Amžina, paslaptinga, kosminė, ateities medžiaga – visi šie ir daugelis kitų epitetų įvairiuose š altiniuose priskiriami titanui. Šio metalo atradimo istorija nebuvo triviali: tuo pačiu metu keli mokslininkai dirbo, kad izoliuotų elementą gryna forma. Fizinių, cheminių savybių tyrimo ir taikymo sričių nustatymo procesas iki šiol nebaigtas. Titanas yra ateities metalas, jo vieta žmogaus gyvenime dar nėra galutinai nustatyta, todėl šiuolaikiniams tyrinėtojams suteikiama didžiulė kūrybiškumo ir mokslinių tyrimų erdvė.
Savybė
Cheminis elementas titanas (Titanas) D. I. Mendelejevo periodinėje lentelėje pažymėtas simboliu Ti. Jis yra ketvirtojo laikotarpio IV grupės antriniame pogrupyje ir turi eilės numerį 22. Paprasta medžiaga titanas yra b alto sidabro metalas, lengvas ir patvarus. Elektroninė atomo konfigūracija turi tokią struktūrą: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Atitinkamai, titanas turi keletą galimų oksidacijos būsenų: 2,3, 4, stabiliausiuose junginiuose jis yra keturvalentinis.
Titanas – lydinys ar metalas?
Šis klausimas domina daugelį. 1910 m. amerikiečių chemikas Hanteris gavo pirmąjį gryną titaną. Metale buvo tik 1% priemaišų, tačiau tuo pačiu metu jo kiekis pasirodė esąs nereikšmingas ir neleido toliau tirti jo savybių. Gautos medžiagos plastiškumas buvo pasiektas tik esant aukštai temperatūrai, normaliomis sąlygomis (kambario temperatūra) mėginys buvo per trapus. Tiesą sakant, šis elementas nesudomino mokslininkų, nes jo naudojimo perspektyvos atrodė pernelyg neaiškios. Gavimo ir tyrimo sunkumai dar labiau sumažino jo taikymo galimybes. Tik 1925 metais chemikai iš Nyderlandų I. de Boer ir A. Van Arkel gavo titano metalą, kurio savybės patraukė viso pasaulio inžinierių ir dizainerių dėmesį. Šio elemento tyrimo istorija prasideda 1790 m., kaip tik tuo metu, lygiagrečiai, nepriklausomai vienas nuo kito, du mokslininkai atranda titaną kaip cheminį elementą. Kiekvienas iš jų gauna medžiagos junginį (oksidą), nesugebėdamas išskirti metalo gryna forma. Titano atradėjas yra anglų mineralogas vienuolis Viljamas Gregoras. Savo parapijos teritorijoje, esančioje pietvakarinėje Anglijos dalyje, jaunasis mokslininkas pradėjo tyrinėti juodąjį Menaken slėnio smėlį. Eksperimentų su magnetu rezultatas buvo blizgančių grūdelių, kurie buvo titano junginys, išsiskyrimas. Tuo pačiu metu Vokietijoje chemikas Martinas Heinrichas Klaprothas iš mineralo išskyrė naują medžiagąrutilas. 1797 m. jis taip pat įrodė, kad lygiagrečiai atidaromi elementai yra panašūs. Titano dioksidas daugeliui chemikų buvo paslaptis jau daugiau nei šimtmetį ir net Berzelijus nesugebėjo gauti gryno metalo. Naujausios XX amžiaus technologijos gerokai paspartino minėto elemento tyrimo procesą ir nulėmė pradines jo panaudojimo kryptis. Tuo pačiu metu taikymo sritis nuolat plečiasi. Tik tokios medžiagos, kaip grynas titanas, gavimo proceso sudėtingumas gali apriboti jo taikymo sritį. Lydinių ir metalo kaina yra gana didelė, todėl šiandien ji negali išstumti tradicinės geležies ir aliuminio.
Vardo kilmė
Menakinas – pirmasis titano pavadinimas, kuris buvo naudojamas iki 1795 m. Taip pagal teritorinę priklausomybę W. Gregoras pavadino naująjį elementą. Martinas Klaprothas 1797 m. suteikia elementui pavadinimą „titanas“. Tuo metu jo kolegos prancūzai, vadovaujami gana geros reputacijos chemiko A. L. Lavoisier, pasiūlė naujai atrastas medžiagas pavadinti pagal jų pagrindines savybes. Vokiečių mokslininkas nesutiko su šiuo požiūriu, jis visiškai pagrįstai manė, kad atradimo etape gana sunku nustatyti visas medžiagai būdingas savybes ir atspindėti jas pavadinime. Tačiau reikia pripažinti, kad Klaprotho intuityviai pasirinktas terminas visiškai atitinka metalą – tai ne kartą pabrėžė šiuolaikiniai mokslininkai. Yra dvi pagrindinės vardo titano kilmės teorijos. Metalas gali būti pavadintas taip elfų karalienės Titanijos garbei(germanų mitologijos veikėjas). Šis pavadinimas simbolizuoja ir medžiagos lengvumą, ir stiprumą. Dauguma mokslininkų yra linkę naudoti senovės graikų mitologijos versiją, kurioje galingieji žemės deivės Gajos sūnūs buvo vadinami titanais. Šiai versijai pritaria ir anksčiau aptikto elemento urano pavadinimas.
