Proprietăți unice ale titanului metalic: densitatea și punctul de topire

Istoria descoperirii metalului

Totul a început în 1791, când, independent unul de altul, în același timp, William Gregor (Anglia) și MG Klaprot (Germania) a primit dioxid de titan, dar ei nu puteau separa o substanță pură de ea. Mineralogistul și, în combinație, preotul Gregor a studiat nisipul negru ferugin găsit în vecinătatea parohiei sale. Rezultatul a fost extracția compusului de titan - boabele strălucitoare, care, cu numele "menakin" (din menacanitul mineral), au imortalizat locurile natale ale englezului.

În același timp, chimistul Klaprot, studiind nisipurile roșii aduse din Ungaria, a găsit o substanță nouă în mineralul rutilului și la numit "titan". Și, câțiva ani mai târziu, el a dovedit că terenurile rutile și menakene sunt compuși identici. În 1825 chimistul suedez Berzelius a primit primul proba de metal de titan, dar acest lucru nu a permis progresul în studiul proprietăților, deoarece impuritățile au făcut proba fragilă și necorespunzătoare pentru prelucrare.

Doar în 1925 chimistul olandez van Arkel și de Boer, folosind descompunerea termică a iodurii de titan, care nu era utilizat pe scară largă, a primit o substanță cu o puritate de 99,9%. Un astfel de metal era din material plastic, putea fi laminat în foi, sârmă și folie. Acest lucru ne-a permis să începem un studiu la scară largă a proprietăților fizice și chimice, să atragem atenția inginerilor și constructorilor și să subliniem domeniul de aplicare. Și deja în 1940 a existat un proces Croll pentru recuperarea tetraclorurii de magneziu cu titan, care a fost folosit cu succes până în prezent.

Teorii despre originea numelui

Există două teorii despre originea numelui:

• Primul, subliniind proprietățile de bază ale metalului de titan - ușurința și forța, este asociat cu numele caracterului legendei germane - regina elita Titania.
• O altă teorie se referă la mitologia greacă veche, în care frații puternici - zeitățile celei de a doua generații, copiii zeilor Uranus și Gaia au fost numiți titani. Echiile de acest lucru sunt auzite în numele elementului de uraniu.

Găsirea titanului în natură

Titan ocupă cel de-al patrulea loc onorabil prin conținutul în crusta pământului printre metalele care sunt importante pentru oameni, în al doilea rând numai la fier, magneziu și aluminiu. Cantitatea sa maximă este concentrată în stratul inferior, bazalt, puțin mai puțin în stratul de granit. Având în vedere activitatea chimică ridicată, nu este posibil să se găsească titan în forma sa pură. Cele mai frecvente sunt oxizii tetravalenți, care sunt concentrați în minele de crustă din vreme și în lutul de mare.

Astăzi există până la 75 de minerale de titan, iar oamenii de știință declară periodic descoperirea de noi forme și compuși. Pentru prelucrarea industrială, cele mai importante sunt:

• Ilmenit.
• Leukoxen (un produs al schimbării ilmenitei).
• Rutil.
• Titanit (sferă).
• Perovskit.
• Anatase.
• Titanomagnetic.
• Brooke.

Titan - un migrant slab, poate fi transportat numai sub formă de resturi mecanice de rocă sau când se mișcă siluetă coloidă straturi de rezervoare. Pentru cantitățile tipice maxime biosferă conținut ale acestui metal în alge, se găsește la animale din lână și țesuturi excitat în corpul uman este prezent în glanda tiroida, splina, glanda suprarenală și placenta.

Depozite de material spațial

Cele mai frecvente sunt depozitele de ilmenit, acestea sunt de aproximativ 800 de milioane de tone. Rezervele minereurilor rutile sunt mult mai mici, dar odată cu creșterea producției, toate pot oferi omenire încă 100 de ani. Potrivit rezervelor de titan, Rusia este al doilea numai în China și are 20 de depozite explorate. Cele mai multe dintre acestea sunt complexe, unde produc, de asemenea, fier, fosfor, vanadiu și zirconiu. Astăzi, cel mai mare producător din lume titan este compania metalurgică rusă VSMPO-AVISMA.

