Evigt, mystisk, kosmisk, fremtidens materiale - alle disse og mange andre betegnelser er tildelt titanium i forskellige kilder. Historien om opdagelsen af dette metal var ikke triviel: Samtidig arbejdede flere videnskabsmænd på at isolere elementet i dets rene form. Processen med at studere de fysiske, kemiske egenskaber og bestemme anvendelsesområderne er ikke afsluttet til dato. Titanium er fremtidens metal, dets plads i menneskets liv er endnu ikke endeligt fastlagt, hvilket giver moderne forskere et enormt spillerum for kreativitet og videnskabelig forskning.
Karakteristisk
Det kemiske grundstof titanium (Titanium) er angivet i D. I. Mendeleevs periodiske system med symbolet Ti. Det er placeret i den sekundære undergruppe af gruppe IV i den fjerde periode og har serienummer 22. Det simple stof titanium er et hvid-sølv metal, let og holdbart. Den elektroniske konfiguration af et atom har følgende struktur: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Derfor har titanium flere mulige oxidationstilstande: 2,3, 4, i de mest stabile forbindelser er den tetravalent.
Titanium - legering eller metal?
Dette spørgsmål interesserer mange. I 1910 opnåede den amerikanske kemiker Hunter det første rene titanium. Metallet indeholdt kun 1% urenheder, men på samme tid viste det sig at dets mængde var ubetydelig og gjorde det ikke muligt at studere dets egenskaber yderligere. Det opnåede stofs plasticitet blev kun opnået under påvirkning af høje temperaturer; under normale forhold (stuetemperatur) var prøven for skrøbelig. Faktisk interesserede dette element ikke videnskabsmænd, da udsigterne for dets brug virkede for usikre. Vanskeligheden ved at opnå og forske yderligere reducerede potentialet for dets anvendelse. Først i 1925 modtog kemikere fra Holland I. de Boer og A. Van Arkel titaniummetal, hvis egenskaber tiltrak sig opmærksomhed fra ingeniører og designere over hele verden. Historien om undersøgelsen af dette element begynder i 1790, præcis på dette tidspunkt, parallelt, uafhængigt af hinanden, opdager to forskere titanium som et kemisk element. Hver af dem modtager en forbindelse (oxid) af et stof, idet de ikke kan isolere metallet i dets rene form. Opdageren af titanium er den engelske mineralogmunk William Gregor. På hans sogns område, beliggende i den sydvestlige del af England, begyndte den unge videnskabsmand at studere det sorte sand i Menaken-dalen. Resultatet af eksperimenter med en magnet var frigivelsen af skinnende korn, som var en titaniumforbindelse. Samtidig i Tyskland isolerede kemikeren Martin Heinrich Klaproth et nyt stof fra mineraletrutil. I 1797 beviste han også, at elementer åbnet parallelt ligner hinanden. Titandioxid har været et mysterium for mange kemikere i mere end et århundrede, og selv Berzelius var ude af stand til at opnå rent metal. De nyeste teknologier i det 20. århundrede fremskyndede processen med at studere det nævnte element betydeligt og bestemte de indledende retninger for dets brug. Samtidig udvides anvendelsesområdet konstant. Kun kompleksiteten af processen med at opnå et sådant stof som rent titanium kan begrænse dens omfang. Prisen på legeringer og metal er ret høj, så i dag kan den ikke fortrænge traditionelt jern og aluminium.
Oprindelse af navnet
Menakin - det fornavn for titanium, som blev brugt indtil 1795. Sådan kaldte W. Gregor ved territori alt tilhørsforhold det nye element. Martin Klaproth gav grundstoffet navnet "titanium" i 1797. På dette tidspunkt foreslog hans franske kolleger, ledet af en ret velrenommeret kemiker A. L. Lavoisier, at navngive de nyopdagede stoffer i overensstemmelse med deres grundlæggende egenskaber. Den tyske videnskabsmand var ikke enig i denne tilgang, han mente med rimelighed, at det på opdagelsesstadiet er ret svært at bestemme alle de egenskaber, der er iboende i et stof og afspejle dem i navnet. Det skal dog erkendes, at det udtryk, som Klaproth intuitivt har valgt, svarer fuldt ud til metallet - dette er gentagne gange blevet understreget af moderne videnskabsmænd. Der er to hovedteorier for oprindelsen af navnet titanium. Metallet kunne betegnes således til ære for elverdronningen Titania(karakter af germansk mytologi). Dette navn symboliserer både letheden og styrken af stoffet. De fleste videnskabsmænd er tilbøjelige til at bruge versionen af brugen af oldgræsk mytologi, hvor de magtfulde sønner af jordens gudinde Gaia blev kaldt titaner. Navnet på det tidligere opdagede grundstof, uran, taler også til fordel for denne version.
At være i naturen
Af de metaller, der er teknisk værdifulde for mennesker, er titanium det fjerde mest udbredte i jordskorpen. Kun jern, magnesium og aluminium er karakteriseret ved en stor procentdel i naturen. Det højeste indhold af titanium ses i bas altskallen, lidt mindre i granitlaget. I havvand er indholdet af dette stof lavt - cirka 0,001 mg / l. Det kemiske grundstof titanium er ret aktivt, så det kan ikke findes i sin rene form. Oftest er det til stede i forbindelser med oxygen, mens det har en valens på fire. Antallet af titaniumholdige mineraler varierer fra 63 til 75 (i forskellige kilder), mens forskere på det nuværende forskningsstadium fortsætter med at opdage nye former for dets forbindelser. Til praktisk brug er følgende mineraler af største betydning:
- Ilmenite (FeTiO3).
- Rutile (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskite (CaTiO3).
- Titanomagnetit (FeTiO3+Fe3O4) osv.
Alle eksisterende titaniumholdige malme er opdelt ialluvial og grundlæggende. Dette element er en svag migrant, det kan kun rejse i form af klippefragmenter eller bevægelige siltbundne klipper. I biosfæren findes den største mængde titanium i alger. I repræsentanter for den terrestriske fauna akkumuleres elementet i de liderlige væv, hår. Den menneskelige krop er karakteriseret ved tilstedeværelsen af titanium i milten, binyrerne, placenta, skjoldbruskkirtlen.
Fysiske egenskaber
Titanium er et ikke-jernholdigt metal med en sølvhvid farve, der ligner stål. Ved en temperatur på 0 0C er dens massefylde 4,517 g/cm3. Stoffet har en lav vægtfylde, hvilket er typisk for alkalimetaller (cadmium, natrium, lithium, cæsium). Med hensyn til densitet indtager titanium en mellemposition mellem jern og aluminium, mens dets ydeevne er højere end begge elementers. De vigtigste egenskaber ved metaller, der tages i betragtning ved bestemmelse af omfanget af deres anvendelse, er udbyttestyrken og hårdheden. Titanium er 12 gange stærkere end aluminium, 4 gange stærkere end jern og kobber, samtidig med at det er meget lettere. Plasticiteten af et rent stof og dets flydespænding gør det muligt at behandle ved lave og høje temperaturer, som det er tilfældet med andre metaller, det vil sige ved nitning, smedning, svejsning, valsning. Et karakteristisk kendetegn ved titanium er dets lave termiske og elektriske ledningsevne, mens disse egenskaber bevares ved forhøjede temperaturer, op til 500 0С. I et magnetfelt er titanium et paramagnetisk grundstof, det gør det ikketiltrækkes som jern og skubbes ikke ud som kobber. Meget høj anti-korrosionsydelse i aggressive miljøer og under mekanisk belastning er unik. Mere end 10 års ophold i havvand ændrede ikke titaniumpladens udseende og sammensætning. Jern i dette tilfælde ville blive fuldstændig ødelagt af korrosion.
Titaniums termodynamiske egenskaber
- Densitet (under normale forhold) er 4,54 g/cm3.
- Atomnummeret er 22.
- Metalgruppe - ildfast, let.
- Atommassen af titanium er 47,0.
- Kogepunkt (0С) – 3260.
- Molar volumen cm3/mol – 10, 6.
- Titaniumsmeltepunkt (0С) – 1668.
- Specifik fordampningsvarme (kJ/mol) – 422, 6.
- Elektrisk modstand (ved 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Kemiske egenskaber
Den øgede korrosionsbestandighed af elementet skyldes dannelsen af en lille oxidfilm på overfladen. Det forhindrer (under normale forhold) kemiske reaktioner med gasser (ilt, brint) i den omgivende atmosfære af et grundstof som titaniummetal. Dens egenskaber ændres under indflydelse af temperatur. Når den stiger til 600 0С, sker der en interaktionsreaktion med oxygen, hvilket resulterer i dannelsen af titaniumoxid (TiO2). Ved absorption af atmosfæriske gasser dannes der skøre forbindelser, som ikke har nogen praktisk anvendelse, hvorfor svejsning og smeltning af titanium udføres under vakuumforhold. reversibel reaktioner processen med hydrogenopløsning i metallet, sker den mere aktivt med en temperaturstigning (fra 400 0С og højere). Titanium, især dets små partikler (tynd plade eller tråd), brænder i en nitrogenatmosfære. En kemisk interaktionsreaktion er kun mulig ved en temperatur på 700 0С, hvilket resulterer i dannelsen af TiN-nitrid. Danner meget hårde legeringer med mange metaller, ofte som legeringselement. Det reagerer med halogener (chrom, brom, jod) kun i nærværelse af en katalysator (høj temperatur) og udsat for interaktion med et tørt stof. I dette tilfælde dannes der meget hårde ildfaste legeringer. Med opløsninger af de fleste alkalier og syrer er titanium kemisk inaktivt, med undtagelse af koncentreret svovlsyre (med langvarig kogning), flussyre, varm organisk (myresyre, oxalsyre).
Indlån
Ilmenitmalme er de mest almindelige i naturen - deres reserver anslås til 800 millioner tons. Aflejringerne af rutilaflejringer er meget mere beskedne, men det samlede volumen - samtidig med at væksten i produktionen opretholdes - skulle give menneskeheden i de næste 120 år et metal som titanium. Prisen på det færdige produkt vil afhænge af efterspørgsel og en stigning i fremstillingsevnen, men i gennemsnit varierer den i området fra 1200 til 1800 rubler/kg. Under forhold med konstant teknisk forbedring reduceres omkostningerne ved alle produktionsprocesser betydeligt med deres rettidige modernisering. Kina og Rusland har de største reserver af titaniummalme samt mineralerJapan, Sydafrika, Australien, Kasakhstan, Indien, Sydkorea, Ukraine, Ceylon har en råvarebase. Forekomsterne adskiller sig i mængden af produktion og procentdelen af titanium i malmen, geologiske undersøgelser er i gang, hvilket gør det muligt at antage et fald i metallets markedsværdi og dets bredere anvendelse. Rusland er langt den største producent af titanium.
Modtag
Til fremstilling af titanium anvendes titaniumdioxid oftest, der indeholder en minimumsmængde af urenheder. Det opnås ved berigelse af ilmenitkoncentrater eller rutilmalme. I lysbueovnen foregår varmebehandlingen af malmen, som er ledsaget af udskillelse af jern og dannelse af slagger indeholdende titaniumoxid. Sulfat- eller chloridmetoden bruges til at behandle den jernfri fraktion. Titaniumoxid er et gråt pulver (se billede). Titaniummetal opnås ved trinvis behandling.
Den første fase er processen med sintring af slagger med koks og udsættelse for klordamp. Det resulterende TiCl4 reduceres med magnesium eller natrium, når det udsættes for en temperatur på 850 0C. Titansvamp (porøs smeltet masse), opnået som et resultat af en kemisk reaktion, raffineres eller smeltes til ingots. Afhængig af den videre brugsretning dannes en legering eller rent metal (urenheder fjernes ved opvarmning til 1000 0С). Til fremstilling af et stof med et urenhedsindhold på 0,01 % anvendes iodidmetoden. Det er baseret på processenfordampning fra en titansvamp forbehandlet med halogen, dens dampe.
Anvendelsesområder
Smeltepunktet for titanium er ret højt, hvilket i betragtning af metallets lethed er en uvurderlig fordel ved at bruge det som et strukturelt materiale. Derfor finder den den største anvendelse inden for skibsbygning, luftfartsindustrien, fremstilling af raketter og kemisk industri. Titanium bruges ret ofte som legeringsadditiv i forskellige legeringer, som har øget hårdhed og varmebestandighed. Høje anti-korrosionsegenskaber og evnen til at modstå de mest aggressive miljøer gør dette metal uundværligt for den kemiske industri. Titanium (dets legeringer) bruges til at fremstille rørledninger, tanke, ventiler, filtre, der bruges til destillation og transport af syrer og andre kemisk aktive stoffer. Det er efterspurgt, når man laver enheder, der opererer under forhold med forhøjede temperaturindikatorer. Titaniumforbindelser bruges til at fremstille holdbare skæreværktøjer, maling, plastik og papir, kirurgiske instrumenter, implantater, smykker, efterbehandlingsmaterialer og bruges i fødevareindustrien. Alle retninger er svære at beskrive. Moderne medicin, på grund af fuldstændig biologisk sikkerhed, bruger ofte titaniummetal. Prisen er den eneste faktor, der indtil videre påvirker anvendelsesbredden af dette element. Det er rimeligt at sige, at titanium er fremtidens materiale, ved at studere, hvilken menneskehed der vil beståtil et nyt udviklingstrin.
