такі види прокату: титанова стрічка, титановий дріт, титанові труби, титанові втулки, титанове коло, титановий пруток.

Хімічні властивості

Чистий титан – це хімічно активний елемент. Завдяки тому, що на його поверхні формується щільна захисна плівка, метал має високу стійкість до корозії. Він не піддається окисленню на повітрі, у солоній морській воді, не змінюється у багатьох агресивних хімічних середовищах (наприклад: розбавлена ​​та концентрована азотна кислота, царська горілка). За високих температур титан взаємодіє з реагентами набагато активніше. На повітрі за нормальної температури 1200°З відбувається його запалення. Зайнявшись, метал дає яскраве світіння. Активна реакція відбувається з азотом, з утворенням нітридної плівки жовто-коричневого кольору на поверхні титану.

Реакції із соляною та сірчаною кислотами при кімнатній температурі слабкі, але при нагріванні метал посилено розчиняється. В результаті реакції утворюються нижчі хлориди та моносульфат. Також відбуваються слабкі взаємодії з фосфорною та азотною кислотами. Метал реагує із галогенами. Реакція із хлором відбувається при 300°С.
Активна реакція з воднем протікає при температурі трохи вище за кімнатну. Титан активно поглинає водень. 1 г титану може поглинути до 400 см водню. Нагрітий метал розкладає двоокис вуглецю та пари води. Взаємодія з парами води відбувається за температури понад 800°С. В результаті реакції утворюється оксид металу і випаровується водень. За більш високої температури гарячий титан поглинає вуглекислий газ і утворює карбід та окис.

Способи отримання

Титан є одним із найпоширеніших елементів на Землі. Зміст їх у надрах планети за масою становить 0,57%. Найбільша концентрація металу спостерігається в «базальтовій оболонці» (0,9%), у гранітних породах (0,23%) та в ультраосновних породах (0,03%). Існує близько 70 мінералів титану, в яких він міститься у вигляді титанової кислоти або двоокису. Головні мінерали титанових руд це: ільменіт, анатаз, рутил, брукіт, лопарит, лейкоксен, перовскіт та сфен. Основні світові виробники титану – це Великобританія, США, Франція, Японія, Канада, Італія, Іспанія та Бельгія.
Існує кілька способів одержання титану. Усі вони застосовуються практично і цілком ефективні.

1. Магнієтермічний процес.

Добувають руду, що містить титан і переробляють його на діоксид, який повільно і при дуже високих температурних значеннях піддають хлоруванню. Хлорування проводять у вуглецевому середовищі. Потім хлорид титану, що утворився внаслідок реакції, відновлюють магнієм. Отриманий метал нагрівають у вакуумному устаткуванні за високої температури. В результаті магній і хлорид магнію випаровуються, залишається титан з безліччю пір і порожнин. Губчастий титан переплавляють для одержання якісного металу.

2. Гідридно-кальцієвий метод.

Спочатку отримують гідрид титану, а потім поділяють на компоненти: титан і водень. Процес відбувається у безповітряному просторі за високої температури. Утворюється оксид кальцію, який проходить відмивання слабкими кислотами.
Гідридно-кальцієвий та магнієтермічний методи зазвичай використовуються у промислових масштабах. Ці методи дозволяють отримати значну кількість титану за невеликий проміжок часу з мінімальними грошовими витратами.

3. Електролізний метод.

Хлорид або діоксид титану піддається дії високої сили струму. В результаті відбувається розкладання з'єднань.

4. Йодідний метод.

Діоксид титану взаємодіє із парами йоду. Далі на титановий йодид впливають високою температурою, у результаті виходить титан. Цей метод є найефективнішим, але й найдорожчим. Титан виходить дуже високою чистоти без домішок та добавок.

Застосування титану

Завдяки хорошим антикорозійним властивостям, титан використовують для виготовлення хімічної апаратури. Висока жаростійкість металу та його сплавів сприяє застосуванню у сучасній техніці. Сплави титану - це чудовий матеріал для літакобудування, ракетобудування та суднобудування.

З титану творять пам'ятники. А дзвони з цього металу відомі надзвичайним та дуже гарним звучанням. Двоокис титану є компонентом деяких лікарських засобів, наприклад: мазі проти шкірних захворювань. Також великий попит мають з'єднання металу з нікелем, алюмінієм і вуглецем.

Титан та його сплави знайшли застосування у таких сферах, як хімічна та харчова промисловість, кольорова металургія, електроніка, ядерна техніка, енергомашинобудування, гальванотехніка. Озброєння, броньові плити, хірургічні інструменти та імплантати, зрошувальні установки, спортінвентар та навіть прикраси роблять із титану та його сплавів. У процесі азотування на поверхні металу утворюється золотиста плівка, що не поступається красою навіть справжньому золоту.