Depozitele extinse sunt situate în Africa de Sud, Ucraina, Canada, SUA, Brazilia, Australia, Suedia, Norvegia, Egipt, Kazahstan, India și Coreea de Sud. Ele diferă în conținutul de metale în minereuri și în volume de extracție, explorarea geologică nu se oprește. Chiar și pe Lună, s-au găsit rezerve de minereuri care conțin titan, unele dintre ele zeci de ori mai mari decât depozitele mari ale Pământului. Acest lucru ne permite să sperăm pentru o reducere a prețului de piață al metalului și extinderea domeniului de utilizare.

Proprietățile fizice ale elementului

Titanul - elementul chimic al tabelului periodic al lui Mendeleyev, se află în al patrulea grup al celei de-a patra perioade. Are numărul atomic 22, o masă molară de 47.867, este marcat cu simbolul Ti și prezintă stări de oxidare de la 2 la 4, compușii săi tetravalenți sunt cei mai stabili. La presiunea normală, punctul de topire al titanului este 1670 ± 2 ° C, se referă la metalele refractare colorate și seamănă cu aspectul oțelului.

Duritate, ductilitate și rezistență la curgere - parametrii importanți pentru orice metal care determină domeniul de aplicare. Titanul este de 12 ori mai puternic decât aluminiu, de 4 ori cupru și fier. Și este mult mai ușoară decât toate (densitatea titanului este de numai 4,54 g / cm3) și este prelucrată liber prin sudare, ștanțare, forjare și laminare. Caracteristicile importante includ conductivitatea termică scăzută și conductivitatea electrică, care rămân neschimbate chiar și la temperaturi ridicate.

Titanul are proprietăți paramagnetice: nu este magnetizat într-un câmp magnetic, cum ar fi nichelul și fierul, și nu este împins ca argint și aur. Proprietățile sale slabe de antifricțiune se datorează aderenței la multe materiale. performanță unică de rezistență la coroziune și rezistență la stres mecanic: placă de titan, zece ani au culcat pe fundul mării, nu vor suferi modificări în aspectul și compoziția, și de fier în acest timp se va descompune complet.

Proprietăți chimice

Rezistența ridicată la coroziune se datorează faptului că, în condiții normale, pe suprafața metalului este prezentă o peliculă de oxid. Cu toate acestea, sub formă de pulbere, șlefuite fine sau sârmă, este capabil să se auto-aprindă și să explodeze. Titanul este rezistent la soluții apoase de clor și multe alcalii și acizi diluanți, cu excepția hidrofluoric, ortofosforic și sulfuric. Sudarea și topirea se realizează în vid, deoarece, chiar și cu o ușoară încălzire, se manifestă una dintre principalele proprietăți ale titanului - absorbția activă a gazelor din atmosfera din jur.

Reacția cu hidrogen, care începe la 60 ° C, este reversibilă, hidrurile rezultate se descompun prin încălzire. În aer la 1200 ° C titanul strălucește cu o flacără albă strălucitoare și este capabil să ardă într-o atmosferă de azot la o temperatură de peste 400 ° C cu formarea de nitruri. Pentru a interacționa cu halogeni, condițiile necesare sunt absența umidității și prezența unui catalizator - temperatură ridicată. Reacția cu carbon produce carbură superhardă. Cu cele mai multe metale, titanul formează aliaje rezistente la structuri rezistente sau rezistente la căldură și compuși intermetalici, adesea folosit ca o componentă importantă de aliere.

Metoda de producție din materii prime

Materia primă este dioxidul de titan, care conține puțin impurități străine. Aceasta necesită concentrat de rutil, obținut prin îmbogățirea minereului. Dar rezervele mondiale sunt mici și sunt adesea utilizate zgură de titan (rutil sintetic), care se obține prin tratament termic - îmbogățit concentrat ilmenit într-un cuptor electric. Ca rezultat, fierul sub formă de fontă este colectat la baza unei băi speciale și rămâne o pulbere de culoare gri - o zgură care conține oxid de titan. Este măcinat, amestecat cu cărbune și brichetate clorurate în cuptoare, în cazul în care, la 800 ° C în prezență de tetraclorură de carbon se formează o pereche de titan.

