Ikuinen, salaperäinen, kosminen, tulevaisuuden materiaali - kaikki nämä ja monet muut epiteetit on liitetty titaaniin eri lähteistä. Tämän metallin löytämisen historia ei ollut triviaali: samaan aikaan useat tutkijat työskentelivät elementin eristämiseksi puhtaassa muodossaan. Fysikaalisten, kemiallisten ominaisuuksien tutkimista ja sen sovellusalueiden määrittelyä ei ole vielä saatu päätökseen. Titaani on tulevaisuuden metalli, sen paikkaa ihmiselämässä ei ole vielä lopullisesti määritetty, mikä antaa nykyaikaisille tutkijoille v altavan mahdollisuuden luovuuteen ja tieteelliseen tutkimukseen.
Ominaisuus
Kemiallinen alkuaine titaani (Titanium) on merkitty D. I. Mendelejevin jaksollisessa taulukossa symbolilla Ti. Se sijaitsee neljännen jakson IV ryhmän toissijaisessa alaryhmässä ja sen sarjanumero on 22. Yksinkertainen aine titaani on valkohopeametalli, kevyt ja kestävä. Atomin elektronisella konfiguraatiolla on seuraava rakenne: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Näin ollen titaanilla on useita mahdollisia hapetustiloja: 2,3, 4, stabiilimmissa yhdisteissä se on neliarvoinen.
Titaani - seos vai metalli?
Tämä kysymys kiinnostaa monia. Vuonna 1910 amerikkalainen kemisti Hunter sai ensimmäisen puhtaan titaanin. Metalli sisälsi vain 1 % epäpuhtauksia, mutta samaan aikaan sen määrä osoittautui mitättömäksi eikä antanut mahdollisuutta tutkia sen ominaisuuksia tarkemmin. Saadun aineen plastisuus saavutettiin vain korkeiden lämpötilojen vaikutuksesta, normaaleissa olosuhteissa (huoneenlämpötila) näyte oli liian hauras. Itse asiassa tämä elementti ei kiinnostanut tutkijoita, koska sen käyttömahdollisuudet vaikuttivat liian epävarmoilta. Hankinnan ja tutkimuksen vaikeus vähensi entisestään sen soveltamismahdollisuuksia. Vasta vuonna 1925 hollantilaiset kemistit I. de Boer ja A. Van Arkel saivat titaanimetallia, jonka ominaisuudet herättivät insinöörien ja suunnittelijoiden huomion ympäri maailmaa. Tämän alkuaineen tutkimuksen historia alkaa vuonna 1790, juuri tähän aikaan, rinnakkain, toisistaan riippumatta, kaksi tiedemiestä löytää titaanin kemiallisena alkuaineena. Jokainen niistä saa aineen yhdisteen (oksidin), joka ei pysty eristämään metallia sen puhtaassa muodossa. Titaanin löytäjä on englantilainen mineralogi munkki William Gregor. Englannin lounaisosassa sijaitsevan seurakuntansa alueella nuori tiedemies alkoi tutkia Menaken-laakson mustaa hiekkaa. Magneetilla tehtyjen kokeiden tuloksena vapautui kiiltäviä rakeita, jotka olivat titaaniyhdistettä. Samaan aikaan Saksassa kemisti Martin Heinrich Klaproth eristi mineraalista uuden aineenrutiili. Vuonna 1797 hän myös osoitti, että rinnakkain avatut elementit ovat samanlaisia. Titaanidioksidi on ollut mysteeri monille kemisteille yli vuosisadan, eikä edes Berzelius pystynyt saamaan puhdasta metallia. 1900-luvun uusimmat tekniikat nopeuttavat merkittävästi mainitun elementin tutkimusprosessia ja määrittelivät sen käytön alkuperäiset ohjeet. Samaan aikaan sovellusalue laajenee jatkuvasti. Vain sellaisen aineen, kuten puhtaan titaanin, saamisprosessin monimutkaisuus voi rajoittaa sen soveltamisalaa. Seosten ja metallin hinta on melko korkea, joten se ei nykyään voi syrjäyttää perinteistä rautaa ja alumiinia.
