Titan millised metalli omadused. Titaani kui suurepärase korrosioonikindlusega metalli omadused. Kroom on üks kõvemaid metalle.

Titaan (Ti) on D. I. Mendelejevi elementide perioodilisuse tabeli IV rühma keemiline element. Seerianumber 22, aatommass 47,90. Koosneb 5 stabiilsest isotoobist; on saadud ka kunstlikult radioaktiivseid isotoope.

1791. aastal leidis inglise keemik W. Gregor Menakani linnast (Inglismaa, Cornwall) liivast uue “maa”, mida ta nimetas menakaniks. 1795. aastal avastas saksa keemik M. Clairot veel tundmatu maa mineraalsest rutiilist, mille metalli ta nimetas Titaaniks [kreeka keeles. mütoloogias on titaanid Uraani (Taevas) ja Gaia (Maa) lapsed]. 1797. aastal tõestas Klaproth selle maa samasust W. Gregori avastatuga. Puhta titaani eraldas 1910. aastal Ameerika keemik Hunter, redutseerides titaantetrakloriidi raudpommis naatriumiga.

Looduses olemine

Titaan on üks levinumaid elemente looduses, selle sisaldus maakoores on 0,6% (massi järgi). Seda leidub peamiselt TiO 2 dioksiidi või selle ühendite - titanaatide kujul. Titaani sisaldavad mineraalid on teada üle 60, seda leidub ka pinnases, looma- ja taimeorganismides. Ilmeniit FeTiO 3 ja rutiil TiO2 on titaani tootmise peamine tooraine. Sulatusräbu on muutumas oluliseks titaani allikana. titaan-magnetiidid ja ilmeniit.

Füüsilised ja keemilised omadused

Titaan eksisteerib kahes olekus: amorfne - tumehall pulber, tihedus 3,392-3,395 g/cm 3 ja kristalne, tihedus 4,5 g/cm 3. Kristallilise titaani puhul on teada kaks modifikatsiooni üleminekupunktiga 885° (alla 885° on stabiilne kuusnurkne kuju, üleval - kuubik); t° pl umbes 1680°; t° palli üle 3000°. Titaan neelab aktiivselt gaase (vesinik, hapnik, lämmastik), mis muudavad selle väga hapraks. Tehnilist metalli saab kuumvormida. Absoluutselt puhas metall saab külmas rullida. Õhus tavatemperatuuril titaan ei muutu, kuumutamisel moodustub Ti 2 O 3 oksiidi ja TiN nitriidi segu. Hapniku voolus punasel kuumusel oksüdeeritakse see TiO 2 dioksiidiks. Kõrgel temperatuuril reageerib süsiniku, räni, fosfori, väävli jt. Vastupidav mereveele, lämmastikhappele, märjale kloorile, orgaanilistele hapetele ja tugevatele leelistele. See lahustub väävel-, vesinikkloriid- ja vesinikfluoriidhappes, kõige paremini HF ja HNO 3 segus. Hapetele oksüdeeriva aine lisamine kaitseb metalli toatemperatuuril korrosiooni eest. Neljavalentsed titaanhalogeniidid, välja arvatud TiCl4, on kristalsed kehad, mis on sulavad ja lenduvad vesilahus hüdrolüüsitud, kalduvus moodustada kompleksühendeid, millest kaaliumfluorotitanaat K 2 TiF 6 on oluline tehnoloogias ja analüütilises praktikas. TiC-karbiid ja TiN-nitriid on metallitaolised ained, mida eristab kõrge kõvadus (titaankarbiid on karborundist kõvem), tulekindlus (TiC, t° pl = 3140°; TiN, t° pl = 3200°) ja hea elektrijuhtivus .

Keemiline element nr 22. Titaan.

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

Titaani seerianumber keemiliste elementide perioodilisustabelis D.I. Mendelejev - 22. Elemendi number näitab õue laengut, seetõttu on titaani tuumalaeng +22, tuumamass 47,87. Titan on neljandas perioodis, teiseses alagrupis. Perioodi number näitab elektrooniliste kihtide arvu. Rühma number näitab valentselektronide arvu. Külgmine alarühm näitab, et titaan kuulub d-elementide hulka.

Titaanil on kaks valentselektroni väliskihi s-orbitaalil ja kaks valentselektroni väliskihi d-orbitaali kohal.

Iga valentselektroni kvantarvud:

4s4s 3d

Halogeenide ja vesinikuga moodustab Ti(IV) TiX 4 tüüpi ühendeid, millel on sp 3 → q 4 hübridisatsioonitüüp.

Titaan on metall. On d-rühma esimene element. Kõige stabiilsem ja levinum on Ti +4. On ka madalama oksüdatsiooniastmega ühendeid –Ti 0, Ti -1, Ti +2, Ti +3, kuid need ühendid oksüdeeruvad õhu, vee või muude reagentide toimel kergesti Ti +4-ks. Nelja elektroni eemaldamine nõuab palju energiat, mistõttu Ti +4 iooni tegelikult ei eksisteeri ja Ti(IV) ühendites on tavaliselt kovalentse iseloomuga sidemed.Ti(IV) on mõnes mõttes sarnane elementidega –Si, Ge, Sn ja Pb, eriti Sn.

Igavene, salapärane, kosmiline - kõik need ja paljud teised epiteedid on määratud erinevatest allikatest Titan. Selle metalli avastamise ajalugu ei olnud triviaalne: mitmed teadlased töötasid samaaegselt elemendi puhtal kujul eraldamisega. Füüsikaliste, keemiliste omaduste uurimise ja selle kasutusvaldkondade määramise protsess tänapäeval. Titaan on tulevikumetall, selle koht inimelus pole veel lõplikult kindlaks määratud, mis annab tänapäeva teadlastele tohutult ruumi loovuseks ja teadusuuringuteks.

