Титан является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 22 и условным обозначением Ti. Титан представляет собой переходный металл серебристо-белого цвета, который устойчив к коррозии и температурам, а так же относительно прочный и пластичный.
Открытие
Такой химический элемент как титан был впервые обнаружен в 1791 году английским священнослужителем и геологом Уильямом Грегором в составе минерала ильменита. Ученый выявил присутствие нового химического элемента в ильмените, когда он нашел черный песок у ручья и заметил, что он притягивается магнитом. Анализируя песок, он определил наличие двух оксидов металлов: оксида железа (объясняющего притяжение к магниту) и 45,25% белого металлического оксида, который Уильям Грегор не смог идентифицировать. Понимая, что неиндефицированный оксид содержит металл, который не соответствует ни одному известному элементу, в 1791 году Грегор сообщил о своих наблюдениях как в немецких, так и во французских научных журналах (Crell’s Annalen и Observations et Mémoires sur la Physique). Уильям Грегор назвал обнаруженный оксид манакканитом.
Примерно в то же время Франц-Йозеф Мюллер фон Райхенштейн изготовил похожее вещество, но не смог его идентифицировать. Оксид был независимо переоткрыт в 1795 году прусским химиком Мартином Генрихом Клапротом в рутиле из Бойника (немецкое название Баймочка), деревни в Венгрии (ныне Бойнички в Словакии). Ученый так же обнаружил присутствие нового химического элемента и назвал его в честь титанов греческой мифологии. Узнав о более раннем открытии Грегора, он получил образец манакканита и подтвердил, что он содержит титан.
Известные в настоящее время способы извлечения титана из различных руд являются трудоемкими и дорогостоящими, так как восстановить руду путем нагревания углеродом как при выплавке железа не ппредставляетс возможным, поскольку титан соединяется с углеродом с образованием карбида титана. Чистый металлический титан (99,9%) был впервые получен только в 1910 году Мэтью А. Хантером в Политехническом институте Ренсселера путем нагревания TiCl 4 с натрием при 700 – 800 °C (1292 – 1472 °F) под большим давлением в пакетный процесс, известный как процесс Хантера.
Интересное:
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Твердое |
| Температура плавления | 1668 °С |
| Точка кипения | 3260 °С |
| Плотность при Н.У. | 4,5 г/см 3 |
| Твердость по шкале Мооса | 6 |
| Критическая точка | – |
| Мол. теплота плавления | 18,8 кДж/моль |
| Мол. теплота испарения | 422,6 кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | 25,1 Дж/(моль·К) |
| Молярный объем | 10,6 см 3 ·моль -1 |
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 22 |
| Атомная масса | 47,867 |
| Электронная конфигурация | 3d²4s² |
| Радиус атома | 140 пм |
| Ковалентный радиус | 160 пм |
| Степени окисления | +2, +3, +4 |
| Радиус иона | 68 пм |
| Электроотрицательность | 1,54 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 657,8 кДж/моль |
| Изотопы | ⁴⁴Ti; ⁴⁵Ti; ⁴⁶Ti; ⁴⁷Ti; ⁴⁸Ti; ⁴⁹Ti; ⁵⁰Ti; ⁵¹Ti; ⁵²Ti |
Интересное:
Добыча и производство
Самыми важными минеральными соединениями содержащими титан являются ильменит(FeTiO3), перовскит(CaTiO3), титанит( CaTi[SiO4]O ), рутил (TiO2), анатас (TiO2) и брукит(TiO2). Основные месторождения коммерчески важной титановой руды находятся в Австралии, Китае, Норвегии, Индии, России, Украине, Бразилии, Канаде и Южной Африке. Около 90% добытых минеральных соединений составлял ильменит.
Чистый металлический титан редко встречается в месторождениях, поэтому его получают из титановой железной руды (ильменита) или рутила. Используемый производственный процесс очень сложен, что отражается на высокой цене титана. Начиная с ильменита или рутила, диоксид титана под воздействием тепла преобразуется с хлором и углеродом в тетрахлорид титана и монооксида углерода. Затем тетрахлорид титана электрохимически восстанавливают до титановой губки с использованием жидкого магния. Этот процесс выгоден только в странах с низкими затратами на электроэнергию и реализуется в следующих химических реакциях:
FeTiO3 + C → Fe + TiO2 + CO
TiO2 + 2C + 2Cl2 → TiCl4 + 2CO
TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2
Как видно из вышеперечисленных химических реакций, процесс производства достаточно сложный. Для производства тонны титана требуется около 55 000 кВтч электроэнергии, что примерно в 3,7 раза больше, чем при энергоемкость при производстве алюминия, составляющем около 15 000 кВтч/т. Ежегодное мировое производство титана оценивается в 250 тысяч тонн.
Интересное:
Применение
Титан входит в список критически важного сырья многих стран по всему миру. Благодаря своим характеристикам, а в частности сочетанию легкости и прочности, его использование находит обширное применение во многих сферах жизнедеятельности человека. В частности существует огромное количество титановых сплавов и других соединений, которые используются для производства автомобилей, авиационной техники, космических аппаратов, вооружений, медицинских протезов и имплантов, краски, продуктов питания, ювелирных изделий, электроники, бумаги, пластика, коррозионностойких материалов и многого другого.
Сегодня достаточно сложно оценить долю применения титана в той или иной сфере, но «Titanium Corporation» поделилась статискикой потребления на начало века и она выглядела следующим образом:
- 60% — производство краски;
- 20% — произвоство пластика;
- 13% — изготовление бумаги;
- 6% — промышленность;
- 1% — другое;
Около 95% всей титановой руды по информации некоторых источников предназначено для переработки в диоксид титана ( TiO2), интенсивно-белый стойкий пигмент, используемый в красках, бумаге, зубной пасте и пластмассах. Он химически инертен, устойчив к выцветанию на солнечном свете и очень непрозрачен. Титан придает чистый и блестящий белый цвет коричневым или серым химикатам, из которых состоит большинство бытовых пластмасс, а так же очень хорошо себя проявляет в морской среде и при суровых температурных условиях.
Что касается промышленности, то большинство применений приходится на различного рода сплавы. Среди титансодержащих сплавов можно выделить Ti-6Al-4V, который является важным конструкционным материалом при производстве самолетов, кораблей, ракет, автомобилей и специальной техники. В химической промышленности титановые сплавы и соединения используются для производства различного рода реакторов, насосов высокого давления, трубопроводов и много другого. Военная промышленность использует титан для изготовления брони, бронежилетов, противопожарных перегородок. Вообще конструкции из титановых сплавов используются абсолютно во всех сферах жизнедеятельности человека. Кроме того, данный химический элемент имеет номенклатуру пищевой добавки E171.
Титан считается физиологически инертным, благодаря чему применяется в протезировании как металл, непосредственно контактирующий с тканями организма. Однако титановая пыль может быть канцерогенной. Как было сказано выше, титан применяется также в стоматологии. Отличительная черта применения титана заключается не только в прочности, но и способности самого металла сращиваться с костью, что даёт возможность обеспечить квазимонолитность основы зуба.
Интересное:
Безопасность
Титан легко воспламеняется в виде порошка и даже привести к взрыву, но безвреден при сжатии. Он может загореться при контакте свежей, неокисленной поверхности с жидким кислородом. Большинство солей титана считаются безвредными. Нестабильные соединения, такие как трихлорид титана, обладают высокой коррозионной активностью, поскольку образуют соляную кислоту даже при незначительном количестве воды. Тетрахлорид титана используется в дымовых гранатах. Он химически реагирует с влажностью воздуха и образует белый дым из диоксида титана, а также туман соляной кислоты.
Биологические недостатки титана в организме человека в настоящее время неизвестны. Тазобедренные суставы или челюстные имплантаты, ранее изготовленные из титана, не вызывали аллергии, в отличие от нержавеющей стали, содержащей никель.