Titaan, milliseid metalli omadusi. Titaani kui metalli omadused, millel on suurepärane korrosioonikindlus. Üks kõvemaid metalle on kroom.

Titaan (Ti), Ti, on D. I. Mendelejevi perioodiliste elementide süsteemi IV rühma keemiline element. Seerianumber 22, aatommass 47,90. Koosneb viiest stabiilsest isotoobist; saadi ka kunstlikult radioaktiivseid isotoope.

Inglise keemik W. Gregor leidis 1791. aastal Menacani linnast (Inglismaa, Cornwall) liivast uue "maa", mille ta nimetas menacanovaks. 1795. aastal avastas saksa keemik M. Clairot rutiilsest mineraalist seni tundmatu maa, mille metalli ta nimetas Titaniks [kreeka keeles. mütoloogia, titaanid on Uraani (taevas) ja Gaia (maa) lapsed. 1797. aastal tõestas Klaprot selle maa identiteeti avastatud W. Gregoriga. Puhta titaani eraldas 1910. aastal Ameerika keemik Hunter, titaantetrakloriidi redutseerimisel naatriumiga rauapommis.

Looduses olemine

Titaan on looduses üks levinumaid elemente, selle sisaldus maakoores on 0,6% (mass). See esineb peamiselt TiO 2 dioksiidi või selle ühendite - titanaatide kujul. Mineraale, sealhulgas titaani, on teada üle 60. Seda leidub ka pinnases, looma- ja taimorganismides. IlmeniitFeTiO 3 ja rutiilTiO 2 on titaani tootmise peamine tooraine. Titaani allikana on sulatamisel tekkiv räbu muutumas üha olulisemaks titaanmagnetiididja ilmeniit.

Füüsikalised ja keemilised omadused

Titaan on kahes olekus: amorfne - tumehall pulber, tihedus 3,392-3,395 g / cm3 ja kristalne, tihedus 4,5 g / cm3. Kristallilise titaani puhul on teada kaks modifikatsiooni, mille üleminekupunkt on 885 ° (stabiilne kuusnurkne kuju alla 885 °, kuupmeeter ülal); t ° pl umbes 1680 °; t ° pallid üle 3000 °. Titaan absorbeerib aktiivselt gaase (vesinikku, hapnikku, lämmastikku), mis muudab selle väga habras. Tehnilist metalli saab kuumtöödelda. Täiesti puhast metalli saab valtsida külmas. Tavalise temperatuuri õhus titaan ei muutu, kuumutamisel moodustab segu Ti203-oksiidi ja TiN-nitriidi. Punase kuuma ajal hapnikuvoos oksüdeerub see TiO 2 dioksiidiks. Kõrgetel temperatuuridel reageerib see süsiniku, räni, fosfori, väävliga jne. See on vastupidav mereveele, lämmastikhappele, märg kloorile, orgaanilistele hapetele ja tugevatele leelistele. See lahustub väävel-, vesinikkloriid- ja vesinikfluoriidhapetes, kõige paremini HF ja HNO 3 segus. Hapetele oksüdeeriva aine lisamine kaitseb metalli toatemperatuuril korrosiooni eest. Tetravalentsed titaanihalogeniidid, välja arvatud TiCl4, on kristalsed kehad, mis on vesilahuses sulanduvad ja lenduvad, on hüdraliseeritud, altid moodustama keerulisi ühendeid, millest kaaliumfluorotitanaat K 2 TiF 6 on oluline tehnoloogia ja analüütilises praktikas. Karbiid TiC ja nitriid TiN on metallisarnased ained, mis on väga kõvad (titaankarbiid kõvemad kui karborund), tulekindlad (TiC, t ° pl \u003d 3140 °; TiN, t ° pl \u003d 3200 °) ja hea elektrijuhtivusega.

Keemiline element nr 22. Titaan.

Titaani elektrooniline valem on järgmine: 1s 2 | 2s 2 2p 6 | 3s 2 3p 6 3d 2 | 4s 2.

Titaani järjekorranumber keemiliste elementide perioodilises süsteemis Mendelejev - 22. Elemendi number näitab õuelaengut, seetõttu on titaani südamiku laeng +22, tuuma mass on 47,87. Titaan on neljandas perioodis, alagrupis. Perioodi number näitab elektrooniliste kihtide arvu. Rühma number tähistab valentselektronite arvu. Alarühm näitab, et titaan on d-element.

Titaanil on kaks valentselektroni välimise kihi s-orbitaalidel ja kaks valentselektroni välimise kihi d-orbitaalidel.

Iga valentselektroni kvantarvud:

4s4s 3d

Koos halogeenide ja vesinikuga moodustavad Ti (IV) ühendid kujul TiX4, millel on sp3 → q4 hübridisatsiooni tüüp.

Titaan on metall. See on d-rühma esimene element. Kõige stabiilsem ja tavalisem on Ti +4. Leidub ka madalama oksüdeerumisastmega ühendeid - Ti 0, Ti -1, Ti + 2, Ti +3, kuid need ühendid oksüdeeruvad kergesti õhu, vee või muude Ti + 4 reagentide abil. Nelja elektroni eraldamine nõuab suuri energiakulu, seetõttu Ti + 4 iooni tegelikult ei eksisteeri ja Ti (IV) ühendid sisaldavad tavaliselt kovalentseid sidemeid.Ti (IV) on mõnes mõttes sarnane –Si, Ge, Sn ja Pb elementidega, eriti Sn-ga.

Igavene, salapärane, kosmiline - kõik need ja paljud teised epiteedid on erinevates allikates määratud titaaniks. Selle metalli avastamise ajalugu polnud triviaalne: samal ajal töötasid mitmed teadlased elemendi puhtal kujul isoleerimisega. Füüsikaliste, keemiliste omaduste uurimise protsess ja selle rakendusalade määramine tänapäeval. Titaan on tuleviku metall, selle koht inimelus pole veel lõplikult kindlaks tehtud, mis annab tänapäevastele uurijatele tohutu ruumi loovuse ja teadusuuringute jaoks.