Iseloomulik

Keemiline element on D.I. Mendelejevi perioodilisustabelis tähistatud sümboliga Ti. See asub neljanda perioodi IV rühma teiseses alarühmas ja selle seerianumbriga on 22. Titaan on valge-hõbedane metall, kerge ja vastupidav. Aatomi elektrooniline konfiguratsioon on järgmise struktuuriga: +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 oksüdatsiooniastet: 2, 3, 4; kõige stabiilsemates ühendites on see neljavalentne.

Titaan - sulam või metall?

See küsimus huvitab paljusid. 1910. aastal sai Ameerika keemik Hunter esimest korda puhta titaani. Metall sisaldas vaid 1% lisandeid, kuid selle kogus osutus tühiseks ega võimaldanud selle omadusi edasi uurida. Saadud aine plastilisus saavutati ainult kõrgete temperatuuride mõjul, kl normaalsetes tingimustes(toatemperatuuril) proov oli liiga habras. Tegelikult teadlasi see element ei huvitanud, kuna selle kasutamise väljavaated tundusid liiga ebakindlad. Raskused hankimisel ja uurimisel on veelgi vähendanud selle kasutusvõimalusi. Alles 1925. aastal said Hollandi keemikud I. de Boer ja A. Van Arkel titaanmetalli, mille omadused äratasid inseneride ja disainerite tähelepanu üle maailma. Selle elemendi uurimise ajalugu algab 1790. aastal, just sel ajal avastasid kaks teadlast paralleelselt, üksteisest sõltumatult, titaani keemilise elemendina. Igaüks neist saab aine ühendi (oksiidi), mis ei suuda metalli puhtal kujul eraldada. Titaani avastajaks peetakse inglise mineraloogi munka William Gregorit. Oma kihelkonna territooriumil, mis asub Inglismaa edelaosas, asus noor teadlane uurima Menacani oru musta liiva. Tulemuseks olid läikivad terad, mis olid titaaniühend. Samal ajal eraldas keemik Martin Heinrich Klaproth Saksamaal mineraalsest rutiilist uue aine. 1797. aastal tõestas ta ka, et paralleelselt avatud elemendid on sarnased. Titaandioksiid on olnud paljude keemikute jaoks mõistatus juba üle sajandi; isegi Berzelius ei suutnud saada puhast metalli. Uusimad tehnoloogiad 20. sajand kiirendas oluliselt nimetatud elemendi uurimist ja määras ära selle kasutamise esialgsed suunad. Samal ajal laieneb rakendusala pidevalt. Selle ulatust saab piirata ainult sellise aine nagu puhta titaani saamise protsessi keerukus. Sulamite ja metalli hind on üsna kõrge, nii et tänapäeval ei saa see traditsioonilist rauda ja alumiiniumi asendada.

nime päritolu

Menakin oli titaani esimene nimi, mida kasutati kuni 1795. aastani. Täpselt nii ta seda oma territoriaalse kuuluvuse põhjal nimetas. uus element W. Gregor. Martin Klaproth andis elemendile 1797. aastal nimetuse "titaan". Sel ajal tegid tema prantsuse kolleegid eesotsas üsna autoriteetse keemiku A. L. Lavoisier'ga ettepaneku nimetada äsja avastatud aineid nende põhiomaduste järgi. Saksa teadlane ei nõustunud selle lähenemisviisiga, ta uskus üsna põhjendatult, et avastamise etapis on üsna raske kindlaks teha kõiki ainele omaseid omadusi ja kajastada neid nimes. Siiski tuleb tunnistada, et Klaprothi intuitiivselt valitud termin vastab täielikult metallile - seda on kaasaegsed teadlased korduvalt rõhutanud. Nimetuse titaan päritolu kohta on kaks peamist teooriat. Metalli oleks võinud sel viisil tähistada päkapikukuninganna Titania (saksa mütoloogia tegelane) auks. See nimi sümboliseerib nii aine kergust kui ka tugevust. Enamik teadlasi kaldub kasutama Vana-Kreeka mütoloogia versiooni, milles maajumalanna Gaia võimsaid poegi nimetati titaanideks. Seda versiooni toetab ka varem avastatud elemendi nimi - uraan.

Looduses olemine

Inimestele tehniliselt väärtuslikest metallidest on titaan maakoore arvukuse poolest neljandal kohal. Ainult raua, magneesiumi ja alumiiniumi osakaal on looduses kõrge. Suurim titaanisisaldus oli basaltkoores, veidi vähem graniidikihis. Merevees on selle aine sisaldus madal – ligikaudu 0,001 mg/l. Keemiline element titaan on üsna aktiivne, seega on seda puhtal kujul võimatu leida. Kõige sagedamini esineb see hapnikuga ühendites ja selle valents on neli. Titaani sisaldavate mineraalide arv varieerub 63-st 75-ni (erinevates allikates), samal ajal kui praeguses uurimisetapis jätkavad teadlased selle ühendite uute vormide avastamist. Praktiliseks kasutamiseks kõrgeim väärtus sisaldab järgmisi mineraale:

1. Ilmeniit (FeTiO 3).
2. Rutiil (TiO 2).
3. Titaniit (CaTiSiO 5).
4. Perovskiit (CaTiO 3).
5. Titaanmagnetiit (FeTiO 3 + Fe 3 O 4) jne.

Kõik olemasolevad titaani sisaldavad maagid jagunevad koha- ja põhimaagideks. See element on nõrk rändaja, see võib liikuda ainult purustatud kivide või mudase põhjakivimite liikumisena. Biosfääris leidub kõige rohkem titaani vetikates. Maapealse fauna esindajatel koguneb element sarvestunud kudedesse ja juustesse. Inimkeha iseloomustab titaani olemasolu põrnas, neerupealistes, platsentas ja kilpnäärmes.