Būti gamtoje
Iš metalų, kurie yra techniškai vertingi žmonėms, titanas yra ketvirtas pagal gausumą žemės plutoje. Tik geležis, magnis ir aliuminis pasižymi dideliu procentu gamtoje. Daugiausia titano yra baz alto apvalkale, šiek tiek mažiau – granito sluoksnyje. Jūros vandenyje šios medžiagos yra mažai - maždaug 0,001 mg / l. Cheminis elementas titanas yra gana aktyvus, todėl jo negalima rasti gryno pavidalo. Dažniausiai jo yra junginiuose su deguonimi, o jo valentingumas yra keturi. Titano turinčių mineralų skaičius svyruoja nuo 63 iki 75 (įvairiuose š altiniuose), o dabartiniame tyrimų etape mokslininkai ir toliau atranda naujas jo junginių formas. Praktiniam naudojimui didžiausią reikšmę turi šie mineralai:
- Ilmenite (FeTiO3).
- Rutilas (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskitas (CaTiO3).
- Titanomagnetitas (FeTiO3+Fe3O4) ir kt.
Visos esamos titano turinčios rūdos yra suskirstytos įaliuvinis ir bazinis. Šis elementas yra silpnas migrantas, gali keliauti tik uolienų fragmentų arba judančių dumbluotų dugno uolienų pavidalu. Biosferoje didžiausias titano kiekis randamas dumbliuose. Sausumos faunos atstovuose elementas kaupiasi raginiuose audiniuose, plaukuose. Žmogaus organizmui būdingas titano buvimas blužnyje, antinksčiuose, placentoje, skydliaukėje.
Fizikinės savybės
Titanas yra sidabriškai b altos spalvos spalvotasis metalas, kuris atrodo kaip plienas. Esant 0 0C temperatūrai, jo tankis yra 4,517 g/cm3. Medžiaga turi mažą savitąjį svorį, būdingą šarminiams metalams (kadmiui, natriui, ličiui, ceziui). Pagal tankį titanas užima tarpinę padėtį tarp geležies ir aliuminio, o jo našumas yra didesnis nei abiejų elementų. Pagrindinės metalų savybės, į kurias atsižvelgiama nustatant jų taikymo sritį, yra takumo riba ir kietumas. Titanas yra 12 kartų stipresnis už aliuminį, 4 kartus stipresnis už geležį ir varį, tuo pačiu yra daug lengvesnis. Grynos medžiagos plastiškumas ir takumo riba leidžia apdoroti žemoje ir aukštoje temperatūroje, kaip ir kitus metalus, t.y. kniedijant, kaliant, virinant, valcuojant. Išskirtinė titano savybė yra mažas šilumos ir elektros laidumas, o šios savybės išsaugomos aukštesnėje temperatūroje, iki 500 0С. Magnetiniame lauke titanas yra paramagnetinis elementas, tai nėratraukia kaip geležis ir neišstumia kaip varis. Labai aukštas antikorozinis veikimas agresyvioje aplinkoje ir esant mechaniniam įtempimui yra unikalus. Daugiau nei 10 metų buvimo jūros vandenyje nepakeitė titano plokštės išvaizdos ir sudėties. Šiuo atveju geležis būtų visiškai sunaikinta dėl korozijos.
Titano termodinaminės savybės
- Tankis (įprastomis sąlygomis) yra 4,54 g/cm3.
- Atominis skaičius yra 22.
- Metalinė grupė – ugniai atspari, lengva.
- Titano atominė masė yra 47,0.
- Virimo temperatūra (0С) – 3260.
- Molinis tūris cm3/mol – 10, 6.
- Titano lydymosi temperatūra (0С) – 1668.
- Savoji garavimo šiluma (kJ/mol) – 422, 6.
- Elektros varža (esant 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Cheminės savybės
Padidėjęs elemento atsparumas korozijai atsiranda dėl to, kad ant paviršiaus susidaro nedidelė oksido plėvelė. Jis užkerta kelią (normaliomis sąlygomis) cheminėms reakcijoms su dujomis (deguoniu, vandeniliu) supančioje elemento, pavyzdžiui, titano, atmosferoje. Jo savybės keičiasi veikiant temperatūrai. Kai jis pakyla iki 600 0С, įvyksta sąveikos reakcija su deguonimi, dėl kurios susidaro titano oksidas (TiO2). Sugeriant atmosferos dujas, susidaro trapūs junginiai, kurie praktiškai neturi pritaikymo, todėl titano suvirinimas ir lydymas vyksta vakuumo sąlygomis. grįžtama reakcijayra vandenilio tirpimo metale procesas, jis aktyviau vyksta kylant temperatūrai (nuo 400 0С ir aukštesnė). Titanas, ypač mažos jo dalelės (plona plokštelė ar viela), dega azoto atmosferoje. Cheminė sąveikos reakcija galima tik 700 0С temperatūroje, todėl susidaro TiN nitridas. Sudaro labai kietus lydinius su daugeliu metalų, dažnai kaip legiravimo elementą. Jis reaguoja su halogenais (chromu, bromu, jodu) tik esant katalizatoriui (aukštai temperatūrai) ir sąveikaujant su sausa medžiaga. Tokiu atveju susidaro labai kieti ugniai atsparūs lydiniai. Daugumos šarmų ir rūgščių tirpaluose titanas yra chemiškai neaktyvus, išskyrus koncentruotą sieros rūgštį (ilgai verdant), vandenilio fluoridą, karštą organinę (skruzdžių, oksalo rūgštį).