Funktsioon

Keemiline element on D. I. Mendelejevi perioodilises tabelis tähistatud sümboliga Ti. See asub neljanda perioodi IV rühma külgmises alarühmas ja seerianumbriga 22. Titaan on valge-hõbedane metall, kerge ja vastupidav. Aatomi elektroonilisel konfiguratsioonil on järgmine struktuur: +22) 2) 8) 10) 2, 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 2 4S 2. Vastavalt sellele on titaanil mitu võimalikku oksüdatsiooni: 2, 3, 4, kõige stabiilsemates ühendites on see tetravalentne.

Kas titaan on sulam või metall?

See küsimus huvitab paljusid. 1910. aastal sai Ameerika keemik Hunter esimest korda puhast titaani. Metall sisaldas ainult 1% lisandeid, kuid samal ajal oli selle kogus tähtsusetu ja see ei võimaldanud selle omadusi täiendavalt uurida. Saadud aine plastilisus saavutati ainult kõrgete temperatuuride mõjul; normaalsetes tingimustes (toatemperatuur) oli proov liiga habras. Tegelikult see element teadlasi ei huvitanud, kuna selle kasutamise väljavaated tundusid liiga ebamäärased. Hanke ja uurimistöö keerukus on selle rakendamise võimalusi veelgi vähendanud. Alles 1925. aastal said Hollandi keemikud I. de Boer ja A. Van Arkel titaanmetalli, mille omadused äratasid inseneride ja disainerite tähelepanu kogu maailmas. Selle elemendi uurimise ajalugu algab aastast 1790, just sel ajal avastasid kaks teadlast titaan keemilise elemendina, paralleelselt üksteisest sõltumatult. Igaüks neist saab aine ühendi (oksiidi), mis ei võimalda metalli puhtal kujul isoleerida. Titaani avastajaks peetakse inglise mineraalide munki William Gregorit. Oma kihelkonna territooriumil, mis asub Inglismaa edelaosas, asus noor teadlane uurima Menakeni oru musta liiva. Selle tulemuseks oli säravate terade vabanemine, mis olid titaani ühend. Samal ajal isoleeris keemik Martin Heinrich Klaproth rutiilsest mineraalist uut ainet. Aastal 1797 tõestas ta, et paralleelselt avatud elemendid on sarnased. Titaandioksiid on olnud enam kui sajandi saladuseks paljudele keemikutele; isegi Berzelius ei suutnud puhast metalli saada. XX sajandi uusimad tehnoloogiad kiirendasid nimetatud elemendi uurimist märkimisväärselt ja määrasid selle kasutamise algsed suunad. Samal ajal laieneb reguleerimisala pidevalt. Ainult sellise aine nagu puhta titaani saamise protsessi keerukus võib selle ulatust piirata. Sulamite ja metalli hind on üsna kõrge, nii et tänapäeval ei saa see traditsioonilist rauda ja alumiiniumi välja tõrjuda.

Nimi päritolu

Menakin on titaani eesnimi, mida kasutati kuni 1795. aastani. Täpselt nii nimetas territoriaalset kuuluvust W. Gregor uueks elemendiks. Martin Klaprot omistab elemendile 1797. aastal nime "titaan". Sel ajal tegid tema prantsuse kolleegid, keda juhtis üsna mainekas keemik A. L. Lavoisier, ettepaneku nimetada äsja avastatud ained vastavalt nende põhilistele omadustele. Saksa teadlane selle lähenemisviisiga ei nõustunud, uskus põhjendatult, et avastusetapis on üsna keeruline kindlaks teha kõik ainele omased omadused ja kajastada neid nimes. Siiski tuleks tunnistada, et Klaprot intuitiivselt valitud mõiste vastab täielikult metallile - seda on tänapäevased teadlased korduvalt rõhutanud. Titaani nime päritolu kohta on kaks peamist teooriat. Seda metalli võiks nii nimetada päkapiku kuninganna Titania (saksa mütoloogia tegelane) auks. See nimi sümboliseerib nii aine kergust kui ka tugevust. Enamik teadlasi kaldub antiik-Kreeka mütoloogia kasutamise versioonile, milles titaanid nimetasid Gaia maajumalanna vägevaid poegi. Selle versiooni kasuks räägib ka varem avastatud elemendi nimi uraan.

Looduses olemine

Inimestele tehniliselt väärtuslikest metallidest on titaan maapõue arvukalt neljas. Ainult rauda, \u200b\u200bmagneesiumi ja alumiiniumi iseloomustab looduses suur protsent. Suurimat titaani sisaldust täheldati basaltikoores, pisut vähem kui graniidikihis. Merevees on selle aine sisaldus madal - umbes 0,001 mg / l. Keemiline element titaan on üsna aktiivne, nii et puhtal kujul pole seda võimalik täita. Kõige sagedamini esineb see hapnikuühendites, valentsus on aga neli. Titaani sisaldavate mineraalide hulk varieerub 63 kuni 75 (erinevates allikates), samal ajal kui teadusuuringute praeguses etapis jätkavad teadlased selle ühendite uute vormide avastamist. Järgmised mineraalid on praktilises kasutuses kõige olulisemad:

1. Ilmeniit (FeTiO 3).
2. Rutiil (TiO 2).
3. Titanite (CaTiSiO 5).
4. Perovskite (CaTiO 3).
5. Titanomagnetite (FeTiO 3 + Fe 3 O 4) jne.

Kõik olemasolevad titaani sisaldavad maagid jagunevad platser- ja aluseliseks. See element on nõrk rändaja, see võib liikuda ainult purustatud kivimite või siidiste põhjakivimite liikumisel. Biosfääris leidub vetikates kõige rohkem titaani. Maapealse loomastiku esindajates koguneb element sarvkudedesse ja juustesse. Inimese keha iseloomustab titaani olemasolu põrnas, neerupealistes, platsenta, kilpnäärmes.

