Mūžīgs, noslēpumains, kosmisks, nākotnes materiāls – visi šie un daudzi citi epiteti dažādos avotos tiek piešķirti titānam. Šī metāla atklāšanas vēsture nebija triviāla: tajā pašā laikā vairāki zinātnieki strādāja pie elementa izolēšanas tīrā veidā. Līdz šim nav pabeigts fizikālo, ķīmisko īpašību izpētes un pielietojuma jomu noteikšanas process. Titāns ir nākotnes metāls, tā vieta cilvēka dzīvē vēl nav galīgi noteikta, kas mūsdienu pētniekiem sniedz milzīgu iespēju radošumam un zinātniskiem pētījumiem.
Raksturīgs
Ķīmiskais elements titāns (Titāns) D. I. Mendeļejeva periodiskajā tabulā norādīts ar simbolu Ti. Tas atrodas ceturtā perioda IV grupas sekundārajā apakšgrupā un ir ar kārtas numuru 22. Vienkāršā viela titāns ir b alti sudraba metāls, viegls un izturīgs. Atoma elektroniskajai konfigurācijai ir šāda struktūra: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Attiecīgi titānam ir vairāki iespējamie oksidācijas stāvokļi: 2,3, 4, stabilākajos savienojumos tas ir četrvērtīgs.
Titāns - sakausējums vai metāls?
Šis jautājums interesē daudzus. 1910. gadā amerikāņu ķīmiķis Hanters ieguva pirmo tīro titānu. Metāls saturēja tikai 1% piemaisījumu, bet tajā pašā laikā tā daudzums izrādījās niecīgs un neļāva tālāk izpētīt tā īpašības. Iegūtās vielas plastiskums tika sasniegts tikai augstas temperatūras ietekmē, normālos apstākļos (istabas temperatūrā) paraugs bija pārāk trausls. Faktiski šis elements zinātniekus neinteresēja, jo tā izmantošanas izredzes šķita pārāk neskaidras. Iegūšanas un izpētes grūtības vēl vairāk samazināja tās pielietošanas iespējas. Tikai 1925. gadā ķīmiķi no Nīderlandes I. de Boer un A. Van Arkel saņēma titāna metālu, kura īpašības piesaistīja inženieru un dizaineru uzmanību visā pasaulē. Šī elementa izpētes vēsture sākas 1790. gadā, tieši šajā laikā, paralēli, neatkarīgi viens no otra divi zinātnieki atklāj titānu kā ķīmisku elementu. Katrs no tiem saņem vielas savienojumu (oksīdu), nespējot izolēt metālu tīrā veidā. Titāna atklājējs ir angļu mineralogs mūks Viljams Gregors. Sava pagasta teritorijā, kas atrodas Anglijas dienvidrietumu daļā, jaunais zinātnieks sāka pētīt Menaken ielejas melnās smiltis. Eksperimentu ar magnētu rezultāts bija spīdīgu graudu izdalīšanās, kas bija titāna savienojums. Tajā pašā laikā Vācijā ķīmiķis Martins Heinrihs Klaprots no minerāla izdalīja jaunu vielurutils. 1797. gadā viņš arī pierādīja, ka paralēli atvērtie elementi ir līdzīgi. Titāna dioksīds ir bijis noslēpums daudziem ķīmiķiem jau vairāk nekā gadsimtu, un pat Berzēliuss nespēja iegūt tīru metālu. 20. gadsimta jaunākās tehnoloģijas būtiski paātrināja minētā elementa izpētes procesu un noteica sākotnējos tā izmantošanas virzienus. Tajā pašā laikā piemērošanas joma pastāvīgi paplašinās. Tikai tādas vielas kā tīra titāna iegūšanas procesa sarežģītība var ierobežot tā darbības jomu. Sakausējumu un metāla cena ir diezgan augsta, tāpēc mūsdienās tā nevar izspiest tradicionālo dzelzi un alumīniju.
