Titano magnetinės savybės. Klijavimas su kitais metalais

Viskas, ką reikia žinoti apie titaną, chromą ir volframą

Daugelį domina klausimas: koks yra kiečiausias metalas pasaulyje? Tai titanas. Didžioji straipsnio dalis bus skirta šiai kietajai medžiagai. Taip pat šiek tiek susipažinsime su tokiais kietaisiais metalais kaip chromas ir volframas.

9 įdomūs faktai apie titaną

1. Yra keletas versijų, kodėl metalas gavo tokį pavadinimą. Remiantis viena teorija, jis buvo pavadintas titanų, bebaimių antgamtinių būtybių, vardu. Pagal kitą versiją, pavadinimas kilęs iš Titanijos, fėjų karalienės.
2. Titaną XVIII amžiaus pabaigoje atrado vokiečių ir anglų chemikas.
3. Titanas ilgą laiką nebuvo naudojamas pramonėje dėl natūralaus trapumo.
4. 1925 m. pradžioje po daugybės eksperimentų chemikai gavo gryną titaną.
5. Titano drožlės yra labai degios.
6. Tai vienas lengviausių metalų.
7. Titanas gali tirpti tik aukštesnėje nei 3200 laipsnių temperatūroje.
8. Verda 3300 laipsnių temperatūroje.
9. Titanas yra sidabro spalvos.

Titano atradimo istorija

Metalą, kuris vėliau buvo pavadintas titanu, atrado du mokslininkai – anglas Williamas Gregoras ir vokietis Martinas Gregoras Klaprothas. Mokslininkai dirbo lygiagrečiai ir nesusikirto vienas su kitu. Skirtumas tarp atradimų – 6 metai.

Viljamas Gregoras savo atradimui suteikė pavadinimą – Menakinas.

Praėjus daugiau nei 30 metų, buvo gautas pirmasis titano lydinys, kuris pasirodė itin trapus ir niekur nenaudojamas. Manoma, kad tik 1925 m. buvo išskirtas grynas titanas, kuris tapo vienu paklausiausių metalų pramonėje.

Įrodyta, kad rusų mokslininkui Kirilovui 1875 metais pavyko išgauti gryną titaną. Jis išleido brošiūrą, kurioje išsamiai aprašo savo darbą. Tačiau mažai žinomo ruso tyrimai liko nepastebėti.

Bendra informacija apie titaną

Titano lydiniai yra mechanikų ir inžinierių išsigelbėjimas. Pavyzdžiui, lėktuvo korpusas pagamintas iš titano. Skrydžio metu jis pasiekia greitį, kelis kartus didesnį už garso greitį. Titaninis korpusas įkaista iki daugiau nei 300 laipsnių ir netirpsta.

„Dažniausių metalų gamtoje“ dešimtuką uždaro metalas. Dideli telkiniai aptikti Pietų Afrikoje, Kinijoje, o daug titano – Japonijoje, Indijoje ir Ukrainoje.

Bendras pasaulio titanų rezervas yra daugiau nei 700 milijonų tonų. Jei gamybos tempas išliks toks pat, titano užteks dar 150-160 metų.

Didžiausia pasaulyje kiečiausio metalo gamintoja yra Rusijos bendrovė „VSMPO-Avisma“, tenkinanti trečdalį pasaulio poreikių.

Titano savybės

1. Atsparumas korozijai.
2. Didelis mechaninis stiprumas.
3. Mažas tankis.

Titano atominė masė yra 47,88 amu, eilės skaičius cheminėje periodinėje lentelėje yra 22. Išoriškai jis labai panašus į plieną.

Metalo mechaninis tankis yra 6 kartus didesnis nei aliuminio, 2 kartus didesnis nei geležies. Jis gali jungtis su deguonimi, vandeniliu, azotu. Suporuotas su anglimi, metalas sudaro neįtikėtinai kietus karbidus.

Titano šilumos laidumas yra 4 kartus mažesnis nei geležies ir 13 kartų mažesnis nei aliuminio.

Titano kasybos procesas

Žemėje yra daug titano, tačiau jį išgauti iš žarnyno kainuoja daug pinigų. Gamybai naudojamas jodido metodas, kurio autorius yra Van Arkel de Boer.

Metodas pagrįstas metalo gebėjimu jungtis su jodu, suskaidžius šį junginį galima gauti gryną titaną be priemaišų.

Įdomiausi dalykai iš titano:

protezai medicinoje;
mobiliųjų įrenginių plokštės;
Kosmoso tyrinėjimų raketų kompleksai;
vamzdynai, siurbliai;
markizės, karnizai, pastatų išorės apdaila;
daugumos dalių (važiuoklės, odos).

Titano panaudojimo sritys

Titanas aktyviai naudojamas karinėje sferoje, medicinoje ir papuošaluose. Jam buvo suteiktas neoficialus pavadinimas „ateities metalas“. Daugelis žmonių sako, kad tai padeda svajones paversti realybe.

Kiečiausias metalas pasaulyje iš pradžių buvo naudojamas kariniame ir gynybos sektoriuose. Šiandien pagrindinis titano gaminių vartotojas yra orlaivių pramonė.

Titanas yra universali statybinė medžiaga. Daugelį metų jis buvo naudojamas kuriant orlaivių turbinas. Orlaivių varikliuose iš titano gaminami ventiliatoriaus elementai, kompresoriai ir diskai.

Šiuolaikinio lėktuvo konstrukcijoje gali būti iki 20 tonų titano lydinio.

Pagrindinės titano panaudojimo sritys orlaivių konstrukcijoje:

erdviniai gaminiai (durų apvadai, liukai, apvalkalai, grindys);
agregatai ir mazgai, kuriuos veikia didelė apkrova (sparnų laikikliai, važiuoklės statramsčiai, hidrauliniai cilindrai);
variklio dalys (korpusas, kompresoriaus mentės).

Titano dėka žmogus sugebėjo praeiti pro garso barjerą ir prasibrauti į Kosmosą. Jis buvo naudojamas kuriant pilotuojamas raketų sistemas. Titanas gali atlaikyti kosminę spinduliuotę, temperatūros kritimą ir judėjimo greitį.