Füüsikalised omadused

Titaan on värviline metall, millel on hõbevalge värv, mis näeb välja nagu teras. Temperatuuril 0 ° C on selle tihedus 4,517 g / cm3. Aine erikaal on madal, mis on tüüpiline leelismetallide (kaadmium, naatrium, liitium, tseesium) jaoks. Tiheduse osas hõivab titaan raua ja alumiiniumi vahepealse positsiooni, samas kui selle tööomadused on kõrgemad kui mõlemal elemendil. Metallide peamised omadused, mida võetakse arvesse nende rakendusala määramisel, on kõvadus. Titaan on 12 korda tugevam kui alumiinium, raud ja vask neli korda tugevam, samas kui see on palju kergem. Plastilisus ja selle voolavusjõud võimaldavad töötlemist madalatel ja kõrgetel temperatuuridel, nagu teiste metallide puhul, st needimise, sepistamise, keevitamise ja valtsimisega. Titaani eripäraks on selle madal soojus- ja elektrijuhtivus, samas kui need omadused säilivad kõrgendatud temperatuuridel, kuni 500 0 C. Magnetväljas on titaan paramagnetiline element, see ei tõmbu ligi nagu raud ja pole välja surutud nagu vask. Väga kõrge korrosioonitõrjevõime agressiivses keskkonnas ja mehaanilise koormuse ajal on ainulaadne. Rohkem kui 10 aastat merevees pole titaanplaadi välimust ja koostist muutnud. Raud häviks sel juhul täielikult korrosiooni tagajärjel.

Titaani termodünaamilised omadused

1. Tihedus (normaaltingimustes) on 4,54 g / cm3.
2. Aatominumber on 22.
3. Metallide rühm - tulekindel, kerge.
4. Titaani aatommass on 47,0.
5. Keemispunkt (0 С) - 3260.
6. Molaarmaht cm 3 / mol on 10,6.
7. Titaani (0 ° C) sulamistemperatuur on 1668.
8. Aurustumissoojus (kJ / mol) on 422,6.
9. Elektritakistus (temperatuuril 20 0 С) oom * cm * 10 -6 - 45.

Keemilised omadused

Elemendi suurenenud korrosioonikindlus on seletatav väikese oksiidkile moodustumisega pinnale. See hoiab ära (normaaltingimustes) gaaside (hapniku, vesiniku) tekke ümbritsevas atmosfääris nagu titaanmetall. Selle omadused muutuvad temperatuuri mõjul. Kui see tõstetakse temperatuurini 600 ° C, toimub koostoime reaktsioon hapnikuga, mille tulemusel moodustub titaanoksiid (TiO2). Atmosfääri gaaside neeldumise korral moodustuvad haprad ühendid, millel pole praktilist rakendust, mistõttu keevitatakse ja sulatatakse titaan vaakumis. Pööratav reaktsioon on vesiniku lahustumine metallis; see toimub temperatuuri tõustes (alates 400 ° C ja kõrgem) aktiivsemalt. Titaan, eriti selle väikesed osakesed (õhuke plaat või traat), põleb lämmastiku atmosfääris. Keemiline reaktsioon on võimalik ainult temperatuuril 700 ° C, mille tulemusel moodustub TiN-nitriid. Paljude metallidega moodustab see väga kõvasulameid, sageli legeerivat elementi. See reageerib halogeenidega (kroom, broom, jood) ainult katalüsaatori juuresolekul (kõrge temperatuur) ja koostoimega kuivainega. Sel juhul moodustuvad väga kõvad tulekindlad sulamid. Enamike leeliste ja hapete lahustega ei ole titaan keemiliselt aktiivne, välja arvatud kontsentreeritud väävel (pikaajalise keemisega), vesinikfluoriid- ja kuum orgaaniline (sipelg, oblik).

Hoiused

Looduses on kõige levinumad ilmeniidimaagid - nende varud on hinnanguliselt 800 miljonit tonni. Rutiili hoiuste hoiused on palju tagasihoidlikumad, kuid kogumaht - säilitades samal ajal tootmise kasvu - peaks inimkonnale järgmiseks 120 aastaks andma sellise metalli nagu titaan. Valmistoote hind sõltub nõudlusest ja valmistatavuse taseme tõusust, kuid keskmiselt varieerub see vahemikus 1200 kuni 1800 rubla / kg. Pideva tehnilise täiustamise tingimustes vähenevad nende õigeaegse moderniseerimisega kõigi tootmisprotsesside kulud. Suurimad varud on Hiinas ja Venemaal ning maavarade baasil on ka Jaapanil, Lõuna-Aafrikas, Austraalias, Kasahstanis, Indias, Lõuna-Koreas, Ukrainas ja Tseilonis. Hoiuseid eristatakse tootmismahtude ja titaani protsendi järgi maagis, geoloogilised uuringud jätkuvad pidevalt, mis võimaldab oletada metalli turuväärtuse langust ja selle laiemat kasutamist. Venemaa on vaieldamatult suurim titaanitootja.

Saamine

Titaani tootmiseks kasutatakse kõige sagedamini selle dioksiidi, mis sisaldab minimaalselt lisandeid. Seda saadakse ilmeniidikontsentraatide või rutiilimaakide rikastamisel. Elektrikaarahjus kuumutatakse maagi kuumutamist, millega kaasneb raua eraldamine ja titaanoksiidi sisaldava räbu moodustumine. Raudvaba fraktsiooni töötlemiseks kasutatakse sulfaadi või kloriidi meetodit. Titaanoksiid on hall pulber (vt fotot). Titaanmetall saadakse etapiviisilise töötlemise teel.

Esimene etapp on räbu paagutamine koksiga ja kokkupuude kloori auruga. Saadud TiCl4 redutseeritakse temperatuuril 850 ° C magneesiumi või naatriumiga. Keemilise reaktsiooni tulemusel saadud titaankäsna (poorne sulatatud mass) rafineeritakse või sulatatakse valuplokkideks. Sõltuvalt edasisest kasutamissuunast moodustatakse sulam või metall puhtal kujul (lisandid eemaldatakse kuumutamisel temperatuurini 1000 ° C). Ainete tootmiseks, mille lisandite osakaal on 0,01%, kasutatakse jodiidi meetodit. See põhineb aurustumisprotsessil titaankäsnadest, mida on eelnevalt töödeldud halogeeniga.

