Магнитни свойства на титана. Свързване с други метали

Всичко, което трябва да знаете за титана, плюс хрома и волфрама

Мнозина се интересуват от въпроса: кой е най-твърдият метал в света? Титан е. По-голямата част от статията ще бъде посветена на това твърдо вещество. Ще се запознаем и с такива твърди метали като хром и волфрам.

9 интересни факта за титана

1. Има няколко версии защо металът е получил такова име. Според една теория е кръстен на титаните, безстрашни свръхестествени същества. Според друга версия името идва от Титания, кралицата на феите.
2. Титанът е открит в края на 18 век от немски и английски химик.
3. Титанът отдавна не се използва в индустрията поради естествената му крехкост.
4. В началото на 1925 г., след поредица от експерименти, химиците получават чист титан.
5. Титановите чипове са силно запалими.
6. Той е един от най-леките метали.
7. Титанът може да се стопи само при температури над 3200 градуса.
8. Кипи при температура 3300 градуса.
9. Титанът е сребрист на цвят.

История на откриването на титан

Металът, който по-късно е наречен титан, е открит от двама учени - англичанинът Уилям Грегор и германецът Мартин Грегор Клапрот. Учените работеха паралелно и не се пресичаха един с друг. Разликата между откритията е 6 години.

Уилям Грегор дава името на своето откритие - Менакин.

Повече от 30 години по-късно се получава първата титаниева сплав, която се оказва изключително крехка и не може да се използва никъде. Смята се, че едва през 1925 г. е изолиран титанът в чист вид, който се превръща в един от най-търсените метали в индустрията.

Доказано е, че руският учен Кирилов успява да извлече чист титан през 1875 г. Той публикува брошура, в която подробно описва работата си. Изследванията на малко познат руснак обаче останаха незабелязани.

Обща информация за титана

Титановите сплави са спасител за механици и инженери. Например корпусът на самолета е изработен от титан. По време на полет той достига скорост няколко пъти по-голяма от скоростта на звука. Титаниевият корпус се нагрява до над 300 градуса и не се топи.

Металът затваря челната десетка в „Най-често срещаните метали в природата“. Големи находища са открити в Южна Африка, Китай и много титан в Япония, Индия и Украйна.

Общият световен резерв от титани е повече от 700 милиона тона. Ако темпът на производство остане същият, титанът ще продължи още 150-160 години.

Най-големият производител на най-твърдия метал в света е руската компания VSMPO-Avisma, която задоволява една трета от световните нужди.

Свойства на титан

1. Устойчивост на корозия.
2. Висока механична якост.
3. Ниска плътност.

Атомното тегло на титана е 47, 88 amu, поредният номер в химическата периодична таблица е 22. Външно е много подобен на стоманата.

Механичната плътност на метала е 6 пъти по-висока от тази на алуминия, 2 пъти по-висока от тази на желязото. Може да се комбинира с кислород, водород, азот. Когато е сдвоен с въглерод, металът образува невероятно твърди карбиди.

Топлопроводимостта на титана е 4 пъти по-малка от тази на желязото и 13 пъти по-малка от тази на алуминия.

Процес на добив на титан

В земята има голямо количество титан, но извличането му от червата струва много пари. За производството се използва йодидният метод, чийто автор е Ван Аркел де Бур.

Методът се основава на способността на метала да се комбинира с йод; след разлагането на това съединение може да се получи чист титан без примеси.

Най-интересните неща от титан:

протези в медицината;
табла за мобилни устройства;
ракетни комплекси за изследване на космоса;
тръбопроводи, помпи;
сенници, корнизи, външни облицовки на сгради;
повечето части (шаси, кожа).

Области на приложение на титана

Титанът се използва активно във военната сфера, медицината и бижутата. Той получи неофициалното име "метал на бъдещето". Много хора казват, че помага да превърнете мечтите в реалност.

Най-твърдият метал в света първоначално е бил използван във военния и отбранителния сектор. Днес основният потребител на титаниеви продукти е авиационната индустрия.

Титанът е универсален строителен материал. Дълги години се използва за създаване на самолетни турбини. В самолетните двигатели титанът се използва за направата на вентилаторни елементи, компресори и дискове.

Дизайнът на модерен самолет може да съдържа до 20 тона титанова сплав.

Основните области на приложение на титана в самолетостроенето:

пространствени продукти (кантове на врати, люкове, обшивки, подови настилки);
възли и възли, които са подложени на големи натоварвания (скоби на калниците, подпори на колесника, хидравлични цилиндри);
части на двигателя (корпус, лопатки на компресора).

Благодарение на титана човек успя да премине през звуковата бариера и да пробие в Космоса. Използван е за създаване на пилотирани ракетни системи. Титанът може да издържи на космическа радиация, температурни спадове и скорост на движение.

Този метал има ниска плътност, което е важно в корабостроителната индустрия. Титановите продукти са леки, което означава, че теглото е намалено, маневреността, скоростта и обхватът му се увеличават. Ако корпусът на кораба е покрит с титан, няма да е необходимо да се боядисва в продължение на много години - титанът не ръждясва в морската вода (устойчивост на корозия).