Nosaukuma izcelsme
Menakin - pirmais titāna nosaukums, kas tika lietots līdz 1795. gadam. Tā V. Gregors pēc teritoriālās piederības nosauca jauno elementu. Martins Klaprots 1797. gadā piešķir elementam nosaukumu "titāns". Šajā laikā viņa franču kolēģi ar diezgan cienījamu ķīmiķi A. L. Lavuazjē priekšgalā ierosināja jaunatklātās vielas nosaukt atbilstoši to pamatīpašībām. Vācu zinātnieks nepiekrita šai pieejai, viņš diezgan pamatoti uzskatīja, ka atklāšanas stadijā ir diezgan grūti noteikt visas vielai raksturīgās īpašības un atspoguļot tās nosaukumā. Taču jāatzīst, ka Klaprota intuitīvi izvēlētais termins pilnībā atbilst metālam – to vairākkārt uzsvēruši mūsdienu zinātnieki. Ir divas galvenās teorijas par nosaukuma titāna izcelsmi. Metālu varētu apzīmēt tā par godu elfu karalienei Titānijai(ģermāņu mitoloģijas raksturs). Šis nosaukums simbolizē gan vielas vieglumu, gan spēku. Lielākā daļa zinātnieku sliecas izmantot senās grieķu mitoloģijas izmantošanas versiju, kurā varenos zemes dievietes Gajas dēlus sauca par titāniem. Par labu šai versijai runā arī iepriekš atklātā elementa urāna nosaukums.
Būt dabā
No cilvēkiem tehniski vērtīgajiem metāliem titāns ir ceturtais visbiežāk sastopamais zemes garozā. Tikai dzelzi, magniju un alumīniju dabā raksturo liels procentuālais daudzums. Vislielākais titāna saturs ir baz alta apvalkā, nedaudz mazāks granīta slānī. Jūras ūdenī šīs vielas saturs ir zems - aptuveni 0,001 mg / l. Ķīmiskais elements titāns ir diezgan aktīvs, tāpēc to nevar atrast tīrā veidā. Visbiežāk tas atrodas savienojumos ar skābekli, bet tā valence ir četri. Titānu saturošo minerālu skaits svārstās no 63 līdz 75 (dažādos avotos), savukārt pašreizējā pētījumu stadijā zinātnieki turpina atklāt jaunas tā savienojumu formas. Praktiskai lietošanai vissvarīgākie ir šādi minerāli:
- Ilmenīte (FeTiO3).
- Rutils (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskīts (CaTiO3).
- Titanomagnetīts (FeTiO3+Fe3O4) utt.
Visas esošās titānu saturošās rūdas ir sadalītassanesu un pamata. Šis elements ir vājš migrants, tas var pārvietoties tikai klinšu fragmentu vai kustīgu duļķainu grunts iežu veidā. Biosfērā lielākais titāna daudzums ir atrodams aļģēs. Sauszemes faunas pārstāvjiem elements uzkrājas ragveida audos, matos. Cilvēka ķermenim ir raksturīga titāna klātbūtne liesā, virsnieru dziedzeros, placentā, vairogdziedzerī.