Kasutusalad

Titaani sulamistemperatuur on piisavalt kõrge, mis metalli kerguse juures on hindamatu eelis selle kasutamisel konstruktsioonimaterjalina. Seetõttu leiab see kõige suuremat rakendust laevaehituses, lennunduses, rakettide valmistamisel ja keemiatööstuses. Titaani kasutatakse sageli legeeriva lisandina erinevates sulamites, millel on kõrge karedus ja kuumuskindlus. Kõrged korrosioonivastased omadused ja võime taluda kõige agressiivsemat keskkonda muudavad selle metalli keemiatööstuses asendamatuks. Hapete ja muude keemiliselt aktiivsete ainete destilleerimisel ja transportimisel kasutatavad torustikud, mahutid, ventiilid, filtrid on valmistatud titaanist (selle sulamid). See on nõudlik kõrge temperatuurinäitajate tingimustes töötavate seadmete loomisel. Titaaniühendeid kasutatakse vastupidavate lõikeriistade, värvide, plasti ja paberi, kirurgiliste instrumentide, implantaatide, ehete, dekoratsioonimaterjalide tootmiseks ning neid kasutatakse toiduainetööstuses. Kõiki suundi on raske kirjeldada. Nende täieliku bioloogilise ohutuse tõttu kasutab kaasaegne meditsiin sageli titaanmetalli. Hind on ainus tegur, mis siiani selle elemendi rakendusala mõjutab. On tõsi, et titaan on tuleviku materjal, uurides, mille abil inimkond siirdub uude arengujärku.

  Titaan - perioodilise tabeli 4. perioodi IV rühma keemiline element, aatomnumber 22; tugev ja kerge metall hõbevalge. See eksisteerib järgmiste kristalliliste modifikatsioonidena: α-Ti koos kuusnurkse tihedalt pakitud võrega ja β-Ti kuupmeetrise kehakeskse pakendiga.

Titaan sai inimesele teada alles umbes 200 aastat tagasi. Tema avastuse lugu on seotud saksa keemiku Klaprothi ja Inglise amatööriuurija McGregori nimedega. 1825. aastal eraldas I. Berzelius esimesena puhta metallilise titaani, kuid kuni 20. sajandini peeti seda metalli haruldaseks ja seetõttu praktiliseks kasutamiseks kõlbmatuks.

Kuid meie aja järgi on kindlaks tehtud, et levimuse osas hõivab titaan teiste keemiliste elementide hulgas üheksandat kohta ja selle massifraktsioon maapõues on 0,6%. Titaani leidub paljudes mineraalides, mille varusid hinnatakse sadadesse tuhandetesse tonnidesse. Titaani maakide olulised maardlad asuvad Venemaal, Norras, USA-s, Lõuna-Aafrikas ja titaani sisaldava liiva lahtised paigaldajad asuvad Austraalias, Brasiilias ja Indias.

Titaan on hõbevalge värvusega kerge ja kõrgtugev metall, sulamistemperatuur 1660 ± 20 ° C, keemistemperatuur 3260 ° C, kahe modifikatsiooni tihedus ja vastavalt α-Ti - 4,505 (20 ° C) ja β-Ti - 4,32 (900 ° C). g / cm3. Titaani iseloomustab kõrge mehaaniline tugevus, mis püsib isegi kõrgetel temperatuuridel. Sellel on kõrge viskoossus, mille töötlemiseks on vaja lõikeriista spetsiaalseid katteid.

Tavalise temperatuuri korral kaetakse titaani pind passiivse oksiidkilega, mis muudab titaani korrosioonikindlaks enamikus keskkondades (välja arvatud aluseline). Titaanilaastud on tuleohtlikud ja titaanitolm on plahvatusohtlik.

Titaan ei lahustu paljude hapete ja leeliste (va vesinikfluoriid-, fosfor- ja kontsentreeritud väävelhapete) lahjendatud lahustes, kuid kompleksi moodustavate ainete juuresolekul reageerib see kergesti isegi nõrkade hapetega.

Õhus kuumutamisel temperatuurini 1200 ° C süttib titaan, moodustades muutuva koostisega oksiidifaase. Titaanhüdroksiid sadestub titaanisoolade lahustest, mille kaltsineerimine võimaldab saada titaandioksiidi.

Kuumutamisel interakteerub titaan ka halogeenidega. Eelkõige annab see titaantetrakloriidi. Titaantetrakloriidi redutseerimisega alumiiniumi, räni, vesiniku ja mõnede muude redutseerivate ainetega saadakse titaantrikloriid ja dikloriid. Titaan interakteerub broomi ja joodiga.

Temperatuuril üle 400 ° C reageerib titaan lämmastikuga, moodustades titaannitriidi. Titaan interakteerub ka süsinikuga, moodustades titaankarbiidi. Kuumutamisel neelab titaan vesinikku ja moodustub titaanhüdriid, mis laguneb vesiniku korduval eraldumisel.

Kõige sagedamini toimib titaani tootmisel lähtematerjalina väikese koguse lisanditega titaandioksiid. Selleks võib olla kas titaani räbu, mis saadakse ilmeniidikontsentraatide töötlemisel, või rutiilkontsentraat, mis saadakse titaanimaakide rikastamisel.

Titaanimaagi kontsentraat töödeldakse pürometallurgia või väävelhappega. Väävelhappe töötlemise produkt on titaandioksiidi pulber. Pürometallurgilise meetodi abil paagutatakse maagi koksiga ja töödeldakse klooriga, et saada titaantetrakloriidi aurud, mida seejärel redutseeritakse magneesiumiga temperatuuril 850 ° C.

Saadud titaan "käsn" sulatatakse uuesti, sula puhastatakse lisanditest. Titaani rafineerimisel kasutatakse jodiidi meetodit või elektrolüüsi. Titaani valuplokid toodetakse kaare-, plasma- või elektronkiire abil.

Suurem osa titaanitootmisest läheb lennunduse ja raketitööstuse, aga ka laevade ehituse vajadustele. Titaani kasutatakse kvaliteetsete teraste legeeriva ainena ja deoksüdeerijana.

Sellest on valmistatud mitmesugused elektriliste vaakumseadmete, kompressorite ja pumbad agressiivsete ainete pumpamiseks, keemilised reaktorid, magestamistehased ning palju muud seadmeid ja konstruktsioone. Titaan on bioloogilise kahjutuse tõttu suurepärane materjal toidu- ja meditsiinitööstuses kasutamiseks.

