Vječni, misteriozni, kosmički, materijal budućnosti - svi ovi i mnogi drugi epiteti titanijumu se pripisuju u raznim izvorima. Istorija otkrića ovog metala nije bila trivijalna: istovremeno je nekoliko naučnika radilo na izolovanju elementa u njegovom čistom obliku. Proces proučavanja fizičkih, hemijskih svojstava i određivanja područja njegove primjene do danas nije završen. Titanijum je metal budućnosti, njegovo mesto u ljudskom životu još nije konačno određeno, što savremenim istraživačima daje ogroman prostor za kreativnost i naučna istraživanja.
Karakteristika
Hemijski element titanijum (Titanium) je označen u periodnom sistemu D. I. Mendeljejeva simbolom Ti. Nalazi se u sekundarnoj podgrupi IV grupe četvrtog perioda i ima serijski broj 22. Jednostavna supstanca titanijum je belo-srebrni metal, lagan i izdržljiv. Elektronska konfiguracija atoma ima sljedeću strukturu: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. U skladu s tim, titan ima nekoliko mogućih oksidacijskih stanja: 2,3, 4, u najstabilnijim jedinjenjima je četverovalentan.
Titanijum - legura ili metal?
Ovo pitanje zanima mnoge. Godine 1910. američki hemičar Hunter dobio je prvi čisti titanijum. Metal je sadržavao samo 1% nečistoća, ali se u isto vrijeme pokazalo da je njegova količina zanemariva i nije omogućila daljnje proučavanje njegovih svojstava. Plastičnost dobijene supstance postignuta je samo pod uticajem visokih temperatura, pri normalnim uslovima (sobna temperatura) uzorak je bio previše krhak. Zapravo, ovaj element nije zanimao naučnike, jer su se izgledi za njegovu upotrebu činili previše neizvjesnim. Poteškoće pribavljanja i istraživanja dodatno su smanjile potencijal za njegovu primjenu. Tek 1925. godine, kemičari iz Holandije I. de Boer i A. Van Arkel dobili su metal titanijuma, čija su svojstva privukla pažnju inženjera i dizajnera širom svijeta. Istorija proučavanja ovog elementa počinje 1790. godine, tačno u to vreme, paralelno, nezavisno jedan od drugog, dva naučnika otkrivaju titanijum kao hemijski element. Svaki od njih prima spoj (oksid) supstance, ne uspijevajući izolirati metal u njegovom čistom obliku. Pronalazač titanijuma je engleski monah mineralog Vilijam Gregor. Na teritoriji svoje župe, koja se nalazi u jugozapadnom dijelu Engleske, mladi naučnik je počeo proučavati crni pijesak doline Menaken. Rezultat eksperimenata s magnetom bio je oslobađanje sjajnih zrnaca, koji su bili spoj titana. U isto vrijeme u Njemačkoj, hemičar Martin Heinrich Klaproth izolirao je novu supstancu iz mineralarutil. On je 1797. također dokazao da su elementi otvoreni paralelno slični. Titanijum dioksid je bio misterija za mnoge hemičare više od jednog veka, a čak ni Berzelius nije mogao da dobije čist metal. Najnovije tehnologije 20. vijeka značajno su ubrzale proces proučavanja pomenutog elementa i odredile početne pravce njegove upotrebe. Istovremeno, opseg primjene se stalno širi. Samo složenost procesa dobivanja takve tvari kao što je čisti titan može ograničiti njegov opseg. Cijena legura i metala je prilično visoka, tako da danas ne može zamijeniti tradicionalno gvožđe i aluminijum.
Porijeklo imena
Menakin - prvi naziv za titanijum, koji se koristio do 1795. godine. Tako je, po teritorijalnoj pripadnosti, W. Gregor nazvao novi element. Martin Klaproth je elementu dao naziv "titanijum" 1797. U to vrijeme, njegove francuske kolege, predvođene prilično uglednim hemičarem A. L. Lavoisierom, predložili su da se novootkrivene supstance imenuju u skladu sa njihovim osnovnim svojstvima. Njemački naučnik se nije složio s ovim pristupom, sasvim razumno je vjerovao da je u fazi otkrića prilično teško odrediti sve karakteristike svojstvene tvari i odraziti ih u nazivu. Međutim, treba priznati da izraz koji je Klaproth intuitivno odabrao u potpunosti odgovara metalu - to su više puta naglašavali moderni znanstvenici. Postoje dvije glavne teorije o porijeklu naziva titanijum. Metal bi se mogao nazvati tako u čast vilenjačke kraljice Titanije(lik germanske mitologije). Ovo ime simbolizira i lakoću i snagu supstance. Većina naučnika sklona je upotrebi verzije upotrebe starogrčke mitologije, u kojoj su moćni sinovi boginje zemlje Geje nazvani titanima. U prilog ovoj verziji govori i naziv ranije otkrivenog elementa, uranijuma.
Biti u prirodi
Od metala koji su tehnički vredni za ljude, titanijum je četvrti najzastupljeniji u zemljinoj kori. Samo gvožđe, magnezijum i aluminijum karakteriše veliki procenat u prirodi. Najveći sadržaj titana zabilježen je u baz altnoj ljusci, nešto manji u granitnom sloju. U morskoj vodi sadržaj ove tvari je nizak - otprilike 0,001 mg / l. Hemijski element titan je prilično aktivan, tako da se ne može naći u čistom obliku. Najčešće je prisutan u jedinjenjima sa kiseonikom, dok ima valencu četiri. Broj minerala koji sadrže titanijum varira od 63 do 75 (u različitim izvorima), dok u sadašnjoj fazi istraživanja naučnici nastavljaju da otkrivaju nove oblike njegovih jedinjenja. Za praktičnu upotrebu, sledeći minerali su od najveće važnosti:
- Ilmenit (FeTiO3).
- Rutile (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskite (CaTiO3).
- Titanomagnetit (FeTiO3+Fe3O4) itd.
Sve postojeće rude koje sadrže titan su podijeljene naaluvijalne i osnovne. Ovaj element je slab migrant, može putovati samo u obliku fragmenata stijena ili pokretnih stijena namuljenog dna. U biosferi se najveća količina titana nalazi u algama. Kod predstavnika kopnene faune element se akumulira u rožnatim tkivima, kosi. Ljudsko tijelo karakterizira prisustvo titana u slezeni, nadbubrežnim žlijezdama, posteljici, štitnoj žlijezdi.
Fizička svojstva
Titanijum je obojeni metal srebrno-bijele boje koji izgleda kao čelik. Na temperaturi od 0 0C, njegova gustina je 4,517 g/cm3. Supstanca ima nisku specifičnu težinu, što je tipično za alkalne metale (kadmijum, natrijum, litijum, cezijum). U pogledu gustine, titanijum zauzima srednju poziciju između gvožđa i aluminijuma, dok su njegove performanse veće od performansi oba elementa. Glavna svojstva metala koja se uzimaju u obzir pri određivanju opsega njihove primjene su granica popuštanja i tvrdoća. Titanijum je 12 puta jači od aluminijuma, 4 puta jači od gvožđa i bakra, dok je mnogo lakši. Plastičnost čiste supstance i njena granica tečenja omogućavaju obradu na niskim i visokim temperaturama, kao iu slučaju drugih metala, odnosno zakivanjem, kovanjem, zavarivanjem, valjanjem. Karakteristična karakteristika titanijuma je njegova niska toplotna i električna provodljivost, dok su ta svojstva očuvana na povišenim temperaturama, do 500 0S. U magnetnom polju, titan je paramagnetski element, nijeprivlači se kao gvožđe, a ne istiskuje se kao bakar. Veoma visoke antikorozivne performanse u agresivnim sredinama i pod mehaničkim opterećenjem su jedinstvene. Više od 10 godina boravka u morskoj vodi nije promijenilo izgled i sastav titanijumske ploče. Gvožđe bi u ovom slučaju bilo potpuno uništeno korozijom.
Termodinamička svojstva titanijuma
- Gustoća (u normalnim uslovima) je 4,54g/cm3.
- Atomski broj je 22.
- Metalna grupa - vatrostalna, lagana.
- Atomska masa titanijuma je 47,0.
- Tačka ključanja (0S) – 3260.
- Molarni volumen cm3/mol – 10, 6.
- Tačka topljenja titana (0S) – 1668.
- Specifična toplota isparavanja (kJ/mol) – 422, 6.
- Električni otpor (na 20 0S) Ohmcm10-6 – 45.
Hemijska svojstva
Povećana otpornost elementa na koroziju nastaje zbog stvaranja malog oksidnog filma na površini. Sprečava (u normalnim uslovima) hemijske reakcije sa gasovima (kiseonik, vodonik) u okolnoj atmosferi elementa kao što je metal titanijum. Njegova svojstva se mijenjaju pod utjecajem temperature. Kada poraste na 600 0S, dolazi do reakcije interakcije sa kiseonikom, što rezultira stvaranjem titanijum oksida (TiO2). U slučaju apsorpcije atmosferskih gasova nastaju krhka jedinjenja koja nemaju praktičnu primenu, zbog čega se zavarivanje i topljenje titana vrši u uslovima vakuuma. reverzibilna reakcijaje proces rastvaranja vodonika u metalu, on se odvija aktivnije sa povećanjem temperature (od 400 0S i više). Titan, posebno njegove male čestice (tanka ploča ili žica), gori u atmosferi dušika. Hemijska reakcija interakcije je moguća samo na temperaturi od 700 0S, što rezultira stvaranjem TiN nitrida. Formira vrlo tvrde legure sa mnogim metalima, često kao legirajući element. Reaguje sa halogenima (hrom, brom, jod) samo u prisustvu katalizatora (visoka temperatura) i podložan interakciji sa suvom materijom. U tom slučaju nastaju vrlo tvrde vatrostalne legure. Sa rastvorima većine alkalija i kiselina, titan je hemijski neaktivan, sa izuzetkom koncentrisanog sumpora (sa produženim ključanjem), fluorovodonične, vruće organske (mravlje, oksalne).
Depoziti
Rude ilmenita su najčešće u prirodi - njihove rezerve se procjenjuju na 800 miliona tona. Naslage rutila su mnogo skromnije, ali ukupan obim - uz održavanje rasta proizvodnje - trebao bi čovječanstvu u narednih 120 godina osigurati takav metal kao što je titan. Cijena gotovog proizvoda ovisit će o potražnji i povećanju razine proizvodnosti, ali u prosjeku varira u rasponu od 1200 do 1800 rubalja/kg. U uslovima stalnog tehničkog usavršavanja, troškovi svih proizvodnih procesa značajno su smanjeni njihovom blagovremenom modernizacijom. Kina i Rusija imaju najveće rezerve titanijumskih ruda, kao i mineralaJapan, Južna Afrika, Australija, Kazahstan, Indija, Južna Koreja, Ukrajina, Cejlon imaju sirovinsku bazu. Ležišta se razlikuju po obimu proizvodnje i procentu titanijuma u rudi, geološka istraživanja su u toku, što omogućava pretpostavku smanjenja tržišne vrednosti metala i njegove šire upotrebe. Rusija je daleko najveći proizvođač titanijuma.
Primi
Za proizvodnju titanijuma najčešće se koristi titanijum dioksid koji sadrži minimalnu količinu nečistoća. Dobiva se obogaćivanjem koncentrata ilmenita ili rutila. U elektrolučnoj peći odvija se toplinska obrada rude koja je praćena odvajanjem željeza i stvaranjem šljake koja sadrži titanov oksid. Za obradu frakcije bez željeza koristi se metoda sulfata ili klorida. Titanov oksid je sivi prah (vidi sliku). Metal titanijum se dobija njegovom faznom obradom.
Prva faza je proces sinterovanja šljake sa koksom i izlaganje parama hlora. Rezultirajući TiCl4 se reducira magnezijumom ili natrijumom kada se izloži temperaturi od 850 0C. Titanijumski sunđer (porozna fuzionisana masa), dobijena kao rezultat hemijske reakcije, rafiniše se ili topi u ingote. U zavisnosti od daljeg pravca upotrebe, formira se legura ili čisti metal (nečistoće se uklanjaju zagrevanjem na 1000 0S). Za proizvodnju tvari sa sadržajem nečistoća od 0,01% koristi se jodidna metoda. Zasnovan je na procesuisparavanje iz titanijumskog sunđera prethodno tretiranog halogenom, njegove pare.
Područja primjene
Tačka topljenja titanijuma je prilično visoka, što je, s obzirom na lakoću metala, neprocenjiva prednost njegove upotrebe kao konstrukcijskog materijala. Stoga najveću primjenu nalazi u brodogradnji, zrakoplovnoj industriji, proizvodnji raketa i kemijskoj industriji. Titan se često koristi kao aditiv za legiranje u raznim legurama, koje imaju povećane karakteristike tvrdoće i toplinske otpornosti. Visoka antikorozivna svojstva i sposobnost da izdrži najagresivnije sredine čine ovaj metal nezamjenjivim za kemijsku industriju. Titan (njegove legure) koristi se za izradu cjevovoda, rezervoara, ventila, filtera koji se koriste u destilaciji i transportu kiselina i drugih hemijski aktivnih supstanci. Potreban je pri stvaranju uređaja koji rade u uvjetima povišenih temperaturnih indikatora. Jedinjenja titana koriste se za izradu izdržljivih reznih alata, boja, plastike i papira, hirurških instrumenata, implantata, nakita, završnih materijala, a koriste se i u prehrambenoj industriji. Sve pravce je teško opisati. Moderna medicina, zbog potpune biološke sigurnosti, često koristi metalni titan. Cijena je jedini faktor koji do sada utiče na širinu primjene ovog elementa. Pošteno je reći da je titanijum materijal budućnosti, proučavanjem koje će čovečanstvo proćiu novu fazu razvoja.
