Історія відкриття металу
Все почалося в 1791 році, коли, незалежно один від одного, одночасно У. Грегор (Англія) і М. Г. Клапрот (Німеччина) отримали двоокис титану, але не зуміли виділити з неї чиста речовина. Мінералог і, за сумісництвом, сільський священик Грегор вивчав чорний залозистий пісок, знайдений в околицях свого приходу. Результатом стало витяг з'єднання титану - блискучих крупинок, які назвою «менакін» (від мінералу менаканіт) увічнили рідні місця англійця.
Приблизно в цей же час хімік Клапрот, вивчаючи червоні піски, привезені з Угорщини, знайшов в мінералі рутил нова речовина і назвав його «титан». А, через кілька років, довів, що рутил і менакеновая земля - однакові з'єднання. У 1825 році шведським хіміком Берцелиусом був отриманий перший зразок металевого титану, але це не дозволило просунутися в дослідженні властивостей, так як домішки робили зразок крихким і невідповідним для механічної обробки.
Тільки в 1925 році голландські хіміки ван Аркел і де Бур, застосувавши термічний розклад йодиду титану, яке не знайшло широкого використання, отримали речовину з 99, 9% чистотою. Такий метал мав пластичністю, його можна було розгортати в листи, дріт і фольгу. Це дозволило розпочати повномасштабне вивчення фізичних і хімічних властивостей, привернути увагу інженерів і будівельників, намітити сфери застосування. А вже в 1940 році з'явився кролловскій процес відновлення чотирихлористого титану магнієм, успішно використовується і до сих пір.
Теорії походження назви
Існує дві теорії виникнення найменування:
Перша, що підкреслює основні властивості металу титану - легкість і міцність, пов'язана з ім'ям персонажа німецької легенди - ельфійської цариці Титании.- Інша теорія відсилає до давньогрецької міфології, де титанами називали могутніх братів - божеств другого покоління, дітей богів Урана і Геї. Відлуння цього чуються і в назві елемента урану.
Знаходження титану в природі
Титан займає почесне четверте місце за змістом в земній корі серед важливих для людини металів, поступаючись тільки залозу, магнію і алюмінію. Максимальна його кількість зосереджена в нижньому, базальтовому шарі, трохи менше - в гранітному. Беручи до уваги високу хімічну активність, знайти титан в чистому вигляді не представляється можливим. Найбільш поширені чотиривалентність оксиди, які концентруються в рудах кори вивітрювання і в морській глині.
Сьогодні налічують до 75 титанових мінералів, а вчені періодично заявляють про відкриття все нових форм і з'єднань. Для промислової переробки найбільше значення мають:
Ільменіт.- Лейкоксен (продукт зміни ільменіту).
- Рутил.
- Титаніт (Стено).
- Перовськит.
- Анатаз.
- Тітаномагнетіт.
- Брукит.
Титан - слабкий мігрант, він може переноситися тільки у вигляді механічних уламків кам'яної породи або при переміщеннях колоїдних мулистих шарів водойм. Для біосфери характерно зміст максимальних кількостей цього металу в морських водоростях, у тварин він виявлений в шерсті і рогових тканинах, в організмі людини присутній в щитовидній залозі, селезінці, надниркових і плаценті.
Родовища космічного матеріалу
Найпоширенішими є поклади ільменіту, вони становлять близько 800 млн тонн. Запаси рутилових руд значно менше, але при збереженні зростання видобутку все вони можуть забезпечити людство ще на 100 років. За запасами титану Росія поступається лише Китаю і налічує 20 розвіданих родовищ. Більшість з них - комплексні, де добувають також залізо, фосфор, ванадій і цирконій. Сьогодні найбільшим світовим виробником титану вважається російська металургійна компанія «ВСМПО-АВІСМА».
Великі поклади розташовуються на території ПАР, України, Канади, США, Бразилії, Австралії, Швеції, Норвегії, Єгипту, Казахстану, Індії та Південної Кореї. Вони розрізняються вмістом металу в рудах і обсягами видобутку, геологічні вишукування не припиняються. Навіть на Місяці були виявлені запаси титановмістних руд, деякі з них в десятки разів багатші великих родовищ Землі. Це дозволяє сподіватися на зниження ринкових цін металу і розширення сфери використання.
Фізичні властивості елемента
Titanium - хімічний елемент періодичної таблиці Менделєєва, знаходиться в IV групі четвертого періоду. Має атомний номер 22, молярну масу 47, 867, позначається символом Ti і проявляє ступені окислення від 2 до 4, найбільш стійкі його чотиривалентність з'єднання. При нормальному тиску температура плавлення титану дорівнює 1670 ± 2 ° C, він відноситься до кольорових тугоплавким металам і за зовнішнім виглядом нагадує сталь.
Твердість, пластичність і межа плинності - важливі параметри для будь-якого металу, які визначають сферу застосування. Титан в 12 разів міцніше алюмінію, в 4 рази міді і заліза. А ще він набагато легше їх усіх (щільність титану всього 4, 54 г / см 3) і вільно обробляється методами зварювання, клепки, кування і прокату. До важливих особливостей відносяться низькі показники теплопровідності і електропровідності, які залишаються незмінними навіть при високих температурах.