Šis metalas turi mažą tankį, o tai svarbu laivų statybos pramonėje. Titano gaminiai yra lengvi, o tai reiškia, kad sumažėja svoris, padidėja jo manevringumas, greitis ir nuotolis. Jei laivo korpusas aptrauktas titanu, jo dažyti nereikės daug metų – jūros vandenyje titanas nerūdija (atsparumas korozijai).

Dažniausiai šis metalas naudojamas laivų statyboje turbininių variklių, garo katilų, kondensatoriaus vamzdžių gamybai.

Naftos telkinys ir titanas

Labai gilus gręžimas laikomas perspektyvia titano lydinių naudojimo sritimi. Norint ištirti ir išgauti požeminius išteklius, reikia prasiskverbti giliai po žeme – per 15 tūkst. Pavyzdžiui, aliuminio gręžimo vamzdžiai sprogs dėl savo gravitacijos, o tik titano lydiniai gali patekti į gilumą.

Ne taip seniai titanas buvo pradėtas aktyviai naudoti šuliniams kurti atviroje jūroje esančiose lentynose. Specialistai naudoja titano lydinius kaip įrangą:

naftos gavybos įrenginiai;
slėginiai indai;
giluminiai vandens siurbliai, vamzdynai.

Titanas sporte, medicinoje

Titanas yra itin populiarus sporto srityje dėl savo tvirtumo ir lengvumo. Prieš kelis dešimtmečius iš titano lydinių buvo gaminamas dviratis – pirmasis sportinis inventorius, pagamintas iš kiečiausios medžiagos pasaulyje. Šiuolaikinis dviratis susideda iš titano korpuso, tų pačių stabdžių ir sėdynės spyruoklių.

Titano golfo lazdos buvo sukurtos Japonijoje. Šie šviestuvai yra lengvi ir patvarūs, tačiau itin brangūs.

Dauguma alpinistų ir keliautojų kuprinėse gulinčių daiktų yra iš titano – indai, rinkiniai maistui ruošti, stovai palapinėms sutvirtinti. Titano ledo kirviai yra labai populiari sporto įranga.

Šis metalas yra labai paklausus medicinos pramonėje. Dauguma chirurginių instrumentų yra pagaminti iš titano – lengvi ir patogūs.

Kita ateities metalo taikymo sritis yra protezų kūrimas. Titanas puikiai „susijungia“ su žmogaus kūnu. Gydytojai šį procesą pavadino „tikra giminystės ryšiu“. Titano konstrukcijos yra saugios raumenims ir kaulams, retai sukelia alerginę reakciją, nesuyra veikiamos kūno skysčių. Titano protezai yra patvarūs ir gali atlaikyti didžiulį fizinį krūvį.

Titanas yra nuostabus metalas. Tai padeda žmogui pasiekti neregėtų aukštumų įvairiose gyvenimo srityse. Jis yra mylimas ir gerbiamas už stiprybę, lengvumą ir ilgametę tarnystę.

Chromas yra vienas kiečiausių metalų.

Įdomūs faktai apie chromą

1. Metalo pavadinimas kilęs iš graikų kalbos žodžio „chroma“, reiškiančio dažus.
2. Natūralioje aplinkoje gryno chromo nerandama, o tik chromo geležies rūdos, dvigubo oksido pavidalu.
3. Didžiausi metalo telkiniai yra Pietų Afrikoje, Rusijoje, Kazachstane ir Zimbabvėje.
4. Metalo tankis - 7200kg / m3.
5. Chromas lydosi 1907 laipsnių temperatūroje.
6. Verda 2671 laipsnio temperatūroje.
7. Tobulai grynas chromas be priemaišų pasižymi lankstumu ir kietumu. Susijungęs su deguonimi, azotu ar vandeniliu metalas tampa trapus ir labai kietas.
8. Šį sidabriškai baltą metalą XVIII amžiaus pabaigoje atrado prancūzas Louisas Nicolas Vauquelinas.

Chromo metalo savybės

Chromas yra labai kietas ir gali pjauti stiklą. Jo neoksiduoja oras ar drėgmė. Jei metalas kaitinamas, oksidacija įvyks tik paviršiuje.

Per metus sunaudojama daugiau nei 15 000 tonų gryno chromo. Didžiosios Britanijos įmonė „Bell Metals“ laikoma gryniausio chromo gamybos lydere.

Daugiausia chromo suvartojama JAV, Vakarų Europos šalyse ir Japonijoje. Chromo rinka yra nepastovi, o kainos yra įvairios.

Chromo naudojimo sritys

Dažniausiai jis naudojamas lydiniams ir galvaninėms dangoms kurti (transportui chromuoti).

Chromo dedama į plieną, siekiant pagerinti fizines metalo savybes. Šie lydiniai yra paklausiausi juodojoje metalurgijoje.

Populiariausią plieno rūšį sudaro chromas (18%) ir nikelis (8%). Tokie lydiniai puikiai atsparūs oksidacijai, korozijai, yra stiprūs net esant aukštai temperatūrai.

Šildymo krosnys gaminamos iš plieno, kuriame yra trečdalis chromo.

Kas dar gaminamas chromu?

1. Šaunamųjų ginklų vamzdžiai.
2. Povandeninių laivų korpusas.
3. Metalurgijoje naudojamos plytos.

Kitas itin kietas metalas – volframas.

Įdomūs faktai apie volframą

1. Metalo pavadinimas išvertus iš vokiečių kalbos („Wolf Rahm“) reiškia „vilko puta“.
2. Tai ugniai atspariausias metalas pasaulyje.
3. Volframas turi šviesiai pilką atspalvį.
4. Metalą XVIII amžiaus pabaigoje (1781 m.) atrado švedas Karlas Scheele.
5. Volframas lydosi 3422 laipsnių temperatūroje, verda 5900 laipsnių temperatūroje.
6. Metalo tankis yra 19,3 g / cm³.
7. Atominė masė - 183,85, Mendelejevo periodinės sistemos VI grupės elementas (eilės numeris - 74).

Volframo gavybos procesas

Volframas priklauso didelei retųjų metalų grupei. Jame taip pat yra rubidžio ir molibdeno. Šiai grupei būdingas mažas metalų paplitimas gamtoje ir nedidelis vartojimo mastas.