Füüsikalised omadused

Titaan on hõbevalge värvusega värviline metall, mis välimuselt meenutab terast. Temperatuuril 0 0 C on selle tihedus 4,517 g/cm 3 . Ainel on madal erikaal, mis on tüüpiline leelismetallid(kaadmium, naatrium, liitium, tseesium). Titaan on tiheduse poolest raua ja alumiiniumi vahepealsel positsioonil, samas kui selle jõudlusnäitajad on kõrgemad kui mõlemal elemendil. Metallide peamised omadused, mida nende kasutusala määramisel arvesse võetakse, on kõvadus. Titaan on 12 korda tugevam kui alumiinium, 4 korda tugevam kui raud ja vask, kuid see on palju kergem. Selle plastilisus ja voolavuspiir võimaldavad seda töödelda madalatel ja kõrgetel temperatuuridel, nagu ka teiste metallide puhul, st neetimise, sepistamise, keevitamise ja valtsimise meetoditega. Titaani eripäraks on selle madal soojus- ja elektrijuhtivus, samas kui need omadused säilivad ka kõrgetel temperatuuridel, kuni 500 0 C. Magnetväljas on titaan paramagnetiline element, teda ei tõmba nagu raud ega tõrjuta välja. nagu vask. Väga kõrge korrosioonivastane jõudlus agressiivses keskkonnas ja mehaanilise pinge all on ainulaadne. Rohkem kui 10 aastat mereveega kokkupuudet ei muutnud titaanplaadi välimus ja koostis. Sel juhul häviks raud korrosiooni tõttu täielikult.

Titaani termodünaamilised omadused

1. Tihedus (normaalsetes tingimustes) on 4,54 g/cm 3 .
2. Aatomarv - 22.
3. Metallide rühm - tulekindlad, kerged.
4. Titaani aatommass on 47,0.
5. Keemistemperatuur (0 C) - 3260.
6. Molaarmaht cm 3 /mol - 10,6.
7. Titaani sulamistemperatuur (0 C) on 1668.
8. Aurustumise erisoojus (kJ/mol) - 422,6.
9. Elektritakistus (temperatuuril 20 0 C) Ohm*cm*10 -6 - 45.

Keemilised omadused

Elemendi suurenenud korrosioonikindlus on seletatav väikese oksiidkile moodustumisega pinnale. See takistab (tavalistes tingimustes) gaase (hapnik, vesinik), mida leidub elemendi, näiteks titaanmetalli, ümbritsevas atmosfääris. Selle omadused muutuvad temperatuuri mõjul. Kui see tõuseb 600 0 C-ni, toimub reaktsioon hapnikuga, mille tulemusena moodustub titaanoksiid (TiO 2). Atmosfäärigaaside neeldumisel tekivad rabedad ühendid, millel pole praktilist rakendust, mistõttu titaani keevitamine ja sulatamine toimub vaakumtingimustes. Pöörduv reaktsioon on vesiniku lahustumisprotsess metallis, see toimub aktiivsemalt temperatuuri tõustes (alates 400 0 C ja üle selle). Titaan, eriti selle väikesed osakesed (õhuke plaat või traat), põleb lämmastiku atmosfääris. Keemiline reaktsioon on võimalik ainult temperatuuril 700 0 C, mille tulemusena tekib TiN-nitriid. See moodustab suure kõvadusega sulameid paljude metallidega ja on sageli legeerelement. See reageerib halogeenidega (kroom, broom, jood) ainult katalüsaatori juuresolekul (kõrge temperatuur) ja kokkupuutel kuivainega. Sel juhul moodustuvad väga kõvad, tulekindlad sulamid. Titaan ei ole keemiliselt aktiivne enamiku leeliste ja hapete lahustes, välja arvatud kontsentreeritud väävelhape (pika keetmisega), vesinikfluoriidhape ja kuumad orgaanilised happed (sipelghape, oksaalhape).

Sünnikoht

Ilmeniidi maagid on looduses levinumad – nende varusid hinnatakse 800 miljonile tonnile. Rutiili maardlad on palju tagasihoidlikumad, kuid kogumaht - säilitades samal ajal toodangu kasvu - peaks inimkonnale järgmise 120 aasta jooksul varustama sellist metalli nagu titaan. Hind lõpetatud toode sõltub nõudlusest ja tootmistehnoloogia taseme tõusust, kuid keskmiselt varieerub vahemikus 1200 kuni 1800 rubla/kg. Pideva tehnilise täiustamise tingimustes kõigi maksumus tootmisprotsessid nende õigeaegse moderniseerimisega. Suurimad varud on Hiinal ja Venemaal, maavarabaasid on ka Jaapanis, Lõuna-Aafrikas, Austraalias, Kasahstanis, Indias. Lõuna-Korea, Ukraina, Tseilon. Maardlad erinevad tootmismahtude ja titaani osakaalu poolest maagis, käimas on geoloogilised uuringud, mis võimaldavad eeldada metalli turuväärtuse langust ja selle laiemat kasutamist. Venemaa täna on kõige rohkem suurtootja titaan.

Kviitung

Titaani tootmiseks kasutatakse kõige sagedamini titaandioksiidi, mis sisaldab minimaalne kogus lisandid. Seda saadakse ilmeniidikontsentraatide või rutiilimaakide rikastamisega. Elektrilises kaarahjus tekib kuumtöötlus maak, millega kaasneb raua eraldumine ja titaanoksiidi sisaldava räbu moodustumine. Rauavaba fraktsiooni töötlemiseks kasutatakse väävelhappe või kloriidi meetodit. Titaanoksiid on hall pulber (vt fotot). Titaanmetall saadakse selle järkjärgulise töötlemise teel.

Esimene faas on räbu paagutamise protsess koksiga ja kokkupuude klooriauruga. Saadud TiCl 4 redutseeritakse magneesiumi või naatriumiga, kui seda hoitakse temperatuuril 850 0 C. Keemilise reaktsiooni tulemusena saadud titaankäsn (poorne sulatatud mass) puhastatakse või sulatatakse valuplokkideks. Olenevalt edasisest kasutussuunast tekib sulam või puhas metall (lisandid eemaldatakse kuumutades 1000 0 C-ni). Aine tootmiseks, mille lisandifraktsioon on 0,01%, kasutatakse jodiidimeetodit. See põhineb selle aurude aurustamise protsessil titaankäsnast, mida on eelnevalt töödeldud halogeeniga.