Най-често този метал се използва в корабостроенето за производството на турбинни двигатели, парни котли, кондензаторни тръби.

Нефтено находище и титан

Свръхдълбокото пробиване се счита за обещаваща област за използване на титанови сплави. За проучване и извличане на подземни ресурси е необходимо да се проникне дълбоко под земята - над 15 хиляди метра. Алуминиеви сондажни тръби, например, ще се спукат поради собствената си гравитация и само титаниеви сплави могат да проникнат наистина дълбоко.

Не толкова отдавна титанът започна активно да се използва за създаване на кладенци на офшорни рафтове. Специалистите използват титаниеви сплави като оборудване:

инсталации за производство на петрол;
съдове под налягане;
дълбоководни помпи, тръбопроводи.

Титан в спорта, медицината

Титанът е изключително популярен в спортната сфера поради своята здравина и лекота. Преди десетилетия титаниеви сплави са били използвани за направата на велосипед, първото спортно оборудване, изработено от най-твърдия материал в света. Модерният велосипед се състои от титаниево тяло, същите спирачни пружини и пружини на седалката.

Титаниеви стикове за голф са създадени в Япония. Тези тела са леки и издръжливи, но изключително скъпи.

Повечето от предметите, които лежат в раниците на алпинисти и пътешественици, са изработени от титан – сервизи, комплекти за приготвяне на храна, стойки за укрепване на палатки. Титановите брадви са много популярно спортно оборудване.

Този метал е много търсен в медицинската индустрия. Повечето хирургически инструменти са изработени от титан – леки и удобни.

Друга област на приложение на метала на бъдещето е създаването на протези. Титанът идеално се "комбинира" с човешкото тяло. Лекарите нарекоха този процес "истинско родство". Титановите конструкции са безопасни за мускулите и костите, рядко предизвикват алергична реакция и не се срутват под въздействието на телесни течности. Титановите протези са издръжливи и могат да издържат на огромно физическо натоварване.

Титанът е невероятен метал. Помага на човек да достигне безпрецедентни висоти в различни области на живота. Той е обичан и почитан заради неговата сила, лекота и дългогодишна служба.

Хромът е един от най-твърдите метали.

Интересни факти за хрома

1. Името на метала идва от гръцката дума "chroma", което означава боя.
2. В естествената среда чист хром не се среща, а само под формата на хромова желязна руда, двоен оксид.
3. Най-големите находища на метал се намират в Южна Африка, Русия, Казахстан и Зимбабве.
4. Плътност на метала - 7200кг/м3.
5. Хромът се топи при температура 1907 градуса.
6. Кипи при температура 2671 градуса.
7. Идеално чистият хром без примеси се характеризира с пластичност и издръжливост. Когато се комбинира с кислород, азот или водород, металът става крехък и много твърд.
8. Този сребристо-бял метал е открит от французина Луи Никола Вокелен в края на 18 век.

Свойства на металния хром

Хромът има много висока твърдост и може да реже стъкло. Не се окислява от въздух или влага. Ако металът се нагрява, окисляването ще настъпи само на повърхността.

Повече от 15 000 тона чист хром се консумират годишно. Британската компания "Bell Metals" се счита за лидер в производството на най-чист хром.

Най-много хром се консумира в САЩ, западните страни на Европа и Япония. Пазарът на хром е нестабилен и цените варират в широк диапазон.

Области на употреба на хром

Най-често се използва за създаване на сплави и галванични покрития (хромирано покритие за транспорт).

Хромът се добавя към стоманата за подобряване на физическите свойства на метала. Тези сплави са най-търсени в черната металургия.

Най-популярният клас стомана се състои от хром (18%) и никел (8%). Такива сплави перфектно издържат на окисляване, корозия и са здрави дори при високи температури.

Отоплителните пещи са изработени от стомана, която съдържа една трета хром.

Какво друго се прави хром?

1. Цеви на огнестрелни оръжия.
2. Корпус на подводниците.
3. Тухли, използвани в металургията.

Друг изключително твърд метал е волфрамът.

Интересни факти за волфрама

1. Името на метала в превод от немски ("Wolf Rahm") означава "вълча пяна".
2. Това е най-огнеупорният метал в света.
3. Волфрамът има светлосив нюанс.
4. Металът е открит в края на 18 век (1781 г.) от шведа Карл Шееле.
5. Волфрамът се топи при 3422 градуса, кипи при 5900.
6. Металът е с плътност 19,3 g / cm³.
7. Атомна маса - 183,85, елемент от VI група в периодичната система на Менделеев (пореден номер - 74).

Процес на добив на волфрам

Волфрамът принадлежи към голяма група редки метали. Той също така включва рубидий и молибден. Тази група се характеризира с ниско разпространение на метали в природата и малък мащаб на потребление.

Производството на волфрам се състои от 3 етапа:

отделяне на метал от руда, натрупването му в разтвор;
избор на съединение, неговото пречистване;
отделяне на чист метал от готовото химично съединение.
Изходният материал за производството на волфрам е шеелит и волфрамит.

Приложения на волфрам

Волфрамът е основата на повечето здрави сплави. Използва се за производство на самолетни двигатели, части за електрически вакуумни устройства и нишки.
Високата плътност на метала прави възможно използването на волфрам за създаване на балистични ракети, куршуми, противотежести и артилерийски снаряди.

Съединенията на базата на волфрам се използват за обработка на други метали, в минната промишленост (пробиване), бои и лакове и текстил (като катализатор за органичен синтез).

Сложните волфрамови съединения се използват за получаване на:

проводници - използвани в отоплителни пещи;
ленти, фолио, плочи, листове - за валцоване и плоско коване.

Титан, хром и волфрам оглавяват списъка на "най-твърдите метали в света". Използват се в много области на човешката дейност - авиация и ракетна техника, военни, строителство и в същото време това не е пълен набор от метални приложения.

Титанът се нарежда на 4-то място по разпространение в производството, но ефективна технология за извличането му е разработена едва през 40-те години на миналия век. Това е метал със сребрист цвят с ниско специфично тегло и уникални характеристики. За да се анализира степента на разпространение в индустрията и други области, е необходимо да се изразят свойствата на титана и обхвата на неговите сплави.

Основни характеристики

Металът има ниско специфично тегло - само 4,5 g / cm³. Антикорозионните свойства се дължат на стабилния оксиден филм, който се образува на повърхността. Поради това качество титанът не променя свойствата си при продължително излагане на вода, солна киселина. Не се появяват повреди от напрежение, което е основният проблем със стоманата.

Чистият титан има следните качества и характеристики:

номинална точка на топене - 1660 ° С;
при излагане на топлина +3 227 ° С кипи;
якост на опън - до 450 MPa;
характеризира се с нисък индекс на еластичност - до 110,25 GPa;
по скалата HB твърдостта е 103;
точката на провлачване е една от най-оптималните сред металите - до 380 MPa;
топлопроводимост на чист титан без добавки - 16,791 W / m * С;
минимален коефициент на топлинно разширение;
този елемент е парамагнитен.

За сравнение, здравината на този материал е 2 пъти по-голяма от чистото желязо и 4 пъти по-голяма от алуминия. Също така титанът има две полиморфни фази - нискотемпературна и високотемпературна.

За производствени нужди чистият титан не се използва поради високата му цена и изискваната производителност. За увеличаване на твърдостта към състава се добавят оксиди, хибриди и нитриди. По-рядко, промени в характеристиките на материала за подобряване на устойчивостта на корозия. Основните видове добавки за получаване на сплави: стомана, никел, алуминий. В някои случаи той действа като допълнителен компонент.

Области на използване

Поради ниското си специфично тегло и параметри на якост, титанът се използва широко в авиационната и космическата индустрия. Използва се като основен конструктивен материал в чист вид. В специални случаи се правят по-евтини сплави чрез намаляване на топлоустойчивостта. Въпреки това, неговата устойчивост на корозия и механична якост остават непроменени.

Освен това материалът с титанови добавки е намерил приложение в следните области:

Химическа индустрия. Неговата устойчивост на почти всички агресивни среди, с изключение на органични киселини, прави възможно производството на сложно оборудване с добри показатели за експлоатационен живот без поддръжка.
Производство на превозни средства. Причината е ниското специфично тегло и механична якост. От него се изработват рамки или носещи конструктивни елементи.
Лекарството. За специални цели се използва специална сплав от нитинол (титан и никел). Неговата отличителна черта е паметта на формата. За да се намали тежестта върху пациентите и да се сведе до минимум вероятността от негативни ефекти върху тялото, много медицински шини и подобни устройства са направени от титан.
В промишлеността металът се използва за производството на корпуси и отделни елементи на оборудването.
Бижутата от титан имат уникален външен вид и усещане.

В повечето случаи материалът се обработва в завода. Но има редица изключения - знаейки свойствата на този материал, част от работата по промяна на външния вид на продукта и неговите характеристики може да се извърши в домашна работилница.

Характеристики на обработка

За да придадете на продукта желаната форма, е необходимо да използвате специално оборудване - струг и фрезова машина. Ръчното рязане или фрезоване на титан не е възможно поради неговата твърдост. В допълнение към избора на мощност и други характеристики на оборудването, е необходимо да изберете правилните режещи инструменти: фрези, фрези, райбери, бормашини и др.

В този случай се вземат предвид следните нюанси:

Титановите стърготини са силно запалими. Необходимо е принудително охлаждане на повърхността на детайла и работа при минимални скорости.
Огъването на продукта се извършва само след предварително нагряване на повърхността. В противен случай има вероятност да се появят пукнатини.
Заваряване. Спазването на специални условия е наложително.

Титанът е уникален материал с добри експлоатационни и технически свойства. Но за да го обработите, трябва да знаете спецификата на технологията и най-важното - предпазните мерки.

Титанът (на латински Titanium; обозначава се със символа Ti) е елемент от вторична подгрупа от четвъртата група, четвъртия период от периодичната система от химични елементи, с атомен номер 22. Простото вещество титан (CAS номер: 7440-32 -6) е лек сребристо-бял метал ...