Fizikālās īpašības
Titāns ir krāsains metāls ar sudrabaini b altu krāsu, kas izskatās kā tērauds. 0 0C temperatūrā tā blīvums ir 4,517 g/cm3. Vielai ir zems īpatnējais svars, kas raksturīgs sārmu metāliem (kadmijam, nātrijam, litijam, cēzijam). Blīvuma ziņā titāns ieņem starpstāvokli starp dzelzi un alumīniju, savukārt tā veiktspēja ir augstāka nekā abiem elementiem. Galvenās metālu īpašības, kas tiek ņemtas vērā, nosakot to pielietojuma jomu, ir tecēšanas robeža un cietība. Titāns ir 12 reizes stiprāks par alumīniju, 4 reizes stiprāks par dzelzi un varu, vienlaikus ir daudz vieglāks. Tīras vielas plastiskums un tecēšanas robeža ļauj apstrādāt zemā un augstā temperatūrā, tāpat kā citus metālus, t.i., kniedējot, kaljot, metinot, velmējot. Titāna īpatnība ir tā zemā siltuma un elektriskā vadītspēja, kamēr šīs īpašības tiek saglabātas paaugstinātā temperatūrā līdz 500 0С. Magnētiskajā laukā titāns ir paramagnētisks elements, tā navtiek pievilkts kā dzelzs un netiek izspiests kā varš. Ļoti augsta pretkorozijas veiktspēja agresīvā vidē un mehāniskā spriedzē ir unikāla. Vairāk nekā 10 gadus ilga atrašanās jūras ūdenī nemainīja titāna plāksnes izskatu un sastāvu. Korozija šajā gadījumā pilnībā iznīcinātu dzelzi.
Titāna termodinamiskās īpašības
- Blīvums (normālos apstākļos) ir 4,54g/cm3.
- Atomskaitlis ir 22.
- Metāla grupa - ugunsizturīgs, viegls.
- Titāna atomu masa ir 47,0.
- Vārīšanās temperatūra (0С) – 3260.
- Molārais tilpums cm3/mol – 10, 6.
- Titāna kušanas temperatūra (0С) – 1668.
- Īpatnējais iztvaikošanas siltums (kJ/mol) – 422, 6.
- Elektriskā pretestība (pie 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Ķīmiskās īpašības
Elementa paaugstinātā izturība pret koroziju ir saistīta ar nelielas oksīda plēves veidošanos uz virsmas. Tas novērš (normālos apstākļos) ķīmiskas reakcijas ar gāzēm (skābekli, ūdeņradi) elementa, piemēram, titāna metāla, apkārtējā atmosfērā. Tās īpašības mainās temperatūras ietekmē. Kad tas paaugstinās līdz 600 0С, notiek mijiedarbības reakcija ar skābekli, kā rezultātā veidojas titāna oksīds (TiO2). Atmosfēras gāzu absorbcijas gadījumā veidojas trausli savienojumi, kuriem praktiski nav pielietojuma, tāpēc titāna metināšana un kausēšana tiek veikta vakuuma apstākļos. atgriezeniska reakcijair ūdeņraža šķīdināšanas process metālā, tas notiek aktīvāk, paaugstinoties temperatūrai (no 400 0С un augstāk). Titāns, īpaši tā mazās daļiņas (plāna plāksne vai stieple), deg slāpekļa atmosfērā. Mijiedarbības ķīmiskā reakcija iespējama tikai 700 0С temperatūrā, kā rezultātā veidojas TiN nitrīds. Veido ļoti cietus sakausējumus ar daudziem metāliem, bieži vien kā leģējošu elementu. Tas reaģē ar halogēniem (hromu, bromu, jodu) tikai katalizatora klātbūtnē (augstā temperatūrā) un pakļauts mijiedarbībai ar sausu vielu. Šajā gadījumā veidojas ļoti cieti ugunsizturīgi sakausējumi. Lielākajai daļai sārmu un skābju šķīdumos titāns ir ķīmiski neaktīvs, izņemot koncentrētu sērskābi (ar ilgstošu vārīšanu), fluorūdeņražu, karsto organisko (skudrskābi, skābeņskābi).