Nimen alkuperä
Menakin - titaanin etunimi, jota käytettiin vuoteen 1795 asti. Näin W. Gregor kutsui uutta elementtiä alueellisen kuuluvuuden perusteella. Martin Klaproth antoi elementille nimen "titaani" vuonna 1797. Tällä hetkellä hänen ranskalaiset kollegansa, joita johti melko hyvämaineinen kemisti A. L. Lavoisier, ehdottivat nimeämään äskettäin löydetyt aineet niiden perusominaisuuksien mukaan. Saksalainen tiedemies ei hyväksynyt tätä lähestymistapaa, hän uskoi melko perustellusti, että löytövaiheessa on melko vaikea määrittää kaikki aineelle ominaiset ominaisuudet ja heijastaa niitä nimessä. On kuitenkin tunnustettava, että Klaprothin intuitiivisesti valitsema termi vastaa täysin metallia - nykyajan tutkijat ovat toistuvasti korostaneet tätä. On olemassa kaksi pääteoriaa nimen titaani alkuperästä. Metalli voidaan nimetä niin h altioiden kuningattaren Titanian kunniaksi(germaanisen mytologian hahmo). Tämä nimi symboloi sekä aineen keveyttä että vahvuutta. Useimmat tiedemiehet ovat taipuvaisia käyttämään versiota muinaisen kreikkalaisen mytologian käytöstä, jossa maan jumalattaren Gaian voimakkaita poikia kutsuttiin titaaneiksi. Myös aiemmin löydetyn alkuaineen nimi, uraani, puhuu tämän version puolesta.
Luonnossa oleminen
Ihmisille teknisesti arvokkaista metalleista titaani on neljänneksi runsain maankuoressa. Vain raudalle, magnesiumille ja alumiinille on ominaista suuri prosenttiosuus luonnossa. Suurin titaanipitoisuus on bas alttikuoressa, hieman vähemmän graniittikerroksessa. Merivedessä tämän aineen pitoisuus on alhainen - noin 0,001 mg / l. Kemiallinen alkuaine titaani on varsin aktiivinen, joten sitä ei löydy puhtaassa muodossaan. Useimmiten sitä esiintyy happiyhdisteissä, kun taas sen valenssi on neljä. Titaania sisältävien mineraalien määrä vaihtelee 63:sta 75:een (eri lähteistä), kun taas nykyisessä tutkimuksen vaiheessa tutkijat jatkavat sen yhdisteiden uusien muotojen löytämistä. Käytännön kann alta seuraavat mineraalit ovat erittäin tärkeitä:
- Ilmeniitti (FeTiO3).
- Rutile (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskite (CaTiO3).
- Titanomagnetiitti (FeTiO3+Fe3O4) jne.
Kaikki olemassa olevat titaania sisältävät malmit on jaettutulva ja perus. Tämä elementti on heikko siirtolainen, se voi kulkea vain kivimurskeina tai liikkuvana lieteisenä pohjakivinä. Biosfäärissä suurin määrä titaania löytyy levistä. Maan eläimistön edustajilla elementti kerääntyy sarveiskudoksiin, hiuksiin. Ihmiskeholle on ominaista titaanin esiintyminen pernassa, lisämunuaisissa, istukassa ja kilpirauhasessa.