Титан проявляє парамагнітні властивості: чи не намагнічується в магнітному полі, подібно нікелю і заліза, і не виштовхується, як срібло і золото. Його погані антифрикційні властивості обумовлені налипанням на багато матеріалів. Унікальні показники корозійної стійкості і опору механічного впливу: пластини з титану, десять років пролежали на дні моря, не зазнають змін зовнішнього вигляду і складу, а залізо за цей час розкладеться повністю.
Хімічні властивості
Висока корозійна стійкість пояснюється тим, що в нормальних умовах на поверхні металу присутній оксидна плівка. Однак у вигляді порошку, тонкої стружки або дроту він здатний самозайматися і вибухати. Титан стійкий до водних розчинів хлору і багатьом розведеним лугів і кислот, крім плавикової, ортофосфорної і сірчаної. Зварювання і плавку проводять у вакуумі, тому що при навіть незначному нагріванні проявляється одна з головних властивостей титану - активне поглинання газів навколишньої атмосфери.
Реакція з воднем, яка починається при 60 ° C, оборотна, отримані гідриди при нагріванні знову розкладаються. На повітрі при температурі 1200 ° C титан палає яскравим білим полум'ям, і тільки він здатний горіти в атмосфері азоту при температурі вище 400 ° C з утворенням нітридів. Для взаємодії з галогенами необхідними умовами є відсутність вологи і наявність каталізатора - високої температури. При реакції з вуглецем виходить надтвердих карбід. З більшістю металів титан утворює високоміцні конструкційні або жаростійкі сплави і интерметаллические з'єднання, часто застосовується в якості важливого легирующего компонента.
Спосіб отримання з сировини
Вихідна сировина - двоокис титану, що містить мало сторонніх домішок. Для цього потрібен рутиловий концентрат, який одержують збагаченням руди. Але його світові запаси невеликі, і частіше застосовують титановий шлак (синтетичний рутил), який отримують термічною обробкою - збагаченням ільменітових концентратів в печі електродуги. В результаті залізо у вигляді чавуну збирається на дні спеціальної ванни, і залишається порошок сірого кольору - шлак, що містить оксид титану. Його подрібнюють, змішують з вугіллям, брикетують і хлорують в печах, де при 800 ° C в присутності вуглецю утворюються пари чотирихлористого титану.
Потім їх очищають і в спеціальних реакторах відновлюють магнієм при 950 ° C. На стінках утворюється спёкшаяся пориста маса, титанова губка, яку для сепарації від сполук магнію прожарюють в вакуумі. Щоб виготовити злитки титану використовують плавку отриманої губки в вакуумно-дугових печах. Це оберігає метал від окислення і сприяє остаточного звільнення від домішок. Готові злитки з чистотою до 99, 7% використовують для обробки тиском (прокатка, штампування, кування).
Основні сфери застосування
Складно описати всі сфери життя, де знайшлося місце титану, але серед основних напрямків можна відзначити:
Головні споживачі - аерокосмічна галузь і ракетобудування. Висока температура плавлення і легкість є неоціненними перевагами титану при використанні в якості «літаючого» конструкційний матеріал. Для літака, наприклад, це елерони і лонжерони, поворотні вузли крил, трубопроводи та шпангоути. Глибоко символічно, що в 1980 році встановлений в Москві пам'ятник Ю. А. Гагаріну зроблений з цього космічного металу.- Суднобудування теж потребує легких і корозійно-стійких матеріалах. В кінці 70-х років ХХ століття практично весь річний обсяг випуску титану в Радянському Союзі пішов на створення ядерного підводного човна, де він служив основним конструкційним матеріалом. Результатом стали зниження на одну третину ваги субмарини, її парамагнетизм, максимальні показники глибини занурення і швидкості під водою.
- Титанові пластини застосовують в бронежилетах. Вага легкого бронежилета - 4 кг, важкого - 10, 5 кг. Навіть одна така смуга завтовшки всього 5 мм надійно захищає від пістолетних і рушничних куль.
- Метал незамінний для потреб хімічної промисловості з огляду на антикорозійної стійкості в більшості агресивних середовищ і при високих температурах: прилади та трубопроводи, ємності зберігання та перегонки, фільтри і запірна арматура.
- Для додання сталям твердості і жароміцних його використовують як добавку легуючих.
- Сплави титану служать для виготовлення ріжучих і хірургічних інструментів, ювелірних виробів. Метал не відторгається людським тілом, тому його застосовують в медицині для створення імплантатів.
З давніх-давен будівлі в європейських містах покривалися цинковими листами. У ХХ столітті для цих потреб було створено екологічно чистий і довговічний матеріал цинк-титан. Його відмінна пластичність допомагає виготовляти покрівлі практично всіх контурів і формувати будь-які нестандартні конструкції фасадів.- Виробництво будматеріалів, фарб, гуми, пластмас, паперу та харчових добавок важко уявити без з'єднань титану. Вони затребувані в електротехніці, їх можна знайти в складі тугоплавких стекол і керамічних деталей, в опорах бурових платформ, що працюють в екстремальних морських умовах, і корпусах домашніх комп'ютерів.
Сфера застосування титану постійно розширюється, її стримують складність і енергоємність процесу отримання чистого речовини. Почасти тому традиційні залізо і алюміній сьогодні ще міцно утримують позиції. Титан - дороге задоволення. Ціна металу у вигляді концентрату в сотні разів менша за вартість готової продукції, наприклад, листового прокату. Сьогодні такі витрати доступні далеко не всім, тому застосування титану визначає рівень економічного розвитку та обороноздатності держави.