Apoi sunt curățate și în reactoare speciale este redus cu magneziu la 950 ° C. Pe pereți se formează o masă poroasă spiked, un burete de titan, care este calcinat în vid pentru a fi separat de compușii de magneziu. Pentru a obține lingouri de titan, utilizați topirea buretului obținut în cuptoare cu vacuum. Acest lucru previne oxidarea metalului și promovează eliberarea finală a impurităților. Inelele cu puritate de până la 99,7% sunt utilizate pentru tratarea sub presiune (laminare, ștanțare, forjare).

Principalele aplicații

Este dificil să se descrie toate zonele de viață în cazul în care există un loc pentru titan, dar printre principalele domenii, se poate observa:

• Principalii consumatori sunt industria aerospațială și ingineria rachetelor. Punctul de topire ridicat și ușurința sunt avantajele neprețuite ale titanului atunci când sunt folosite ca materiale structurale "care zboară". Pentru o aeronavă, de exemplu, ele sunt aeriene și spărturi, aripi pivotante, conducte și rame. Este profund simbolic faptul că în 1980 monumentul lui Yu. A. Gagarin stabilit la Moscova a fost făcut din acest metal cosmic.
• Construcția navelor necesită și materiale ușoare și rezistente la coroziune. La sfârșitul anilor șaptezeci ai secolului al XX-lea, aproape toată producția anuală de titan în Uniunea Sovietică a dus la crearea unui submarin nuclear, unde a servit drept material structural principal. Rezultatul a fost o scădere cu o treime din greutatea submarinului, paramagnetismul său, valorile maxime ale adâncimii imersiunii și vitezei sub apă.
• Plăcile de titan sunt folosite în veste antiglonț. Greutatea unei veste antiglonț ușoare este de 4 kg, greutate mare - 10,5 kg. Chiar și o astfel de bandă cu o grosime de numai 5 mm protejează fiabil împotriva pistolului și a gloanțelor de pușcă.
• Metalul este indispensabil pentru nevoile industriei chimice având în vedere rezistența la coroziune în medii mai agresive si la temperaturi ridicate: dispozitivele și conducte, rezervoare de stocare și de distilare, filtre și supape.
• Pentru a conferi oțelurilor o duritate și rezistență la căldură, este utilizat ca aditiv de aliere.
• Aliajele de titan servesc la fabricarea de instrumente de tăiere și chirurgicale, bijuterii. Metalul nu este respins de corpul uman, așa că este folosit în medicină pentru a crea implanturi.
• Din timpuri străvechi, clădirile din orașele europene au fost acoperite cu plăci de zinc. În secolul al XX-lea, pentru aceste nevoi a fost creat un material zinc-titan ecologic curat și durabil. Plasticitatea excelentă ajută la realizarea acoperișurilor de aproape toate contururile și la formarea oricăror construcții non-standard ale fațadelor.
• Producția de materiale de construcții, vopsele, cauciuc, materiale plastice, hârtie și aditivi alimentari este greu de imaginat fără compuși de titan. Acestea sunt în cerere în inginerie electrică, acestea pot fi găsite în compoziția de sticlă și piese ceramice refractare, platforme de foraj, cheiuri, care lucrează în medii marine extreme și clădiri de calculatoare acasă.

Domeniul de aplicare al titanului se extinde în mod constant, este împiedicat de complexitatea și intensitatea energetică a procesului de obținere a unei substanțe pure. În parte, din această cauză, fierul și aluminiu tradițional sunt încă ferm în pozițiile deținute astăzi. Titanul este un tratament scump. Prețul metalului sub formă de concentrat este de sute de ori mai mic decât costul produselor finite, de exemplu, tabla de metal. Astăzi, astfel de cheltuieli nu sunt disponibile pentru toată lumea, prin urmare, utilizarea titanului determină nivelul de dezvoltare economică și capacitatea de apărare a statului.