Volframo gamyba susideda iš 3 etapų:

metalo atskyrimas nuo rūdos, jo kaupimasis tirpale;
junginio parinkimas, jo gryninimas;
gryno metalo atskyrimas nuo gatavo cheminio junginio.
Pradinė volframo gamybos medžiaga yra scheelitas ir volframitas.

Volframo taikymas

Volframas yra daugumos kietų lydinių pagrindas. Iš jo gaminami orlaivių varikliai, elektrinių vakuuminių prietaisų dalys ir gijos.
Didelis metalo tankis leidžia panaudoti volframą balistinėms raketoms, kulkoms, atsvaroms ir artilerijos sviediniams kurti.

Volframo junginiai naudojami kitų metalų apdirbimui, kasybos pramonėje (gręžimas), dažams ir lakams bei tekstilės gaminiams (kaip organinės sintezės katalizatorius).

Sudėtiniai volframo junginiai naudojami gaminant:

laidai - naudojami šildymo krosnyse;
juostos, folija, plokštės, lakštai - valcavimui ir plokščiam kalimui.

Titanas, chromas ir volframas yra „kiečiausių metalų pasaulyje“ sąrašo viršuje. Jie naudojami daugelyje žmogaus veiklos sričių – aviacijoje ir raketinėje, karinėje, statybose ir tuo pačiu tai nėra visas metalo panaudojimo spektras.

Titanas užima 4 vietą pagal pasiskirstymą gamyboje, tačiau efektyvi jo išgavimo technologija buvo sukurta tik praėjusio amžiaus 40-aisiais. Tai sidabro spalvos metalas, turintis mažą savitąjį svorį ir unikalias savybes. Norint išanalizuoti pasiskirstymo pramonėje ir kitose srityse laipsnį, būtina išsakyti titano savybes ir jo lydinių apimtį.

Pagrindinės charakteristikos

Metalo savitasis svoris yra mažas - tik 4,5 g / cm³. Antikorozines savybes lemia stabili oksido plėvelė, kuri susidaro ant paviršiaus. Dėl šios kokybės titanas nepakeičia savo savybių ilgai veikiant vandeniu, druskos rūgštimi. Neatsiranda jokių įtempių pažeidimų, o tai yra pagrindinė plieno problema.

Grynas titanas turi šias savybes ir charakteristikas:

nominali lydymosi temperatūra - 1 660 ° С;
veikiamas šilumos +3 227 ° С užverda;
atsparumas tempimui - iki 450 MPa;
pasižymi mažu elastingumo indeksu - iki 110,25 GPa;
pagal HB skalę kietumas yra 103;
takumo riba yra viena iš optimaliausių tarp metalų - iki 380 MPa;
gryno titano šilumos laidumas be priedų - 16,791 W / m * С;
minimalus šiluminio plėtimosi koeficientas;
šis elementas yra paramagnetinis.

Palyginimui, šios medžiagos stiprumas yra 2 kartus didesnis nei grynos geležies ir 4 kartus didesnis nei aliuminio. Taip pat titanas turi dvi polimorfines fazes – žemos temperatūros ir aukštos temperatūros.

Gamybos poreikiams grynas titanas nenaudojamas dėl didelių sąnaudų ir reikalingų eksploatacinių savybių. Siekiant padidinti standumą, į kompoziciją pridedami oksidai, hibridai ir nitridai. Rečiau keičiamos medžiagos savybės, siekiant pagerinti atsparumą korozijai. Pagrindiniai priedų tipai lydiniams gauti: plienas, nikelis, aliuminis. Kai kuriais atvejais jis veikia kaip papildomas komponentas.

Naudojimo sritys

Dėl mažo savitojo svorio ir stiprumo parametrų titanas plačiai naudojamas aviacijos ir kosmoso pramonėje. Jis naudojamas kaip pagrindinė konstrukcinė medžiaga gryna forma. Ypatingais atvejais pigesni lydiniai gaminami mažinant atsparumą karščiui. Tačiau jo atsparumas korozijai ir mechaninis stiprumas nesikeičia.

Be to, medžiaga su titano priedais buvo pritaikyta šiose srityse:

Chemijos pramonė. Atsparumas beveik visoms agresyvioms terpėms, išskyrus organines rūgštis, leidžia gaminti sudėtingą įrangą su gerais nereikalaujančiais priežiūros rodikliais.
Transporto priemonių gamyba. Priežastis yra mažas savitasis svoris ir mechaninis stiprumas. Iš jo gaminami rėmai arba laikantys konstrukciniai elementai.
Vaistas. Specialiems tikslams naudojamas specialus nitinolio (titano ir nikelio) lydinys. Jo išskirtinis bruožas yra formos atmintis. Siekiant sumažinti pacientų naštą ir sumažinti neigiamo poveikio organizmui tikimybę, daugelis medicininių įtvarų ir panašių prietaisų gaminami iš titano.
Pramonėje metalas naudojamas korpusų ir atskirų įrangos elementų gamybai.
Titano papuošalai turi unikalią išvaizdą ir pojūtį.

Daugeliu atvejų medžiaga apdorojama gamykloje. Tačiau yra nemažai išimčių – žinant šios medžiagos savybes, dalį gaminio išvaizdos ir jo savybių keitimo darbų galima atlikti namų dirbtuvėse.

Apdorojimo ypatybės

Norint suteikti gaminiui norimą formą, būtina naudoti specialią įrangą – tekinimo stakles ir frezavimo stakles. Titano pjaustymas ar frezavimas rankiniu būdu neįmanomas dėl jo kietumo. Be įrangos galios ir kitų charakteristikų pasirinkimo, būtina pasirinkti tinkamus pjovimo įrankius: pjaustytuvus, pjaustytuvus, grąžtus, grąžtus ir kt.

Šiuo atveju atsižvelgiama į šiuos niuansus:

Titano drožlės yra labai degios. Reikalingas priverstinis detalės paviršiaus aušinimas ir darbas minimaliu greičiu.
Gaminio lenkimas atliekamas tik iš anksto pakaitinus paviršių. Priešingu atveju gali atsirasti įtrūkimų.
Suvirinimas. Būtina laikytis specialių sąlygų.