Inglise mineralogist U. Gregor avastas 1791. aastal oksiidi (IV) kujul oleva titaani Menakani (Inglismaa) magnetilistes raudsetes liivades; aastal 1795 leidis saksa keemik M. G. Klaprot, et rutiilne mineraal on sama metalli looduslik oksiid, mida ta nimetas "titaaniks" [Kreeka mütoloogias on titaanid Uraani (taevas) ja Gaia (maa) lapsed. Titaani puhtal kujul ei olnud pikka aega võimalik isoleerida; alles 1910. aastal sai ameerika teadlane M. A. Hunter metallist titaani, kuumutades selle kloriidi naatriumiga õhukindlas teraspommis; tema saadud metall oli plastiline ainult kõrgemal temperatuuril ja toatemperatuuril habras lisandite suure sisalduse tõttu. Võimalus uurida puhta titaani omadusi ilmus alles 1925. aastal, kui Hollandi teadlased A. Van Arkel ja I. de Boer said titaanjodiidi termilisel dissotsieerimisel kõrge puhtusastmega metalli, mis oli madalatel temperatuuridel plastiline.

Titaani levik looduses. Titaan on üks levinumaid elemente, selle keskmine sisaldus maakoores (clarke) on 0,57 massiprotsenti (struktuurmetallide hulgas on see levimuse poolest 4. kohal, saades rauda, \u200b\u200balumiiniumi ja magneesiumi). Kõige rohkem on titaan niinimetatud “basaltkesta” põhikivimites (0,9%), vähem “graniidist kesta” kivimites (0,23%) ja veelgi vähem ultrabaaskivimites (0,03%) jm. titaaniga rikastatud põhikivimite pegmatiidid, aluselised kivimid, süniidid ja nendega seotud pegmatiidid jt. Titaanist on teada 67 mineraalainet, mis on peamiselt inetu; kõige olulisemad on rutiil ja ilmeniit.

Biosfääris on titaan enamasti hajutatud. Selle merevesi sisaldab 10–7%; Titan on nõrk rändaja.

Titaani füüsikalised omadused.   Titaan eksisteerib kahe allotroopse modifikatsiooni vormis: temperatuuril alla 882,5 ° C on kuusnurkse tihedalt pakitud võrega α-vorm stabiilne (a \u003d 2,951 Å, c \u003d 4,699 Å) ja sellest temperatuurist kõrgemal on kuupkehakeskse võrega β-vorm a \u003d 3,269. Å. Lisandid ja legeerivad lisandid võivad α / β muundumise temperatuuri oluliselt muuta.

Α-vormi tihedus temperatuuril 20 ° C on 4,505 g / cm3 ja temperatuuril 870 ° C on see 4,35 g / cm3; β-vormid temperatuuril 900 ° C 4,32 g / cm3; aatomiraadius Ti 1,46 Å, ioonraadius Ti + 0,94 A, Ti 2+ 0,78 Å, Ti 3+ 0,69 Å, Ti 4+ 0,64 Å; Sulamispunkt 1668 ° C; soojusjuhtivus vahemikus 20-25 ° C 22,065 W / (m · K); temperatuuri lineaarse laienemise koefitsient 20 ° C juures 8,5 · 10–6, vahemikus 20–700 ° C 9,7 · 10–6; soojusmaht 0,523 kJ / (kg · K); elektritakistus 42,1 · 10–6 oomi · cm 20 ° C juures; elektritakistuse temperatuurikoefitsient 0,0035 temperatuuril 20 ° С; omab ülijuhtivust alla 0,38 K. Titaan on paramagneetiline, spetsiifiline magnetiline tundlikkus 3,2 · 10–6 20 ° C juures. Tõmbetugevus 256 Mn / m 2 (25,6 kgf / mm 2), venivus 72%, Brinelli karedus alla 1000 Mn / m 2 (100 kgf / mm 2). Normaalse elastsuse moodul on 108 000 Mn / m 2 (10 800 kgf / mm 2). Kõrge puhtusastmega metalli sepistamine tavalisel temperatuuril.

Tööstuses kasutatav titaan sisaldab hapniku, lämmastiku, raua, räni ja süsiniku lisandeid, mis suurendavad selle tugevust, vähendavad elastsust ja mõjutavad polümorfse muundamise temperatuuri, mis toimub vahemikus 865–920 ° С. Tehniliste titaaniklasside VT1-00 ja VT1-0 korral on tihedus umbes 4,32 g / cm 3, tõmbetugevus 300–550 Mn / m 2 (30–55 kgf / mm 2), venivus ei ole madalam kui 25%, Brinelli karedus 1150 -1650 Mn / m 2 (115-165 kgf / mm2). Ti 3d 2 4s 2 aatomi välimise elektronkesta konfiguratsioon.

Titaani keemilised omadused.   Puhas titaan on keemiliselt aktiivne siirdeelement, ühendites on selle oksüdatsiooniseisundid +4, harvemini +3 ja +2. Tavalistel temperatuuridel kuni 500–550 ° C on see korrosioonikindel, mida seletatakse õhukese, kuid tugeva oksiidkilega selle pinnal.

Temperatuuril üle 600 ° C interakteerub see atmosfääri hapnikuga TiO 2 moodustumisel. Ebapiisava määrimisega õhukesed titaanlaastud võivad töötlemise ajal süttida. Keskkonnas piisava hapnikusisalduse korral ja oksiidikile kahjustamisel löögi või hõõrdumisega võib metall süttida toatemperatuuril ja suhteliselt suurte tükkidena.

Oksiidkile ei kaitse vedelas olekus titaani edasise kokkupuute eest hapnikuga (erinevalt näiteks alumiiniumist) ning seetõttu tuleks selle sulatamine ja keevitamine läbi viia vaakumis, neutraalse gaasi atmosfääris või voo all. Titaanil on võime absorbeerida atmosfääri gaase ja vesinikku, moodustades hapraks sulameid, mis ei sobi praktiliseks kasutamiseks; aktiveeritud pinna juuresolekul imendub vesinik isegi toatemperatuuril madala kiirusega, mis tõuseb märkimisväärselt temperatuuril 400 ° C ja kõrgemal. Vesiniku lahustuvus titaanis on pöörduv ja selle gaasi saab vaakumis lõõmutades peaaegu täielikult eemaldada. Titaan reageerib lämmastikuga temperatuuril üle 700 ° C, saades TiN-tüüpi nitriide; peene pulbri või traadi kujul võib titaan põleda lämmastiku keskkonnas. Lämmastiku ja hapniku hajuvus titaanis on palju madalam kui vesinikul. Nende gaasidega interaktsiooni tulemusel saadud kihti iseloomustab suurenenud kõvadus ja rabedus ning see tuleb titaantoodete pinnalt söövitamise või mehaanilise töötlemise teel eemaldada. Titaan interakteerub tugevalt kuivade halogeenidega, see on niiskete halogeenide suhtes stabiilne, kuna niiskus on inhibiitori roll.

Metall on lämmastikhappes stabiilne (va 5% massist) väävelhappe nõrgas lahuses (välja arvatud punane suits, mis põhjustab titaani korrosioonipragunemist ja reaktsioon mõnikord plahvatab). Vesinikkloriid, vesinikfluoriid, kontsentreeritud väävel ja kuumad orgaanilised happed: oksaal-, sipelg- ja trikloroäädikhape reageerivad titaaniga.

Titaan on korrosioonikindel atmosfääriõhus, merevees ja merekeskkonnas, märjas klooris, kloorivees, kloriidide kuumades ja külmades lahustes, erinevates tehnoloogilistes lahustes ja reagentides, mida kasutatakse keemia-, nafta-, paberi- ja muudes tööstustes, samuti hüdrometallurgia valdkonnas. Titaan moodustab metallilaadsed ühendid C, B, Se, Si-ga, mida iseloomustab tulekindlus ja kõrge karedus. TiC-karbiid (sulamispunkt 3140 ° C) saadakse Ti02 segu ja tahma segu kuumutamisel vesiniku atmosfääris temperatuuril 1900-2000 ° C; TiN-nitriid (sulamispunkt 2950 ° C) - titaanipulbri kuumutamisel lämmastikus temperatuuril üle 700 ° C. Tuntakse silitsiide TiSi2, TiSi ja boride TiB, Ti2B5, TiB2. Temperatuuril 400–600 ° C imab titaan vesinikku tahkete lahuste ja hüdriidide (TiH, TiH2) moodustamiseks. Kui TiO2 sulatatakse leelistega, moodustavad titaanhapete soolad meta- ja ortotitanaate (näiteks Na2 TiO3 ja Na4 TiO4), samuti polütitanaate (näiteks Na2 Ti2O5 ja Na2 Ti 3 O 7). Titaanaadid sisaldavad titaani kõige olulisemaid mineraale, näiteks ilmeniit FeTiO 3, perovskite CaTiO 3. Kõik titanaadid lahustuvad vees vähe. Titaani (IV) oksiid, titaanhapped (sadestuvad), aga ka titanaadid lahustuvad väävelhappes, moodustades TiOSO4-titanüülsulfaati sisaldavad lahused. Lahuste lahjendamisel ja kuumutamisel hüdrolüüsi tulemusel sadestub H2 Ti03, millest saadakse titaan (IV) oksiid. Kui vesinikperoksiidi lisatakse happelistele lahustele, mis sisaldavad Ti (IV) ühendeid, moodustuvad kompositsiooni H4 TiO5 ja H4 TiO8 peroksiid (sup titaan) happed ja vastavad soolad; need ühendid on värvitud kollaseks või oranžikaspunaseks (sõltuvalt titaani kontsentratsioonist), mida kasutatakse titaani analüütiliseks määramiseks.

Titaani saamine.   Kõige tavalisem metallilise titaani valmistamise meetod on magnetotermiline meetod, see tähendab titaantetrakloriidi redutseerimine metallilise magneesiumiga (harvemini naatrium):

TiCl4 + 2Mg \u003d Ti + 2MgCl2.

Mõlemal juhul on lähteainena titaanoksiidimaagid - rutiil, ilmeniit ja teised. Ilmeniidimaakide puhul eraldatakse räbu kujul olev titaan rauast sulatades elektriahjudes. Räbu (nagu rutiil) klooritakse süsiniku juuresolekul titaantetrakloriidiks, mis pärast puhastamist siseneb neutraalse atmosfääri redutseerimisreaktorisse.

Selles protsessis saadakse titaan käsna kujul ja sulatamise järel sulatatakse see vaakum-karahjudes valuplokkideks, lisades legeerivaid lisandeid. Magnetotermiline meetod võimaldab teil luua suletud tehnoloogilise tsükliga suurt titaani tootmist, kuna taaskasutamise käigus moodustunud kõrvalprodukt, magneesiumkloriid, saadetakse elektrolüüsi magneesiumi ja kloori tootmiseks.

Mõnel juhul on titaanist ja selle sulamitest toodete valmistamiseks eelistatav kasutada pulbermetallurgia meetodeid. Eriti peenete pulbrite saamiseks (näiteks elektroonika jaoks) võib kasutada titaanoksiidi (IV) redutseerimist kaltsiumhüdriidiga.

Titaani kasutamine.   Titaani peamised eelised teiste struktuurmetallide ees: kerguse, tugevuse ja korrosioonikindluse kombinatsioon. Titaani sulamid absoluutses ja veelgi enam spetsiifilises tugevuses (st tihedusele viidates) ületavad enamikul teistel metallidel (näiteks raual või niklil) põhinevaid sulamid temperatuuril vahemikus -250 kuni 550 ° C ja nende korrosiooni osas võrreldav väärismetallide sulamitega. Titaani hakati iseseisva konstruktsioonimaterjalina kasutama alles 20. sajandi 50ndatel aastatel, kuna maagi kaevandamisel ja töötlemisel oli suuri tehnilisi raskusi (seetõttu klassifitseeriti titaan tinglikult haruldase metalli hulka). Suurem osa Titanist kulutatakse lennunduse ja raketitehnoloogia vajadustele ning laevade ehitusele. Titaani ja raua sulamid, mida nimetatakse "ferrotitaniumiks" (20-50% titaanist), kvaliteetsete teraste ja spetsiaalsete sulamite metallurgias on legeerivad ja desoksüdeerivad ained.

Tehnilist titaani kasutatakse paakide, keemiliste reaktorite, torujuhtmete, ventiilide, pumpade ja muude toodete tootmiseks, mis töötavad agressiivses keskkonnas, näiteks keemiatehnikas. Värviliste metallide hüdrometallurgia puhul kasutatakse titaanist pärit seadmeid. Selle eesmärk on katta terasetooteid. Titaani kasutamine annab paljudel juhtudel suure tehnilise ja majandusliku efekti mitte ainult tänu seadme tööea pikenemisele, vaid ka võimalusele protsesse intensiivistada (nagu näiteks nikli hüdrometallurgia puhul). Titani bioloogiline ohutus muudab selle suurepäraseks materjaliks toiduainetööstusele mõeldud seadmete tootmiseks ja rekonstrueeriva kirurgia jaoks. Sügava külma tingimustes suureneb titaani tugevus, säilitades samal ajal hea elastsuse, mis võimaldab seda kasutada krüogeense tehnoloogia struktuurimaterjalina. Titaan sobib hästi poleerimiseks, värvi anodeerimiseks ja muudeks pinnaviimistlusmeetoditeks ning läheb seetõttu mitmesuguste kunstitoodete, sealhulgas monumentaalskulptuuride valmistamiseks. Näitena võib tuua Moskvas asuva monumendi, mis on ehitatud Maa esimese tehissatelliidi käivitamise auks. Titaaniühenditest on praktiliselt olulised oksiidid, halogeniidid ja ka silikaadid, mida kasutatakse kõrgtemperatuurilises tehnoloogias; tuumaelektrijaamades moderaatoritena kasutatavad booriidid ja nende sulamid tulekindluse ja suure neutronide püüdmise ristlõike tõttu. Titaankarbiid, millel on kõrge karedus, on osa tööriista kõvasulamitest, mida kasutatakse lõikeriistade valmistamiseks, ja abrasiivmaterjalina.

Titaan (IV) oksiid ja baariumititanaat on titaankeraamika alus ja baariumititanaat on kõige olulisem ferroelektriline.

Titaan kehas.   Titaan on taimede ja loomade kudedes pidevalt olemas. Maapealsetes taimedes on selle kontsentratsioon umbes 10–4%, meres - vahemikus 1,2 · 10 -3 kuni 8 · 10 -2%, maismaaloomade kudedes - alla 2 · 10 –4%, meres - alates 2 · 10 -4 kuni 2 · 10 -2%. See koguneb selgroogsetes peamiselt sarvevormides, põrnas, neerupealistes, kilpnäärmes, platsenta; imendub seedetraktist halvasti. Inimestel on titaani päevane tarbimine koos toidu ja veega 0,85 mg; eritub uriiniga ja roojaga (vastavalt 0,33 ja 0,52 mg).

Tugevuse ja kerguse kombinatsioon ühes aines on nii väärtuslik parameeter, et materjali muid omadusi ja omadusi saab täielikult eirata. see on kallis, vastupidav temperatuuridele ainult ülipuhtas vormis, raskesti kasutatav, kuid see kõik on teisejärguline võrreldes väikese raskuse ja suure tugevusega.

See artikkel räägib teile titaani kasutamisest sõjalises lennunduses, tööstuses, meditsiinis, õhusõidukite tootmisel, ehete, titaanisulamite tootmiseks ja koduseks kasutamiseks.

Metalli kasutusala oleks palju laiem, kui selle tootmine poleks kõrge hind. Seetõttu kasutatakse titaani ainult piirkondades, kus sellise kalli aine kasutamine on majanduslikult õigustatud. Rakendus pole mitte ainult tugevus ja kergus, vaid ka korrosioonikindlus, mis on võrreldav väärismetallide vastupidavuse ja vastupidavusega.

Metalli omadused sõltuvad ebatavaliselt tugevalt puhtusest, seetõttu peetakse tehnilise ja puhta titaani kasutamist kaheks eraldi teemaks.

Selle video omadustest, mille tõttu titaani tööstuses nii laialt kasutatakse, räägitakse sellest videost:

Tehniline metall

Tehniline titaan võib sisaldada mitmesuguseid lisandeid, mis ei mõjuta aine keemilisi omadusi, kuid avaldavad mõju füüsikalistele omadustele. Tehniline titaan kaotab sellise väärtusliku kvaliteedi nagu kuumakindlus ja võime töötada temperatuuril üle 500–600 C. Kuid selle korrosioonikindlus ei vähene.

• Selle põhjuseks on selle kasutamine keemiatööstuses ja muudes valdkondades, kus on vaja tagada toodete vastupidavus agressiivses keskkonnas. Mahutid, liitmikud, reaktorite osad, torustikud ja pumbad, mille eesmärk on anorgaaniliste ja orgaaniliste hapete ja aluste liikumine, on valmistatud titaanist. Enamasti on titaanisulamitel samad omadused.
• Kerge kaal koos korrosioonikindlusega pakub veel ühe rakenduse - transpordivahendite, eriti raudteetranspordi tootmisel. Titaanplekkide ja -varraste kasutamine vagunite ja rongide tootmisel võib vähendada rongide massi ja seetõttu vähendada teljekastide ja kaelade suurust, muutes veojõu efektiivsemaks.

Tavalistes autodes on heitgaasisüsteemid ja vedrud valmistatud titaanist. Võistlusautodes võivad titaanjuhtimisüksused autot märkimisväärselt kergendada ja selle omadusi parandada.

• Titaan on soomussõidukite tootmisel hädavajalik: just siin on tugevuse ja kerguse kombinatsioon ülioluline.
• Suur korrosioonikindlus ja kergus muudavad materjali mereväe asjade jaoks atraktiivseks. Titaanit kasutatakse õhukese seinaga torude ja soojusvahetite, allveelaevade heitgaasisummutite, ventiilide, propellerite, turbiinide elementide ja nii edasi tootmiseks.

Titaanist tooted (foto)

Puhas metall

Puhtal metallil on väga kõrge kuumuskindlus, võime töötada suure koormuse ja kõrge temperatuuri tingimustes. Ja arvestades selle väikest kaalu, on metalli kasutamine rakettide ja lennukite ehitamisel ilmne.

• Kinnitusdetailid, fassaadid, šassiiosad, toiteplokid jms on valmistatud metallist ja selle sulamitest. Lisaks kasutatakse seda materjali lennukimootorite projekteerimisel, mis vähendab nende kaalu 10–25%.
• Raketid, läbides atmosfääri tihedaid kihte, kogevad koletuid koormusi. Titaani ja selle sulamite kasutamine võimaldab lahendada aparaadi staatilise vastupidavuse, väsimustugevuse ja mingil määral ka libisemise probleemi.
• Puhta titaani teine \u200b\u200brakendus on elektriliste vaakumseadmete osade tootmine, mis on ette nähtud tööks ülekoormuse tingimustes.
• Metall on krüogeense tehnoloogia tootmisel asendamatu: temperatuuri tõusuga titaani tugevus ainult suureneb, kuid samal ajal säilib teatav plastilisus.
• Titaan on võib-olla bioloogiliselt kõige inertsem aine. Kaubanduslikult puhast metalli kasutatakse igat tüüpi välis- ja siseproteeside tootmiseks kuni südameventiilideni. Titaan sobib bioloogilise koega ja ei ole põhjustanud allergiat. Lisaks kasutatakse seda materjali kirurgiliste instrumentide, ratastoolide, jalutuskärude ja nii edasi.

Kuid kogu vastupidavuse suhtes temperatuurile ja vastupidavusele ei kasutata metalli laagrite, pukside ja muude osade tootmisel, kus eeldatakse hõõrdumist. Titaanil on madalad hõõrdumisvastased omadused ja lisaainete abil seda probleemi ei lahendata.

Titaan on hästi poleeritud, anodeeritud - anodeeritud värviga, seetõttu kasutatakse seda sageli kunstiteostes ja arhitektuuris. Näitena võib tuua maa esimese kunstliku satelliidi monumendi või monumendi. Juri Gagarin.

Titaantoodete märgistamise, selle kasutamise juhiste ja muude metalli ehituses kasutamise oluliste punktide kohta kirjeldame allpool.

Allolevas videos on näidatud andooniumi titaanprotsess:

Selle kasutamine ehituses

Muidugi kasutatakse lõviosa titaanist lennukitööstuses ja transporditööstuses, kus tugevuse ja kerguse kombinatsioon on eriti oluline. Ehituses kasutatakse seda materjali ja seda kasutataks laiemalt, kui mitte suurte kulude jaoks.

Titaaniga katmine

Seda tehnoloogiat ei levitata siiani laialt, kuid näiteks Jaapanis kasutatakse titaanlehti katuste ja isegi siseruumide jaoks väga laialt. Ehituses kulutatud materjali osakaal on märkimisväärselt suurem kui lennundussektoris kasutatud materjalide osa.

See on tingitud nii sellise katte tugevusest kui ka selle hämmastavatest dekoratiivsetest võimalustest. Anoodse oksüdeerimise meetodi abil võib lehe pinnale saada erineva paksusega oksiidide kihi. Värvus muutub. Lõõmutamise aega ja intensiivsust muutes võite saada kollase, türkiissinise, sinise, roosa, rohelise.

Lämmastiku atmosfääris anodeerimisel valmistatakse titaannitriidi kihiga lehed.   Seega saavad nad mitmesuguseid erinevaid kullavärve.   Seda tehnoloogiat kasutatakse arhitektuurimälestiste restaureerimisel - näiteks kirikute taastamisel.

Katuse allahindlus

See valik on juba väga laialt levinud. Kuid tõsi, selle alus pole titaan ise, vaid selle sulam.

Volditud katused ise on olnud teada juba pikka aega, kuid pole pikka aega populaarsed olnud. Kuid tänapäeval on tänu kõrgtehnoloogia ja tehno stiilide moodile vaja katkiseid ja splintseid pindu, eriti neid, mis muutuvad hoone fassaadiks. Ja see pakub sellise võimaluse.

Selle vormimisvõime on peaaegu piiramatu. Ja sulami kasutamine tagab nii erakordse tugevuse kui ka kõige ebatavalisema välimuse. Ehkki aususes, peetakse matte terasvärvi kõige auväärsemaks.

Kuna tsink-titaan on väga hea painduvusega, valmistatakse sulamist mitmesuguseid keerukaid dekoratiivseid detaile: katuse uisud, veekindlad looded, karniisid ja palju muud.

Titaani sellist kasutusala fassaadikattena käsitletakse allpool lühidalt.

Fassaadikatted

Kattepaneelide valmistamisel kasutatakse ka tsinki-titaani. Paneele kasutatakse nii fassaadikatte kui ka sisekujunduse jaoks. Põhjus on sama - tugevuse, erakordse kerguse ja dekoratiivsuse kombinatsioon.

Valmistatakse erineva kujuga paneele - lamellide, rombide, moodulite, kaalude jne kujul. Kõige huvitavam on see, et paneelid ei pruugi olla tasased, vaid võtavad peaaegu igasuguse kolmemõõtmelise kuju. Selle tulemusel on selline kaunistamine võimalik seinte ja hoonete jaoks, mis on kõige mõeldamatu.

Toote kergus toob kaasa veel ühe täiesti ainulaadse rakenduse. Tavaline ventileeritav fassaad tähendab ka tühimikku välisvoodri ja isolatsiooni vahel. Kerged tsink-titaanpaneelid saab aga paigaldada liikuvatele avamismehhanismidele, moodustades ruloode moodustava süsteemi. Plaadid võivad kalduda tasapinnast 90-kraadise nurga all.

Titaanil on ainulaadne tugevuse, kerguse ja korrosioonikindluse kombinatsioon. Need omadused määravad selle kasutamise, hoolimata materjali kõrgetest kuludest.

See video räägib teile, kuidas titaanist helinat teha: