Как получают титан. Общая характеристика. История открытия. Запасы и добыча
Тита́н (лат. Titanium; обозначается символом Ti) - элемент побочной подгруппы четвёртой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов , с атомным номером 22. Простое вещество титан (CAS-номер: 7440-32-6) - лёгкий металл серебристо-белого цвета.
История
Открытие TiO 2 сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, 1789), выделил новую «землю» (окись) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 г. немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля - окислы одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз. Французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз - идентичные окислы титана.
Первый образец металлического титана получил в 1825 году Й. Я. Берцелиус. Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров иодида титана TiI 4 .
Откуда она взялась и зачем она нам нужна?
Диоксид титана - это яркое белое вещество, используемое в основном в качестве яркого красителя в широком спектре общих продуктов. Он также обладает рядом менее известных качеств, которые делают его чрезвычайно полезным и важным компонентом в нашей битве по борьбе с изменением климата и предотвращению рака кожи.
Диоксид титана - это белое неорганическое соединение, которое используется около 100 лет в большом количестве разнообразных продуктов. Он зависит от него за его нетоксичные, нереактивные и светящиеся свойства, которые безопасно усиливают белизну и яркость многих материалов.
Происхождение названия
Металл получил своё название в честь титанов, персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи. Название элементу дал Мартин Клапрот, в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру в противоход французской химической школе, где элемент старались называть по его химическим свойствам. Поскольку немецкий исследователь сам отметил невозможность определения свойств нового элемента только по его оксиду, он подобрал для него имя из мифологии, по аналогии с открытым им ранее ураном.
Однако согласно другой версии, публиковавшейся в журнале «Техника-Молодежи» в конце 1980-х, новооткрытый металл обязан своим именем не могучим титанам из древнегреческих мифов, а Титании - королеве фей в германской мифологии (жена Оберона в шекспировском «Сне в летнюю ночь»). Такое название связано с необычайной «лёгкостью» (малой плотностью) металла.
Для чего используется диоксид титана?
Он также известен как «идеальный белый» или «беловатый белый» благодаря своим сильным, чистым отбеливающим качествам. Оксид цинка также используется в качестве белого пигмента, но не столь эффективен. Диоксид титана теперь является одним из наиболее распространенных пигментов в глобальном использовании и является основой большинства цветов краски. 5 Он также встречается в покрытиях и пластмассах.
Его высокий показатель преломления означает, что в качестве пигмента он способен рассеивать видимый свет. Это приводит к непрозрачному цвету и создает яркое, отражающее качество при нанесении на поверхность или включение в продукт. По тем же причинам он также встречается в пластиковых оконных рамах.
Получение
Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а невосстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.
Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки - порошок диоксида титана TiO 2 . Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором, получая пары тетрахлорида титана TiCl 4:
TiO 2 + 2C + 2Cl 2 =TiCl 2 + 2CO
Физические и химические свойства
Во многих пищевых продуктах он действует как отбеливатель, но также как усилитель цвета и текстуры. В средствах по уходу за кожей и косметических средствах диоксид титана используется как в качестве пигмента, так и в качестве загустителя для кремов. Из-за его различных свойств диоксид титана был признан полезным для многих различных экологически безопасных применений.
Кроме того, его непрозрачность означает, что его не нужно наносить в толстых или двойных слоях, повышая эффективность использования ресурсов и избегая отходов. В качестве фотокатализатора диоксид титана может быть добавлен к краскам, цементам, окнам и плиткам, чтобы разлагать загрязнители окружающей среды.
Образующиеся пары TiCl 4 при 850 °C восстанавливают магнием:
TiCl 4 + 2Mg = 2MgCl 2 + Ti
Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом, выделяя Ti из TiCl 4 . Для получения титановых слитков применяют дуговую, электроннолучевую или плазменную переработку.
Физические свойства
Титан - легкий серебристо-белый металл. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмноцентрированной упаковкой, температура полиморфного превращения α↔β 883 °C.
Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.
При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO 2 , благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).
Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки 400 °C. Титановая стружка пожароопасна.
Исследователи открывают новые возможности использования диоксида титана в этой форме. Это включает в себя производство чистой энергии. Кроме того, тип солнечной силовой ячейки, доступной для использования, известный как клетки Гретцеля, использует наноразмерный диоксид титана для производства солнечной энергии в процессе, подобном фотосинтезу растений.
Важно отметить, что диоксид титана также имеет очень высокий показатель преломления, даже выше, чем алмаз. Это делает его невероятно ярким веществом и идеальным материалом для эстетического дизайна. Это делает его эффективным для очистки окружающей среды, для различных видов защитных покрытий, стерилизации и противотуманных поверхностей и даже при лечении рака.
Инструкция
Открытие титана знаменательно тем, что его «родителями» являются сразу двое ученых – британец У. Грегор и немец М. Клапрот. Первый еще в 1791 году проводил исследования состава магнитного железистого песка, в результате чего был выделен неизвестный до этого момента металл. А в 1795-ом Клапрот проводил научные изыскания в части минерала рутила и также получил какой-то металл. Спустя десять лет уже француз Л. Воклен сам получил титан и доказал то, что предыдущие металлы были идентичны.
Каковы формы диоксида титана?
Устойчивость Устойчивость к теплу, свету и выветриванию предотвращает деградацию краски, пленок и охрупчивания пластмасс. Нетоксичный Будучи нетоксичным и нереактивным, он может использоваться в пищевых продуктах и фармацевтических препаратах, не затрагивая другие ингредиенты. Мощный Используется в качестве фотокатализатора на солнечных батареях, а также для снижения уровня загрязняющих веществ в воздухе. Обе формы безвкусны, без запаха и нерастворимы. Он используется в основном для светорассеяния и поверхностных непрозрачных применений, таких как краска - это включает его использование в качестве основы для различных цветных красок или как отдельный «блестящий» белый.
Полноценный образец химического элемента был получен ученым Й. Я. Берцелиусом в 1825 году, но он тогда считался сильно загрязненным, а уже чистый титан смогли получить двое голландцев – А. ванн Аркел и И. де Бур.
Титан является 10-ым по концентрации в природе химическим элементом среди всей периодической таблицы. Он есть в земной коре, морской воде, ультраосновных породах, в глинистой почве и в сланцах. Переносится элемент путем выветривания, после чего образуются крупные концентрации титана в россыпях. Минералы, содержащие в себе этот химический элемент – рутил, ильменит, титаномагнетит, перовскит, титанит, также различаются коренные титановые руды. Лидером по добыче элемента считаются Китай и Россия, но его запасы также есть в Украине, Японии, Австралии, Казахстане, в Южной Корее, Индии, Бразилии и на Цейлоне. В 2013 году мировое производство титана составило 4,5 млн тонн.
Из чего состоит диоксид титана?
Титан - один из самых распространенных металлов на Земле, но он не встречается естественным образом в этой элементарной форме. Диоксид титана, также известный как оксид титана или оксид титана, представляет собой природное соединение, создаваемое при взаимодействии титана с кислородом в воздухе. В качестве оксида титан содержится в минералах земной коры. Он также обнаруживается с другими элементами, включая кальций и железо.
Откуда возникает диоксид титана?
Он не был изготовлен массой до начала 20-го века, когда он начал брать на себя более безопасную альтернативу другим белым пигментам. Эти инертные молекулярные соединения должны быть разделены химическим процессом для создания чистого диоксида титана.
Как выделяется диоксид титана
Как чистый диоксид титана извлекается из титансодержащих молекул зависит от состава исходных минеральных руд или сырья.Плавится титан при температуре в 1660 градусов Цельсия, кипит - при 3260 градусах, плотность его - 4,32-4,505 г/см3. Химический элемент довольно пластичен и сваривается в инертной атмосфере, он очень вязкий, склонен к налипанию на инструмент резки, в силу чего данный процесс осуществляется только при использовании специальной смазки. Взрывоопасной считается титановая пыль при температуре вспыхивания в 400 градусов Цельсия, а металлическая стружка пожароопасна.
Остальные 30 процентов являются результатом хлоридного процесса. В качестве широко используемого вещества с несколькими приложениями проводятся исследования для улучшения производственного процесса с целью снижения уровня используемых химических веществ и отходов, а также для переработки любых побочных продуктов.
Будущее диоксида титана
Для вещества, которое является относительно неизвестным для общественности, удивительно, как много ежедневных продуктов диоксид титана можно найти. Из-за его разнообразных свойств наша кожа, города, автомобили, дома, еда и окружающая среда становятся ярче, безопаснее, более устойчивым и чистым диоксидом титана. Благодаря наследию 100-летнего безопасного коммерческого использования диоксид титана только станет более важным, так как наша окружающая среда сталкивается с большими проблемами со стороны растущего населения.
Титан устойчив к прогрессирующей коррозии, а также к растворам кислот и щелочей. Известно и то, что, в случае нагревания до 1200 градусов Цельсия, элемент начинает гореть очень ярким белым пламенем и образует оксидные фазы. Путем воздействия водорода, алюминия и кремния титан частично преобразуется в трихлорид и дихлорид титана, представляющие собой твердые вещества с сильными восстановительными свойствами.
Константы вещества и частота возникновения в природе
Естественно встречающийся титан состоит из пяти устойчивых изотопов. Кроме того, известно 15 искусственных радиоактивных изотопов, которые обычно имеют очень короткие периоды полураспада. Чистый титан - серебристо-белый, легко растягиваемый и ковкий легкий металл, который можно легко прокатывать в листовой металл даже при комнатной температуре. Для технического титана необходимо подделать красное топливо из-за примесей, так как оно очень хрупкое и жесткое. Его механическая прочность с низкой плотностью, высокая температура плавления, низкое тепловое расширение и коррозионная стойкость делают его важным материалом для промышленности и важным легирующим компонентом.
Отрасли применения титана – металлургия и литье, где из этого химического элемента изготовляют высокопрочные реакторы, трубопроводы, арматуру, медицинское оборудование (инструменты и протезы), а также многое другое. Интересно и то, что из титана частично выполнен памятник Юрию Гагарину на одноименной площади в Москве.