Titanas yra unikali medžiaga, turinti geras eksploatacines ir technines savybes. Tačiau norint jį apdoroti, reikia žinoti technologijos specifiką, o svarbiausia – saugos priemones.

Titanas (lot. Titanium; žymimas simboliu Ti) yra antrinio ketvirtosios grupės, ketvirtojo periodinės cheminių elementų sistemos periodo pogrupio elementas, kurio atominis skaičius 22. Paprastoji medžiaga titanas (CAS numeris: 7440-32) -6) yra šviesiai sidabriškai baltas metalas ...

Istorija

TiO 2 atradimą beveik vienu metu ir nepriklausomai vienas nuo kito padarė anglas W. Gregoras ir vokiečių chemikas M. G. Klaprothas. W. Gregoras, tirdamas magnetinio juodojo smėlio sudėtį (Creed, Cornwall, Anglija, 1789), nustatė naują nežinomo metalo „žemę“ (oksidą), kurį pavadino Menakenova. 1795 metais vokiečių chemikas Klaprothas atrado naują elementą rutilo minerale ir pavadino jį titanu. Po dvejų metų Klaprothas nustatė, kad rutilas ir Menakenio žemė yra to paties elemento oksidai, už kurių išliko Klaproto pasiūlytas pavadinimas „titanas“. Po dešimties metų titanas buvo atrastas trečią kartą. Prancūzų mokslininkas L. Vauquelinas atrado titaną anatazėje ir įrodė, kad rutilas ir anatazė yra identiški titano oksidai.
Pirmąjį metalinio titano pavyzdį 1825 metais gavo J. J. Berzelius. Dėl didelio titano cheminio aktyvumo ir jo valymo sudėtingumo gryno Ti mėginį 1925 metais gavo olandai A. van Arkel ir I. de Boer termiškai skaidydami titano jodidą TiI 4 garus.

vardo kilmė

Metalas gavo savo pavadinimą titanų, senovės graikų mitologijos veikėjų, Gajos vaikų garbei. Elemento pavadinimą suteikė Martinas Klaprothas, remdamasis savo pažiūromis apie cheminę nomenklatūrą prancūzų chemijos mokyklos priešpriešiniame sraute, kur jie bandė pavadinti elementą pagal jo chemines savybes. Kadangi pats vokiečių tyrinėtojas pastebėjo, kad naujo elemento savybių nustatyti neįmanoma tik pagal jo oksidą, jis pasirinko jam pavadinimą iš mitologijos, pagal analogiją su anksčiau atrastu uranu.
Tačiau pagal kitą versiją, paskelbtą žurnale „Tekhnika-Molodezhi“ devintojo dešimtmečio pabaigoje, naujai atrastas metalas savo vardą skolingas ne galingiems titanams iš senovės graikų mitų, o Titanijai – pasakų karalienei vokiečių mitologijoje (Oberono žmona m. Šekspyro „Vasarvidžio nakties sapnas“). Šis pavadinimas siejamas su nepaprastu metalo „lengvumu“ (mažu tankiu).

Priėmimas

Paprastai pradinė titano ir jo junginių gamybos medžiaga yra titano dioksidas su palyginti nedideliu kiekiu priemaišų. Visų pirma, tai gali būti rutilo koncentratas, gautas sodrinant titano rūdas. Tačiau rutilo atsargos pasaulyje labai ribotos, dažnai naudojamas vadinamasis sintetinis rutilas arba titano šlakas, gaunamas apdorojant ilmenito koncentratus. Titano šlakui gauti ilmenito koncentratas redukuojamas elektrinėje lankinėje krosnyje, o geležis atskiriama į metalinę fazę (ketaus), o neredukuoti titano oksidai ir priemaišos sudaro šlako fazę. Turtingi šlakai apdorojami chlorido arba sieros rūgšties metodu.
Titano rūdos koncentratas yra apdorojamas sieros rūgštimi arba pirometalurginiu būdu. Sieros rūgšties apdorojimo produktas yra titano dioksido TiO 2 milteliai. Pirometalurginiu metodu rūda sukepinama koksu ir apdorojama chloru, gaunant porą titano tetrachlorido TiCl 4:
TiO 2 + 2C + 2Cl 2 = TiCl 2 + 2CO

Susidarę TiCl4 garai 850 °C temperatūroje redukuojami magniu:
TiCl 4 + 2Mg = 2MgCl 2 + Ti

Gauta titano „kempinė“ perlydoma ir išgryninama. Titanas rafinuojamas jodido metodu arba elektrolizės būdu, atskiriant Ti nuo TiCl 4. Norint gauti titano luitus, naudojamas lanko, elektronų pluošto arba plazmos apdorojimas.

Fizinės savybės

Titanas yra lengvas, sidabriškai baltas metalas. Egzistuoja dvi kristalinės modifikacijos: α-Ti su šešiakampe sandaria gardele, β-Ti su kubiniu kūno centru, polimorfinės transformacijos temperatūra α↔β yra 883 °C.
Jis pasižymi dideliu klampumu, apdirbant yra linkęs prilipti prie pjovimo įrankio, todėl ant įrankio reikia dengti specialias dangas, įvairius tepalus.
Esant normaliai temperatūrai, jis yra padengtas apsaugine pasyvinančia TiO 2 oksido plėvele, todėl daugelyje aplinkų (išskyrus šarminę) yra atsparus korozijai.
Titano dulkės linkusios sprogti. Pliūpsnio temperatūra 400°C. Titano drožlės yra pavojingos ugniai.

/ mol)

Istorija

Titano dioksidą (TiO 2) beveik vienu metu ir nepriklausomai vienas nuo kito atrado anglas W. Gregoras ir vokiečių chemikas M. G. Klaprothas. W. Gregoras, tirdamas magnetinio juodojo smėlio sudėtį (Creed, Kornvalis, Anglija), nustatė naują nežinomo metalo „žemę“ (oksidą), kurį pavadino Menakenova. 1795 metais vokiečių chemikas Klaprothas atrado naują elementą rutilo minerale ir pavadino jį titanu. Po dvejų metų Klaprothas nustatė, kad rutilas ir Menakenio žemė yra to paties elemento oksidai, už kurių išliko Klaproto pasiūlytas pavadinimas „titanas“. Po dešimties metų titanas buvo atrastas trečią kartą: prancūzų mokslininkas L. Vauquelinas atrado titaną anatazėje ir įrodė, kad rutilas ir anatazė yra identiški titano oksidai.

Pirmąjį metalinio titano pavyzdį 1825 metais gavo švedas J. J. Berzelius. Dėl didelio titano cheminio aktyvumo ir jo valymo sudėtingumo gryno Ti mėginį 1925 metais gavo olandai A. van Arkel ir I. de Boer termiškai skaidydami titano jodidą TiI 4 garus.

Titanas nebuvo naudojamas pramonėje iki liuksemburgiečio G. Krollo (Anglų) rusų 1940 m. jis nepatentavo paprasto magnio terminio metodo metaliniam titanui redukuoti iš tetrachlorido; Šis metodas (Kroll procesas (Anglų) rusų) iki šiol išlieka viena iš pagrindinių pramoninėje titano gamyboje.

vardo kilmė

Metalas gavo savo pavadinimą titanų, senovės graikų mitologijos veikėjų, Gajos vaikų garbei. Elemento pavadinimą davė Martinas Klaprothas, atsižvelgdamas į savo požiūrį į cheminę nomenklatūrą, priešingai nei prancūzų chemijos mokykla, kurioje jie bandė pavadinti elementą pagal jo chemines savybes. Kadangi pats vokiečių tyrinėtojas pastebėjo, kad naujo elemento savybių nustatyti neįmanoma tik pagal jo oksidą, jis pasirinko jam pavadinimą iš mitologijos, pagal analogiją su anksčiau atrastu uranu.

Buvimas gamtoje

Titanas yra 10 pagal gausumą gamtoje. Žemės plutoje yra 0,57% masės, jūros vandenyje - 0,001 mg / l. Ultrabazinėse uolienose 300 g/t, bazinėse uolienose - 9 kg/t, rūgštinėse uolienose 2,3 kg/t, moliuose ir skalūnuose 4,5 kg/t. Žemės plutoje titanas beveik visada yra keturvalentinis ir jo yra tik deguonies junginiuose. Laisva forma nerasta. Atmosferos ir sedimentacijos sąlygomis titanas turi geocheminį giminingumą Al 2 O 3. Jis telkiasi atmosferos plutos boksite ir jūrinėse molio nuosėdose. Titanas perduodamas mechaninių mineralų fragmentų ir koloidų pavidalu. Kai kuriuose moliuose susikaupia iki 30 % TiO 2 pagal masę. Titano mineralai yra atsparūs atmosferos poveikiui ir formuoja dideles koncentracijas įdėklose. Yra žinoma daugiau nei 100 titano turinčių mineralų. Svarbiausi iš jų: rutilas TiO 2, ilmenitas FeTiO 3, titanomagnetitas FeTiO 3 + Fe 3 O 4, perovskitas CaTiO 3, titanitas (sfenas) CaTiSiO 5. Yra pirminės titano rūdos - ilmenitas-titanomagnetitas ir placerinės rūdos - rutilas-ilmenitas-cirkonis.

Gimimo vieta

Dideli pirminiai titano telkiniai yra Pietų Afrikoje, Rusijoje, Ukrainoje, Kanadoje, JAV, Kinijoje, Norvegijoje, Švedijoje, Egipte, Australijoje, Indijoje, Pietų Korėjoje, Kazachstane; placer nuosėdos randamos Brazilijoje, Indijoje, JAV, Siera Leonėje, Australijoje. NVS šalyse Rusijos Federacija (58,5 proc.) ir Ukraina (40,2 proc.) užima pirmaujančią vietą pagal išžvalgytas titano rūdos atsargas. Didžiausias telkinys Rusijoje yra Jaregskoje.

Atsargos ir gamyba

2002 m. 90 % išgaunamo titano buvo panaudota titano dioksido TiO 2 gamybai. Pasaulyje titano dioksido pagaminama 4,5 mln. tonų per metus. Įrodytos titano dioksido atsargos (neįskaitant Rusijos) siekia apie 800 mln.t.. JAV geologijos tarnybos duomenimis, 2006 m., skaičiuojant titano dioksidu ir neįskaitant Rusijos, ilmenito rūdų atsargos yra 603-673 mln. rutilo rūdos - 49, 7-52,7 mln.t. Taigi, esant dabartiniam pasaulyje patikrintų titano atsargų (išskyrus Rusiją) gamybos tempui, jo pakaks daugiau nei 150 metų.

Rusija turi antras pagal dydį titano atsargas pasaulyje po Kinijos. Titano mineralinių išteklių bazę Rusijoje sudaro 20 telkinių (iš kurių 11 yra pirminiai ir 9 yra vietiniai telkiniai), kurie yra gana tolygiai paskirstyti visoje šalyje. Didžiausias iš tyrinėtų telkinių (Jaregskoje) yra 25 km nuo Uchtos miesto (Komi Respublika). Apskaičiuota, kad telkinio atsargos yra 2 milijardai tonų rūdos, kurioje vidutinis titano dioksido kiekis yra apie 10%.

Didžiausia pasaulyje titano gamintoja yra Rusijos įmonė VSMPO-AVISMA.

Priėmimas

Titano rūdos koncentratas yra apdorojamas sieros rūgštimi arba pirometalurginiu būdu. Sieros rūgšties apdorojimo produktas yra titano dioksido TiO 2 milteliai. Pirometalurginiu metodu rūda sukepinama koksu ir apdorojama chloru, gaunant porą titano tetrachlorido TiCl 4:

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

Susidarę TiCl4 garai 850 °C temperatūroje redukuojami magniu:

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

Be to, dabar pradeda populiarėti vadinamasis FFC Cambridge procesas, pavadintas jo kūrėjų Dereko Frey, Tomo Farthingo ir George'o Cheno iš Kembridžo universiteto, kuriame jis buvo sukurtas, vardu. Šis elektrocheminis procesas leidžia tiesiogiai nepertraukiamai redukuoti titaną iš oksido išlydytame kalcio chlorido ir negesintų kalkių (kalcio oksido) mišinyje. Šiame procese naudojama elektrolitinė vonia, užpildyta kalcio chlorido ir kalkių mišiniu, su vartojamuoju (arba neutraliu) grafito anodu ir katodu, pagamintu iš redukuojamo oksido. Praleidžiant srovę per vonią, temperatūra greitai pasiekia ~ 1000-1100 ° C, o kalcio oksido lydalas anode skyla į deguonį ir metalinį kalcį:

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

Susidaręs deguonis oksiduoja anodą (jei naudojamas grafitas), o kalcis lydaloje migruoja į katodą, kur redukuoja titaną iš jo oksido:

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

Susidaręs kalcio oksidas vėl disocijuoja į deguonį ir metalinį kalcį, ir procesas kartojamas tol, kol katodas visiškai virsta titano kempinėle arba kalcio oksidas išsenka. Šiame procese kalcio chloridas naudojamas kaip elektrolitas, suteikiantis aktyviųjų kalcio ir deguonies jonų lydalo elektrinį laidumą ir judrumą. Naudojant inertinį anodą (pavyzdžiui, alavo dioksidą), vietoj anglies dioksido prie anodo išsiskiria molekulinis deguonis, kuris mažiau teršia aplinką, tačiau procesas tokiu atveju tampa mažiau stabilus, be to, tam tikromis sąlygomis. , energetiškai palankesnis tampa chlorido irimas, o ne kalcio oksidas, dėl kurio išsiskiria molekulinis chloras.

Fizinės savybės

Titanas yra lengvas, sidabriškai baltas metalas. Esant normaliam slėgiui, jis yra dviejų kristalinių modifikacijų: žemos temperatūros α-Ti su šešiakampe sandaria gardele (šešiakampė sistema, erdvės grupė C 6mmc, langelio parametrai a= 0,2953 nm, c= 0,4729 nm, Z = 2 ) ir aukštos temperatūros β-Ti su kubiniu korpuso centru (kubinė sistema, erdvės grupė Aš 3m, langelio parametrai a= 0,3269 nm, Z = 2 ), pereinamoji temperatūra α↔β 883 °C, pereinamoji šiluma Δ H= 3,8 kJ / mol (87,4 kJ / kg). Ištirpę titane, dauguma metalų stabilizuoja β fazę ir sumažina α↔β pereinamąją temperatūrą. Esant slėgiui virš 9 GPa ir aukštesnei nei 900 °C temperatūrai, titanas virsta šešiakampe faze (ω -Ti). α -Ti ir β -Ti tankis yra atitinkamai 4,505 g / cm³ (esant 20 ° C) ir 4,32 g / cm³ (esant 900 ° C). α-titano atominis tankis yra 5,67⋅1022 at / cm³.

Titano lydymosi temperatūra esant normaliam slėgiui yra 1670 ± 2 °C arba 1943 ± 2 K (priimta kaip vienas iš antrinių ITS-90 temperatūros skalės kalibravimo taškų (Anglų) rusų). Virimo temperatūra yra 3287 ° C. Esant pakankamai žemai temperatūrai (-80 ° C), titanas tampa gana trapus. Molinė šiluminė talpa normaliomis sąlygomis C p= 25,060 kJ / (mol K), kuris atitinka savitąją šiluminę galią 0,523 kJ / (kg · K). Lydymosi šiluma yra 15 kJ / mol, garavimo šiluma yra 410 kJ / mol. Būdinga Debye temperatūra yra 430 K. Šilumos laidumas 21,9 W / (m K) esant 20 ° C. Linijinio plėtimosi temperatūros koeficientas yra 9,2 · 10 -6 K -1 diapazone nuo -120 iki +860 ° C. α-titano molinė entropija S 0 = 30,7 kJ / (mol K). Titanui dujinėje fazėje – formavimosi entalpija Δ H0
f= 473,0 kJ / mol, Gibbso energija Δ G0
f= 428,4 kJ / mol, molinė entropija S 0 = 180,3 kJ / (mol K), šilumos talpa esant pastoviam slėgiui C p= 24,4 kJ / (mol K)

Plastikas, virinamas inertinėje atmosferoje. Stiprumo charakteristikos mažai priklauso nuo temperatūros, bet labai priklauso nuo grynumo ir išankstinio apdorojimo. Techninio titano Vickerso kietumas yra 790-800 MPa, normalaus tamprumo modulis yra 103 GPa, o šlyties modulis yra 39,2 GPa. Didelio grynumo titano, iš anksto atkaitinto vakuume, takumo riba yra 140–170 MPa, santykinis pailgėjimas yra 55–70%, o Brinelio kietumas yra 716 MPa.

Jis pasižymi dideliu klampumu, apdirbant yra linkęs prilipti prie pjovimo įrankio, todėl ant įrankio reikia dengti specialias dangas, įvairius tepalus.

Esant normaliai temperatūrai, jis yra padengtas apsaugine pasyvinančia TiO 2 oksido plėvele, todėl daugelyje aplinkų (išskyrus šarminę) yra atsparus korozijai.

Cheminės savybės

Lengvai reaguoja net su silpnomis rūgštimis esant kompleksą sudarontiems agentams, pavyzdžiui, su vandenilio fluorido rūgštimi, sąveikauja dėl kompleksinio anijono 2− susidarymo. Titanas yra jautriausias korozijai organinėse terpėse, nes esant vandeniui ant titano gaminio paviršiaus susidaro tanki pasyvi titano oksidų ir hidrido plėvelė. Labiausiai pastebimas titano atsparumo korozijai padidėjimas, kai vandens kiekis agresyvioje aplinkoje padidėja nuo 0,5 iki 8,0%, tai patvirtina elektrocheminiai titano elektrodų potencialo tyrimai rūgščių ir šarmų tirpaluose mišrioje vandeninėje-organinėje aplinkoje. žiniasklaida.

Kaitinamas ore iki 1200 ° C, Ti užsidega ryškiai balta liepsna, sudarydama kintamos sudėties TiO x oksido fazes. Iš titano druskų tirpalų nusodinamas hidroksidas TiO (OH) 2 · xH 2 O, kuris kruopščiai kalcinuojamas, kad būtų gautas oksidas TiO 2. Hidroksidas TiO (OH) 2 · xH 2 O ir dioksidas TiO 2 yra amfoteriniai.

Kai titanas sąveikauja su anglimi, titano karbidas Ti x C x (x = Ti 20 C 9 - TiC.

Titanas lydinių pavidalu yra svarbiausia konstrukcinė medžiaga orlaivių, raketų ir laivų statyboje.
Metalas naudojamas chemijos pramonėje (reaktoriuose, vamzdynuose, siurbliuose, vamzdynų jungiamosiose dalyse), karinėje pramonėje (aviacijoje naudojamos šarvai, šarvai ir ugniasienės, povandeninių laivų korpusai), pramoniniuose procesuose (gėlinimo gamyklos, celiuliozės ir popieriaus procesai), automobilių pramonėje. pramonė, žemės ūkio pramonė, maisto pramonė, sporto prekės, papuošalai, mobilieji telefonai, lengvieji lydiniai ir kt.
Titanas yra fiziologiškai inertiškas, dėl to naudojamas medicinoje (protezai, osteoprotezai, dantų implantai), odontologijos ir endodontijos instrumentuose, auskarų vėrimo papuošaluose.
Titano liejimas atliekamas vakuuminėse krosnyse į grafito formas. Taip pat naudojamas vakuuminis investicinis liejimas. Dėl technologinių meninio liejimo sunkumų jis naudojamas ribotai. Pirmoji pasaulyje monumentali iš titano pagaminta skulptūra yra paminklas Jurijui Gagarinui jo vardu pavadintoje aikštėje Maskvoje.
Titanas yra legiruojamasis priedas daugelyje legiruotų plienų ir daugumos specialiųjų lydinių [ ką?] .
Nitinolis (nikelis-titanas) yra formos atminties lydinys, naudojamas medicinoje ir technologijose.
Titano aluminidai yra labai atsparūs oksidacijai ir karščiui, o tai savo ruožtu lėmė jų naudojimą aviacijos ir automobilių pramonėje kaip konstrukcines medžiagas.
Titanas yra vienas iš labiausiai paplitusių

Daugelis domisi šiek tiek paslaptingu ir iki galo nesuvoktu titanu – metalu, kurio savybės kiek dviprasmiškos. Metalas yra ir stipriausias, ir trapiausias.

Tvirčiausias ir trapiausias metalas

Jį atrado du mokslininkai 6 metų skirtumu – anglas W. Gregoras ir vokietis M. Klaprothas. Titano vardas siejamas, viena vertus, su mitiniais titanais, antgamtiniais ir bebaimis, kita vertus, su Titanija, fėjų karaliene.
Tai viena iš labiausiai paplitusių medžiagų gamtoje, tačiau gryno metalo gavimo procesas yra ypač sudėtingas.

22 D. Mendelejevo lentelės cheminis elementas Titanas (Ti) priklauso IV periodo 4 grupei.

Titano spalva yra sidabriškai balta su ryškiu blizgesiu. Jos akcentai mirga visomis vaivorykštės spalvomis.

Tai vienas iš ugniai atsparių metalų. Jis tirpsta +1660 ° C (± 20 °) temperatūroje. Titanas yra paramagnetinis: jis neįmagnetinamas magnetiniame lauke ir nėra išstumiamas iš jo.
Metalas pasižymi mažu tankiu ir dideliu stiprumu. Tačiau šios medžiagos ypatumas slypi tame, kad net minimalios kitų cheminių elementų priemaišos kardinaliai pakeičia jos savybes. Esant nereikšmingai kitų metalų daliai, titanas praranda atsparumą karščiui, o jo sudėtyje esantis minimalus nemetalinių medžiagų kiekis daro lydinį trapus.
Ši savybė lemia 2 rūšių medžiagų buvimą: grynos ir techninės.

Grynas titanas naudojamas ten, kur reikalinga labai lengva medžiaga, kuri gali atlaikyti dideles apkrovas ir itin aukštus temperatūros diapazonus.
Techninė medžiaga naudojama ten, kur vertinami tokie parametrai kaip lengvumas, stiprumas ir atsparumas korozijai.

Medžiaga turi anizotropijos savybę. Tai reiškia, kad metalas gali pakeisti savo fizines charakteristikas, remiantis taikoma jėga. Į šią savybę turėtumėte atkreipti dėmesį planuodami medžiagos naudojimą.

Titanas praranda savo stiprumą, kai jame yra kitų metalų priemaišų

Titano savybių tyrimai normaliomis sąlygomis patvirtina jo inertiškumą. Medžiaga nereaguoja į supančioje atmosferoje esančius elementus.
Parametrų pasikeitimas prasideda, kai temperatūra pakyla iki + 400 ° C ir daugiau. Titanas reaguoja su deguonimi, gali užsidegti azote ir sugerti dujas.
Dėl šių savybių sunku gauti gryną medžiagą ir jos lydinius. Titano gamyba pagrįsta brangios vakuuminės įrangos naudojimu.

Titanas ir konkurencija su kitais metalais

Šis metalas nuolat lyginamas su aliuminio ir geležies lydiniais. Daugelis titano cheminių savybių yra daug geresnės nei konkurentų:

Pagal mechaninį stiprumą titanas geležį lenkia 2 kartus, o aliuminį 6 kartus. Jo stiprumas didėja mažėjant temperatūrai, o to nepastebi konkurentai.
Titano antikorozinės savybės yra daug aukštesnės nei kitų metalų.
Aplinkos temperatūroje metalas yra visiškai inertiškas. Tačiau kai temperatūra pakyla virš + 200 ° C, medžiaga pradeda absorbuoti vandenilį, pakeisdama savo savybes.
Esant aukštesnei temperatūrai, titanas reaguoja su kitais cheminiais elementais. Jis turi didelį specifinį stiprumą, kuris yra 2 kartus didesnis nei geriausių geležies lydinių savybės.
Titano antikorozinės savybės yra žymiai aukštesnės nei aliuminio ir nerūdijančio plieno.
Medžiaga blogai praleidžia elektrą. Titano varža yra 5 kartus didesnė nei geležies, 20 kartų didesnė nei aliuminio ir 10 kartų didesnė nei magnio.
Titanas turi mažą šilumos laidumą dėl mažo šiluminio plėtimosi koeficiento. Tai 3 kartus mažiau nei geležies ir 12 kartų mažiau nei aliuminio.

Kaip gauti titano?

Medžiaga užima 10 vietą pagal paplitimą gamtoje. Yra apie 70 mineralų, kurių sudėtyje yra titano titano rūgšties arba titano dioksido pavidalu. Labiausiai paplitę iš jų ir turintys didelį metalo darinių procentą:

ilmenitas;
rutilas;
anatazė;
perovskitas;
brookitas.

Pagrindiniai titano rūdos telkiniai yra JAV, Didžiojoje Britanijoje, Japonijoje, dideli jų telkiniai aptikti Rusijoje, Ukrainoje, Kanadoje, Prancūzijoje, Ispanijoje, Belgijoje.

Titano kasyba yra brangus ir daug darbo reikalaujantis procesas

Iš jų gauti metalą labai brangu. Mokslininkai sukūrė 4 titano gamybos būdus, kurių kiekvienas yra darbingas ir efektyviai naudojamas pramonėje:

Magnio terminis metodas. Išskirtos žaliavos, kuriose yra titano priemaišų, apdorojamos ir gaunamas titano dioksidas. Ši medžiaga chloruojama kasyklų arba druskos chlorintuvuose aukštesnėje temperatūroje. Procesas yra labai lėtas ir atliekamas dalyvaujant anglies katalizatoriui. Tokiu atveju kietasis dioksidas paverčiamas dujine medžiaga – titano tetrachloridu. Gauta medžiaga redukuojama magniu arba natriu. Reakcijos metu susidaręs lydinys kaitinamas vakuuminiame įrenginyje iki itin aukštų temperatūrų. Dėl reakcijos magnis ir jo junginiai išgaruoja su chloru. Proceso pabaigoje gaunama į kempinę panaši medžiaga. Jis lydomas ir gaunamas aukštos kokybės titanas.
Kalcio hidrido metodas. Rūda chemiškai reaguoja, kad susidarytų titano hidridas. Kitas etapas yra medžiagos atskyrimas į komponentus. Vakuuminiuose įrenginiuose kaitinant išsiskiria titanas ir vandenilis. Proceso pabaigoje gaunamas kalcio oksidas, kuris plaunamas silpnomis rūgštimis. Pirmieji du metodai yra susiję su pramonine gamyba. Jie leidžia gauti gryno titano per trumpiausią įmanomą laiką palyginti mažomis sąnaudomis.
Elektrolizės metodas. Titano junginiai yra veikiami didelės srovės. Priklausomai nuo žaliavos, junginiai skirstomi į komponentus: chlorą, deguonį ir titaną.
Jodido metodas arba rafinavimas. Titano dioksidas, gaunamas iš mineralų, užpilamas jodo garais. Dėl reakcijos susidaro titano jodidas, kuris kaitinamas iki aukštos temperatūros - + 1300 ... + 1400 ° C ir yra veikiamas elektros srovės. Šiuo atveju komponentai yra atskirti nuo pradinės medžiagos: jodo ir titano. Šiuo metodu gautas metalas neturi priemaišų ar priedų.

Naudojimo sritys

Titano naudojimas priklauso nuo jo išvalymo nuo priemaišų laipsnio. Net nedidelis kiekis kitų cheminių elementų titano lydinio sudėtyje radikaliai keičia jo fizines ir mechanines savybes.

Titanas su tam tikru kiekiu priemaišų vadinamas techniniu titanu. Turi aukštus atsparumo korozijai rodiklius, tai lengva ir labai patvari medžiaga. Jo taikymas priklauso nuo šių ir kitų rodiklių.

Chemijos pramonėje iš titano ir jo lydinių gaminami įvairaus diametro vamzdžių, jungiamųjų detalių, korpusų ir įvairios paskirties siurblių dalių šilumokaičiai. Medžiaga yra nepakeičiama tose vietose, kur reikalingas didelis stiprumas ir atsparumas rūgštims.
Transporte titanas naudojamas dviračių, automobilių, geležinkelio vagonų ir traukinių dalių ir mazgų gamybai. Medžiagos naudojimas sumažina riedmenų ir automobilių svorį, suteikia dviračio dalims lengvumo ir tvirtumo.
Titanas yra labai svarbus jūrų laivyno skyriuje... Iš jo gaminamos povandeninių laivų korpusų dalys ir elementai, valčių ir sraigtasparnių sraigtai.
Statybos pramonėje naudojamas cinko-titano lydinys. Jis naudojamas kaip fasadų ir stogų apdailos medžiaga. Šis labai stiprus lydinys turi svarbią savybę: iš jo galima pagaminti fantastiškiausios konfigūracijos architektūrines dalis. Jis gali turėti bet kokią formą.
Pastarąjį dešimtmetį titanas buvo plačiai naudojamas naftos pramonėje... Jo lydiniai naudojami supergilaus gręžimo įrangai gaminti. Medžiaga naudojama naftos ir dujų gamybos jūroje įrangai gaminti.

Titanas turi labai platų pritaikymo spektrą

Grynas titanas turi savo paskirtį. Jis reikalingas ten, kur reikalingas atsparumas aukštoms temperatūroms ir kartu turi būti išlaikytas metalo tvirtumas.

Jis naudojamas :

orlaivių statybos ir kosmoso pramonė, skirta odos dalių, korpusų, tvirtinimo detalių, važiuoklių gamybai;
vaistai, skirti protezavimui ir širdies vožtuvų bei kitų aparatų gamybai;
įranga, skirta darbui kriogeninėje zonoje (čia jie naudoja titano savybę - mažėjant temperatūrai padidėja metalo stiprumas ir neprarandamas jo plastiškumas).

Procentais titano naudojimas įvairių medžiagų gamybai atrodo taip:

60% sunaudojama dažų gamybai;
plastikas sunaudoja 20%;
Popieriaus gamyboje sunaudojama 13 proc.;
mechaninė inžinerija sunaudoja 7% pagaminto titano ir jo lydinių.

Žaliavos ir titano gavimo procesas yra brangūs, jo gamybos kaštus kompensuoja ir apmoka iš šios medžiagos pagamintų gaminių tarnavimo laikas, gebėjimas nekeisti savo išvaizdos per visą eksploatacijos laikotarpį.