Kasutusvaldkonnad

Titaani sulamistemperatuur on üsna kõrge, mis, arvestades metalli kergust, on hindamatu eelis selle kasutamisel konstruktsioonimaterjalina. Seetõttu leiab see suurima rakenduse laevaehituses, lennundustööstus, raketi tootmine, keemiline tootmine. Titaani kasutatakse sageli legeeriva lisandina erinevates sulamites, millel on suurenenud kõvadus ja kuumakindlus. Kõrged korrosioonivastased omadused ja võime taluda enamikku agressiivseid keskkondi muudavad selle metalli asendamatuks keemiatööstus. Hapete ja muude keemiliselt aktiivsete ainete destilleerimisel ja transportimisel kasutatavad torustikud, mahutid, sulgeventiilid ja filtrid on valmistatud titaanist (selle sulamitest). See on nõudlik kõrgetes tingimustes töötavate seadmete loomisel temperatuuri indikaatorid. Titaaniühendeid kasutatakse vastupidavate lõikeriistade, värvide, plasti ja paberi, kirurgiliste instrumentide, implantaatide, ehted, viimistlusmaterjalid, kasutatakse Toidutööstus. Kõiki suundi on raske kirjeldada. Kaasaegne meditsiin kasutab täieliku bioloogilise ohutuse tõttu sageli titaanmetalli. Hind on ainus tegur, mis siiani mõjutab selle elemendi kasutusala. On aus öelda, et titaan on tulevikumaterjal, mille uurimisel inimkond üle läheb uus etapp arengut.

Titaan on Mendelejevi perioodilisuse süsteemi IV rühma 4. perioodi keemiline element, aatomnumber 22; vastupidav ja kerge metall hõbe-valge värv. See eksisteerib järgmistes kristallide modifikatsioonides: α-Ti kuusnurkse tihedalt pakitud võrega ja β-Ti kuubiku kehakeskse tihendiga.

Titan sai inimesele tuntuks alles umbes 200 aastat tagasi. Selle avastamise ajalugu on seotud saksa keemiku Klaprothi ja inglise amatööruurija McGregori nimedega. 1825. aastal eraldas I. Berzelius esimesena puhta titaanmetalli, kuid kuni 20. sajandini peeti seda metalli haruldaseks ja seetõttu praktiliseks kasutamiseks sobimatuks.

Kuid meie ajani on kindlaks tehtud, et titaan on teiste keemiliste elementide hulgas arvukuselt üheksandal kohal ja massiosa maakoores on 0,6%. Titaani leidub paljudes mineraalides, mille varud ulatuvad sadadesse tuhandetesse tonnidesse. Märkimisväärsed titaanimaakide leiukohad asuvad Venemaal, Norras, USA-s, Lõuna-Aafrikas ning Austraalias, Brasiilias ja Indias on avatud kaevandamiseks mugavad titaani sisaldavate liivade leiukohad.

Titaan on kerge ja plastiline hõbevalge värvusega metall, sulamistemperatuur 1660±20 C, keemistemperatuur 3260 C, tihedus on kahe modifikatsiooniga ja võrdne vastavalt α-Ti - 4,505 (20 C) ja β-Ti - 4,32 (900) C) g/cm3. Titaanil on kõrge mehaaniline tugevus, mis säilib isegi kõrgetel temperatuuridel. Sellel on kõrge viskoossus, mis nõuab töötlemise ajal lõikeriistale spetsiaalsete kattekihtide kandmist.

Tavalistel temperatuuridel on titaani pind kaetud passiveeriva oksiidkilega, mis muudab titaani enamikus keskkondades korrosioonikindlaks (välja arvatud leeliseline). Titaanlaastud on tuleoht ja titaanitolm on plahvatusohtlik.

Titaan ei lahustu paljude hapete ja leeliste lahjendatud lahustes (v.a vesinikfluoriid-, fosfor- ja kontsentreeritud väävelhape), kuid kompleksimoodustajate juuresolekul interakteerub kergesti isegi nõrkade hapetega.

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

Kuumutamisel interakteerub titaan ka halogeenidega. Eelkõige nii saadakse titaantetrakloriidi. Titaantetrakloriidi redutseerimisel alumiiniumi, räni, vesiniku ja mõne muu redutseeriva ainega saadakse titaantrikloriid ja titaandikloriid. Titaan reageerib broomi ja joodiga.

Temperatuuril üle 400C reageerib titaan lämmastikuga, moodustades titaannitriidi. Titaan reageerib ka süsinikuga, moodustades titaankarbiidi. Kuumutamisel neelab titaan vesinikku, moodustades titaanhüdriidi, mis uuesti kuumutamisel laguneb, vabastades vesiniku.

Kõige sagedamini kasutatakse titaani tootmise lähteainena väikese koguse lisanditega titaandioksiidi. See võib olla kas ilmeniidikontsentraatide töötlemisel saadud titaanräbu või rutiilikontsentraat, mis saadakse titaanimaakide rikastamisest.

Titaanimaagi kontsentraati töödeldakse pürometallurgiliselt või väävelhappega. Väävelhappega töötlemise saadus on titaandioksiidi pulber. Pürometallurgilise meetodi kasutamisel paagutatakse maak koksiga ja töödeldakse klooriga, saades titaantetrakloriidi auru, mis seejärel redutseeritakse magneesiumiga 850C juures.

Saadud titaanist "käsn" sulatatakse uuesti ja sulatis puhastatakse lisanditest. Titaani rafineerimiseks kasutatakse jodiidi meetodit või elektrolüüsi. Titaani valuplokid toodetakse kaare-, plasma- või elektronkiire töötlemisel.

Suurem osa titaanitoodangust läheb lennundus-, raketi- ja merelaevatööstusele. Titaani kasutatakse kõrgkvaliteetsete teraste legeeriva lisandina ja deoksüdeeriva ainena.

Sellest valmistatakse mitmesuguseid elektriliste vaakumseadmete osi, kompressoreid ja pumpasid agressiivse keskkonna pumpamiseks, keemilisi reaktoreid, magestamisseadmeid ja palju muid seadmeid ja konstruktsioone. Bioloogilise ohutuse tõttu on titaan suurepärane materjal kasutamiseks toiduainetööstuses ja meditsiinitööstuses.

Titaani oksiidi kujul (IV) avastas inglise amatöörmineraloog W. Gregor 1791. aastal Menacani (Inglismaa) linna magnetilistes raudliivates; aastal tegi saksa keemik M. G. Klaproth kindlaks, et mineraalne rutiil on sama metalli looduslik oksiid, mida ta nimetas "titaaniks" [kreeka mütoloogias on titaanid Uraani (Taevas) ja Gaia (Maa) lapsed]. Titaani ei olnud pikka aega võimalik isoleerida puhtal kujul; alles 1910. aastal sai Ameerika teadlane M.A.Hunter metallist titaani, kuumutades selle kloriidi naatriumiga suletud teraspommis; tema saadud metall oli plastiline ainult kõrgendatud temperatuuril ja suure lisandite sisalduse tõttu rabe toatemperatuuril. Võimalus uurida puhta titaani omadusi tekkis alles 1925. aastal, kui Hollandi teadlased A. Van Arkel ja I. de Boer said titaanjodiidi termilise dissotsiatsiooni abil madalal temperatuuril kõrge puhtusastmega metalli, plasti.

Titani levik looduses. Titaan on üks levinumaid elemente, selle keskmine sisaldus maakoores (clarke) on 0,57 massiprotsenti (konstruktsioonimetallide hulgas on see 4. kohal, jäädes maha rauale, alumiiniumile ja magneesiumile). Suurem osa titaanist on nn “basaltkarbi” põhikivimites (0,9%), vähem “graniitkarbi” kivimites (0,23%) ja veelgi vähem ultraaluselistes kivimites (0,03%) jne. kivid, titaaniga rikastatud, hõlmavad põhiliste kivimite pegmatiite, leeliselisi kivimeid, süeniite ja nendega seotud pegmatiite ja teisi. On teada 67 titaanmineraali, mis on enamasti tardse päritoluga; olulisemad on rutiil ja ilmeniit.

Titaan on enamasti hajutatud biosfääris. Merevesi sisaldab seda 10 -7%; Titan on nõrk migrant.

Titani füüsikalised omadused. Titaan eksisteerib kahe allotroopse modifikatsioonina: temperatuuril alla 882,5 °C on kuusnurkse tihedalt tihendatud võrega α-vorm (a = 2,951 Å, c = 4,679 Å) stabiilne ja sellest kõrgemal temperatuuril - β -vorm kuubikujulise kehakeskse võrega a = 3,269 Å. Lisandid ja legeerivad lisandid võivad oluliselt muuta α/β transformatsiooni temperatuuri.

α-vormi tihedus 20 °C juures on 4,505 g/cm3 ja 870 °C juures 4,35 g/cm3; β-vorm temperatuuril 900 °C 4,32 g/cm3; aatomiraadius Ti 1,46 Å, ioonraadiused Ti + 0,94 Å, Ti 2+ 0,78 Å, Ti 3+ 0,69 Å, Ti 4+ 0,64 Å; Sulamistemperatuur 1668 °C, keemistemperatuur 3227 °C; soojusjuhtivus vahemikus 20-25°C 22,065 W/(m K); lineaarpaisumise temperatuuritegur 20°C juures 8,5·10 -6, vahemikus 20-700°C 9,7·10 -6; soojusmahtuvus 0,523 kJ/(kg K); elektritakistus 42,1·10 -6 ohm·cm temperatuuril 20 °C; elektritakistuse temperatuuritegur 0,0035 20 °C juures; ülijuhtivus on alla 0,38 K. Titaan on paramagnetiline, erimagnetiline vastuvõtlikkus 20 °C juures on 3,2·10 -6. Tõmbetugevus 256 MN/m2 (25,6 kgf/mm2), suhteline venivus 72%, Brinelli kõvadus alla 1000 MN/m2 (100 kgf/mm2). Tavaline elastsusmoodul 108 000 MN/m2 (10 800 kgf/mm2). Metallist kõrge aste sepistamise puhtus normaaltemperatuuridel.

Tööstuses kasutatav tehniline titaan sisaldab hapniku, lämmastiku, raua, räni ja süsiniku lisandeid, mis suurendavad selle tugevust, vähendavad plastilisust ja mõjutavad polümorfse muundumise temperatuuri, mis toimub vahemikus 865-920 °C. Tehniliste titaaniklasside VT1-00 ja VT1-0 puhul on tihedus umbes 4,32 g/cm 3, tõmbetugevus 300-550 MN/m 2 (30-55 kgf/mm 2), venivus mitte madalam kui 25%, Brinelli kõvadus 1150-1650 Mn/m2 (115-165 kgf/mm2). Ti aatomi välise elektronkihi konfiguratsioon on 3d 2 4s 2.

Titani keemilised omadused. Puhas titaan on keemiliselt aktiivne siirdeelement, ühendites on selle oksüdatsiooniaste +4, harvem +3 ja +2. Tavalistel temperatuuridel ja kuni 500-550 °C on see korrosioonikindel, mis on seletatav õhukese, kuid vastupidava oksiidkile olemasoluga selle pinnal.

See reageerib märgatavalt õhuhapnikuga temperatuuril üle 600 °C, moodustades TiO 2 . Ebapiisava määrimise korral võivad õhukesed titaanlaastud töötlemise ajal süttida. Piisava hapniku kontsentratsiooniga keskkond ja oksiidkile kahjustamisel löögi või hõõrdumise tõttu võib metall toatemperatuuril ja suhteliselt suurte tükkidena süttida.

Oksiidkile ei kaitse vedelas olekus titaani edasise kokkupuute eest hapnikuga (erinevalt näiteks alumiiniumist) ning seetõttu tuleb selle sulatamine ja keevitamine läbi viia vaakumis, neutraalse gaasi atmosfääris või sukelkaares. Titaanil on võime absorbeerida atmosfääri gaase ja vesinikku, moodustades hapraid sulameid, mis ei sobi praktiliseks kasutamiseks; aktiveeritud pinna olemasolul toimub vesiniku neeldumine juba toatemperatuuril madala kiirusega, mis suureneb oluliselt temperatuuril 400 °C ja üle selle. Vesiniku lahustuvus Titaanis on pöörduv ja seda gaasi saab peaaegu täielikult eemaldada vaakumis lõõmutamisel. Titaan reageerib lämmastikuga temperatuuril üle 700 °C ja saadakse TiN-tüüpi nitriidid; peene pulbri või traadi kujul võib titaan lämmastiku atmosfääris põleda. Lämmastiku ja hapniku difusioonikiirus Titaanis on palju väiksem kui vesinikul. Nende gaasidega koostoimel tekkivat kihti iseloomustab suurenenud kõvadus ja rabedus ning see tuleb eemaldada titaantoodete pinnalt söövitamise või mehaanilise töötlemise teel. Titaan interakteerub tugevalt kuivade halogeenidega ja on stabiilne märgade halogeenide suhtes, kuna niiskus mängib inhibiitori rolli.

Metall on stabiilne kõigis kontsentratsioonides lämmastikhappes (välja arvatud punane suitsev hape, mis põhjustab titaani korrosioonipragusid ja mõnikord toimub reaktsioon plahvatusega), väävelhappe nõrkades lahustes (kuni 5 massiprotsenti) . Titaaniga reageerivad vesinikkloriid, vesinikfluoriid, kontsentreeritud väävel, aga ka kuumad orgaanilised happed: oblik-, sipelg- ja trikloroäädikhape.

Titaan on korrosioonikindel atmosfääriõhus, merevees ja mereatmosfääris, märjas klooris, kloorivees, kuumades ja külmades kloriidilahustes, erinevates tehnoloogilistes lahendustes ja reaktiivides, mida kasutatakse keemia-, nafta-, paberi- ja muudes tööstusharudes, samuti hüdrometallurgia. Titaan moodustab C, B, Se, Si-ga metallitaolisi ühendeid, mida iseloomustab tulekindlus ja kõrge kõvadus. TiC-karbiid (mp 3140 °C) saadakse TiO 2 ja tahma segu kuumutamisel vesiniku atmosfääris temperatuuril 1900-2000 °C; TiN-nitriid (mp 2950 °C) - titaanipulbri kuumutamisel lämmastikus temperatuuril üle 700 °C. Tuntud on silitsiidid TiSi 2, TiSi ja boriidid TiB, Ti 2 B 5, TiB 2. Temperatuuridel 400-600 °C neelab titaan vesinikku, moodustades tahkeid lahuseid ja hüdriide (TiH, TiH 2). Kui TiO 2 sulatatakse leelistega, tekivad titaanhappe soolad: meta- ja ortotitanaadid (näiteks Na 2 TiO 3 ja Na 4 TiO 4), samuti polütitanaadid (näiteks Na 2 Ti 2 O 5 ja Na2Ti3O7). Titanaatide hulka kuuluvad titaani olulisemad mineraalid, näiteks ilmeniit FeTiO 3, perovskiit CaTiO 3. Kõik titanaadid lahustuvad vees vähe. Titaan(IV)oksiid, titaanhapped (sademed) ja titanaadid lahustuvad väävelhappes, moodustades titanüülsulfaati TiOSO 4 sisaldavaid lahuseid. Lahuste lahjendamisel ja kuumutamisel sadestub hüdrolüüsi tulemusena H 2 TiO 3, millest saadakse titaan(IV) oksiid. Vesinikperoksiidi lisamisel happelistele lahustele, mis sisaldavad Ti (IV) ühendeid, moodustuvad peroksiid (suprataan)happed koostisega H 4 TiO 5 ja H 4 TiO 8 ning nende vastavad soolad; need ühendid on värvitud kollaseks või oranžikaspunaseks (olenevalt titaani kontsentratsioonist), mida kasutatakse titaani analüütiliseks määramiseks.

Titani hankimine. Kõige tavalisem meetod titaanmetalli tootmiseks on magneesium-termiline meetod, st titaantetrakloriidi redutseerimine magneesiummetalliga (harvemini naatriumiga):

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2.

Mõlemal juhul on lähtetooraineks titaanoksiidi maagid – rutiil, ilmeniit jt. Ilmeniidi tüüpi maakide puhul eraldatakse räbu kujul olev titaan rauast elektriahjudes sulatamise teel. Räbu (nagu ka rutiil) klooritakse süsiniku juuresolekul, moodustades titaantetrakloriidi, mis pärast puhastamist siseneb neutraalse atmosfääriga redutseerimisreaktorisse.

Selles protsessis saadakse titaan käsna kujul ja sulatatakse pärast jahvatamist vaakumkaarahjudes valuplokkideks, lisades sulamit, kui sulam on vajalik. Magneesium-termiline meetod võimaldab luua suletud tehnoloogilise tsükliga titaani suuremahulist tööstuslikku tootmist, kuna redutseerimisel tekkinud kõrvalsaadus - magneesiumkloriid - suunatakse elektrolüüsile magneesiumi ja kloori tootmiseks.

Mõnel juhul on titaanist ja selle sulamitest toodete tootmiseks otstarbekas kasutada meetodeid pulbermetallurgia. Eriti peente pulbrite saamiseks (näiteks raadioelektroonika jaoks) võib kasutada titaan(IV)oksiidi redutseerimist kaltsiumhüdriidiga.

Titani rakendus. Titani peamised eelised teiste konstruktsioonimetallide ees: kerguse, tugevuse ja korrosioonikindluse kombinatsioon. Titaanisulamid on absoluutse ja veelgi enam eritugevuse (st tihedusega seotud tugevuse) poolest paremad kui enamikul muudel metallidel (näiteks raud või nikkel) põhinevatest sulamitest temperatuuril -250 kuni 550 ° C ja seda ka poolest. korrosiooni tõttu on need võrreldavad väärismetallide sulamitega. Kuid titaani hakati iseseisva konstruktsioonimaterjalina kasutama alles 20. sajandi 50ndatel, kuna selle maakidest ekstraheerimisel ja töötlemisel oli suuri tehnilisi raskusi (sellepärast liigitati titaan tavapäraselt haruldaste metallide hulka). Põhiosa Titanist kulub lennunduse ja raketitehnoloogia ning merelaevaehituse vajadustele. Titaani ja raua sulamid, mida tuntakse ferrotitaanina (20-50% titaan), on legeeriva lisandi ja deoksüdeeriva ainena kvaliteetsete teraste ja erisulamite metallurgias.

Tehnilist titaani kasutatakse konteinerite, keemiareaktorite, torustike, liitmike, pumpade ja muude agressiivses keskkonnas töötavate toodete valmistamiseks, näiteks keemiatööstuses. Värviliste metallide hüdrometallurgias kasutatakse titaanist valmistatud seadmeid. Seda kasutatakse terastoodete katmiseks. Titaani kasutamine annab paljudel juhtudel suure tehnilise ja majandusliku efekti mitte ainult tänu seadmete pikemale kasutuseale, vaid ka protsesside intensiivistamise võimalusele (nagu näiteks nikli hüdrometallurgia puhul). Titaani bioloogiline ohutus teeb sellest suurepärase materjali toiduainetööstuse ja rekonstruktiivse kirurgia seadmete valmistamiseks. Sügavates külmades tingimustes suureneb Titani tugevus, säilitades samal ajal hea plastilisuse, mis võimaldab seda kasutada krüogeense tehnoloogia konstruktsioonimaterjalina. Titaan sobib hästi poleerimiseks, värvi anodeerimiseks ja muudeks pinnaviimistlusmeetoditeks ning seetõttu kasutatakse seda erinevate kunstitoodete, sealhulgas monumentaalskulptuuride valmistamiseks. Näitena võib tuua Moskvas asuva monumenti, mis ehitati esimese kunstliku Maa satelliidi stardi auks. Titaaniühendite hulgas on praktilise tähtsusega kõrgtemperatuuritehnoloogias kasutatavad oksiidid, halogeniidid ja ka silitsiidid; boriidid ja nende sulamid, mida kasutatakse nende tulekindluse ja suure neutronite püüdmise ristlõike tõttu tuumaelektrijaamades moderaatoritena. Kõrge kõvadusega titaankarbiid on osa tööriistakõvadest sulamitest, mida kasutatakse lõikeriistade valmistamiseks ja abrasiivmaterjalina.

Titaan(IV)oksiid ja baariumtitanaat moodustavad titaankeraamika aluse ning baariumtitanaat on kõige olulisem ferroelektriline aine.

Titaan kehas. Titaani leidub pidevalt taimede ja loomade kudedes. Maismaataimedes on selle kontsentratsioon umbes 10 -4%, meretaimedes - 1,2 10 -3 kuni 8 10 -2%, maismaaloomade kudedes - alla 2 10 -4%, meretaimedes - 2 10 -4 kuni 2·10 -2%. Selgroogsetel koguneb peamiselt sarvemoodustistesse, põrnasse, neerupealistesse, kilpnäärmesse, platsentasse; imendub seedetraktist halvasti. Inimestel on titaani päevane tarbimine toidust ja veest 0,85 mg; eritub uriini ja väljaheitega (vastavalt 0,33 ja 0,52 mg).

Tugevuse ja kerguse kombinatsioon ühes aines on nii väärtuslik parameeter, et materjali muid omadusi ja omadusi võib täielikult ignoreerida. kallis, temperatuurikindel ainult ülipuhtal kujul, raskesti kasutatav, kuid see kõik osutub väikese kaalu ja suure tugevuse kombinatsiooniga võrreldes teisejärguliseks.

See artikkel räägib teile titaani kasutamisest sõjalennunduses, tööstuses, meditsiinis, lennukite tootmises, ehete ja titaanisulamite valmistamisel ning igapäevases kasutuses.

Metalli kasutusala oleks palju laiem, kui see poleks selle tootmise kõrge hind. Seetõttu kasutatakse titaani ainult nendes piirkondades, kus nii kalli aine kasutamine on majanduslikult põhjendatud. Kasutusala ei määra mitte ainult tugevus ja kergus, vaid ka korrosioonikindlus, mis on võrreldav väärismetallide vastupidavuse ja vastupidavusega.

Metalli omadused sõltuvad äärmiselt puhtusest, seega käsitletakse tehnilise ja puhta titaani kasutamist kahe eraldiseisvana.

See video räägib teile omadustest, mille tõttu titaani tööstuses nii laialdaselt kasutatakse:

Tehniline metall

Tehniline titaan võib sisaldada mitmesuguseid lisandeid, mis ei mõjuta keemilised omadused ained, millel on aga mõju füüsilisele. Tehniline titaan kaotab sellise väärtusliku kvaliteedi nagu kuumakindlus ja töövõime temperatuuril üle 500–600 C. Kuid selle korrosioonikindlus ei vähene kuidagi.

• See on selle kasutamise põhjus - keemiatööstuses ja igas muus valdkonnas, kus on vaja tagada toodete vastupidavus agressiivses keskkonnas. Titaanist valmistatakse säilitusmahuteid, liitmikke, reaktorite osi, torustikke ja pumpasid, mille eesmärk on liigutada anorgaanilisi ja orgaanilisi happeid ja aluseid. Titaanisulamitel on enamasti samad omadused.
• Väike kaal koos korrosioonikindlusega tagab ka teise rakenduse – tootmises transpordivahendid, eriti, raudteetransport. Titaanlehtede ja -varraste kasutamine autode ja rongide valmistamisel võimaldab vähendada rongide kaalu ja seega vähendada teljepukside ja tihvtide suurust, muutes veojõu tõhusamaks.

Tavalistes autodes on heitgaaside eemaldamise süsteemid ja spiraalvedrud valmistatud titaanist. Võidusõiduautodes võivad titaanist ajamiüksused autot oluliselt kergendada ja selle omadusi parandada.

• Titaan on soomusmasinate tootmisel asendamatu: siin osutub määravaks tugevuse ja kerguse kombinatsioon.
• Kõrge korrosioonikindlus ja kergus muudavad materjali mereväe jaoks atraktiivseks. Titaani kasutatakse õhukeseseinaliste torude ja soojusvahetite, väljalaske summutite valmistamisel allveelaevad, ventiilid, propellerid, turbiinielemendid ja nii edasi.

Titaanist tooted (foto)

Puhas metall

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

• Kinnitusosad, korpus, šassii osad, jõuallikad ja nii edasi on valmistatud metallist ja selle sulamitest. Lisaks kasutatakse ehitusel materjali lennukimootorid, mis võimaldab vähendada nende kaalu 10–25%.
• Tihedaid atmosfäärikihte läbides kogevad raketid koletuid koormusi. Titaani ja selle sulamite kasutamine võimaldab lahendada aparaadi staatilise vastupidavuse, väsimustugevuse ja teatud määral ka roomeprobleeme.
• Puhta titaani teine ​​rakendusala on elektriliste vaakumseadmete osade tootmine, mis on ette nähtud töötamiseks ülekoormustingimustes.
• Metall on krüogeensete seadmete tootmisel asendamatu: titaani tugevus suureneb ainult temperatuuri langedes, kuid samal ajal säilib teatud elastsus.
• Titaan on võib-olla bioloogiliselt kõige inertsem aine. Kaubanduslikult puhast metalli kasutatakse igasuguste välis- ja siseproteeside, sealhulgas südameklappide valmistamiseks. Titaan sobib kokku bioloogilise koega ega ole põhjustanud ühtegi allergiajuhtumit. Lisaks kasutatakse materjali kirurgiliste instrumentide, ratastoolide, ratastoolide jms jaoks.

Kuid kogu selle temperatuurikindluse ja vastupidavuse tõttu ei kasutata metalli laagrite, pukside ja muude osade valmistamisel, kus on oodata hõõrdumist. Titaanil on madalad hõõrdevastased omadused ja seda probleemi ei saa lisanditega lahendada.

Titaan on tugevalt poleeritud ja anodeeritud – värvi anodeerimine, mistõttu kasutatakse seda sageli kunstiteostes ja arhitektuuris. Näitena võiks tuua monumenti esimesele kunstlikule Maa satelliidile või monumendile. Yu Gagarin.

Allpool räägime titaantoodete märgistustest, selle kasutamise juhistest ja muudest olulistest aspektidest metalli kasutamisel ehituses.

Allolev video näitab titaani andoniseerimisprotsessi:

Selle kasutamine ehituses

kindlasti, lõviosa Titaani kasutatakse lennukiehituses ja transporditööstuses, kus tugevuse ja kerguse kombinatsioon on eriti oluline. Kuid materjali kasutatakse ka ehituses ja kui mitte selle kõrge hind, seda kasutataks laiemalt.

Titaaniga katmine

See tehnoloogia pole siiani levinud, kuid näiteks Jaapanis kasutatakse titaanplekki väga laialdaselt katuste ja isegi siseruumide viimistlemisel. Ehituses tarbitava materjali osakaal on oluliselt suurem kui lennundussektoris.

Selle põhjuseks on nii sellise katte vastupidavus kui ka selle hämmastavad dekoratiivsed omadused. Anoodilise oksüdatsiooni abil saab lehe pinnale saada erineva paksusega oksiidide kihi. Värv muutub. Lõõmutamise aega ja intensiivsust muutes saate kollase, türkiissinise, sinise, roosa, rohelise värvi.

Lämmastikuatmosfääris anodeerimisel saadakse titaannitriidi kihiga lehed. Nii saadakse väga erinevaid kullavarjundeid. Seda tehnoloogiat kasutatakse arhitektuurimälestiste restaureerimisel – näiteks kirikute restaureerimisel.

Õmbluskatused

See valik on juba väga laialt levinud. Kuid selle aluseks ei ole titaan ise, vaid selle sulam.

Õmbluskatused ise on tuntud väga pikka aega, kuid pole pikka aega populaarsed. Tänapäeval on aga tänu kõrgtehnoloogiliste ja tehno-stiilide moele vajadus katkiste ja splainpindade järele, eriti selliste, mis ulatuvad hoone fassaadini. Ja see annab sellise võimaluse.

Selle vormimisvõime on peaaegu piiramatu. Ja sulami kasutamine annab nii erakordse tugevuse kui ka kõige ebatavalisema välimus. Kuigi ausalt öeldes peetakse põhilist matt terasest värvi kõige auväärsemaks.

Kuna tsink-titaan on üsna korraliku vormitavusega, valmistatakse sulamist mitmesuguseid keerulisi dekoratiivdetaile: katuseharjad, veekindlad piirded, karniisid jne.

Seda titaani kasutusvaldkonda fassaadikattena käsitletakse lühidalt allpool.

Fassaadi vooderdus

Tsink-titaani kasutatakse ka voodripaneelide valmistamisel. Paneele kasutatakse nii fassaadide katmiseks kui ka siseviimistluseks. Põhjus on sama – tugevuse, erakordse kerguse ja dekoratiivsuse kombinatsioon.

Paneele toodetakse väga erineva kujuga - lamellide, teemantide, moodulite, kaalude jne kujul. Kõige huvitavam on see, et paneelid ei saa olla tasased, vaid võivad võtta peaaegu igasuguse kolmemõõtmelise kuju. Selle tulemusena on selline viimistlus võimalik mis tahes, isegi kõige kujuteldamatuma konfiguratsiooniga seintel ja hoonetel.

Toote kergus võimaldab ka teist täiesti ainulaadset rakendust. Tavaline ventileeritav fassaad tähendab ka vahet voodri ja isolatsiooni vahel. Kergekaalulisi tsink-titaanpaneele saab aga kinnitada liigutatavate avamismehhanismide külge, moodustades ruloodega sarnase süsteemi. Plaadid võivad vajadusel tasapinnast kõrvale kalduda 90 kraadise nurga all.

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

See video näitab teile, kuidas teha titaanist sõrmust: