В периодической системе химический элемент титан обозначается, как Ti (Titanium) и располагается в побочной подгруппе IV группы, в 4 периоде под атомным номером 22. Это серебристо-белый твёрдый металл, который входит в состав большого количества минералов. Купить титан вы можете на нашем сайте.

Открыли титан в конце 18 века химики из Англии и Германии Ульям Грегор и Мартин Клапрот, причём независимо друг от друга с шестилетней разницей. Название элементу дал именно Мартин Клапрот в честь древнегреческих персонажей титанов (огромных, сильных, бессмертных существ). Как оказалось, название стало пророческим, но чтобы познакомиться со всеми свойствами титана, человечеству понадобилось ещё больше 150 лет. Только через три десятилетия удалось получить первый образец металла титана. На тот момент времени его практически не использовали из-за хрупкости. В 1925 году после ряда опытов, при помощи йодидного метода химики Ван Аркель и Де Бур добыли чистый титан.

Благодаря ценным свойствам металла, на него сразу же обратили внимание инженеры и конструкторы. Это был настоящий прорыв. В 1940 году Кролль разработал магниетермический способ получения титана из руды. Этот способ актуален и на сегодняшний день.

Физические и механические свойства

Титан является довольно тугоплавким металлом. Температура его плавления составляет 1668±3°С. По этому показателю он уступает таким металлам, как тантал, вольфрам, рений, ниобий, молибден, тантал, цирконий. Титан - это парамагнитный металл. В магнитном поле он не намагничивается, но не выталкивается из него. Изображение 2
Титан обладает низкой плотностью (4,5 г/см³) и высокой прочностью (до 140 кг/мм²). Эти свойства практически не меняются при высоких температурах. Он более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия (2,7 г/см³), зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см³). По механическим свойствам титан намного превосходит эти металлы. По прочности титан и его сплавы располагаются в одном ряду со многими марками легированных сталей.

По стойкости к коррозии титан не уступает платине. Металл обладает отличной устойчивостью в условиях кавитации. Пузырьки воздуха, образующиеся в жидкой среде при активном движении титановой детали, практически не разрушают её.

Это прочный металл, способный сопротивляться разрушению и пластической деформации. Он в 12 раз твёрже алюминия и в 4 раза - меди и железа. Ещё один важный показатель - это предел текучести. С увеличением этого показателя улучшается сопротивление деталей из титана эксплуатационным нагрузкам.

В сплавах с определёнными металлами (особенно с никелем и водородом) титан способен «запоминать» форму изделия, созданную при определённой температуре. Такое изделие потом можно деформировать и оно надолго сохранит это положение. Если же изделие нагреть до температуры, при которой оно было сделано, то изделие примет первоначальную форму. Называют это свойство «памятью».

Теплопроводность титана сравнительно низкая и коэффициент линейного расширения соответственно тоже. Из этого следует, что металл плохо проводит электричество и тепло. Зато при низких температурах он является сверхпроводником электричества, что позволяет ему передавать энергию на значительные расстояния. Также титан обладает высоким электросопротивлением.
Чистый металл титан подлежит различным видам обработки в холодном и горячем состоянии. Его можно вытягивать и делать проволоку, ковать, прокатывать в ленты, листы и фольгу с толщиной до 0,01 мм. Из титана изготавливают такие виды проката: титановая лента , титановая проволока , титановые трубы , титановые втулки , титановый круг , титановый пруток .

Химические свойства

Чистый титан - это химически активный элемент. Благодаря тому, что на его поверхности формируется плотная защитная плёнка, металл обладает высокой устойчивостью к коррозии. Он не подвергается окислению на воздухе, в соленой морской воде, не меняется во многих агрессивных химических средах (например: разбавленная и концентрированная азотная кислота, царская водка). При высоких температурах титан взаимодействует с реагентами намного активнее. На воздухе при температуре 1200°С происходит его воспламенение. Возгораясь, металл даёт яркое свечение. Активная реакция происходит и с азотом, с образованием нитридной плёнки желто-коричневого цвета на поверхности титана.

Реакции с соляной и серной кислотами при комнатной температуре слабые, но при нагреве металл усиленно растворяется. В результате реакции образуются низшие хлориды и моносульфат. Также происходят слабые взаимодействия с фосфорной и азотной кислотами. Металл реагирует с галогенами. Реакция с хлором происходит при 300°С.
Активная реакция с водородом протекает при температуре чуть выше комнатной. Титан активно поглощает водород. 1 г титана может поглотить до 400 см³ водорода. Нагретый металл разлагает двуокись углерода и пары воды. Взаимодействие с парами воды происходит при температуре более 800°С. В результате реакции образуется окисел металла и улетучивается водород. При более высокой температуре горячий титан поглощает углекислый газ и образует карбид и окисел.

Способы получения

Титан является одним из самых распространённых элементов на Земле. Содержание его в недрах планеты по массе составляет 0,57%. Самая большая концентрация металла наблюдается в «базальтовой оболочке» (0,9%), в гранитных породах (0,23%) и в ультраосновных породах (0,03%). Существует около 70 минералов титана, в которых он содержится в виде титановой кислоты или двуокиси. Главные минералы титановых руд это: ильменит, анатаз, рутил, брукит, лопарит, лейкоксен, перовскит и сфен. Основные мировые производители титана - это Великобритания, США, Франция, Япония, Канада, Италия, Испания и Бельгия.
Существует несколько способов получения титана. Все они применяются на практике и вполне эффективны.

1. Магниетермический процесс.

Добывают руду, содержащую титан и перерабатывают его в диоксид, который медленно и при очень высоких температурных значениях подвергают хлорированию. Хлорирование проводят в углеродной среде. Затем хлорид титана, образовавшийся в результате реакции, восстанавливают магнием. Полученный металл нагревают в вакуумном оборудовании при высокой температуре. В результате магний и хлорид магния испаряются, остаётся титан с множеством пор и пустот. Губчатый титан переплавляют для получения качественного металла.

2. Гидридно-кальциевый метод.

Сначала получают гидрид титана, а затем разделяют его на компоненты: титан и водород. Процесс происходит в безвоздушном пространстве при высокой температуре. Образуется оксид кальция, который проходит отмывку слабыми кислотами.
Гидридно-кальциевый и магниетермический методы обычно используются в промышленных масштабах. Эти методы позволяют получить значительное количество титана за небольшой промежуток времени, с минимальными денежными затратами.

3. Электролизный метод.

Хлорид или диоксид титана подвергается воздействию высокой силы тока. В результате происходит разложение соединений.

4. Йодидный метод.

Диоксид титана взаимодействует с парами йода. Далее на титановый йодид воздействуют высокой температурой, в результате чего получается титан. Этот метод является наиболее эффективным, но и самым дорогостоящим. Титан получается очень высокой чистоты без примесей и добавок.

Применение титана

Благодаря хорошим антикоррозионным свойствам титан используют для изготовления химической аппаратуры. Высокая жаростойкость металла и его сплавов способствует применению в современной технике. Сплавы титана - это прекрасный материал для самолётостроения, ракетостроения и судостроения.

Из титана создают памятники. А колокола из этого металла известны необычайным и очень красивым звучанием. Двуокись титана является компонентом некоторых лекарственных препаратов, например: мази против кожных заболеваний. Также большим спросом пользуются соединения металла с никелем, алюминием и углеродом.

Титан и его сплавы нашли применение в таких сферах, как химическая и пищевая промышленность, цветная металлургия, электроника, ядерная техника, энергомашиностроение, гальванотехника. Вооружение, броневые плиты, хирургические инструменты и имплантаты, оросительные установки, спортинвентарь и даже украшения делают из титана и его сплавов. В процессе азотирования на поверхности металла образуется золотистая плёнка, не уступающая по красоте даже настоящему золоту.

А сколько
стоит написать твою работу?

Тип работы Дипломная работа (бакалавр/специалист) Курсовая с практикой Курсовая теория Реферат Контрольная работа Задачи Эссе Аттестационная работа (ВАР/ВКР) Бизнес-план Вопросы к экзамену Диплом МВА Дипломная работа (колледж/техникум) Другое Кейсы Лабораторная работа, РГР Магистерский диплом Он-лайн помощь Отчёт по практике Поиск информации Презентация в PowerPoint Реферат для аспирантуры Сопроводительные материалы к диплому Статья Тест Часть дипломной работы Чертежи Срок 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Сдачи Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь цену

Вместе с оценкой стоимости вы получите бесплатно
БОНУС: спец доступ к платной базе работ!

и получить бонус

Спасибо, вам отправлено письмо. Проверьте почту.

Если в течение 5 минут не придет письмо, возможно, допущена ошибка в адресе.

Титан

Реферат по химии

Выполнил уч. 11-Г класса гимназии №115 г. Уфы

Из истории открытия титана

Вряд ли можно найти еще один такой металл, история открытия и изучения которого была бы так полна дра­матических событий, ошибок и заблуждений, как исто­рия титана.

Первооткрывателем титана считается 28-летний английский монах Уильям Грегор. В 1790 г., проводя минералогические изыскания в своем приходе, он обратил внимание на распростра­ненность и необычные свойства черного песка в до­лине Менакэна на юго-западе Англии и принялся его исследовать. В песке священник обнаружил крупицы черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновен­ным магнитом. Будучи минералогом-любителем и имея свою небольшую минералогическую лабораторию, Грегор произвел с этим магнитным минералом несколько опытов: растворил его сначала в соляной, затем в сер­ной кислоте, упарил раствор и получил белый порошок, который при прокалке желтел, а при спекании с углем приобретал голубой цвет. Исследованное природное образование черного цвета Грегор принял за новый, неизвестный ранее минерал, а выделенный из него бе­лый порошок – за новый элемент. Минералу и элементу дали название по местности, где они были найдены: минерал «менакэнит» и элемент «менакин». По сегодняшним представлениям «менакэнит» был смесью ильменита (FeTiO 3) и магнетита (FeTiO 3 ґ nFe 3 O 4), а белый порошок «менакин» – диоксидом титана.

В 1795 г. немецкий исследователь-химик Мартин Генрих Клапрот, изучая рутил, выделил из него диоксид нового металла – бе­лый порошок, похожий на описанный ранее Грегором. И хотя до получения чистого металла было еще очень далеко – почти полтора столетия, Клапрот известил мир об открытии нового металла, которому дал назва­ние «титан». Но почему титан? Вопреки распростра­ненному в те времена правилу французских химиков во главе с Лавуазье – присваивать новым элементам и соединениям имена, отражающие их свой­ства, у Клапрота был свой принцип. По поводу присвоения новому элементу названия «титан» Клапрот в 1795 г. писал: «Для вновь откры­ваемого элемента трудно подобрать название, указы­вающее на его свойства, и я нахожу, что лучше всего подбирать такие названия, которые ничего не говорили бы о свойствах и не давали бы таким образом повода для превратных толковании. В связи с этим мне захо­телось для данной металлической субстанции подобрать, так же как и для урана, имя из мифологии: поэтому я называю новый металлический осадок титаном, в честь древних обитателей Земли» (Цит. по: Николаев Г. И. Металл века. М.: Металлургия. 1982). Это название стало поистине пророческим. Мифические жители – ти­таны, сыновья богини Земли Геи и бога неба Урана, были огромными, сильными, стойкими, добрыми, бес­смертными существами, покорителями огня, земных просторов и недр, морей, рек и гор. И открытый ме­талл оказался одним из самых твердых, крепких, стой­ких. Но чтобы познать все замечательные свойства нового металла и использовать их для своего блага, человечеству потребовалось еще более 150 лет.

Ни один конструкционный металл не знал такой длительной истории исследований, как титан. Первые попытки выделить чистый материал заканчивались неудачно. Исследователи получали металл с высоким содержанием примесей кислорода, азота, серы, фосфора, водорода и др., в результате чего, выделенный металл был весьма хрупким и признавался бесполезным для дальнейшего использования. Чистый титан (содержание примесей менее 0,1%) впервые был получен в 1875 году русским ученым Д.К. Кирилловым, но его работа осталась незамеченной. Полученный в 1925 г. Ван Аркелем и де Буром иодидным методом чистейший титан оказался пластич­ным и технологичным металлом со многими ценными свойствами, кото­рые привлекли к нему внимание широкого круга конструкторов и инже­неров. В 1940 г. Кролль предложил магниетермический способ извлечения титана из руд, который является основным и в настоящее время. В 1947 г. были выпущены первые 45 кг технически чистого титана. Стоимость его, конечно, была басно­словно высокой – 10 долл. за 1 кг, т. е. этот новый конструкционный материал был во много раз дороже железа, алюминия, магния. (Интересно, что стоимость технически чистого титана сегодня приблизительна такая же: 11 долл. за 1 кг, а стоимость сплавов титана достигает 15 долл. за 1 кг). Тем не менее выпуск ме­таллического титана осуществлялся такими гигантски­ми темпами, каких не знало никакое другое металлур­гическое производство. Первая промышленная партия титана массой 2 т была получена в 1948 г., и этот год считается началом практического применения титана. Мировое производство титана (без СССР) за период с 1953 г. по 1996 г возросло более чем в 30 раз. Производство титана в нашей стране началось в 1950 г. и нарастало довольно быстро. В 1960-1990 гг. в СССР было создано крупнейшее в мире производство титана и его сплавов. В конце 80-х годов объем про­мышленного производства титана в СССР превышал объем его производ­ства во всех остальных странах мира вместе взятых.

Свойства титана

В периодической системе элементов Менделеева титан имеет порядковый номер 22. Атомная масса природ­ного титана, вычисленная по результатам исследований его изотопов, составляет 47,926. Итак, ядро нейтрального атома титана содержит 22 протона. Количество же нейтронов, т. е. нейтраль­ных незаряженных частиц, различно: чаще 26, но мо­жет колебаться от 24 до 28. Поэтому и число изотопов титана различно. Всего сейчас известно 13 изотопов элемента № 22. Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изото­пов, наиболее широко представлен титан-48, его доля в природных рудах 73,99%. Есть в природе также изотопы с массовыми числами 46, 47, 49 и 50. Среди радиоактивных изотопов титана самый долгоживущий – титан-44 с периодом полураспада около 1000 лет.

Кроме естественных, титан может иметь и целый ряд искусственных изотопов, получаемых с помощью его радиоактивного облучения. Некоторые из них сильнорадиоактивные, с различными сроками полурас­пада.

Вокруг положи­тельно заряженного ядра титана на четырех орби­тах располагаются электроны: на К – два электрона, на L – восемь, на М – 10, на N – два. С орбит N и М атом титана может свободно отдавать по два электрона. Таким образом, наиболее устойчи­вый ион титана – четырехвалентный. Пятый электрон с орбиты М «вырвать» невозможно, поэтому титан ни­когда не бывает больше чем четырехвалентным ионом. В то же время с орбит N и М атом титана может отдавать не четыре, а три, два или один электрон. В этих случаях он становится трех-, двух- или однова­лентным ионом.

В периодической системе элементов Менделеева ти­тан расположен в группе IVВ, в которую, кроме него, входят цирконий, гафний, курчатовий. Элементы дан­ной группы в отличие от элементов группы углерода (IVА) обладают металлическими свойствами. Хотя титан занимает самое верхнее место в своей подгруппе, он является наименее активным ме­таллическим элементом. Так, двуокись титана амфотерна, а двуокиси циркония и гафния обладают слабо выраженными основными свойствами. Титан больше, чем другие элементы подгруппы IVВ, близок к эле­ментам подгруппы IVА – кремнию, германию, олову. Четырехвалентный титан отличается от кремния и гер­мания большей склонностью к образованию комплекс­ных соединений различных типов, чем особенно сходен с оловом. Титан и другие элементы подгруппы IVВ очень близки по свойствам к элементам подгруппы IIIВ (группы скандия), хотя и отличаются от последних способностью проявлять большую валентность. Сходство титана со скандием, иттрием, а также с элементами подгруппы VВ – ванадием и ниобием выражается и в том, что в природных минералах титан часто встречается вместе с этими элементами.

Химические соеди­нения ти­тана

С одновалентными галогенами (фтором, бромом, хлором и йодом) он может образовывать ди- три- и, тетрасоединения, с серой и элементами ее группы (се­леном, теллуром) – моно- и дисульфиды, с кислоро­дом – оксиды, диоксиды и триоксиды. Титан образует также соединения с водородом (гидриды), азотом (ни­триды), углеродом (карбиды), фосфором (фосфиды), мышьяком (арсиды), а также соединения со многими металлами – интерметаллиды. Образует титан не толь­ко простые, но и многочисленные комплексные соеди­нения, известно немало его соединений с органически­ми веществами.

Как видно из перечня соединений, в которых может участвовать титан, он химически весьма активен. И в то же время титан является одним из немногих металлов с исключительно высокой коррозионной стойкостью: он практически вечен в атмосфере воздуха, в холодной и кипящей воде, весьма стоек в морской воде, в раство­рах многих солей, неорганических и органических кислотах. По своей коррозионной стойкости в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благород­ных – золота, платины и т. п., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие спла­вы. В воде, во многих агрессивных средах чистый титан не подвержен коррозии. Почему же это происходит? Почему так активно, а нередко и бурно, со взрывами, реагирующий почти со всеми элементами периодиче­ской системы титан стоек к коррозии? Дело в том, что реакций титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных тем­пературах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакции. Связано это с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, хорошо срастающаяся с металлом тончайшая (в несколько ангстрем (1А=10 -10 м) пленка диоксида титана, предохраняющая его от дальнейшего окисления. Если даже эту пленку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка появляет­ся вновь, и металл, как говорят, ею «пассивируется», т. е. защищает сам себя от дальнейшего разрушения.

Рассмотрим несколько подробнее поведение чистого титана в различных агрессивных средах. Противостоит титан и эрозионной коррозии, происходя­щей в результате сочетания химического и механиче­ского воздействия на металл. В этом отношении он не уступает лучшим маркам нержавеющих сталей, спла­вам на основе меди и другим конструкционным мате­риалам. Хорошо противостоит титан и усталостной кор­розии, проявляющейся часто в виде нарушений целост­ности и прочности металла (растрескивание, локальные очаги коррозии и т. п.). Поведение титана во многих агрессивных средах, в таких, как азотная, соляная, серная, «царская водка» и другие кислоты и щелочи, вызывает удивление и восхищение этим металлом.

В азотной кислоте, являющейся сильным окислите­лем, в котором быстро растворяются очень многие ме­таллы, титан исключительно стоек. При любой кон­центрации азотной кислоты (от 10 до 99%-ной), при любых температурах скорость коррозии титана не превышает 0,1–0,2 мм/год. Опасна только красная дымящая азотная кислота, пересыщен­ная (20% и более) свободными диоксидами азота: в ней чистый титан бурно, со взрывом, реагирует. Од­нако стоит добавить в такую кислоту хотя бы немного воды (1–2% и более), как реакция заканчивается и коррозия титана прекращается.

В соляной кислоте титан стоек лишь в разбавлен­ных ее растворах. Например, в 0,5%-ной соляной кис­лоте даже при нагревании до 100° С скорость коррозии титана не превышает 0,01 мм/год, в 10%-ной при ком­натной температуре скорость коррозии достигает 0,1 мм/год, а в 20%-ной при 20° С–0,58 мм/год.Принагревании скорость коррозии титана в соляной кисло­те резко повышается. Так, даже в 1,5%-ной соляной кислоте при 100° С скорость коррозии титана состав­ляет 4,4 мм/год, а в 20%-ной при нагревании до 60° С – уже 29,8 мм/год. Это объясняется тем, что соляная кислота, особенно при нагревании, растворяет пассивирующую пленку диоксида титана и начинается растворение металла. Однако скорость коррозии титана в соляной кислоте при всех условиях остается ниже, чем у нержавеющих сталей.

В серной кислоте слабой концентрации (до 0,5–1%) титан стоек даже при температуре раствора до 50–95° С. Стоек он и в более концентрированных раство­рах (10–20%-ных) при комнатной температуре, в этих условиях скорость коррозии титана не превышает 0,005–0,01 мм/год. Но с повышением температуры раствора титан в серной кислоте даже сравнительно слабой концентрации (10–20%-ной) начинает растворяться, причем скорость коррозии достигает 9–10 мм/год. Серная кислота, так же как и соляная, разрушает за­щитную пленку диоксида титана и повышает его растворимость. Ее можно резко понизить, если в растворы этих кислот добавлять определенное коли­чество азотной, хромовой, марганцевой кислот, соеди­нений хлора или других окислителей, которые быстро пассивируют поверхность титана защитной пленкой и прекращают его дальнейшее растворение. Вот почему титан практически единственный металл, не растворяю­щийся в «царской водке»: в ней при обычных темпе­ратурах (10–20° С) коррозия титана не превышает 0,005 мм/год. Слабо корродирует титан и в кипящей «царской водке», а ведь в ней, как известно, многие металлы, и даже такие, как золото, растворяются почти мгновенно.

Очень слабо корродирует титан в большинстве орга­нических кислот (уксусной, молочной, винной), в раз­бавленных щелочах, в растворах многих хлористых со­лей, в физиологическом растворе. А вот с расплавами хлоридов при температуре выше 375° С титан взаимо­действует очень бурно.

В расплаве многих металлов чистый титан обнару­живает удивительную стойкость. В жидких горячих магнии, олове, галлии, ртути, литии, натрии, калии, в расплавленной сере титан практически не корроди­рует, и лишь при очень высоких температурах распла­вов (выше 300–400° С) скорость его коррозии в них может достигать 1 мм/год. Однако есть немало агрес­сивных растворов и расплавов, в которых титан раство­ряется очень интенсивно. Главный «враг» титана – плавиковая кислота (HF). Даже в 1%-ном ее растворе скорость коррозии титана очень высока, а в более кон­центрированных растворах титан «тает», как лед в го­рячей воде. Фтор – этот «разрушающий все» (греч.) элемент – бурно реагирует практически со всеми ме­таллами и сжигает их.

Не может противостоять титан кремнефтористоводородной и фосфорной кислотам даже слабой концент­рации, перекиси водорода, сухим хлору и брому, спир­там, в том числе спиртовой настойке йода, расплавлен­ному цинку. Однако стойкость титана можно увеличить, если добавить различные окислители – так называемые ингибиторы, например в растворы соляной и серной кислот – азотную и хромовую. Ингибиторами могут быть и ионы различных металлов в растворе: железо, медь и др.

В титан можно вводить некоторые металлы, повы­шающие его стойкость в десятки и сотни раз, напри­мер до 10% циркония, гафния, тантала, вольфрама. Введение в титан 20–30% молибдена делает, этот сплав настолько устойчивым к любым концентрациям соля­ной, серной и других кислот, что он может заменить даже золото в работе с этими кислотами. Наибольший эффект достигается благодаря добавкам в титан четы­рех металлов платиновой группы: платины, палладия, родия и рутения. Достаточно всего 0,2% этих металлов, чтобы снизить скорость коррозии титана в кипящих концентрированных соляной и серной кислотах в десят­ки раз. Следует отметить, что благородные платинои­ды влияют лишь на стойкость титана, а если добавлять их, скажем, в железо, алюминий, магний, разрушение и коррозия этих конструкционных металлов не умень­шаются.

Физические и механические свойства титана

Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время считалось, что он плавится при 1800° С, однако в се­редине 50-х гг. английские ученые Диардорф и Хейс установили температуру плавления для чистого эле­ментарного титана. Она составила 1668±3° С. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, рений, молибден, пла­тиноиды, цирконий, а среди основных конструкцион­ных металлов он стоит на первом месте:

Важнейшей особенностью титана как металла явля­ются его уникальные физико-химические свойства: низ­кая плотность, высокая прочность, твердость и др. Главное же, что эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.

Титан–легкий металл, его плотность при 0° С составляет всего 4,517 г/см 8 , а при 100° С – 4,506 г/см 3 . Титан относится к группе металлов с удельной мас­сой менее 5 г/см 3 . Сюда входят все щелочные металлы (натрий, кадий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9–1,5 г/см 3 , магний (1,7 г/см 3), алюминий (2,7 г/см 3) и др. Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия, и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см 3). Однако, зани­мая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан по своим механи­ческим свойствам во много раз их превосходит.

Каковы же эти свойства, которые позволяют широко использовать титан как конструкционный материал? Прежде всего прочность металла, т. е. его способность сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластические деформации). Титан обладает значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза–железа и меди. Еще одна важная характеристика металла – предел текучести. Чем он выше тем лучше детали из этого металла сопротив­ляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у ти­тана почти в 18 раз выше, чем у алюминия. Удельная прочность сплавов титана может быть по­вышена в 1,5–2 раза. Его высокие механические свой­ства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов.

Чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать и даже делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм.

Интересно отметить, что титан долгие годы, вплоть до получения чистого металла, рассматривали как очень хрупкий материал. Связано это было с наличием в титане примесей, особенно водорода азота, кислорода, углерода и др. Если увеличение содержания кислорода и азота сразу сказывается на их механических свойствах, то влияние водорода более сложное и может проявляться не сразу, а в процессе эксплуатации изделия. Недооценка этого влияния при первых шагах применения титана привела к серьезным авариям. Многочисленные случаи неожиданных хрупких разрушений готовых титановых конструкций в авиации США даже стали причиной некоторого кризиса в производстве титана в 1945–1955 гг. Сегодня же водород специально вводят в титановые сплавы, как временный или постоянный легирующий элемент. Это позволяет сильно упростить многие технологические операции при изготовлении титановых изделий (горячую обработку давлением, резание, сварку, формовку) и улучшить их свойства. При необходимости водород удаляют отжигом в вакууме.

Титан имеет еще одно замечатель­ное свойство – исключительную стойкость в условиях кавитации, т. е. при усиленной «бомбарди­ровке» металла в жидкой среде пузырьками воздуха, которые образуются при быстром движении или вра­щении металлической детали в жидкой среде. Эти пу­зырьки воздуха, лопаясь на поверхности металла, вы­зывают очень сильные микроудары жидкости о поверх­ность движущегося тела. Они быстро разрушают мно­гие материалы, и металлы в том числе, а вот титан прекрасно противостоит кавитации. Испытания в морской воде быстровращающихся дисков из титана и других металлов показали, что при вращении в течение двух месяцев титановый диск практически не потерял в массе. Внешние края его, где скорость вращения, а следовательно, и кавитация мак­симальны, не изменились. Другие диски не выдержали испытания: у всех внешние края оказались поврежден­ными, а многие из них вовсе разрушились.

Титан обладает еще одним удивительным свойст­вом–«памятью». В сплаве с некоторыми металлами (например, с никелем, и особенно с никелкм и водородом) он «запоминает» форму изде­лия, которую из него сделали при определенной тем­пературе. Если такое изделие потом деформировать, например, свернуть в пружину, изогнуть, то оно оста­нется в таком положении на долгое время. После нагревания до той температуры, при которой это изде­лие было сделано, оно принимает первоначальную фор­му. Это свойство титана широко используется в косми­ческой технике (на корабле разворачиваются вынесен­ные в космическое пространство большие антенны, до этого компактно сложенные). Недавно это свойство ти­тана стали использовать медики для бескровных опе­раций на сосудах: в больной, суженный сосуд вводится проволочка из титанового сплава, а потом она, разогре­ваясь до температуры тела, скручивается в первона­чальную пружинку и расширяет сосуд.

Температурные, электриче­ские и магнитные свойства титана.

Титан обладает сравни­тельно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(мК), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз–магния, в 17–20 раз–алюминия и меди. Соответственно и коэффициент линейного тер­мического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных материалов: при 20 С он в 1,5 раза ниже чем у железа, в 2 - у меди и почти в 3 - у алюминия. Таким образом, титан – плохой проводник электричества и тепла. Проводов из него не сделаешь, а вот то, что он один из очень немногих металлов является при низких тем­пературах сверхпроводником электричества, открывает ему большие перспективы в электрической технике, передачи энергии на большие расстояния. Титан – парамагнитный металл: он не намагничи­вается, как железо, в магнитном поле, но и не вытал­кивается из него, как медь. Его магнитная восприимчи­вость очень слаба, это свойство можно использовать при строительстве, например, немагнитных кораблей, приборов, аппаратов.

В отличие от большинства металлов титан обладает зна­чительным электросопротивлением: если электропровод­ность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия – 60, железа и платины –15, а ти­тана–всего 3,8. Вряд ли нужно объяснять, что это свой­ство, как и немагнитность, представляет интерес для радиоэлектроники и электротехники.

Получение титана

Цена – вот что еще тормозит производство и потребление, титана. Собственно, высокая стоимость – не врожденный порок титана. В земной коре его много – 0,63%. Минералы, содержащие титан находятся повсеместно. Важнейшие из них титаномагнетиты FeTiO 3 ґ nFe 3 O 4 , ильменит FeTiO 3 , сфен CaTiSiO 5 и рутил TiO 2 . (В России месторождения титановых руд находятся на Урале, а крупнейший производитель Верхне-Салдинское ПО). Среди конструк­ционных металлов титан по распространенности занимает четвертое ме­сто, уступая лишь алюминию, железу и магнию. Высокая цена титана – следствие сложности извлечения его из руд и применение вакуумного оборудования при переплавке. При промышленном получении титана руду или концентрат переводят в диоксид титана, который затем хлорируют. Однако даже при 800-1000° С хлорирование протекает медленно. С достаточной для практических целей скоростью оно происходит в присутствии углерода, связывающего кислород в основном в CO 2:

TiO 2 +2Cl 2 +2C=TiCl 4 +2CO 2

Хлорид титана (IV) восстанавливают магнием

TiCl 4 +2Mg=Ti+2MgCl 2

а образующуюся смесь подвергают нагреванию в вакууме. При этом магний и его хлорид испаряются и осаждаются в конденсаторе. Остаток - губчатый титан -переплавляют, получая компактный ковкий металл. Для очистки от кислорода, углерода и других вредных примесей восстановление титана проводят в герметичной аппаратуре в атмосфере аргона, а очистку и переплавку в глубоком вакууме.

Для получения титана высокой чистоты применяют иодидный метод, предложеннй еще в 1925 году. Суть этой технологии, в деталях разработана в 30-х гг. немецким химиком Вильгельмом Кроллем, и заключается в следующем. Черновой металл, загрязненный при­месями, нагретый до 100-200° С, взаимодействуя с йодом, образует четырехйодистый титан. Дальнейшее нагре­вание йодида до температуры примерно 1300–1500° С приводит к его разложению на титан и йод. Причем парообразный йод соединяется снова с черновым ме­таллом, а титан осаждается на раскаленной поверх­ности затравки из титана же. Примеси, находящиеся в черновом металле, взаимодействуют с йодом и не попадают на раскаленный чистый титан.

Ti(загрязненный)+2I 2 (газ)® 100-200° С® TiI 4 (газ) ® 1300-1500° С® Ti(чистый)+2I 2 (газ)

Применение титана и его соединений.