Indėliai
Ilmenito rūdos yra labiausiai paplitusios gamtoje – jų atsargos vertinamos 800 mln. tonų. Rutilo telkinių telkiniai kur kas kuklesni, tačiau bendra apimtis – išlaikant gamybos augimą – turėtų aprūpinti žmoniją ateinančius 120 metų tokiu metalu kaip titanas. Gatavo produkto kaina priklausys nuo paklausos ir pagaminamumo lygio padidėjimo, tačiau vidutiniškai ji svyruoja nuo 1200 iki 1800 rublių/kg. Nuolatinio techninio tobulinimo sąlygomis, laiku juos modernizavus, ženkliai sumažėja visų gamybos procesų savikaina. Didžiausias titano rūdos, taip pat mineralų, atsargas turi Kinija ir RusijaŽaliavų bazę turi Japonija, Pietų Afrika, Australija, Kazachstanas, Indija, Pietų Korėja, Ukraina, Ceilonas. Nuosėdos skiriasi gamybos apimtimi ir titano procentine dalimi rūdoje, vyksta geologiniai tyrimai, leidžiantys daryti prielaidą metalo rinkos vertės mažėjimui ir platesniam panaudojimui. Rusija yra didžiausia titano gamintoja.
Gauti
Titano gamybai dažniausiai naudojamas titano dioksidas, kuriame yra minimalus priemaišų kiekis. Jis gaunamas sodrinant ilmenito koncentratus arba rutilo rūdas. Elektrinėje lankinėje krosnyje vyksta terminis rūdos apdorojimas, lydimas geležies atskyrimo ir šlako, turinčio titano oksido, susidarymo. Frakcijai be geležies apdoroti naudojamas sulfato arba chlorido metodas. Titano oksidas yra pilki milteliai (žr. nuotrauką). Titano metalas gaunamas apdorojant jį etapais.
Pirmasis etapas yra šlako sukepinimo su koksu ir chloro garų poveikio procesas. Susidaręs TiCl4 sumažinamas magniu arba natriu, kai jis veikiamas 850 0C temperatūroje. Titano kempinė (akyta lydyta masė), gauta cheminės reakcijos metu, yra gryninama arba išlydoma į luitus. Priklausomai nuo tolimesnės naudojimo krypties, susidaro lydinys arba grynas metalas (nešvarumai pašalinami kaitinant iki 1000 0С). Gaminant medžiagą, kurioje priemaišų kiekis yra 0,01%, naudojamas jodido metodas. Jis pagrįstas procesuišgarinimas iš titano kempinės, iš anksto apdorotos halogenu, jos garai.
Taikymo sritys
Titano lydymosi temperatūra yra gana aukšta, o tai, atsižvelgiant į metalo lengvumą, yra neįkainojamas privalumas naudojant jį kaip konstrukcinę medžiagą. Todėl jis yra labiausiai pritaikytas laivų statyboje, aviacijos pramonėje, raketų gamyboje ir chemijos pramonėje. Titanas gana dažnai naudojamas kaip legiravimo priedas įvairiuose lydiniuose, kurie turi padidintą kietumą ir atsparumą karščiui. Aukštos antikorozinės savybės ir gebėjimas atlaikyti daugumą agresyvios aplinkos daro šį metalą nepakeičiamu chemijos pramonėje. Iš titano (jo lydinių) gaminami vamzdynai, rezervuarai, vožtuvai, filtrai, naudojami rūgščių ir kitų chemiškai aktyvių medžiagų distiliavimui ir transportavimui. Jis yra paklausus kuriant įrenginius, veikiančius esant aukštai temperatūrai. Iš titano junginių gaminami patvarūs pjovimo įrankiai, dažai, plastikai ir popierius, chirurginiai instrumentai, implantai, papuošalai, apdailos medžiagos, naudojami maisto pramonėje. Visas kryptis sunku apibūdinti. Šiuolaikinė medicina dėl visiško biologinio saugumo dažnai naudoja titano metalą. Kaina yra vienintelis veiksnys, kuris iki šiol turi įtakos šio elemento taikymo sričiai. Galima sakyti, kad titanas yra ateities medžiaga, kurią tiriant žmonija praeisį naują vystymosi etapą.
