Ewige, geheimsinnige, kosmiese, materiaal van die toekoms - al hierdie en baie ander byskrifte word in verskeie bronne aan titanium toegewys. Die geskiedenis van die ontdekking van hierdie metaal was nie triviaal nie: terselfdertyd het verskeie wetenskaplikes gewerk om die element in sy suiwer vorm te isoleer. Die proses om die fisiese, chemiese eienskappe te bestudeer en die areas van die toepassing daarvan te bepaal, is tot op hede nog nie voltooi nie. Titaan is die metaal van die toekoms, sy plek in die menslike lewe is nog nie finaal bepaal nie, wat moderne navorsers 'n groot ruimte vir kreatiwiteit en wetenskaplike navorsing gee.
Kenmerk
Die chemiese element titanium (Titanium) word in die periodieke tabel van D. I. Mendeleev deur die simbool Ti aangedui. Dit is geleë in die sekondêre subgroep van groep IV van die vierde periode en het reeksnommer 22. Die eenvoudige stof titanium is 'n wit-silwer metaal, lig en duursaam. Die elektroniese konfigurasie van 'n atoom het die volgende struktuur: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Gevolglik het titaan verskeie moontlike oksidasietoestande: 2,3, 4, in die mees stabiele verbindings is dit vierwaardig.
Titanium – legering of metaal?
Hierdie vraag interesseer baie. In 1910 het die Amerikaanse chemikus Hunter die eerste suiwer titanium verkry. Die metaal het slegs 1% onsuiwerhede bevat, maar terselfdertyd het die hoeveelheid daarvan weglaatbaar geblyk te wees en het dit nie moontlik gemaak om die eienskappe daarvan verder te bestudeer nie. Die plastisiteit van die verkregen stof is slegs onder die invloed van hoë temperature bereik; onder normale toestande (kamertemperatuur) was die monster te broos. Trouens, hierdie element het wetenskaplikes nie geïnteresseerd nie, aangesien die vooruitsigte vir die gebruik daarvan te onseker gelyk het. Die moeilikheid van verkryging en navorsing het die potensiaal vir die toepassing daarvan verder verminder. Eers in 1925 het chemici uit Nederland I. de Boer en A. Van Arkel titaanmetaal ontvang, waarvan die eienskappe die aandag van ingenieurs en ontwerpers regoor die wêreld getrek het. Die geskiedenis van die studie van hierdie element begin in 1790, presies op hierdie tydstip, parallel, onafhanklik van mekaar, ontdek twee wetenskaplikes titaan as 'n chemiese element. Elkeen van hulle ontvang 'n verbinding (oksied) van 'n stof, wat nie daarin slaag om die metaal in sy suiwer vorm te isoleer nie. Die ontdekker van titaan is die Engelse mineralogmonnik William Gregor. Op die grondgebied van sy gemeente, geleë in die suidwestelike deel van Engeland, het die jong wetenskaplike begin om die swart sand van die Menaken-vallei te bestudeer. Die resultaat van eksperimente met 'n magneet was die vrystelling van blink korrels, wat 'n titaanverbinding was. Terselfdertyd in Duitsland het die chemikus Martin Heinrich Klaproth 'n nuwe stof uit die mineraal geïsoleerrutiel. In 1797 het hy ook bewys dat elemente wat parallel oopgemaak is soortgelyk is. Titaandioksied is al vir meer as 'n eeu 'n raaisel vir baie chemici, en selfs Berzelius was nie in staat om suiwer metaal te verkry nie. Die nuutste tegnologieë van die 20ste eeu het die proses om die genoemde element te bestudeer aansienlik versnel en die aanvanklike aanwysings vir die gebruik daarvan bepaal. Terselfdertyd brei die toepassingsgebied voortdurend uit. Slegs die kompleksiteit van die proses om so 'n stof soos suiwer titanium te verkry, kan die omvang daarvan beperk. Die prys van legerings en metaal is redelik hoog, so vandag kan dit nie tradisionele yster en aluminium verplaas nie.
Oorsprong van die naam
Menakin - die voornaam vir titanium, wat tot 1795 gebruik is. Dit is hoe W. Gregor deur territoriale affiliasie die nuwe element genoem het. Martin Klaproth gee die element die naam "titanium" in 1797. Op hierdie tydstip het sy Franse kollegas, gelei deur 'n redelik gerespekteerde chemikus A. L. Lavoisier, voorgestel om die nuut ontdekte stowwe in ooreenstemming met hul basiese eienskappe te benoem. Die Duitse wetenskaplike het nie met hierdie benadering saamgestem nie, hy het redelik geglo dat dit in die ontdekkingstadium taamlik moeilik is om al die eienskappe inherent aan 'n stof te bepaal en dit in die naam te weerspieël. Daar moet egter erken word dat die term wat intuïtief deur Klaproth gekies is, ten volle ooreenstem met die metaal - dit is herhaaldelik deur moderne wetenskaplikes beklemtoon. Daar is twee hoofteorieë vir die oorsprong van die naam titanium. Die metaal kan so aangewys word ter ere van die elfkoningin Titania(karakter van Germaanse mitologie). Hierdie naam simboliseer beide die ligheid en sterkte van die stof. Die meeste wetenskaplikes is geneig om die weergawe van die gebruik van antieke Griekse mitologie te gebruik, waarin die magtige seuns van die godin van die aarde Gaia titane genoem is. Die naam van die voorheen ontdekte element, uraan, spreek ook ten gunste van hierdie weergawe.
