Jedinstvena svojstva titanovog metala: gustoća i talište

Povijest otkrića metala

Sve je počelo 1791. godine, kada su istovremeno William Gregor (Engleska) i MG Klaprot (Njemačka) dobio titan dioksid, ali nisu odvojili čistu supstancu. Mineralogist i, u kombinaciji, selo je svećenik Gregor proučavao crni ferruginous pijesak pronađen u blizini njegove župe. Rezultat je bio ekstrakcija titanijskog spoja - sjajnih zrna, koja je imenom "menakin" (iz mineralnog menacanita) imortalizirala izvorna mjesta Engleza.

U isto vrijeme, kemičar Klaprot, proučavajući crveni pijesak donio iz Mađarske, pronašao je novu tvar u mineralu rutila i nazvao ga "titanijem". I, nekoliko godina kasnije, pokazao je da su rutilna i menakenska zemlja identični spojevi. 1825. švedski kemičar Berzelius primio je prvu titan metalni uzorak, ali to nije omogućilo napredak u proučavanju svojstava, budući da nečistoće čine uzorak lomljivim i neprikladnim za strojnu obradu.

Tek 1925. nizozemski kemičari van Arkel i de Boer, koristeći termičku razgradnju titanij jodida, koji nije bio široko korišten, primili su tvar čistoće 99,9%. Takav metal bio je plastični, mogao bi se kotrljati u plahte, žice i foliju. To nam je omogućilo da započnemo cjelovitu studiju fizikalnih i kemijskih svojstava, skrećemo pažnju inženjera i graditelja i opišemo opseg primjene. I već 1940. godine bio je Crollov postupak za oporavak magnezijevog tetraklorida titanom, koji je do sada uspješno korišten.

Teorije o podrijetlu imena

Postoje dvije teorije o podrijetlu imena:

• Prva, naglašavajući osnovna svojstva titanovog metala - lakoća i snage, povezana je s imenom karaktera njemačke legende - elvene kraljice Titania.
• Druga teorija odnosi se na drevnu grčku mitologiju, gdje su moćna braća - božanstva druge generacije, djeca bogova Urana i Gaije nazvana titanima. Odjeća se to čuje u ime elementa urana.

Pronalaženje titana u prirodi

Titan preuzima časno četvrto mjesto po sadržaju zemljinog kora među metalima koji su važni za ljude, a drugi samo za željezo, magnezij i aluminij. Njegova maksimalna količina koncentrirana je u donjem, bazaltnom sloju, nešto manje u granitnom sloju. Uzimajući u obzir visoku kemijsku aktivnost, nije moguće naći titan u čistom obliku. Najčešći su tetravalentni oksidi, koji su koncentrirani u rudama od vremenske kore i morske gline.

Danas postoje do 75 titanskih minerala, a znanstvenici povremeno otkrivaju otkriće novih oblika i spojeva. Za industrijsku obradu, najvažniji su:

• Ilmenit.
• Leukoksen (produkt promjene ilmenita).
• Rutil.
• Titanit (sphene).
• Perovskitnu.
• Anatas.
• Titanomagnetite.
• Brooke.

Titan - slab migrant, može se nositi samo u obliku mehaničkih otpadaka stijene ili kada se kreće koloidna mulja slojevi tijela vode. Za tipične maksimalne sadržajem biosfera količine ovog metala u algi, pronađeno je u životinja u vune i rožnatih tkiva u ljudskom tijelu prisutan u štitnjače, nadbubrežne žlijezde, slezena i placente.

Depoziti prostornog materijala

Najčešći su depoziti ilmenita, oni su oko 800 milijuna tona. Rezerve rutilnih ruda su znatno manje, ali s rastom proizvodnje mogu sve osigurati čovječanstvo još 100 godina. Prema rezerve titana, Rusija je druga samo u Kini i ima 20 istraženih depozita. Većina ih je složena, gdje proizvode i željezo, fosfor, vanadij i cirkonij. Danas, najveći svjetski proizvođač titan je ruska metalurška tvrtka VSMPO-AVISMA.

Opsežni depoziti nalaze se u Južnoj Africi, Ukrajini, Kanadi, SAD-u, Brazilu, Australiji, Švedskoj, Norveškoj, Egiptu, Kazahstanu, Indiji i Južnoj Koreji. Razlikuju se u sadržaju metala u rudama i količinama ekstrakcije, geološko istraživanje ne prestaje. Čak i na Mjesecu, pronađene su rezerve minerala koji sadrže titan, od kojih su neki desetke puta veći od velikih taloga Zemlje. To nam omogućuje nadu smanjenja tržišne cijene metala i širenja opsega uporabe.

Fizička svojstva elementa

Titanij - kemijski element periodičnog tabela Mendelejeva, nalazi se u četvrtoj skupini četvrtog razdoblja. Ima atomski broj 22, molarnu masu od 47,867, označen je simbolom Ti i pokazuje oksidacijska stanja od 2 do 4, njeni četverovalentni spojevi su najstabilniji. Pri normalnom tlaku točka topljenja titana je 1670 ± 2 ° C, odnosi se na obojene vatrostalne metale i izgleda kao da izgleda čelik.

Tvrdoća, duktilnost i snaga prinosa - važni parametri za bilo koji metal koji određuju opseg primjene. Titan je 12 puta jači od aluminija, 4 puta bakra i željeza. I mnogo je lakši od svih (gustoća titana je samo 4,54 g / cm3) i slobodno se obrađuje zavarivanjem, žigom, kovanjem i valjanjem. Važne značajke uključuju nisku toplinsku vodljivost i električnu provodljivost, koja ostaju nepromijenjena čak i pri visokim temperaturama.

Titan pokazuje paramagnetska svojstva: ne magnetizira se u magnetskom polju, poput nikla i željeza, i nije gurnuta poput srebra i zlata. Njezina loša antifrikcijska svojstva su zbog pridržavanja mnogih materijala. Indeksi otpornosti na koroziju i otpornosti na mehaničko djelovanje su jedinstveni: titanske ploče, koje leže deset godina na morskom dnu, neće se mijenjati izgledom i sastavom, a željezo će se potpuno raspasti tijekom tog vremena.

Kemijska svojstva

Visoka otpornost na koroziju je posljedica činjenice da je u normalnim uvjetima na površini metala prisutan oksidni film. Međutim, u obliku praha, finih strugala ili žice, sposoban je samozapaljenje i eksplozija. Titan je otporan na vodene otopine klora i mnoge razrijeđene lužine i kiseline, osim fluorovodične, ortofosforne i sumporne. Zavarivanje i taljenje se provode u vakuumu, jer čak i uz blagi grijanje se očituje jedna od glavnih svojstava titana - aktivna apsorpcija plinova okolne atmosfere.

Reakcija s vodikom, koja započinje na 60 ° C, je reverzibilna, dobiveni hidridi ponovno se raspadaju nakon zagrijavanja. U zraku pri 1200 ° C titan svijetli svijetlom bijelom plamenom i jedino je sposoban spaljivati ​​u atmosferi dušika na temperaturi iznad 400 ° C uz stvaranje nitrida. Za interakciju s halogenom potrebni uvjeti su odsutnost vlage i prisutnost katalizatora - visoka temperatura. Reakcija ugljikom proizvodi superhard karbid. Kod većine metala, titan stvara legure visoke čvrstoće ili otporne na toplinu i intermetalne spojeve, često korištene kao važna komponenta legure.

Način proizvodnje sirovina

Polazni materijal je titan dioksid koji sadrži malo vanjskih nečistoća. To zahtijeva rutinski koncentrat, dobiven obogaćivanjem rude. Ali njegove svjetske rezerve su male, a često se koristi titanska troska (sintetički rutil), koja se dobiva termičkom obradom - obogaćivanje koncentrata ilmenita u elektrolučne peći. Kao rezultat toga, željezo u obliku lijevanog željeza sakupljeno je na dnu posebne kupelji, a ostaje prašak sive boje - troska koja sadrži titan oksid. Tlo je, pomiješano s ugljenom, brikiran i kloriran u peći, pri čemu se na 800 ° C u prisutnosti parova ugljikova titan tetraklorida formiraju.

Tada se čiste iu posebnim reaktorima se reducira magnezijem na 950 ° C Na zidovima nastaje uska porozna masa, titanska spužva koja se kalcira u vakuumu za odvajanje od magnezijskih spojeva. Da bi se napravili ingoti titana, koristite taljenje dobivene spužve u vakuumskim lukovima. Time se sprečava oksidacija metala i potiče konačno oslobađanje nečistoća. Spremni ingoti s čistoćom do 99,7% koriste se za obradu pod tlakom (valjanje, pečenje, kovanje).

Glavne aplikacije

Teško je opisati sva područja života gdje postoji mjesto za titan, no među glavnim područjima može se istaknuti:

• Glavni potrošači su zrakoplovna industrija i raketni inženjering. Visoka točka topljenja i lakoća su neprocjenjive prednosti titana kada se koriste kao "leteći" strukturni materijali. Za zrakoplov, na primjer, oni su kukovi i šiljci, krilati zakrivljeni, cjevovodi i okviri. Duboko je simbolično da je 1980. godine u Moskvi spomenik Yu A. A. Gagarina stvoren od ovog kozmičkog metala.
• Brodogradnja također zahtijeva lagane i otporne na koroziju. Krajem sedamdesetih dvadesetog stoljeća skoro cijela godišnja proizvodnja titana u Sovjetskom Savezu otišla je do stvaranja nuklearne podmornice, gdje je služila kao glavni strukturni materijal. Rezultat je smanjenje jedne trećine težine podmornice, njegovog paramagnetizma, maksimalne vrijednosti dubine uranjanja i brzine pod vodom.
• Titanske ploče se koriste u neprobojnim prsluci. Težina svjetlosnog prsluka bez metaka je 4 kg, teška masa - 10,5 kg. Čak i jedna takva traka debljine od samo 5 mm pouzdano štiti od pištolja i metaka pušaka.
• Metal je neophodan za potrebe kemijske industrije zbog otpornosti na koroziju u najagresivijem okruženju i na visokim temperaturama: instrumenti i cjevovodi, spremnici za pohranu i destilaciju, filtri i zaustavni ventili.
• Da bi se čelima podvrgnula tvrdoća i otpornost na toplinu, koristi se kao slojni aditiv.
• Titanske legure služe za proizvodnju reznih i kirurških instrumenata, nakita. Ljudsko tijelo ne odbacuje metal, pa se u medicini koristi za stvaranje implantata.
• Od davnina, zgrade u europskim gradovima prekrivene su cinkovim listovima. U dvadesetom stoljeću ekološki čisti i izdržljivi cink-titanski materijal stvoren je za ove potrebe. Njegova izvrsna plastičnost pomaže u izradi krova gotovo svih kontura i oblikovanja nekonvencionalnih konstrukcija fasada.
• Proizvodnja građevinskih materijala, boja, gume, plastike, papira i dodataka hrani teško je zamisliti bez spojeva titana. Zahtjevaju se u elektrotehnici, mogu se naći u sastavu vatrostalnih stakala i keramičkih dijelova, u nosačima platforma za bušenje u ekstremnim uvjetima na moru i kućištima kućnih računala.

Opseg titana se neprestano širi, otežava ga složenost i intenzitet energije u procesu dobivanja čiste tvari. Djelomično zbog toga, tradicionalno željezo i aluminij još uvijek čvrsto drže pozicije danas. Titan je skup tretman. Cijena metala u obliku koncentrata je stotina puta manja od troškova gotovih proizvoda, na primjer, lima. Danas takvi troškovi nisu dostupni svima, stoga upotreba titana određuje razinu ekonomskog razvoja i obrambenog kapaciteta države.