Выше, описывая свойства, коротко уже упоминались отдельные области применения титановых сплавов. Сегодня титановые сплавы широко применяют в авиационной технике. Титано­вые сплавы в промышленном масштабе впервые были использованы в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Применение титана в конструкции реактивных двигателей позволяет уменьшить их массу на 10...25%. В частности, из титановых сплавов изготавливают диски и ло­патки компрессора, детали воздухозаборника, направляющего аппарата и крепежные изделия. Титановые сплавы незаменимы для сверхзвуковых самолетов. Рост скоростей полета летательных аппаратов привел к повышению температуры обшивки, в результате чего алюминиевые сплавы перестали удовлетворять требованиям, которые предъявляются авиационной техни­кой сверхзвуковых скоростей. Температура обшивки в этом случае достигает 246...316 °С. В этих условиях наи­более приемлемым материалом оказались титановые сплавы.

В 70-х годах существенно возросло применение титановых сплавов для планера гражданских самолетов. В среднемагистральном самолете ТУ-204 общая масса деталей из ти­тановых сплавов составляет 2570 кг.

Постепенно расширяется применение титана в вертолетах, главным образом, для деталей системы несущего винта, привода, а также системы управления. Важное место занимают титановые сплавы в ракетостроении.

Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде титан и его сплавы находят применение в судостроении для изготовления греб­ных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают со­противление судна при его движении.

Постепенно области применения титана расширяются. Титан и его сплавы применяют в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумаж-ной и пищевой промышленности, цветной металлургии, энергомашиностроении, электронике, ядерной технике, гальванотехнике, при производ­стве вооружения, для изготовления броневых плит, хирургического инст­румента, хирургических имплантатов, опреснительных установок, дета­лей гоночных автомобилей, спортинвентаря (клюшки для гольфа, снаряжение альпинистов), дета­лей ручных часов и даже украшений. Азотирование титана приводит к образованию на его поверхности золотистой пленки, по красоте не усту­пающей настоящему золоту.

Из титана созданы памятники Ю.А. Гагарину и монумент покорителям космоса в Москве, обелиск в честь успехов освоения Вселенной в Женеве.

Совершенно необычный аспект применения титана - колокольный звон. Колокола, отлитые из этого металла, обладают необычайным, очень красивым звучанием.

Из соединений титана наиболее широко применяется двуокись. В 1908 г. в США и Норвегии началось изготовление бе­лил не из соединений свинца и цинка, как делалось преж­де, а из двуокиси титана. Такими белилами можно окрасить в несколько раз большую поверхность, чем тем же количеством свинцовых или цинковых белил. К тому же у титановых белил больше отражательная способность они не ядовиты и не темнеют под действием сероводорода! В медицинской литературе описан случай, когда человек за один раз «принял» 460 г двуокиси титана! (Интересно, с чем он ее спутал?) «Любитель» двуокиси титана не ис­пытал при этом никаких болезненных ощущений. Дву­окись титана входит в состав некоторых медицинских пре­паратов, в частности мазей против кожных болезней,

Однако не медицина, а лакокрасочная промышленность потребляет наибольшие количества TiO 2 . Мировое произ­водство этого соединения намного превысило полмиллиона тонн в год. Эмали на основе двуокиси титана широко ис­пользуют в качестве защитных и декоративных покрытий по металлу и дереву в судостроении, строительстве и машиностроении. Срок службы сооружений и деталей при этом значительно повышается. Титановыми белилами ок­рашивают ткани, кожу и другие материалы.

Двуокись титана входит в состав фарфоровых масс, тугоплавких стекол, керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Как наполнитель, повы­шающий прочность и термостойкость, ее

Похожие рефераты:

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ В 1817 году окружной врач Магдебурга Иоганн Ролов заподозрил, что в оксиде цинка, который производили на шёнебекской фабрике Германа, содержится ядовитая примесь – мышьяк. И действительно, при пропускании сероводорода через раствор, полученный растворением производимого на фабрике...

Основные деформируемые алюминиевые сплавы. Механические свойства силуминов. Маркировка литейных алюминиевых сплавов. Кремний как основной легирующий элемент в литейных алюминиевых силуминах. Типичные механические свойства термически неупрочняемых сплавов.

Титан. Химический элемент, символ Ti (лат. Titanium, открыт в 1795 году и назван в честь героя греческого эпоса Титана ) . Имеет порядковый номер 22, атомный вес 47, 90, плотность 4, 5 г/см 3 , температуру плавления 1668 ° С, температуру кипения 3300 ° С.

Титан входит в состав более чем 70 минералов и является одним из самых распространённых элементов - содержание его в земной коре составляет примерно 0, 6%. По внешнему виду титан похож на сталь. Чистый металл пластичен и легко поддаётся механической обработке давлением.

Титан существует в двух модификациях: до 882°С в виде модификации α с гексагональной плотно упакованной кристаллической решёткой, а выше 882°С устойчивостью является модификация β с объёмноцентрированной кубической решёткой.

Титан сочетает большую прочность с малой плотностью и высокой коррозионной стойкостью. Благодаря этому во многих случаях он обладает значительными преимуществами перед такими основными конструкционными материалами, как сталь и алюминий . Ряд титановых сплавов по прочности в два раза превосходит сталь при значительно меньшей плотности и лучшей коррозионной стойкости. Однако из-за низкой теплопроводности затрудняется его применение для конструкций и деталей, работающих в условиях больших температурных перепадов, и при работе на термическую усталость. К недостаткам титана как конструкционного материала следует отнести также относительно низкий модуль нормальной упругости.

Механические свойства сильно зависят от чистоты металла и предшествующей механической и термической обработки. Титан высокой чистоты обладает хорошими пластическими свойствами.

Характерное свойство титана - способность активно поглощать газы - кислород, азот и водород. Эти газы до известных пределов растворяются в титане. Уже небольшие примеси кислорода и азота снижают пластические свойства титана. Незначительная примесь водорода (0, 01-0, 005%) заметно повышает хрупкость титана.

На воздухе при обычной температуре титан устойчив. При нагревании до 400-550 ° С металл покрывается оксидно-нитридной плёнкой, которая прочно удерживается на металле и защищает его от дальнейшего окисления. При более высоких температурах возрастает скорость окисления и растворения кислорода в титане.

С азотом титан взаимодействует при температурах выше 600 ° С с образованием плёнки нитрида (TiN) и твёрдых растворов азота в титане. Нитрид титана имеет высокую твёрдость и плавится при 2950 ° С.

Титан поглощает водород с образованием твёрдых растворов и гибридов (TiH и TiH 2 ) . В отличие от кислорода и азота, почти весь поглощённый водород можно удалить из титана нагреванием его в вакууме при 1000-1200 ° С.

Углерод и углеродсодержащие газы (CO, CH 4 ) реагируют с титаном при высокой температуре (более 1000 ° С) с образованием твёрдого и тугоплавкого карбида титана TiC (точка плавления 3140 ° С ). Примесь углерода заметно влияет на механические свойства титана.

Фтор, хлор, бром и йод взаимодействуют с титаном при сравнительно низких температурах (100-200 ° С). При этом образуются легколетучие галогениды титана.

Механические свойства титана в значительно большей степени, чем у других металлов, зависят от скорости приложения нагрузки. Поэтому механические испытания титана следует проводить при более строго регламентированных и фиксированных условиях, чем испытания других конструкционных материалов.

Ударная вязкость титана существенно возрастает при отжиге в интервале 200-300 ° С, заметного изменения других свойств не наблюдается. Наибольшее повышение пластичности титана достигается после закалки с температур, превышающих температуру полиморфного превращения, и последующего отпуска.

Чистый титан не относится к жаропрочным материалам, так как прочность его резко уменьшается с повышением температуры.

Важной особенностью титана является его способность образовывать твёрдые растворы с атмосферными газами и водородом. При нагревании титана на воздухе на его поверхности, кроме обычной окалины, образуется слой, состоящий из твёрдого раствора на основе α - Ti (альфитированный слой), стабилизированного кислородом, толщина которого зависит от температуры и продолжительности нагрева. Этот слой имеет более высокую температуру превращения, чем основной слой металла, и его образование на поверхности деталей или полуфабрикатов может вызвать хрупкое разрушение.

Титан и сплавы на основе титана характеризуются высокой коррозионной стойкостью в атмосфере воздуха, в естественной холодной и горячей пресной воде, в морской воде (на пластинке из титана за 10 лет пребывания в морской воде не появилось и следа ржавчины), а также в растворах щелочей, неорганических солей, органических кислот и соединений даже при кипячении. По коррозионной стойкости титан подобен хромоникелевой нержавеющей стали. Он не подвергается коррозии в морской воде, находясь в контакте с нержавеющей сталью и медно-никелевыми сплавами. Высокая коррозионная стойкость титана объясняется образованием на его поверхности плотной однородной плёнки, которая защищает металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой. Так, в разбавленной серной кислоте (до 5%) при комнатной температуре титан стоек. Скорость коррозии с повышением концентрации кислоты растёт, достигая максимума при 40%, затем снижается до минимума при 60%, достигает второго максимума при 80% и далее вновь понижается.

В разбавленной соляной кислоте (5-10%) при комнатной температуре титан достаточно стоек. При повышении концентрации кислоты и температуры скорость коррозии титана быстро увеличивается. Коррозию титана в соляной кислоте можно сильно уменьшить добавкой небольших количеств окислителей (HNO 3 , KMnO 4 , K 2 CrO 4 , соли меди, железа). Титан хорошо растворяется в плавиковой кислоте. В растворах щелочей (концентрации до 20%) на холоду и при нагревании титан стоек.

Как конструкционный материал титан наибольшее применение находит в авиации, ракетной технике, при сооружении морских судов, в приборостроении и машиностроении. Титан и его сплавы сохраняют высокие прочностные характеристики при высоких температурах и поэтому с успехом могут применяться для изготовления деталей, подвергающихся высокотемпературному нагреву. Так, из его сплавов изготовляют наружные части самолётов (мотогондолы, элероны, рули поворота) и многие другие узлы и детали - от двигателя до болтов и гаек. Например, если в одном из двигателей заменить стальные болты на титановые, то масса двигателя снизится почти на 100 кг.

Оксид титана используется для приготовления титановых белил. Такими белилами можно окрасить в несколько раз большую поверхность, чем тем же количеством свинцовых или цинковых белил. К тому же титановые белила не ядовиты. Титан широко применяют в металлургии, в том числе в качестве легирующего элемента в нержавеющих и жаростойких сталях. Добавки титана в сплавы алюминия, никеля и меди повышают их прочность. Он является составной частью твёрдых сплавов для режущих инструментов, также успехом пользуются хирургические инструменты из сплавов титана. Двуокись титана используют для обмазки сварочных электродов. Четырёххлористый титан (тетрахлорид) применяют в военном деле для создания дымовых завес, а в мирное время для окуривания растений во время весенних заморозков.

В электротехнике и радиотехнике используют порошкообразный титан в качестве поглотителя газов - при нагревании до 500°С титан энергично поглощает газы и тем самым обеспечивает в замкнутом объёме высокий вакуум.

Титан в ряде случаев является незаменимым материалом в химической промышленности и в судостроении. Из него изготовляют детали, предназначенные для перекачки агрессивных жидкостей, теплообменники, работающие в коррозионно активных средах, подвесные приспособления, используемые при анодировании различных деталей. Титан инертен в электролитах и других жидкостях, применяемых в гальваностегии, и поэтому пригоден для изготовления различных деталей гальванических ванн. Его широко используют при изготовлении гидрометаллургической аппаратуры для никелево-кобальтовых заводов, так как он обладает высокой стойкостью против коррозии и эрозии в контакте с никелевыми и кобальтовыми шламами при высоких температурах и давлениях.

Титан наиболее стоек в окислительных средах. В восстановительных средах титан корродирует довольно быстро вследствие разрушения защитной окисной плёнки.

Технический титан и его сплавы поддаются всем известным методам обработки давлением. Они могут прокатываться в холодном и горячем состояниях, штамповаться, обжиматься, поддаваться глубокой вытяжке, развальцовываться. Из титана и его сплавов получают стержни, прутки, полосы, различные профили проката, бесшовные трубы, проволоку и фольгу.

Сопротивление деформации у титана выше, чем у конструкционных сталей или медных и алюминиевых сплавов. Титан и его сплавы обрабатываются давлением примерно так же, как и нержавеющие стали аустенитового класса. Наиболее часто титан подвергают ковке при 800-1000°С. Чтобы предохранить титан от загрязнения газами, нагрев и обработку его давлением производят в возможно короткое время. Ввиду того, что при температурах >500°С водород диффундирует в титан и его сплавы с огромными скоростями, нагрев ведут в окислительной атмосфере.

Титан и его сплавы имеют пониженную обрабатываемость резанием подобно нержавеющим сталям аустенитного класса. При всех видах резания наиболее успешные результаты достигаются при небольших скоростях и большой глубине резания, а также при использовании режущего инструмента из быстрорежущих сталей или твёрдых сплавов. Из-за высокой химической активности титана при высоких температурах сварку его ведут в атмосфере инертных газов (гелия, аргона). При этом защищать от взаимодействия с атмосферой и газами необходимо не только расплавленный металл шва, но все сильно нагретые части свариваемых изделий.

Некоторые технологические трудности возникают при производстве из титана и его сплавов отливок.

Титан (лат. Titanium, обозначается символом Ti) — химический элемент с атомным номером 22 и атомной массой 47,90 побочной подгруппы четвертой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Титан имеет серебристо белую окраску, относится к легким металлам (он лишь немногим тяжелее алюминия, но значительно превосходит его в прочности). Ti довольно активный элемент, однако благодаря образованию на поверхности плотной защитной окисной пленки он обладает исключительно высокой стойкостью к коррозии (превышающей стойкость нержавеющих сталей) и другим агрессивным средам: азотной кислоте (при любой концентрации) и даже царской водке. Кроме того, титан не окисляется на воздухе и в морской воде.

Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов: 46 Ti (7,95 %), 47 Ti (7,75 %), 48 Ti (73,45 %), 49 Ti (5,51 %), 50 Ti (5,34 %). Искусственно получено несколько изотопов, важнейшие из которых 45 Ti период полураспада, которого составляет 3,09 часа, 51 Ti с периодом полураспада 5,79 минуты.

Впервые титан был открыт Уильямом Мак-Грегором в 1791 году в песках Менакана (Крид, Корнуолл — Англия), с выраженными магнитно-железистыми свойствами. Однако это был не металл, а лишь его двуокись, которую Мак-Грегор назвал «менакеновой землей». Четырьмя годами позже великий немецкий химик Клапрот установил, что минерал рутил есть не что иное, как окисел того же металла, который открыл Мак-Грегор. Именно Клапрот дал название новому металлу — Титан. Третьим, кто независимо открыл титан, был французский химик Л. Воклен в 1805 году. Он обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз — идентичные окислы титана. Выделить же титан в чистом металлическом виде ученым не удавалось очень долго — до 1910 года, пока это не удалось сделать американскому ученому Хантеру. Однако металл, полученный американцем, содержал слишком много примесей и был пластичен лишь при повышенных температурах, при комнатных же температурах был хрупким и ломким. Чистый металл, свойства которого стало возможным изучать, был получен в 1925 году голландскими учеными Ван-Аркелем и де Буром.

Именно благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии титан — великолепный материал при изготовлении химической аппаратуры. Самое же главное применение этого металла и его сплавов основано на их высокой жаростойкости и жаропрочности, которые позволяют сохранять высокие механические свойства при повышенных температурах. Благодаря этим свойствам сплавы титана активно используются в самолето- и ракетостроении, а также в различных других областях машиностроения. Титан используется в качестве легирующего элемента в некоторых сплавах, например, с железом — ферротитан (20—50 % титан), который в металлургии качественных сталей и специальных сплавов служит легирующей добавкой и раскислителем. Титановые сплавы широко применяются в химической промышленности (реакторы, трубопроводы, насосы, трубопроводная запорная арматура); в медицине используются легкие сплавы (остеопротезы); в качестве конструкционных материалов (изготовление фюзеляжей и кабин высотных самолетов, защитной брони, лопаток газовых турбин и другое).

Диоксид титана TiO2 применяется при изготовлении тугоплавких стекол, глазури, эмали, жароупорной лабораторной посуды, кроме того, для изготовления белой масляной краски (титановые белила), которая обладает высокой кроющей способностью.

Кристаллы титаната бария BaTiO 3 применяют в электрических конденсаторах высокой емкости и малых размеров, в ультразвуковой аппаратуре, в звуконосителях, в гидроакустических устройствах.

Биологические свойства

Несмотря на то, что титан один из самых распространенных металлов и его содержание в земной коре достаточно велико, в биосфере этот элемент в основном рассеян. Возможно, это объясняется тем фактом, что двадцать второй элемент слабый водный мигрант, так его содержание в морской воде всего 10 -7 %. Однако, несмотря на это, титан постоянно находится в тканях животных и растений. В живых организмах первым титан обнаружил английский химик Г. Риз в 1835 году. Аналогичное открытие для растительных организмов принадлежит немецкому химику А. Адергольду (1852 год). В наземных растениях его концентрация примерно составляет 10 -4 %, основные места накопления — в зернах, плодах, стеблях растений, поглощающих титан из почвы. В то время как в морских растениях этот показатель значительно выше: от 1,2·10 -3 до 8·10 -2 %. Так очень богата титаном водоросль кладофора (Clado-phora glomerata): содержание в ней этого элемента 0,03 % и даже выше. Что касается животных, то у позвоночных титан накапливается в роговых образованиях, перьях, шерсти, кроме того, концентраторами металла являются селезенка, щитовидная железа, надпочечники, плацента. Главный «концентратор» двадцать второго элемента из животного мира - жук навозник обыкновенный (0,0049 % на живой вес).

В организм человека титан в основном попадает с водой и пищей. Всасывание соединений титана в желудочно-кишечный тракт человека составляет всего 1-3 %. Ингаляционным путем (при вдыхании с воздухом) в организм поступает менее 1 %. Суточное поступление этого металла составляет приблизительно 0,85 мг, выводится он с мочой (0,33 мг) и калом (0,52 мг). Постоянно в человеческом организме находится до 20 мг двадцать второго элемента. Основным местом накопления титана является селезенка, затем следуют надпочечники и щитовидная железа, с годами концентрация металла в этих органах остается неизменной. В то время как в легких идет процесс постоянного накопления. Ученые подсчитали, что за 65 лет жизни в легких концентрация титана возрастает в сто раз! Считается, что повышенное содержание титана в легких обусловлено его поступлением с пылью. Достаточно высока концентрация титана в лимфоузлах.

Врачами установлено, что титан практически абсолютно безопасен для человеческого организма. Биологическая безвредность этого металла делает его превосходным материалом для изготовления оборудования для пищевой промышленности и в восстановительной хирургии (используется в остеопротезах). Изготовление медицинского инструмента и имплантантов в ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и нейрохирургии из титана и его сплавов обусловлено не только его биологической инертностью, но и высокой прочностью, легкостью, коррозионной стойкостью. Диоксид титана входит в состав некоторых медицинских препаратов, в частности мазей против кожных болезней и даже является пищевой добавкой E171!

Однако, несмотря на безопасность, вдыхание высоких концентраций (ПДК в воздухе рабочей зоны - 10 мг/м 3) двуокиси титана вызывает раздражение легких у человека и животных. Симптомами этого процесса являются кашель, часто с мокротой и одышка. Постоянное воздействие оксидов титана приводит к его накоплению в легких (более 4 мг/кг сырого веса), а также в легочных (до 24 мг/кг сырого веса) и периферических (до 120 мг/кг сырого веса) лимфатических узлах. Такие процессы могут привести к развитию воспалений и даже к гранулематозу легких и плевры. Особенно опасно сочетание с другими реагентами - асбестовой пылью, силикатами, никелем или алюминием. При вдыхании четыреххлористого титана ярко выражены раздражения бронхо-легочной системы, что может привести к развитию трахеита и альвеолита.

Известно, что титановые белила, изготовляемые из двуокиси титана, отличаются от свинцовых или цинковых белил не только экономичностью (ими можно покрыть в несколько раз большую поверхность), большей отражательной способностью, стойкостью к воздействию сероводорода, но и биологической безопасностью. Известен случай из медицинской практики, когда человек употребил почти полкилограмма двуокиси титана! Неизвестно, с чем он спутал ее, но этот «эксперимент» прошел для него безболезненно, не причинив никаких отрицательных ощущений.

Все знают о высокой способности титана сопротивляться коррозии. На пластине, изготовленной из этого металла, за десять лет нахождения в морской воде не появляется даже следов коррозии! За этот срок такая же пластина из железа полностью уничтожается коррозионными процессами, происходящими с металлом под воздействием агрессивной среды морской воды.

По причине чрезвычайной сложности извлечения титана из руд его цена весьма высока. Если принять стоимость титана в концентрате за единицу, то стоимость конечного титанового продукта (лист, штамповка и пр.) в сотни раз больше! Но даже при такой высокой стоимости изделий из титана, замена им более дешевых материалов во многих случаях оказывается экономически выгодной. Так, например, корпус химического аппарата, изготовленный из нержавеющей стали, стоит 1 000 рублей (условно), а из титанового сплава — 4 000 рублей. Однако срок службы нержавеющей стали полгода, а титанового сплава десять лет! В итоге если учесть затраты на замену стальных корпусов, потери с вынужденными простоями оборудования, то станет очевидной выгода более дорогого, но значительно надежного титана.

Относительно недавно геологи открыли в Северном Прибайкалье новый титансодержащий минерал, который был назван ландауитом в честь советского физика академика Л. Д. Ландау.

Ученые совместно с металлургами разработали материалы, которые, претерпев значительную деформацию на холоде, при нагревании вновь принимают первоначальную форму. Одним из таких сплавов является нитинол - интерметаллическое соединение титана и никеля, отличающееся высокой прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Проволоке из этого материала можно придать форму радиоантенны и сжать ее в небольшой шар. После нагревания этот шар снова вернется в первоначальную форму антенны! Кроме использования в технике данный сплав нашел применение и в медицине.

Однозначного мнения относительно происхождения названия двадцать второго элемента периодической системы нет до сих пор. Название было дано Клапротом в соответствии с его взглядами на химическую номенклатуру в противоположность французской химической школе, где элемент старались называть по его химическим свойствам. В свою очередь немецкий химик придерживался другой системы, которую применял ранее - подбор имен из мифологии. Именно в этом месте и находится «камень преткновения» для двух групп ученых, оспаривающих историю происхождения названия. Одни уверены, что металл получил своё имя в честь титанов, персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи и Урана. В пользу этого мнения говорит тот факт, что, ранее открытый Клапротом металл получил название урана, как бы предшественника титана, что подтверждает и древнегреческий миф. Другие ученые уверены, что Клапрот придерживался исключительно германской мифологии и при наименовании нового элемента имел в виду Титанию - королеву фей (жена Оберона в шекспировском «Сне в летнюю ночь»). В пользу данной версии говорит «легкость» (малая плотность) титана, сравниваемая с эфемерностью мира эльфов.

При изучении спектрального анализа солнца и атмосфер некоторых звезд учеными был обнаружен титан, причем в количествах преобладающих над другими элементами! Кстати, если на Земле титан существует главным образом в виде двуокиси TiO 2 , то в космосе, очевидно, в виде моноокиси TiO.

Ряд ядерных реакций возможен только в очень разряженной атмосфере, практически вакууме. Для создания таких разряжений обычно используются ртутные насосы, которые способны довести разряжение до нескольких миллиардных долей атмосферы. Однако этого недостаточно! Поэтому дальнейшую откачку воздуха производят при помощи титановых насосов, в дополнение к этому по внутренней поверхности камеры, где протекают реакции, распыляют мелкодисперсный титан, что приводит к созданию еще большего разряжения.

История

Титан имеет двух первооткрывателей, выявивших новый элемент независимо друг от друга с некоторой разницей по времени. Первым это сделал английский химик-любитель и минералог Уильям Мак-Грегор, который с неподдельным интересом изучал найденные им ископаемые. Исследуя свойства минерала менаканита (в настоящее время этот минерал именуется «ильменитом»), обнаруженного им в железистых магнитных песках Менакана (Англия), Мак-Грегору удалось выделить соединение неизвестного науке металла, который был назван «менакином». В 1791 году английский минералог публикуют статью с результатами своих исследований.

Четыре года спустя знаменитый немецкий химик Мартин Клапрот, при изучении красных песков, привезенных из Венгрии, содержащих минерал рутил, обнаруживает оксид ранее неизвестного металла. Этот новый элемент химик назвал «титаном». Существует две версии происхождения этого названия. Первая — основная, говорит о том, что название элемента происходит от титанов, могучих сыновей богини земли - Геи и бога неба - Урана (греческая мифология). Другая версия, не менее правдоподобная - элемент был назван в честь королевы альвов (эльфов) Титании из германской мифологии. В это время немецкий химик уже был знаком со статьёй Мак-Грегора и горел желанием проверить пески Корнуэлла. Такая возможность выпала ему два года спустя, результаты были поразительны - в черных корнуэлльских песках был обнаружен тот же оксид титана, что и в минерале, привезенном из Венгрии!

Однако, ни Мак-Грегор, ни даже Клапрот не получили чистый металлический титан. Полученный учеными белый кристаллический порошок был всего лишь двуокисью титана ТiO 2 . Долгие годы никому не удавалось выделить чистый металл. Где только не искали химики и минералоги чистый титан. Например, английский ученый У. Волластон заявил, что обнаруженные им в металлургическом шлаке кристаллы - чистый металлический титан. Более трех десятилетий этого никто не мог опровергнуть, лишь в 1856 году немецкий химик Ф. Вёлер установил, что эти кристаллы - металлоподобный карбонитрид - одно из соединений титана. Затем долгое время первенство в выделении чистого металлического титана принадлежало И. Берцелиусу, который в 1825 году получил якобы чистый титан при восстановлении фтортитаната калия металлическим натрием. Лишь позже, сравнивая чистый титан и продукт, полученный Берцелиусом, стало очевидно, что президент Шведской академии наук ошибался - ведь чистый титан без затруднений можно растворить в плавиковой кислоте, а вещество, полученное ученым, успешно сопротивлялось этому процессу.

Документально получение чистого металлического титана зафиксировано в работе русского химика Д.К. Кириллова – «Исследования над титаном», вышедшей в 1875 году. Однако, к сожалению, широкого резонанса данная работа малоизвестного русского ученого не вызвала. Достаточно чистый продукт (95 %) удалось получить химикам Л. Нильсону и О. Петерсону, которые восстанавливали четыреххлористый титан металлическим натрием в стальной герметической бомбе. Еще более чистый металл получил французский химик А. Муассан в 1895 году путем восстанавления двуокиси титана углеродом в дуговой печи с последующим подверганием полученного материала двукратному рафинированию. В итоге полученный металл содержал 2 % примесей (по большей части это был углерод).

Официально принято считать, что чистый металлический титан был получен в 1910 году американским химиком М. Хантером. Американец несколько модернизировал метод Петерсона и Нильсона, благодаря чему получил металл чистотой 99 %. Однако, даже небольшое содержание примесей (десятые доли процента) значительно ухудшало качества элемента № 22 - делали титан хрупким, непрочным, непригодным к механической обработке. По этой причине на первых этапах использования титана большей популярностью пользовались соединения этого элемента, а не чистый металл.

Пластичный, ковкий металл, который можно было прокатывать в листы, ленту или проволоку и даже фольгу удалось получить только в 1925 году нидерландцам ван Аркелю и де Буру иодидным способом. Чистота, полученного ими металла составили 99,9 %.

Нахождение в природе

В XIX веке титан считался очень редким элементом, кроме того то качество, которое удавалось достигать при его получении, не позволяло использовать этот металл в каких-либо областях производства. По этим причинам ученые того времени присвоили титану нелестное звание металла, абсолютно непригодного для использования. Таковым его считал и Дмитрий Иванович Менделеев — в своей работе «Основы химии», изданной в 1906 году. Лишь открытия и исследования XX века убедили химиков в обратном: титан - один из самых распространенных элементов на Земле! Среди других технически важных элементов только три считаются более распространенными, чем титан: железо, алюминий и магний. Содержание титана в недрах нашей планеты настолько велико (среднее содержание его в земной коре (кларк) составляет 0,57 % по массе), что в несколько раз превосходит запасы Cu, Zn, Pb, Au, Ag, платины, хрома, вольфрама, ртути, молибдена, висмута, сурьмы, никеля и олова, вместе взятых. Наибольшая концентрация титана наблюдается в основных породах, так называемой «базальтовой оболочке» (0,9 %), меньше в гранитных породах (0,23 %) и совсем мало в ультраосновных породах (0,03 %), незначительные концентрации двадцать второго элемента наблюдаются и в породах иного характера. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях, в свободном виде этот металл не встречается, он концентрируется в бокситах коры выветривания и в глинистых морских осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов. До 30 % TiO 2 по весу накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях.

Известно около 70 минералов титана, в которых он находится в виде двуокиси или солей титановой кислоты. Наибольшее практическое значение имеют ильменит - метатитанат железа FeTiO 3 (43,7-52,8 % содержания TiO 2), рутил, титаномагнетит FeTiO 3 + Fe 3 O 4 , анатаз и брукит (94,2-99,0 % TiO 2), лейкоксен (56,3-96,4 % TiO 2), лопарит (38,3-41,0 % TiO 2), титанит (сфен) CaTiOSiO 4 (33,7-40,8 % TiO 2) перовскит CaTiO 3 (38,7-58,9 % TiO 2), манганотанталит MnTa 2 O 6 и др.

Месторождения титановых руд делятся на магматические, экзогенные и метаморфогенные. Магматические месторождения связаны с ультроосновными, основными и щелочными породами, которые содержат от 7 до 32 % TiO 2 . Крупнейшие магматические месторождения известны в Канаде, США, России, Индии, ЮАР, Норвегии. К эгзогенным месторождениям титановых руд относят ильменитовые и рутиловые в корах выветривания (3-30 % TiO 2); прибрежно-морские (как древние, так и современные) россыпи ильменита, рутила и лейкоксена (0,5-35 % TiO 2); элювиально-делювиальные и аллювиальные россыпи ильменита (0,5-25 % TiO 2). Нужно отметить, что прибрежно-морские россыпи являются основным промышленным типом титановых руд. Для них характерны пластовые и линзообразные залежи, мощность которых достигает нескольких десятков метров, прпотяженностью в десятки километров при ширине до нескольких километров. Такие россыпи встречаются в Австралии, Индии, России, Новой Зеландии, Бразилии и других странах с большой протяженностью морских и океанических границ. К метаморфогенным месторождениям относят песчаники с лейкоксеном (8-10 % TiO 2); ильменит-магнетитовые в амфиболитах (12,2 % TiO 2); рутиловые в гнейсах и др.

Титановые руды делятся на вкрапленные и сплошные, имеющие пластовую или жилообразные формы. Переходы между этими формами зачастую плавные. Кроме титана в рудах обычно содержатся Fe, V, Zr, Sc.

В биосфере титан в основном рассеян, этот металл является слабым водным мигрантом, поэтому его содержание в морской воде 1∙10 -7 % (0,001 мг/л).

Применение

Еще не так давно титан считали редким и неперспективным металлом, однако, в наше время — он важнейший конструкционный материал. Это не случайно, ведь титан имеет ряд преимуществ перед другими конструкционными материалами: относительная легкость при высокой прочности, жаростойкости и значительном сопротивлении коррозии. Высокая прочность титана нашла применение в сплавах на его основе, ведь она превосходит прочность иных конструкционных материалов в широком коридоре температур: от -250 до 550 °С. Способность титана к сопротивлению коррозии сравнима с корзинной стойкостью сплавов благородных металлов, что делает двадцать второй элемент прекрасным материалом для изготовления химической аппаратуры. Этот элемент обладает и рядом других уникальных свойств, которые востребованы в промышленности, например высокая жаропрочность - способность сохранять высокие механические свойства при повышенных температурах - как самого титана, так и его сплавов с алюминием и другими металлами.

Большая часть выплавляемого металлического титана идет на сплавы, которые применяются в различных отраслях: авиа- и машиностроение, ракетостроение и морское судостроение. По областям применения и виду полуфабрикатов можно приблизительно подразделить сплавы на следующие группы: свариваемые сплавы преимущественно для листов (ОТ4, ОТ4-0, ОТ4-1, ВТ5-1, ВТ20, ВТ6С, ВТ14, ВТ15); сплавы повышенной прочности для штамповок (ВТ5, ВТ6, ВТ14, ВТ16, ВТ22); жаропрочные сплавы для штамповок (ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18). Например, сплав ВТ6С специально используется для изготовления баллонов высокого давления, все жаропрочные сплавы - для дисков, лопаток и прочих деталей компрессоров газотурбинных двигателей, сплав ВТ22 - для массивных нагруженных штамповок, сплав ВТ16 - для болтов. Для деталей повышенной прочности применяются сплавы ВТ6Л, ВТ9Л, ВТ20Л.

При высокой температуре титан соединяется с галогенами, кислородом, азотом, серой и другими элементами. На этом основано применение сплавов титана с железом (ферротитана - 20-50 % Ti) в качестве добавки к стали. Титан соединяется с находящимися в расплавленной стали азотом и кислородом и этим предотвращает выделение последних при затвердевании стали. В итоге литье получается однородным и не содержит пустот.

Соединяясь с углеродом, титан образует карбид. Из карбидов титана и вольфрама с добавкой кобальта получают сплавы, по твердости, приближающиеся к алмазу.

Диоксид титана TiO 2 применяется при изготовлении тугоплавких стекол, глазури, эмали, жароупорной лабораторной посуды, а также для приготовления белой масляной краски, обладающей высокой кроющей способностью (титановые белила).

Кристаллы титаната бария BaTiO 3 применяются в электрических конденсаторах высокой емкости и малых размеров, в ультразвуковой аппаратуре, в звукоснимателях, в гидроакустических устройствах.

Кроме того, титан используют при изготовлении арматуры, ёмкостей, трубопроводов, химических реакторов, насосов и многих других частей механизмов работающих в агрессивных средах. Титан используется для покрытия изделий из стали - титанирование (используется для повышения коррозионной стойкости). Благодаря биологической безвредности титан используется при изготовлении оборудования для пищевой промышленности, используется в восстановительной хирургии. Титан применяется в криогенной технике, так как его прочность в условиях глубокого холода повышается при сохранении хорошей пластичности.

Диборид титана - важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Титанат свинца PbTiO 3 и ряд других титанатов - сегнетоэлектрики. Нитрид титана применяется для покрытия инструментов. Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки или покрытий.

Производство

Зачастую первоначальным сырьем для производства титана и его соединений является диоксид титана TiO 2 со сравнительно небольшим количеством примесей. Как правило, это рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд, но в связи с малыми запасами рутила в мире, последнее время всё чаще применяются синтетический рутил или титановый шлак, которые производят в процессе переработки ильменитовых концентратов (содержание TiO 2 до 60 % и FeO + Fe 2 O 3 до 40 %). Так при получении титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговых печах при температуре свыше 1600° C, в печи загружается брикеты из ильменита или порошкообразная шихта, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а невосстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. На выходе получают концентрацию титана в шлаке от 96,0 до 98,5 %, а концентрация железа в чугуне доходит до 97 %. Кроме титана в виде диоксида шлак содержит различные примеси: FeO (2,5—6,5 %), MgO (2-6 %), SiO 2 (2,7-5,5 %), СаО, МnО и другие. Затем обогащенный шлак перерабатывают хлоридным (пирометаллургический метод) или сернокислотным способами.

При сернокислотной обработке концентрат подвергают разложению серной кислотой H 2 SO 4 , затем выщелачивают водой и гидролизуют полученные окси-сульфаты титана, что приводит к образованию гидроксида титана, который в свою очередь прокаливают до оксида в виде порошка, который и является конечным продуктом данного метода - ТiO 2 . Побочным продуктом сернокислотного метода является FeSO 4 ·7Н 2 О.

Основным и наиболее распространенным способом получения титана считается метод, разработанный в 1940 году американским ученым У. Кролем - пирометаллургический или магниетермический метод. Первая стадия данного процесса - спекание ильменитовых концентратов с коксом или антрацитом (они необходимы для связывания кислород оксидов в смесь СО и СО 2 , а также для поддержания равновесия процесса) с последующим хлорированием титанового шлака:

TiO 2 + С + 2Сl 2 → TiCl 4 + CO 2

Процесс проходит в шахтных электропечах либо в реакторах (с солевым расплавом или кипящего слоя) при температурах 800-1250 °C. Причем удельная производительность реакторов выше, чем шахтных печей. Перед хлорированием непосредственно в печах концентрат либо титановый шлак смешивают с нефтяным коксом и прочими связующими добавками, после чего полученную смесь брикетируют и прокаливают. При других варрантах - хлорирование в расплаве солей щелочных металлов NaCl и KCl - не требуется брикетирования порошкообразной шихты. Реакционные газы из хлораторов направляют на очистку в солевых фильтрах, а затем на конденсацию TiCl 4 .

Следующая стадия - очистка TiCl 4 от примесей может проводиться несколькими методами с применением различных веществ. Четыреххлористый титан в обычных условиях представляет собой жидкость с температурой кипения 136 °C. Разорвать связь титана с хлором легче, чем с кислородом. Это можно сделать с помощью магния:

TiCl 4 + 2Mg → Ti + 2MgCl 2

Данная реакция проходит в стальных герметичных ретортах при температуре 900° C. Образуется «титановая губка», которую пропитывают магний и хлорид магния, их испаряют в герметичном вакуумном аппарате при 950 °C, а титановую губку затем измельчают и спекают или переплавляют в вакуумных дуговых печах на слитки с введением легирующих добавок, если требуется получить сплав.

Другой распространенный в промышленности метод получения металлического титана - натриетермический - незначительно отличается от магниетермического.

Повышают чистоту полученного титана при помощи иодидного метода, разработанного ван Аркелем и де Буром. Металлотермический губчатый титан переводят в иодид TiI 4 , который в последствии возгоняют в вакууме. На своем пути пары иодида титана встречают раскаленную до 1400 °C титановую проволоку, иодит разлагается, а на проволоке нарастает чистый титан. Так как этот процесс довольно дорог и малопроизводителен, он все реже применяется в промышленности. В наше время предпочтение отдают другим способам, например, электролизу.

Физические свойства

В свободном виде титан получили, как мы знаем, в конце XIX века, однако этот металл содержал такое количество примесей, что был признан негодным для производства. По этой же причине ученые не сочли необходимым досконально заняться исследованием этого нового элемента. Кроме того, титан, содержавший большое количество посторонних элементов имел совершенно другие свойства в сравнении с металлом, полученным ван Аркелем и де Буром в 1925 году. Металлический титан высокой степени чистоты (99,9 % и выше) относится к типичным металлам — легкий серебристо-белого цвета, ковкий (это свойство сохраняется даже при низких температурах), довольно легко прокатывается в листы, проволоку, ленту и даже в тончайшую фольгу. Научные изыскания последних десятилетий всё больше и больше обнаруживают потрясающих свойств у двадцать второго элемента периодической системы Д. И. Менделеева. Исследования физико-химических свойств металлического титана привели к необычайным результатам - титан практически вдвое легче железа (плотность титана 4,5 г/см 3), но при этом по прочности он превосходит многие стали. Даже в сравнение с таким важным промышленным металлом, как алюминий, титан выигрывает по ряду технологических признаков: он всего в полтора раза тяжелее алюминия, однако в шесть раз прочнее (предел прочности 256 Мн/м 2 или 25,6 кгс/мм 2). Кроме того, эта прочность сохраняется и при повышении температуры до 500 °C, а если добавлять в сплав легирующие элементы, то прочность можно сохранить и при температурах до 650 °C, в то время как прочность алюминиевых и магниевых сплавов резко падает уже при 300 °C! Еще одно уникальное свойство титана, применяемое в промышленности - высокая твердость (твердость по Бринеллю 1000 Мн/м 2 или 100 кгс/мм 2) данного элемента: он в двенадцать раз тверже алюминия, в четыре раза - железа и меди. В машиностроении очень важен такой показатель, как предел текучести металла: чем он выше, тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам, тем дольше они сохраняют свои формы и размеры. Предел текучести у титана почти в восемнадцать раз выше, чем у алюминия. Титан удивительный элемент - в отличие от большинства металлов он обладает значительным электросопротивлением (температурный коэффициент электросопротивления 0,0035 при 20 °С): если условно электропроводимость серебра принять за 100, электропроводимость меди 94, алюминия - 60, железа и платины - 15, то у титана этот показатель составит всего 3,8. Это свойство и немагнитность (удельная магнитная восприимчивость 3,2·10 -6 при 20 °С) двадцать второго элемента представляют немаловажный интерес для радиоэлектроники и электротехники. Одно из свойств, препятствующее механической обработке - это высокая вязкость титана, благодаря которой этот металл, как бы «налипает» на режущий инструмент в процессе обработки. По этой причине требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

Титан существует в двух кристаллических модификациях: α-Титан с гексагональной плотноупакованной решёткой (а = 2,951Å, с = 4,679Å; z=2) устойчив при температурах ниже 882,5° C. β-Титан существует при температурах выше указанной для α-формы и имеет кубическую объемно-центрированную решетку (а = 3,269Å). Наличие примесей, либо легирование значительно влияет на изменение температуры α-β превращения. Как говорилось ранее плотность титана 4,5 г/см 3 - это показатель α-формы при температуре 20° C, но уже при температуре 870° C плотность снижается до 4,35 г/см 3 . Температура плавления титана 1668° C, температура кипения 3227° C. Теплопроводность для данного элемента в интервале комнатных температур составляет 22,065 вт/(м·К) или 0,0527 кал/(см·сек·°С). Теплоемкость титана 0,523 кдж/(кг·К) или 0,1248 кал/(г·°С).

Химические свойства

Титан является переходным компонентом, а для них характерна переменная валентность, обычно двадцать второй элемент встречается в двух-, трех- и четырехвалентном состояниях. Есть сообщения в научной литературе и о других валентных состояниях титана (более высоких), однако каких-либо доказательств в пользу этих предположений не приводится. Чаще всего титан образует четырехвалентные соединения, но возможны и соединения всех прочих валентностей.

Химическая активность данного элемента зависит от температуры, так при повышенных температурах металл взаимодействует с другими элементами значительно активнее. Известно, что при высоких температурах титан энергично взаимодействует с атмосферными газами, что вызывает необходимость работы в атмосфере инертных газов при горячей обработке данного металла и защиты поверхностей в условиях высоких рабочих температур. Образование окалины при взаимодействии металла с атмосферными газами на поверхности титана начинается при температурах свыше 500 °C, дальнейшее повышение температуры и времени выдержки приводит к диффузии — проникновению газов в решетку металла. Окисление двадцать второго элемента приводит к возникновению ряда окислов: амфотерную двуокись титана TiO 2 , закись TiO и окись Ti 2 O 3 , имеющие основной характер, а также некоторые промежуточные окислы и перекись TiO 3 . Каждый из оксидов имеет свой цветовой оттенок благодаря образующейся на поверхности металла пленке, которая отливает на свету всеми цветами радуги. Несмотря на начало окисления титана уже при 500 °C, нагрев даже до 700 °C не приводит к активной диффузии газов в тело металла. На воздухе воспламенение титана происходит при температуре 1 200 °C, однако, в потоке чистого кислорода металл воспламеняется уже при температуре немногим выше 600 °C. Возгораясь, титан дает яркое свечение, такое же свойство присуще и горению в атмосфере азота при температуре 815 °C. С азотом титан взаимодействует также активно, как и с кислородом. Это взаимодействие приводит к образованию желто-коричневой нитридной пленки на поверхности титана. Разница лишь в том, что проникновение азота в структуру титана происходит на ограниченную глубину.

Соляная и серная кислоты (при комнатной температуре) слабо взаимодействуют с металлом, однако, при нагреве происходит усиленное растворение металла с образованием низших хлоридов или моносульфата. Данная реакция сходна с взаимодействием титана с плавиковой кислотой, однако менее токсична. До конца не изучены реакции, происходящие при взаимодействии титана с хлорной кислотой. Она используется при электрополировании титановых поверхностей и для химического анализа. Фосфорная кислота реагирует с титаном при температуре несколько выше комнатной, но вследствие образования нерастворимых фосфатов титана применение ее не нашло широкого распространения. Азотная кислота слабо взаимодействует с титаном, другие неорганические кислоты не оказывают коррозионного воздействия на металл.

Титан активно взаимодействует с водородом, причем реакция начинается при температурах немногим превышающих комнатную. Взаимодействие заключается в активном поглощении водорода титаном - 1 г титана способен поглотить до 400 см 3 водорода. При малых концентрациях газа, его атомы внедряются в решетку металла, при высоких концентрациях происходит образование гидрида TiH. Высокая концентрация водорода в титане приводит к образованию хрупких сплавов, непригодных к использованию в промышленности. Однако растворимость водорода в титане является обратимой, и этот газ можно удалить почти полностью отжигом в вакууме.

Нагретый титан разлагает пары воды и двуокись углерода. При температуре выше 800° C титан взаимодействует с парами воды, что сопровождается образованием окисла металла и улетучиванием водорода. При еще более высоких температурах горячий металл способен поглощать углекислый газ с образованием окисла и карбида.

Известно, что жидкий титан имеет большое химическое сродство к углероду, однако эта примесь негативно сказывается на свойствах титана и его сплавов, вследствие чего, необходимо по возможности снижать концентрацию углерода в титановых сплавах. В то же время, получаемый при температуре 1760 °C карбид титана TiC, активно используется при изготовлении быстрорежущих и износостойких инструментов.

8 (919) 999 32 11

Компания «ПерфектМеталл» закупает, наряду с другими металлами, лом титана. Любые пункты приема металлолома компании примут у вас титан, изделия из сплавов титана, титановую стружку и т.п. Откуда титан попадает в пункты сдачи металлолома? Все очень просто, этот металл нашел очень широкое применение как в промышленных целях, так и в быту человека. Сегодня этот металл используется при строительстве космических и военных ракет, много его используется и в самолетостроении. Из титана строят прочные и легкие морские суда. Химическая промышленность, ювелирное дело, не говоря уже об очень широком применении титана в медицинской промышленности. И все это из за того, что титан и его сплавы обладают рядом уникальных свойств.

Титан – описание и свойства

Земная кора, как известно, насыщенна многочисленным рядом химических элементов. Среди часто встречающихся среди них — титан. Можно сказать, что он находится на 10-м месте ТОПа самых распространенных хим элементов Земли. Титан - металл серебристо-белого цвета, стоек ко многим агрессивным средам, не подвержен окислению в ряде мощнейших кислот, исключениями являются лишь плавиковая, ортофосфорная серная кислота в высокой концентрации. Титан в чистом виде относительно молод, его получили лишь в 1925 году.

Пленка оксида, которая покрывает титан в чистом виде, служит весьма надежной защитой этого металла от коррозии. Ценится титан и за его низкую теплопроводность, для сравнения — титан в 13 раз хуже проводит тепло чем алюминий, а вот с проводимостью электричества обратная картина — титан обладает гораздо большим сопротивлением. Все же самой главная отличительная черта титана — его колоссальная прочность. Опять же если сравнить ее теперь с чистым железом, то титан в два раза превышает его прочность!

Сплавы титана

Сплавы из титана обладают так же выдающимися свойствами, среди которых на первом месте, как вы уже могли догадаться — прочность. Как конструкционный материал, титан уступает в прочности лишь бериллиевым сплавам. Однако неоспоримым преимуществом сплавов титана является их высокая стойкость к истиранию, износу и в то же время достаточная пластичность.

Титановые сплавы устойчивы к воздействию целого ряда активных кислот, солей, гидроксидов. Эти сплавы не боятся и высокотемпературных воздействий, именно поэтому из титана и его сплавов изготавливают турбины реактивных двигателей, да и вообще широко используются в ракетостроении и авиационной промышленности.

Где используется титан

Титан используется там, где необходим очень прочный материал, обладающий максимальной стойкостью к различным видам негативного воздействия. Например, в химической промышленности титановые сплавы применяются для производства насосов, емкостей и трубопроводов для транспортировки агрессивных жидкостей. В медицине титан служит для протезирования и обладает отличной биологической совместимостью с организмом человека. Кроме того, сплав титана и никеля – нитинол – обладает “памятью”, что позволяет использовать его в ортопедической хирургии. В металлургии титан служит легирующим элементом, который вводят в состав некоторых видов стали.

Благодаря сохранению пластичности и прочности под воздействием низких температур, металл используют в криогенной технике. В авиа- и ракетостроении титан ценится за свою жаропрочность, а наиболее широкое распространение здесь получил его сплав с алюминием и ванадием: именно из него изготавливают детали для корпусов летательных аппаратов и реактивных двигателей.

В свою очередь, в судостроении титановые сплавы применяют для изготовления металлических изделий с повышенной коррозийной устойчивостью. Но, помимо промышленного использования, титан служит сырьем для создания украшений и аксессуаров, так как он хорошо поддается таким методам обработки, как полировка или анодирование. В частности, из него отливают корпуса наручных часов и ювелирные украшения.

Титан получил широкое применение в составе различных соединений. Например, диоксид титана входит в состав красок, используется в процессе производства бумаги и пластика, а нитрид титана выступает в роли защитного покрытия инструментов. Несмотря на то, что титан называют металлом будущего, на данном этапе сфера его применения серьезно ограничена высокой стоимостью получения.

Таблица 1

Химический состав промышленных титановых сплавов.
Тип сплава	Марка сплава	Химический состав, % (остальное Ti)
		Аl	V	Mo	Mn	Cr	Si	Другие элементы
a	ВТ5 ВТ5-1	4,3-6,2 4,5-6,0	— —	— —	— —	— —	— —	— 2-3Sn
Псевдо-a	ОТ4-0 ОТ4-1 ОТ4 ВТ20 ВТ18	0,2-1,4 1,0-2,5 3,5-5,0 6,0-7,5 7,2-8,2	— — — 0,8-1,8 —	— — — 0,5-2,0 0,2-1,0	0,2-1,3 0,7-2,0 0,8-2,0 — —	— — — — —	— — — — 0,18-0,5	— — — 1,5-2,5Zr 0,5-1,5Nb 10-12Zr
a + b	ВТ6С ВТ6 ВТ8 ВТ9 ВТ3-1 ВТ14 ВТ16 ВТ22	5,0-6,5 5,5-7,0 6,0-7,3 5,8-7,0 5,5-7,0 4,5-6,3 1,6-3,0 4,0-5,7	3,5-4,5 4,2-6,0 — — — 0,9-1,9 4,0-5,0 4,0-5,5	— — 2,8-3,8 2,8-3,8 2,0-3,0 2,5-3,8 4,5-5,5 4,5-5,0	— — — — — — — —	— — — — 1,0-2,5 — — 0,5-2,0	— — 0,20-0,40 0,20-0,36 0,15-0,40 — — —	— — — 0,8-2,5Zr 0,2-0,7Fe — — 0,5-1,5Fe
b	ВТ15	2,3-3,6	—	6,8-8,0	—	9,5-11,0	—	1,0Zr

Механические свойства титановых сплавов (типичные).