Being in die natuur
Van die metale wat tegnies waardevol is vir mense, is titaan die vierde volopste in die aardkors. Slegs yster, magnesium en aluminium word gekenmerk deur 'n groot persentasie in die natuur. Die hoogste inhoud titaan word in die bas altdop aangetref, effens minder in die granietlaag. In seewater is die inhoud van hierdie stof laag - ongeveer 0,001 mg / l. Die chemiese element titanium is redelik aktief, dus kan dit nie in sy suiwer vorm gevind word nie. Meestal is dit teenwoordig in verbindings met suurstof, terwyl dit 'n valensie van vier het. Die aantal titaanbevattende minerale wissel van 63 tot 75 (in verskeie bronne), terwyl wetenskaplikes in die huidige stadium van navorsing voortgaan om nuwe vorme van die verbindings te ontdek. Vir praktiese gebruik is die volgende minerale van die grootste belang:
- Ilmenite (FeTiO3).
- Rutile (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskite (CaTiO3).
- Titanomagnetiet (FeTiO3+Fe3O4) ens.
Alle bestaande titaan-draende ertse word verdeel inalluviaal en basies. Hierdie element is 'n swak migrant, dit kan slegs in die vorm van rotsfragmente of bewegende slikagtige onderste rotse beweeg. In die biosfeer word die grootste hoeveelheid titaan in alge aangetref. In verteenwoordigers van die aardse fauna versamel die element in die geil weefsels, hare. Die menslike liggaam word gekenmerk deur die teenwoordigheid van titanium in die milt, byniere, plasenta, skildklier.
Fisiese eienskappe
Titanium is 'n nie-ysterhoudende metaal met 'n silwerwit kleur wat soos staal lyk. By 'n temperatuur van 0 0C, is sy digtheid 4,517 g/cm3. Die stof het 'n lae soortlike gewig, wat tipies is vir alkalimetale (kadmium, natrium, litium, sesium). Wat digtheid betref, neem titanium 'n tussenposisie tussen yster en aluminium in, terwyl sy werkverrigting hoër is as dié van albei elemente. Die hoofeienskappe van metale wat in ag geneem word wanneer die omvang van hul toepassing bepaal word, is die opbrengssterkte en hardheid. Titaan is 12 keer sterker as aluminium, 4 keer sterker as yster en koper, terwyl dit baie ligter is. Die plastisiteit van 'n suiwer stof en sy treksterkte maak dit moontlik om teen lae en hoë temperature te verwerk, soos in die geval van ander metale, dit wil sê deur klink, smee, sweis, rol.’n Kenmerkende eienskap van titaan is sy lae termiese en elektriese geleidingsvermoë, terwyl hierdie eienskappe by verhoogde temperature bewaar word, tot 500 0С. In 'n magnetiese veld is titanium 'n paramagnetiese element, dit is nieword aangetrek soos yster, en word nie soos koper uitgestoot nie. Baie hoë anti-roes werkverrigting in aggressiewe omgewings en onder meganiese spanning is uniek. Meer as 10 jaar in seewater het nie die voorkoms en samestelling van die titaniumplaat verander nie. Yster in hierdie geval sal heeltemal vernietig word deur korrosie.
Termodinamiese eienskappe van titanium
- Digtheid (onder normale toestande) is 4,54g/cm3.
- Die atoomgetal is 22.
- Metaalgroep - vuurvaste, lig.
- Die atoommassa van titaan is 47,0.
- Kookpunt (0С) – 3260.
- Molêre volume cm3/mol – 10, 6.
- Titanium-smeltpunt (0С) – 1668.
- Spesifieke verdampingshitte (kJ/mol) – 422, 6.
- Elektriese weerstand (by 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Chemiese eienskappe
Die verhoogde korrosiebestandheid van die element is te wyte aan die vorming van 'n klein oksiedfilm op die oppervlak. Dit voorkom (onder normale toestande) chemiese reaksies met gasse (suurstof, waterstof) in die omringende atmosfeer van 'n element soos titaanmetaal. Die eienskappe daarvan verander onder die invloed van temperatuur. Wanneer dit tot 600 0С styg, vind 'n interaksiereaksie met suurstof plaas, wat lei tot die vorming van titaanoksied (TiO2). In die geval van absorpsie van atmosferiese gasse, word bros verbindings gevorm wat geen praktiese toepassing het nie, en daarom word sweis en smelt van titaan onder vakuumtoestande uitgevoer. omkeerbare reaksieis die proses van waterstofoplossing in die metaal, vind dit meer aktief plaas met 'n toename in temperatuur (vanaf 400 0С en hoër). Titaan, veral sy klein deeltjies (dun plaat of draad), brand in 'n stikstofatmosfeer. 'n Chemiese reaksie van interaksie is slegs moontlik by 'n temperatuur van 700 0С, wat lei tot die vorming van TiN-nitried. Vorm hoogs harde legerings met baie metale, dikwels as 'n legeringselement. Dit reageer met halogene (chroom, broom, jodium) slegs in die teenwoordigheid van 'n katalisator (hoë temperatuur) en onderhewig aan interaksie met 'n droë stof. In hierdie geval word baie harde vuurvaste legerings gevorm. Met oplossings van die meeste alkalieë en sure is titaan chemies onaktief, met die uitsondering van gekonsentreerde swael (met langdurige kook), fluorwater, warm organies (miere, oksaal).