История

Откриването на TiO 2 е направено почти едновременно и независимо един от друг от англичанина В. Грегор и немския химик М. Г. Клапрот. W. Gregor, изследвайки състава на магнитния железен пясък (Крийд, Корнуол, Англия, 1789 г.), идентифицира нова „земя“ (оксид) от неизвестен метал, който той нарече Менакенова. През 1795 г. немският химик Клапрот открива нов елемент в рутилния минерал и го нарече титан. Две години по-късно Клапрот установява, че рутилът и менакенската земя са оксиди на един и същи елемент, зад който остава името "титан", предложено от Клапрот. Десет години по-късно титанът е открит за трети път. Френският учен Л. Вокелин открива титан в анатаза и доказва, че рутилът и анатазът са идентични титанови оксиди.
Първата проба от метален титан е получена през 1825 г. от J. J. Berzelius. Поради високата химическа активност на титана и сложността на неговото пречистване, чиста проба Ti е получена от холандците А. ван Аркел и И. де Бур през 1925 г. чрез термично разлагане на парите на титанов йодид TiI 4.

произход на името

Металът получи името си в чест на титаните, героите от древногръцката митология, децата на Гея. Името на елемента е дадено от Мартин Клапрот, в съответствие с неговите възгледи за химическата номенклатура в противопотока на френската химическа школа, където се опитват да назоват елемента според неговите химични свойства. Тъй като самият немски изследовател отбеляза невъзможността да се определят свойствата на нов елемент само от неговия оксид, той избра име за него от митологията, по аналогия с урана, който е открил по-рано.
Но според друга версия, публикувана в списание "Техника-Молодежи" в края на 80-те години на миналия век, новооткритият метал дължи името си не на могъщите титани от древногръцките митове, а на Титания - кралицата на феите в германската митология (Съпругата на Оберон в „Сън в лятна нощ“ на Шекспир). Това име се свързва с изключителната "лекота" (ниска плътност) на метала.

Получаване

Като правило изходният материал за производството на титан и неговите съединения е титанов диоксид с относително малко количество примеси. По-специално, това може да бъде рутилов концентрат, получен по време на обогатяването на титанови руди. Въпреки това, запасите от рутил в света са много ограничени и често се използва така наречената синтетична рутил или титанова шлака, получена при преработката на илменит концентрати. За да се получи титанова шлака, илменитовият концентрат се редуцира в електрическа дъгова пещ, докато желязото се разделя на метална фаза (чугун), а нередуцираните оксиди на титана и примесите образуват шлакова фаза. Богатата шлака се обработва по метода на хлорид или сярна киселина.
Концентратът от титанова руда се подлага на сярна киселина или пирометалургична обработка. Продуктът от обработката със сярна киселина е титанов диоксид TiO 2 на прах. По пирометалургичния метод рудата се синтерува с кокс и се обработва с хлор, като се получава двойка титанов тетрахлорид TiCl 4:
TiO 2 + 2C + 2Cl 2 = TiCl 2 + 2CO

Получените TiCl 4 пари при 850 ° C се редуцират с магнезий:
TiCl 4 + 2Mg = 2MgCl 2 + Ti

Получената титаниева "гъба" се претопява и рафинира. Титанът се рафинира чрез йодиден метод или електролиза, като се отделя Ti от TiCl 4. За получаване на титанови блокове се използва дъгова, електронно-лъчева или плазмена обработка.

Физически свойства

Титанът е лек, сребристо-бял метал. Той съществува в две кристални модификации: α-Ti с хексагонална плътно опакована решетка, β-Ti с кубична плътно центрирана опаковка, температурата на полиморфна трансформация α↔β е 883 ° C.
Има висок вискозитет, по време на механична обработка е склонен към залепване към режещия инструмент и поради това изисква нанасяне на специални покрития върху инструмента, различни смазки.
При нормални температури той е покрит със защитен пасивиращ филм от TiO 2 оксид, поради което е устойчив на корозия в повечето среди (с изключение на алкални).
Титановият прах има тенденция да експлодира. Точка на запалване 400°C. Титановите стърготини са пожароопасни.

/ mol)

История

Откриването на титанов диоксид (TiO 2) е направено почти едновременно и независимо един от друг от англичанина В. Грегор и немския химик М. Г. Клапрот. W. Gregor, изследвайки състава на магнитния железен пясък (Крийд, Корнуол, Англия), идентифицира нова „земя“ (оксид) от неизвестен метал, която той нарече Менакенова. През 1795 г. немският химик Клапрот открива нов елемент в рутилния минерал и го нарече титан. Две години по-късно Клапрот установява, че рутилът и менакенската земя са оксиди на един и същи елемент, зад който остава името "титан", предложено от Клапрот. Десет години по-късно титанът е открит за трети път: френският учен Л. Вокелин открива титан в анатаза и доказва, че рутилът и анатазът са идентични титанови оксиди.

Първата проба от метален титан е получена през 1825 г. от шведа J. J. Berzelius. Поради високата химическа активност на титана и сложността на неговото пречистване, чиста проба Ti е получена от холандците А. ван Аркел и И. де Бур през 1925 г. чрез термично разлагане на парите на титанов йодид TiI 4.

Титанът не намира индустриална употреба до люксембургския G. Kroll (Английски)Рускипрез 1940 г. той не патентова прост магнезиево-термичен метод за редукция на метален титан от тетрахлорид; този метод (процес Kroll (Английски)Руски) досега остава един от основните в промишленото производство на титан.

произход на името

Металът получи името си в чест на титаните, героите от древногръцката митология, децата на Гея. Името на елемента е дадено от Мартин Клапрот в съответствие с неговите възгледи за химическата номенклатура, за разлика от френската химическа школа, където се опитват да назоват елемента по неговите химични свойства. Тъй като самият немски изследовател отбеляза невъзможността да се определят свойствата на нов елемент само от неговия оксид, той избра име за него от митологията, по аналогия с урана, който е открил по-рано.

Да бъдеш сред природата

Титанът е 10-ият най-разпространен в природата. Съдържанието в земната кора е 0,57% от теглото, в морската вода - 0,001 mg / l. В ултраосновни скали 300 g/t, в основни скали - 9 kg/t, в киселинни скали 2,3 kg/t, в глини и шисти 4,5 kg/t. В земната кора титанът почти винаги е четиривалентен и присъства само в кислородни съединения. Не се намира в свободна форма. Титанът в условия на изветряне и утаяване има геохимичен афинитет към Al 2 O 3. Той е концентриран в бокситите на кората на изветряне и в морските глинести седименти. Титанът се пренася под формата на механични фрагменти от минерали и под формата на колоиди. В някои глини се натрупва до 30% TiO 2 от теглото. Титановите минерали са устойчиви на атмосферни влияния и образуват големи концентрации в разсипи. Известни са повече от 100 титан-съдържащи минерала. Най-важните от тях: рутил TiO 2, илменит FeTiO 3, титаномагнетит FeTiO 3 + Fe 3 O 4, перовскит CaTiO 3, титанит (сфен) CaTiSiO 5. Има първични титанови руди - илменит-титаномагнетит и разсипни руди - рутил-илменит-циркон.

Място на раждане

Големи първични находища на титан се намират в Южна Африка, Русия, Украйна, Канада, САЩ, Китай, Норвегия, Швеция, Египет, Австралия, Индия, Южна Корея, Казахстан; разсипни находища се намират в Бразилия, Индия, САЩ, Сиера Леоне, Австралия. В страните от ОНД Руската федерация (58,5%) и Украйна (40,2%) заемат водещо място по проучени запаси от титанови руди. Най-голямото находище в Русия е Ярегское.

Резерви и производство

От 2002 г. 90% от добивания титан се използва за производството на титанов диоксид TiO 2. Световното производство на титанов диоксид е 4,5 милиона тона годишно. Доказаните запаси от титанов диоксид (без Русия) възлизат на около 800 млн. т. През 2006 г., според Геоложката служба на САЩ, по отношение на титанов диоксид и без Русия, запасите на илменитови руди са 603-673 млн. т, а на рутилови руди - 49, 7-52,7 милиона тона. Така, при сегашния темп на производство на доказаните световни запаси от титан (с изключение на Русия), той ще бъде достатъчен за повече от 150 години.

Русия притежава втория по големина титан в света след Китай. Минерално-ресурсната база на титан в Русия се състои от 20 находища (от които 11 първични и 9 разсипни находища), които са доста равномерно разпръснати в цялата страна. Най-голямото от проучените находища (Ярегское) се намира на 25 км от град Ухта (Република Коми). Запасите на находището се оценяват на 2 милиарда тона руда със средно съдържание на титанов диоксид около 10%.

Най-големият производител на титан в света е руската компания VSMPO-AVISMA.

Получаване

Концентратът от титанова руда се подлага на сярна киселина или пирометалургична обработка. Продуктът от обработката със сярна киселина е титанов диоксид TiO 2 на прах. По пирометалургичния метод рудата се синтерува с кокс и се обработва с хлор, като се получава двойка титанов тетрахлорид TiCl 4:

T i O 2 + 2 C + 2 C l 2 → T i C l 4 + 2 C O (\ displaystyle (\ mathsf (TiO_ (2) + 2C + 2Cl_ (2) \ rightarrow TiCl_ (4) + 2CO))

Получените TiCl 4 пари при 850 ° C се редуцират с магнезий:

T i C l 4 + 2 M g → 2 M g C l 2 + T i (\ displaystyle (\ mathsf (TiCl_ (4) + 2Mg \ rightarrow 2MgCl_ (2) + Ti)))

В допълнение, така нареченият процес FFC Cambridge сега започва да набира популярност, кръстен на своите разработчици Дерек Фрей, Том Фартинг и Джордж Чен от университета в Кеймбридж, където е създаден. Този електрохимичен процес позволява директно непрекъснато редуциране на титан от оксид в разтопена смес от калциев хлорид и негасена вар (калциев оксид). Този процес използва електролитна вана, пълна със смес от калциев хлорид и вар, с консумативен (или неутрален) графитен анод и катод, направен от оксида, който трябва да се редуцира. При преминаване на ток през банята, температурата бързо достига ~ 1000-1100 ° C, а стопилката на калциевия оксид се разлага на анода на кислород и метален калций:

2 C a O → 2 C a + O 2 (\ displaystyle (\ mathsf (2CaO \ rightarrow 2Ca + O_ (2))))

Полученият кислород окислява анода (в случай на използване на графит) и калцият мигрира в стопилката към катода, където редуцира титана от неговия оксид:

O 2 + C → C O 2 (\ displaystyle (\ mathsf (O_ (2) + C \ rightarrow CO_ (2)))) T i O 2 + 2 C a → T i + 2 C a O (\ displaystyle (\ mathsf (TiO_ (2) + 2Ca \ rightarrow Ti + 2CaO)))

Образуваният калциев оксид отново се дисоциира в кислород и метален калций и процесът се повтаря, докато катодът се трансформира напълно в титанова гъба или калциевият оксид се изчерпи. Калциевият хлорид в този процес се използва като електролит за придаване на електрическа проводимост на стопилката и подвижност на активните калциеви и кислородни йони. При използване на инертен анод (например калаен диоксид), вместо въглероден диоксид, на анода се отделя молекулен кислород, който замърсява по-малко околната среда, но процесът в този случай става по-малко стабилен и освен това при някои условия , разлагането на хлорида става енергийно по-благоприятно, а не на калциевия оксид, което води до отделяне на молекулен хлор.

Физически свойства

Титанът е лек, сребристо-бял метал. При нормално налягане той съществува в две кристални модификации: нискотемпературен α-Ti с хексагонална плътно уплътнена решетка (шестоъгълна система, пространствена група ° С 6mmc, параметри на клетката а= 0,2953 nm, ° С= 0,4729 nm, З = 2 ) и високотемпературен β-Ti с кубично тяло-центрирана опаковка (кубична система, пространствена група Аз съм 3м, параметри на клетката а= 0,3269 nm, З = 2 ), температура на преход α↔β 883 ° C, преходна топлина Δ Х= 3,8 kJ / mol (87,4 kJ / kg). Когато се разтварят в титан, повечето метали стабилизират β-фазата и понижават температурата на преход α↔β. При налягания над 9 GPa и температури над 900 ° C, титанът се превръща в шестоъгълна фаза (ω -Ti). Плътността на α-Ti и β-Ti е съответно 4,505 g / cm³ (при 20 ° C) и 4,32 g / cm³ (при 900 ° C). Атомната плътност на α-титана е 5,67⋅10 22 at / cm³.

Точката на топене на титана при нормално налягане е 1670 ± 2 ° C или 1943 ± 2 K (приета като една от вторичните точки за калибриране на температурната скала ITS-90 (Английски)Руски). Точката на кипене е 3287 ° C. При достатъчно ниски температури (-80 ° C), титанът става доста крехък. Моларен топлинен капацитет при нормални условия C стр= 25,060 kJ / (mol K), което съответства на специфичния топлинен капацитет от 0,523 kJ / (kg · K). Топлината на топене е 15 kJ / mol, топлината на изпаряване е 410 kJ / mol. Характерната температура на Дебай е 430 К. Топлопроводимост 21,9 W / (m K) при 20 ° C. Температурният коефициент на линейно разширение е 9,2 · 10 −6 K −1 в диапазона от −120 до +860 ° C. Моларна ентропия на α-титан С 0 = 30,7 kJ / (mol K). За титан в газова фаза, енталпията на образуване Δ Х0
е= 473.0 kJ / mol, енергия на Гибс Δ г0
е= 428,4 kJ / mol, моларна ентропия С 0 = 180,3 kJ / (mol K), топлинен капацитет при постоянно налягане C стр= 24,4 kJ / (mol K)

Пластмаса, заваряема в инертна атмосфера. Характеристиките на якост зависят малко от температурата, но силно зависят от чистотата и предварителната обработка. За технически титан твърдостта по Викерс е 790-800 MPa, модулът на нормална еластичност е 103 GPa, а модулът на срязване е 39,2 GPa. Титанът с висока чистота, предварително отгряван във вакуум, има граница на провлачване от 140-170 MPa, относително удължение от 55-70% и твърдост по Бринел от 716 MPa.

Има висок вискозитет, по време на механична обработка е склонен към залепване към режещия инструмент и поради това изисква нанасяне на специални покрития върху инструмента, различни смазки.

При нормални температури той е покрит със защитен пасивиращ филм от TiO 2 оксид, поради което е устойчив на корозия в повечето среди (с изключение на алкални).

Химични свойства

Той лесно реагира дори със слаби киселини в присъствието на комплексообразуващи агенти, например с флуороводородна киселина, взаимодейства поради образуването на сложен анион 2-. Титанът е най-податлив на корозия в органични среди, тъй като в присъствието на вода върху повърхността на титанов продукт се образува плътен пасивен филм от титанови оксиди и хидрид. Най-забележимото увеличение на корозионната устойчивост на титана се забелязва при увеличаване на съдържанието на вода в агресивна среда от 0,5 до 8,0%, което се потвърждава от електрохимични изследвания на електродните потенциали на титана в разтвори на киселини и основи в смесена водна среда -органична среда.