Depozīti
Ilmenīta rūdas ir visizplatītākās dabā – to rezerves tiek lēstas 800 miljonu tonnu apmērā. Rutila atradņu atradnes ir daudz pieticīgākas, bet kopējam apjomam - saglabājot ražošanas pieaugumu - vajadzētu nodrošināt cilvēci turpmākos 120 gadus ar tādu metālu kā titāns. Gatavās produkcijas cena būs atkarīga no pieprasījuma un izgatavojamības līmeņa pieauguma, bet vidēji tā svārstās robežās no 1200 līdz 1800 rubļiem/kg. Pastāvīgas tehniskās uzlabošanas apstākļos visu ražošanas procesu izmaksas tiek ievērojami samazinātas ar to savlaicīgu modernizāciju. Ķīnai un Krievijai ir lielākās titāna rūdas, kā arī minerālu rezervesIzejvielu bāze ir Japānai, Dienvidāfrikai, Austrālijai, Kazahstānai, Indijai, Dienvidkorejai, Ukrainai, Ceilonai. Iegulas atšķiras pēc ražošanas apjoma un titāna procentuālā daudzuma rūdā, turpinās ģeoloģiskie pētījumi, kas ļauj pieņemt metāla tirgus vērtības samazināšanos un plašāku izmantošanu. Krievija ir līdz šim lielākā titāna ražotāja.
Saņemt
Titāna ražošanai visbiežāk izmanto titāna dioksīdu, kas satur minimālu daudzumu piemaisījumu. To iegūst, bagātinot ilmenīta koncentrātus vai rutila rūdas. Elektriskās loka krāsnī notiek rūdas termiskā apstrāde, ko pavada dzelzs atdalīšana un titāna oksīdu saturošu izdedžu veidošanās. Bezdzelzs frakcijas apstrādei tiek izmantota sulfāta vai hlorīda metode. Titāna oksīds ir pelēks pulveris (skatiet fotoattēlu). Titāna metālu iegūst ar tā pakāpenisku apstrādi.
Pirmā fāze ir izdedžu saķepināšana ar koksu un pakļaušana hlora tvaiku iedarbībai. Iegūtais TiCl4 tiek reducēts ar magniju vai nātriju, pakļaujot to 850 0C temperatūrai. Titāna sūklis (poraina kausēta masa), kas iegūta ķīmiskās reakcijas rezultātā, tiek attīrīta vai izkausēta lietņos. Atkarībā no tālākā lietošanas virziena veidojas sakausējums vai tīrs metāls (netīrumus noņem karsējot līdz 1000 0С). Lai ražotu vielu ar piemaisījumu saturu 0,01%, izmanto jodīda metodi. Tas ir balstīts uz procesuiztvaikošana no titāna sūkļa, kas iepriekš apstrādāts ar halogēnu, tā tvaiki.
Lietošanas jomas
Titāna kušanas temperatūra ir diezgan augsta, kas, ņemot vērā metāla vieglumu, ir nenovērtējama priekšrocība, izmantojot to kā konstrukcijas materiālu. Tāpēc tas ir vislielākais pielietojums kuģu būvē, aviācijas rūpniecībā, raķešu ražošanā un ķīmiskajā rūpniecībā. Titānu diezgan bieži izmanto kā leģējošu piedevu dažādos sakausējumos, kuriem ir paaugstinātas cietības un karstumizturības īpašības. Augstas pretkorozijas īpašības un spēja izturēt lielāko daļu agresīvās vides padara šo metālu neaizstājamu ķīmiskajā rūpniecībā. No titāna (tā sakausējumiem) ražo cauruļvadus, tvertnes, vārstus, filtrus, ko izmanto skābju un citu ķīmiski aktīvo vielu destilācijā un transportēšanā. Tas ir pieprasīts, veidojot ierīces, kas darbojas paaugstinātas temperatūras indikatoru apstākļos. No titāna savienojumiem ražo izturīgus griezējinstrumentus, krāsas, plastmasu un papīru, ķirurģiskos instrumentus, implantus, rotaslietas, apdares materiālus, kā arī izmanto pārtikas rūpniecībā. Visus virzienus ir grūti aprakstīt. Mūsdienu medicīna pilnīgas bioloģiskās drošības dēļ bieži izmanto titāna metālu. Cena ir vienīgais faktors, kas līdz šim ietekmē šī elementa pielietojuma plašumu. Jāsaka godīgi, ka titāns ir nākotnes materiāls, kuru pētot cilvēce paies garāmuz jaunu attīstības posmu.