Deposito's
Ilmenietertse is die algemeenste in die natuur – hul reserwes word op 800 miljoen ton geraam. Die neerslae van rutielafsettings is baie meer beskeie, maar die totale volume - terwyl die groei van produksie gehandhaaf word - behoort die mensdom vir die volgende 120 jaar van so 'n metaal soos titanium te voorsien. Die prys van die finale produk sal afhang van die vraag en 'n toename in die vlak van vervaardigbaarheid, maar gemiddeld wissel dit in die reeks van 1200 tot 1800 roebels/kg. In toestande van konstante tegniese verbetering word die koste van alle produksieprosesse aansienlik verminder met hul tydige modernisering. China en Rusland het die grootste reserwes van titaanerts, sowel as mineraleJapan, Suid-Afrika, Australië, Kazakstan, Indië, Suid-Korea, Oekraïne, Ceylon het 'n grondstofbasis. Die neerslae verskil in die volume van produksie en die persentasie titaan in die erts, geologiese opnames is aan die gang, wat dit moontlik maak om 'n afname in die markwaarde van die metaal en die wyer gebruik daarvan te aanvaar. Rusland is verreweg die grootste produsent van titanium.
Ontvang
Vir die vervaardiging van titanium word titaandioksied meestal gebruik, wat 'n minimum hoeveelheid onsuiwerhede bevat. Dit word verkry deur verryking van ilmenietkonsentrate of rutielerts. In die elektriese boogoond vind die hittebehandeling van die erts plaas, wat gepaard gaan met die skeiding van yster en die vorming van slak wat titaanoksied bevat. Die sulfaat- of chloriedmetode word gebruik om die ystervrye fraksie te verwerk. Titaanoksied is 'n grys poeier (sien foto). Titaanmetaal word verkry deur die gefaseerde verwerking daarvan.
Die eerste fase is die proses van sintering van slak met kooks en blootstelling aan chloordamp. Die resulterende TiCl4 word met magnesium of natrium verminder wanneer dit aan 'n temperatuur van 850 0C blootgestel word. Titaanspons (poreuse saamgesmelte massa), verkry as gevolg van 'n chemiese reaksie, word verfyn of tot blokke gesmelt. Afhangende van die verdere gebruiksrigting, word 'n legering of suiwer metaal gevorm (onsuiwerhede word verwyder deur te verhit tot 1000 0С). Vir die produksie van 'n stof met 'n onsuiwerheidsinhoud van 0,01% word die jodiedmetode gebruik. Dit is gebaseer op die prosesverdamping van 'n titanium spons wat vooraf met halogeen behandel is, sy dampe.
Aansoekgebiede
Die smeltpunt van titanium is redelik hoog, wat, gegewe die ligheid van die metaal, 'n onskatbare voordeel is om dit as 'n strukturele materiaal te gebruik. Daarom vind dit die grootste toepassing in skeepsbou, die lugvaartbedryf, die vervaardiging van vuurpyle en chemiese nywerhede. Titaan word dikwels as 'n legeringsadditief in verskeie legerings gebruik, wat hardheid en hittebestandheideienskappe verhoog het. Hoë anti-roes eienskappe en die vermoë om die meeste aggressiewe omgewings te weerstaan maak hierdie metaal onontbeerlik vir die chemiese industrie. Titaan (sy legerings) word gebruik om pypleidings, tenks, kleppe, filters te maak wat gebruik word in die distillasie en vervoer van sure en ander chemies aktiewe stowwe. Dit is in aanvraag wanneer toestelle geskep word wat werk in toestande van verhoogde temperatuur aanwysers. Titaanverbindings word gebruik om duursame snygereedskap, verf, plastiek en papier, chirurgiese instrumente, inplantings, juweliersware, afwerkingsmateriaal te maak, en word in die voedselindustrie gebruik. Alle rigtings is moeilik om te beskryf. Moderne medisyne, as gevolg van volledige biologiese veiligheid, gebruik dikwels titaanmetaal. Prys is die enigste faktor wat tot dusver die wydte van toepassing van hierdie element beïnvloed. Dit is regverdig om te sê dat titanium die materiaal van die toekoms is, deur te bestudeer watter mensdom sal slaagna 'n nuwe stadium van ontwikkeling.