При нагряване на въздух до 1200 ° C, Ti се запалва с ярък бял пламък с образуването на оксидни фази с променлив състав TiO x. От разтвори на титанови соли се утаява хидроксид TiO (OH) 2 · xH 2 O, който внимателно се калцинира до получаване на оксида TiO 2. Хидроксидът TiO (OH) 2 · xH 2 O и диоксидът TiO 2 са амфотерни.

Когато титанът взаимодейства с въглерод, титанов карбид Ti x C x (x = Ti 20 C 9 - TiC.

Титанът под формата на сплави е най-важният конструктивен материал в самолетостроенето, ракетостроенето и корабостроенето.
Металът се използва в химическата промишленост (реактори, тръбопроводи, помпи, тръбопроводни фитинги), военната промишленост (броня, брони и защитни стени в авиацията, корпуси на подводници), промишлени процеси (обезсоляване, целулоза и хартиени процеси), автомобилната индустрия индустрия, селскостопанска индустрия, хранително-вкусова промишленост, спортни стоки, бижута, мобилни телефони, леки сплави и др.
Титанът е физиологично инертен, поради което се използва в медицината (протези, остеопротези, зъбни импланти), в стоматологични и ендодонтски инструменти и бижута за пиърсинг.
Титановото леене се извършва във вакуумни пещи в графитни форми. Използва се и вакуумно инвестиционно леене. Поради технологични затруднения при художественото отливане се използва в ограничена степен. Първата монументална лята скулптура от титан в света е паметникът на Юрий Гагарин на площада на негово име в Москва.
Титанът е легираща добавка в много легирани стомани и повечето специални сплави [ Какво?] .
Нитинол (никел-титан) е сплав с памет на формата, използвана в медицината и технологиите.
Титановите алуминиди са много устойчиви на окисляване и топлоустойчиви, което от своя страна е предопределило използването им в авиацията и автомобилната индустрия като конструкционни материали.
Титанът е един от най-разпространените

Мнозина се интересуват от малко мистериозния и не напълно разбран титан - метал, чиито свойства са донякъде двусмислени. Металът е едновременно най-здравият и най-крехкият.

Най-здравият и крехък метал

Открит е от двама учени с разлика от 6 години – англичанинът В. Грегор и германецът М. Клапрот. Името на титана се свързва, от една страна, с митичните титани, свръхестествени и безстрашни, от друга страна, с Титания, кралицата на феите.
Това е един от най-разпространените материали в природата, но процесът на получаване на чист метал е особено сложен.

22 химичен елемент от таблицата на Д. Менделеев Титанът (Ti) принадлежи към 4-та група на 4-ти период.

Цветът на титана е сребристо бял с подчертан блясък. Акцентите му блестят с всички цветове на дъгата.

Той е един от огнеупорните метали. Топи се при температура от +1660 ° C (± 20 °). Титанът е парамагнитен: не е намагнетизиран в магнитно поле и не се изтласква от него.
Металът се характеризира с ниска плътност и висока якост. Но особеността на този материал се крие във факта, че дори минимални примеси от други химични елементи радикално променят неговите свойства. В присъствието на незначителна фракция от други метали, титанът губи своята топлоустойчивост, а минимумът от неметални вещества в състава му правят сплавта крехка.
Тази характеристика определя наличието на 2 вида материал: чист и технически.

Чистият титан се използва там, където се изисква много леко вещество, което може да издържи на тежки натоварвания и свръхвисоки температурни диапазони.
Техническият материал се използва, където се оценяват такива параметри като лекота, здравина и устойчивост на корозия.

Веществото има свойството на анизотропия. Това означава, че металът може да промени физическите си характеристики въз основа на приложената сила. Трябва да обърнете внимание на тази функция, когато планирате използването на материала.

Титанът губи силата си при най-малкото присъствие в него на примеси от други метали

Изследванията на свойствата на титана при нормални условия потвърждават неговата инертност. Веществото не реагира на елементи, открити в заобикалящата атмосфера.
Промяната в параметрите започва, когато температурата се повиши до + 400 ° C и повече. Титанът реагира с кислород, може да се запали в азот и да абсорбира газове.
Тези свойства затрудняват получаването на чисто вещество и неговите сплави. Производството на титан се основава на използването на скъпо вакуумно оборудване.

Титан и конкуренция с други метали

Този метал непрекъснато се сравнява с алуминиеви и железни сплави. Много химични свойства на титана са значително по-добри от тези на конкурентите:

По механична якост титанът превъзхожда желязото 2 пъти, а алуминия - 6 пъти. Силата му се увеличава с понижаване на температурата, което не се наблюдава при състезателите.
Антикорозионните характеристики на титана са значително по-високи от тези на другите метали.
При температура на околната среда металът е абсолютно инертен. Но когато температурата се повиши над + 200 ° C, веществото започва да абсорбира водород, променяйки своите характеристики.
При по-високи температури титанът реагира с други химични елементи. Има висока специфична якост, която е 2 пъти по-висока от свойствата на най-добрите железни сплави.
Антикорозионните свойства на титана са значително по-високи от тези на алуминия и неръждаемата стомана.
Веществото не провежда добре електричество. Титанът има съпротивление 5 пъти по-високо от желязото, 20 пъти по-високо от алуминия и 10 пъти по-високо от магнезия.
Титанът има ниска топлопроводимост поради ниския си коефициент на топлинно разширение. Той е 3 пъти по-малък от този на желязото и 12 пъти по-малко от този на алуминия.

Как се получава титан?

Материалът заема 10-то място по разпространение в природата. Има около 70 минерала, съдържащи титан под формата на титанова киселина или титанов диоксид. Най-често срещаните от тях и съдържащи висок процент метални производни:

илменит;
рутил;
анатаз;
перовскит;
брукит.

Основните находища на титанови руди се намират в САЩ, Великобритания, Япония, големи находища от тях са открити в Русия, Украйна, Канада, Франция, Испания, Белгия.

Добивът на титан е скъп и трудоемък процес

Получаването на метал от тях е много скъпо. Учените са разработили 4 метода за производство на титан, всеки от които е работник и се използва ефективно в индустрията:

Магнезиев термичен метод. Извлечените суровини, съдържащи титанови примеси, се обработват и се получава титанов диоксид. Това вещество се хлорира в мини или солни хлоратори при повишени температури. Процесът е много бавен и се извършва в присъствието на въглероден катализатор. В този случай твърдият диоксид се превръща в газообразно вещество - титанов тетрахлорид. Полученият материал се редуцира с магнезий или натрий. Образуваната по време на реакцията сплав се подлага на нагряване във вакуумно устройство до свръхвисоки температури. В резултат на реакцията се получава изпаряване на магнезия и неговите съединения с хлор. В края на процеса се получава материал, подобен на гъба. Топи се и се получава висококачествен титан.
Метод на калциев хидрид. Рудата е химически реагирала за получаване на титанов хидрид. Следващият етап е разделянето на веществото на неговите компоненти. При нагряване във вакуумни инсталации се отделят титан и водород. В края на процеса се получава калциев оксид, който се измива със слаби киселини. Първите два метода се отнасят до промишленото производство. Те позволяват да се получи чист титан в най-кратки срокове при относително ниски разходи.
Метод на електролиза. Титановите съединения са изложени на високи токове. В зависимост от суровината, съединенията се разделят на компоненти: хлор, кислород и титан.
Йодиден метод или рафиниране. Полученият от минерали титанов диоксид се залива с йодни пари. В резултат на реакцията се образува титанов йодид, който се нагрява до висока температура - + 1300 ... + 1400 ° C и се излага на електрически ток. В този случай компонентите се отделят от изходния материал: йод и титан. Металът, получен по този метод, няма примеси или добавки.

Области на използване

Използването на титан зависи от степента на пречистването му от примеси. Наличието дори на малко количество други химични елементи в състава на титаниевата сплав променя радикално нейните физико-механични характеристики.

Титанът с определено количество примеси се нарича технически титан. Има високи показатели за устойчивост на корозия, лек е и много издръжлив материал. Прилагането му зависи от тези и други показатели.

В химическата промишленостОт титан и неговите сплави се изработват топлообменници с различни диаметри на тръби, фитинги, корпуси и части за помпи за различни цели. Веществото е незаменимо на места, където се изисква висока якост и устойчивост на киселини.
На транспорттитанът се използва за производството на части и възли за велосипеди, автомобили, железопътни вагони и влакове. Използването на материала намалява теглото на подвижния състав и автомобилите, придава лекота и здравина на велосипедните части.
Титанът е от голямо значение във военноморския отдел... От него се изработват части и елементи на корпуси за подводници, витла за лодки и хеликоптери.
В строителната индустрияизползва се цинк-титаниева сплав. Използва се като довършителен материал за фасади и покриви. Тази много здрава сплав има важно свойство: може да се използва за направата на архитектурни части с най-фантастична конфигурация. Той може да приеме всякаква форма.
През последното десетилетие титанът се използва широко в петролната индустрия... Неговите сплави се използват при производството на оборудване за свръхдълбоко пробиване. Материалът се използва за производството на оборудване за добив на нефт и газ в морето.

Титанът има много широк спектър от приложения

Чистият титан има свои собствени приложения. Необходим е там, където се изисква устойчивост на високи температури и в същото време трябва да се поддържа здравината на метала.

Използва се в :

самолетостроене и космическа промишленост за производство на обшивки, корпуси, крепежни елементи, шасита;
лекарства за протезиране и производство на сърдечни клапи и други апарати;
оборудване за работа в криогенната зона (тук използват свойството на титана - с намаляване на температурата здравината на метала се увеличава и неговата пластичност не се губи).

В процентно изражение използването на титан за производството на различни материали изглежда така:

60% се използва за производството на боя;
пластмасата консумира 20%;
13% се използва в производството на хартия;
машиностроенето консумира 7% от произведения титан и неговите сплави.

Суровините и процесът на получаване на титан са скъпи, разходите за неговото производство се компенсират и заплащат от експлоатационния живот на продуктите, произведени от това вещество, способността му да не променя външния си вид през целия период на експлоатация.