Fysikaaliset ominaisuudet
Titanium on ei-rautametalli, jonka väri on hopeanvalkoinen ja joka näyttää teräkseltä. Lämpötilassa 0 0C sen tiheys on 4,517 g/cm3. Aineella on alhainen ominaispaino, joka on tyypillistä alkalimetalleille (kadmium, natrium, litium, cesium). Titaani on tiheydellä raudan ja alumiinin välissä, kun taas sen suorituskyky on korkeampi kuin molemmilla elementeillä. Metallien tärkeimmät ominaisuudet, jotka otetaan huomioon niiden käyttöaluetta määritettäessä, ovat myötöraja ja kovuus. Titaani on 12 kertaa vahvempaa kuin alumiini, 4 kertaa vahvempi kuin rauta ja kupari, samalla kun se on paljon kevyempi. Puhtaan aineen plastisuus ja myötöraja mahdollistavat käsittelyn matalissa ja korkeissa lämpötiloissa, kuten muidenkin metallien tapauksessa, eli niitamalla, takomalla, hitsaamalla, valssaamalla. Titaanin erottuva ominaisuus on sen alhainen lämmön- ja sähkönjohtavuus, kun taas nämä ominaisuudet säilyvät korkeissa lämpötiloissa, jopa 500 0С. Magneettikentässä titaani on paramagneettinen alkuaine, se ei olevetää puoleensa kuin rauta, eikä työnnetä ulos kuin kupari. Erittäin korkea korroosionestokyky aggressiivisissa ympäristöissä ja mekaanisessa rasituksessa on ainutlaatuinen. Yli 10 vuotta merivedessä olemista ei muuttanut titaanilevyn ulkonäköä ja koostumusta. Tässä tapauksessa rauta tuhoutuisi täysin korroosion vaikutuksesta.
Titaanin termodynaamiset ominaisuudet
- Tiheys (normaaliolosuhteissa) on 4,54 g/cm3.
- Yminumero on 22.
- Metalliryhmä - tulenkestävä, kevyt.
- Titaanin atomimassa on 47,0.
- Kiehumispiste (0С) – 3260.
- Molaarinen tilavuus cm3/mol – 10, 6.
- Titaanin sulamispiste (0С) – 1668.
- Ominaishöyrystyslämpö (kJ/mol) – 422, 6.
- Sähkövastus (20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Kemialliset ominaisuudet
Elementin lisääntynyt korroosionkestävyys johtuu pienen oksidikalvon muodostumisesta pinnalle. Se estää (normaaliolosuhteissa) kemialliset reaktiot kaasujen (happi, vety) kanssa elementin, kuten titaanimetallin, ympäröivässä ilmakehässä. Sen ominaisuudet muuttuvat lämpötilan vaikutuksesta. Kun se nousee arvoon 600 0С, tapahtuu vuorovaikutusreaktio hapen kanssa, mikä johtaa titaanioksidin muodostumiseen (TiO2). Ilmakehän kaasujen absorptiossa muodostuu hauraita yhdisteitä, joilla ei ole käytännön sovellusta, minkä vuoksi titaanin hitsaus ja sulatus suoritetaan tyhjiöolosuhteissa. palautuva reaktioon vedyn liukenemisprosessi metalliin, se tapahtuu aktiivisemmin lämpötilan noustessa (400 0С ja korkeampi). Titaani, erityisesti sen pienet hiukkaset (ohut levy tai lanka), palaa typpiatmosfäärissä. Kemiallinen vuorovaikutusreaktio on mahdollinen vain lämpötilassa 700 0С, mikä johtaa TiN-nitridin muodostumiseen. Muodostaa erittäin kovia seoksia monien metallien kanssa, usein seosaineena. Se reagoi halogeenien (kromi, bromi, jodi) kanssa vain katalyytin läsnä ollessa (korkea lämpötila) ja vuorovaikutuksessa kuiva-aineen kanssa. Tässä tapauksessa muodostuu erittäin kovia tulenkestäviä seoksia. Useimpien emästen ja happojen liuoksissa titaani on kemiallisesti inaktiivinen, lukuun ottamatta väkevää rikkihappoa (pitkäaikaisesti kiehuva), fluorivetyä, kuumaa orgaanista (muurahaishappoa, oksaalihappoa).
Talletukset
Ilmeniittimalmit ovat yleisimpiä luonnossa – niiden varannot ovat arviolta 800 miljoonaa tonnia. Rutiiliesiintymien esiintymät ovat paljon vaatimattomampia, mutta kokonaisvolyymin - tuotannon kasvun säilyttäen - pitäisi antaa ihmiskunnalle seuraavat 120 vuotta sellaista metallia kuin titaani. Valmiin tuotteen hinta riippuu kysynnästä ja valmistettavuuden noususta, mutta keskimäärin se vaihtelee välillä 1200-1800 ruplaa/kg. Jatkuvan teknisen parantamisen olosuhteissa kaikkien tuotantoprosessien kustannukset pienenevät merkittävästi niiden oikea-aikaisella modernisoinnilla. Kiinalla ja Venäjällä on suurimmat titaanimalmivarat sekä mineraaliJapanilla, Etelä-Afrikalla, Australialla, Kazakstanilla, Intialla, Etelä-Korealla, Ukrainalla, Ceylonilla on raaka-ainepohjaa. Esiintymät vaihtelevat tuotantomäärän ja titaanin osuuden suhteen malmissa, geologiset tutkimukset ovat käynnissä, mikä mahdollistaa metallin markkina-arvon laskun ja sen laajemman käytön. Venäjä on ylivoimaisesti suurin titaanin tuottaja.
Vastaanota
Titaanin valmistuksessa käytetään useimmiten titaanidioksidia, joka sisältää vähimmäismäärän epäpuhtauksia. Sitä saadaan rikastamalla ilmeniittirikasteita tai rutiilimalmeja. Valokaariuunissa tapahtuu malmin lämpökäsittely, johon liittyy raudan erottuminen ja titaanioksidia sisältävän kuonan muodostuminen. Raudattoman jakeen käsittelyyn käytetään sulfaatti- tai kloridimenetelmää. Titaanioksidi on harmaa jauhe (katso kuva). Titaanimetalli saadaan sen vaiheittaisella prosessoinnilla.
Ensimmäinen vaihe on prosessi, jossa kuona sintrataan koksilla ja altistuu kloorihöyrylle. Tuloksena oleva TiCl4 pelkistyy magnesiumilla tai natriumilla, kun se altistetaan 850 °C:n lämpötilalle. Titaanisieni (huokoinen sulatettu massa), joka saadaan kemiallisen reaktion tuloksena, puhdistetaan tai sulatetaan harkoiksi. Jatkokäyttösuunnasta riippuen muodostuu seos tai puhdas metalli (epäpuhtaudet poistetaan kuumentamalla 1000 0С). Aineen valmistukseen, jonka epäpuhtauspitoisuus on 0,01%, käytetään jodidimenetelmää. Se perustuu prosessiinhaihtuminen halogeenilla esikäsitellystä titaanisienestä, sen höyryt.
Sovellusalueet
Titaanin sulamispiste on melko korkea, mikä metallin keveyden vuoksi on korvaamaton etu käytettäessä sitä rakennemateriaalina. Siksi se löytää suurimman sovelluksen laivanrakennuksessa, ilmailuteollisuudessa, rakettien valmistuksessa ja kemianteollisuudessa. Titaania käytetään melko usein seosaineena erilaisissa seoksissa, joilla on lisääntynyt kovuus ja lämmönkestävyys. Korkeat korroosionesto-ominaisuudet ja kyky kestää useimpia aggressiivisia ympäristöjä tekevät tästä metallista välttämättömän kemianteollisuudessa. Titaanista (sen lejeeringeistä) valmistetaan putkistoja, säiliöitä, venttiileitä, suodattimia, joita käytetään happojen ja muiden kemiallisesti aktiivisten aineiden tislauksessa ja kuljetuksessa. Se on kysyntää luotaessa laitteita, jotka toimivat kohonneiden lämpötilaindikaattoreiden olosuhteissa. Titaaniyhdisteistä valmistetaan kestäviä leikkaustyökaluja, maaleja, muovia ja paperia, kirurgisia instrumentteja, implantteja, koruja, viimeistelymateriaaleja ja niitä käytetään elintarviketeollisuudessa. Kaikkia suuntauksia on vaikea kuvailla. Nykyaikainen lääketiede käyttää täydellisen biologisen turvallisuuden vuoksi usein titaanimetallia. Hinta on ainoa tekijä, joka toistaiseksi vaikuttaa tämän elementin soveltamisalaan. On reilua sanoa, että titaani on tulevaisuuden materiaali, jonka tutkimalla ihmiskunta ohittaauuteen kehitysvaiheeseen.
