Αιώνιο, μυστηριώδες, κοσμικό, υλικό του μέλλοντος - όλα αυτά και πολλά άλλα επιθέματα αποδίδονται στο τιτάνιο σε διάφορες πηγές. Η ιστορία της ανακάλυψης αυτού του μετάλλου δεν ήταν ασήμαντη: την ίδια στιγμή, αρκετοί επιστήμονες εργάστηκαν για την απομόνωση του στοιχείου στην καθαρή του μορφή. Η διαδικασία μελέτης των φυσικών, χημικών ιδιοτήτων και ο προσδιορισμός των περιοχών εφαρμογής του δεν έχει ολοκληρωθεί μέχρι σήμερα. Το τιτάνιο είναι το μέταλλο του μέλλοντος, η θέση του στην ανθρώπινη ζωή δεν έχει ακόμη οριστικοποιηθεί, γεγονός που δίνει στους σύγχρονους ερευνητές τεράστιο περιθώριο δημιουργικότητας και επιστημονικής έρευνας.
Χαρακτηριστικό
Το χημικό στοιχείο τιτάνιο (Titanium) υποδεικνύεται στον περιοδικό πίνακα του D. I. Mendeleev με το σύμβολο Ti. Βρίσκεται στη δευτερεύουσα υποομάδα της ομάδας IV της τέταρτης περιόδου και έχει αύξοντα αριθμό 22. Η απλή ουσία τιτάνιο είναι ένα λευκό-ασημί μέταλλο, ελαφρύ και ανθεκτικό. Η ηλεκτρονική διαμόρφωση ενός ατόμου έχει την ακόλουθη δομή: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63η24S 2. Συνεπώς, το τιτάνιο έχει πολλές πιθανές καταστάσεις οξείδωσης: 2,3, 4, στις πιο σταθερές ενώσεις είναι τετρασθενές.
Τιτάνιο - κράμα ή μέταλλο;
Αυτή η ερώτηση ενδιαφέρει πολλούς. Το 1910, ο Αμερικανός χημικός Hunter απέκτησε το πρώτο καθαρό τιτάνιο. Το μέταλλο περιείχε μόνο 1% ακαθαρσίες, αλλά ταυτόχρονα, η ποσότητα του αποδείχθηκε αμελητέα και δεν κατέστησε δυνατή την περαιτέρω μελέτη των ιδιοτήτων του. Η πλαστικότητα της λαμβανόμενης ουσίας επιτεύχθηκε μόνο υπό την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών· υπό κανονικές συνθήκες (θερμοκρασία δωματίου), το δείγμα ήταν πολύ εύθραυστο. Μάλιστα, το στοιχείο αυτό δεν ενδιέφερε τους επιστήμονες, αφού οι προοπτικές χρήσης του έμοιαζαν υπερβολικά αβέβαιες. Η δυσκολία απόκτησης και έρευνας μείωσε περαιτέρω τις δυνατότητες εφαρμογής του. Μόνο το 1925, οι χημικοί από την Ολλανδία I. de Boer και A. Van Arkel έλαβαν μέταλλο τιτάνιο, οι ιδιότητες του οποίου τράβηξαν την προσοχή μηχανικών και σχεδιαστών σε όλο τον κόσμο. Η ιστορία της μελέτης αυτού του στοιχείου ξεκινά το 1790, ακριβώς αυτή τη στιγμή, παράλληλα, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον, δύο επιστήμονες ανακαλύπτουν το τιτάνιο ως χημικό στοιχείο. Καθένα από αυτά λαμβάνει μια ένωση (οξείδιο) μιας ουσίας, αποτυγχάνοντας να απομονώσει το μέταλλο στην καθαρή του μορφή. Ο ανακαλυπτής του τιτανίου είναι ο Άγγλος ορυκτολόγος μοναχός William Gregor. Στο έδαφος της ενορίας του, που βρίσκεται στο νοτιοδυτικό τμήμα της Αγγλίας, ο νεαρός επιστήμονας άρχισε να μελετά τη μαύρη άμμο της κοιλάδας Menaken. Το αποτέλεσμα πειραμάτων με μαγνήτη ήταν η απελευθέρωση γυαλιστερών κόκκων, που ήταν μια ένωση τιτανίου. Την ίδια περίοδο στη Γερμανία, ο χημικός Martin Heinrich Klaproth απομόνωσε μια νέα ουσία από το ορυκτόρουτίλιο. Το 1797, απέδειξε επίσης ότι τα στοιχεία που ανοίγονται παράλληλα είναι παρόμοια. Το διοξείδιο του τιτανίου ήταν ένα μυστήριο για πολλούς χημικούς για περισσότερο από έναν αιώνα, και ακόμη και ο Berzelius δεν μπόρεσε να αποκτήσει καθαρό μέταλλο. Οι τελευταίες τεχνολογίες του 20ου αιώνα επιτάχυναν σημαντικά τη διαδικασία μελέτης του αναφερόμενου στοιχείου και καθόρισαν τις αρχικές κατευθύνσεις για τη χρήση του. Ταυτόχρονα, το πεδίο εφαρμογής διευρύνεται συνεχώς. Μόνο η πολυπλοκότητα της διαδικασίας απόκτησης μιας τέτοιας ουσίας όπως το καθαρό τιτάνιο μπορεί να περιορίσει το εύρος της. Η τιμή των κραμάτων και του μετάλλου είναι αρκετά υψηλή, επομένως σήμερα δεν μπορεί να αντικαταστήσει τον παραδοσιακό σίδηρο και το αλουμίνιο.
Προέλευση του ονόματος
Menakin - το πρώτο όνομα για το τιτάνιο, το οποίο χρησιμοποιήθηκε μέχρι το 1795. Έτσι, με εδαφική υπαγωγή, ο W. Gregor ονόμασε το νέο στοιχείο. Ο Μάρτιν Κλάπροθ δίνει στο στοιχείο το όνομα «τιτάνιο» το 1797. Αυτή τη στιγμή, οι Γάλλοι συνάδελφοί του, με επικεφαλής έναν αρκετά αξιόπιστο χημικό A. L. Lavoisier, πρότειναν να ονομάσουν τις ουσίες που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα σύμφωνα με τις βασικές τους ιδιότητες. Ο Γερμανός επιστήμονας δεν συμφωνούσε με αυτήν την προσέγγιση, πίστευε εύλογα ότι στο στάδιο της ανακάλυψης είναι μάλλον δύσκολο να προσδιοριστούν όλα τα χαρακτηριστικά που είναι εγγενή σε μια ουσία και να αντικατοπτρίζονται στο όνομα. Ωστόσο, θα πρέπει να αναγνωριστεί ότι ο όρος που επέλεξε διαισθητικά ο Klaproth αντιστοιχεί πλήρως στο μέταλλο - αυτό έχει τονιστεί επανειλημμένα από τους σύγχρονους επιστήμονες. Υπάρχουν δύο βασικές θεωρίες για την προέλευση του ονόματος τιτάνιο. Το μέταλλο θα μπορούσε να χαρακτηριστεί έτσι προς τιμήν της βασίλισσας των ξωτικών Titania(χαρακτήρας της γερμανικής μυθολογίας). Αυτό το όνομα συμβολίζει τόσο την ελαφρότητα όσο και τη δύναμη της ουσίας. Οι περισσότεροι επιστήμονες τείνουν να χρησιμοποιούν την εκδοχή της χρήσης της αρχαίας ελληνικής μυθολογίας, στην οποία οι ισχυροί γιοι της θεάς της γης Γαίας ονομάζονταν τιτάνες. Το όνομα του στοιχείου που ανακαλύφθηκε προηγουμένως, το ουράνιο, μιλά επίσης υπέρ αυτής της εκδοχής.
Όντας στη φύση
Από τα μέταλλα που είναι τεχνικά πολύτιμα για τον άνθρωπο, το τιτάνιο είναι το τέταρτο πιο άφθονο στον φλοιό της γης. Μόνο ο σίδηρος, το μαγνήσιο και το αλουμίνιο χαρακτηρίζονται από μεγάλο ποσοστό στη φύση. Η υψηλότερη περιεκτικότητα σε τιτάνιο σημειώνεται στο κέλυφος του βασάλτη, ελαφρώς λιγότερο στο στρώμα γρανίτη. Στο θαλασσινό νερό, η περιεκτικότητα αυτής της ουσίας είναι χαμηλή - περίπου 0,001 mg / l. Το χημικό στοιχείο τιτάνιο είναι αρκετά ενεργό, επομένως δεν μπορεί να βρεθεί στην καθαρή του μορφή. Τις περισσότερες φορές, υπάρχει σε ενώσεις με οξυγόνο, ενώ έχει σθένος τεσσάρων. Ο αριθμός των ορυκτών που περιέχουν τιτάνιο κυμαίνεται από 63 έως 75 (σε διάφορες πηγές), ενώ στο παρόν στάδιο της έρευνας, οι επιστήμονες συνεχίζουν να ανακαλύπτουν νέες μορφές των ενώσεων του. Για πρακτική χρήση, τα ακόλουθα μέταλλα έχουν τη μεγαλύτερη σημασία:
- Ilmenite (FeTiO3).
- Rutile (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Περοβσκίτης (CaTiO3).
- Τιτανομαγνητίτης (FeTiO3+Fe3O4) κ.λπ.
Όλα τα υπάρχοντα μεταλλεύματα τιτανίου χωρίζονται σεαλλουβιακά και βασικά. Αυτό το στοιχείο είναι ένας αδύναμος μετανάστης, μπορεί να ταξιδέψει μόνο με τη μορφή θραυσμάτων βράχου ή κινούμενους ιλυώδεις βυθούς. Στη βιόσφαιρα, η μεγαλύτερη ποσότητα τιτανίου βρίσκεται στα φύκια. Σε εκπροσώπους της χερσαίας πανίδας, το στοιχείο συσσωρεύεται στους κερατώδεις ιστούς, τα μαλλιά. Το ανθρώπινο σώμα χαρακτηρίζεται από την παρουσία τιτανίου στον σπλήνα, στα επινεφρίδια, στον πλακούντα, στον θυρεοειδή αδένα.
Φυσικές ιδιότητες
Το τιτάνιο είναι ένα μη σιδηρούχο μέταλλο με ασημί-λευκό χρώμα που μοιάζει με ατσάλι. Σε θερμοκρασία 0 0C, η πυκνότητά του είναι 4,517 g/cm3. Η ουσία έχει χαμηλό ειδικό βάρος, το οποίο είναι χαρακτηριστικό για τα αλκαλικά μέταλλα (κάδμιο, νάτριο, λίθιο, καίσιο). Όσον αφορά την πυκνότητα, το τιτάνιο καταλαμβάνει μια ενδιάμεση θέση μεταξύ σιδήρου και αλουμινίου, ενώ η απόδοσή του είναι υψηλότερη από αυτή και των δύο στοιχείων. Οι κύριες ιδιότητες των μετάλλων που λαμβάνονται υπόψη κατά τον καθορισμό του πεδίου εφαρμογής τους είναι η αντοχή διαρροής και η σκληρότητα. Το τιτάνιο είναι 12 φορές ισχυρότερο από το αλουμίνιο, 4 φορές ισχυρότερο από το σίδηρο και τον χαλκό, ενώ είναι πολύ ελαφρύτερο. Η πλαστικότητα μιας καθαρής ουσίας και η αντοχή της σε διαρροή καθιστούν δυνατή την επεξεργασία σε χαμηλές και υψηλές θερμοκρασίες, όπως στην περίπτωση άλλων μετάλλων, δηλαδή με πριτσίνωμα, σφυρηλάτηση, συγκόλληση, έλαση. Χαρακτηριστικό του τιτανίου είναι η χαμηλή θερμική και ηλεκτρική του αγωγιμότητα, ενώ αυτές οι ιδιότητες διατηρούνται σε υψηλές θερμοκρασίες, έως και 500 0С. Σε ένα μαγνητικό πεδίο, το τιτάνιο είναι ένα παραμαγνητικό στοιχείο, δεν το κάνειέλκεται σαν το σίδερο και δεν ωθείται έξω όπως ο χαλκός. Η πολύ υψηλή αντιδιαβρωτική απόδοση σε επιθετικά περιβάλλοντα και υπό μηχανική καταπόνηση είναι μοναδική. Περισσότερα από 10 χρόνια παραμονής σε θαλασσινό νερό δεν άλλαξαν την εμφάνιση και τη σύνθεση της πλάκας τιτανίου. Ο σίδηρος σε αυτή την περίπτωση θα καταστραφεί εντελώς από τη διάβρωση.
Θερμοδυναμικές ιδιότητες του τιτανίου
- Η πυκνότητα (υπό κανονικές συνθήκες) είναι 4,54 g/cm3.
- Ο ατομικός αριθμός είναι 22.
- Μεταλλική ομάδα - πυρίμαχο, ελαφρύ.
- Η ατομική μάζα του τιτανίου είναι 47,0.
- Σημείο βρασμού (0С) – 3260.
- Μοριακός όγκος cm3/mol – 10, 6.
- Σημείο τήξης τιτανίου (0С) – 1668.
- Ειδική θερμότητα εξάτμισης (kJ/mol) – 422, 6.
- Ηλεκτρική αντίσταση (στα 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Χημικές ιδιότητες
Η αυξημένη αντίσταση στη διάβρωση του στοιχείου οφείλεται στο σχηματισμό ενός μικρού φιλμ οξειδίου στην επιφάνεια. Αποτρέπει (υπό κανονικές συνθήκες) χημικές αντιδράσεις με αέρια (οξυγόνο, υδρογόνο) στην περιβάλλοντα ατμόσφαιρα ενός στοιχείου όπως το μέταλλο τιτάνιο. Οι ιδιότητές του αλλάζουν υπό την επίδραση της θερμοκρασίας. Όταν αυξάνεται στα 600 0С, εμφανίζεται μια αντίδραση αλληλεπίδρασης με το οξυγόνο, με αποτέλεσμα το σχηματισμό οξειδίου του τιτανίου (TiO2). Στην περίπτωση απορρόφησης ατμοσφαιρικών αερίων σχηματίζονται εύθραυστες ενώσεις που δεν έχουν πρακτική εφαρμογή, γι' αυτό η συγκόλληση και η τήξη του τιτανίου γίνονται υπό συνθήκες κενού. αναστρέψιμη αντίδρασηείναι η διαδικασία της διάλυσης υδρογόνου στο μέταλλο, εμφανίζεται πιο ενεργά με αύξηση της θερμοκρασίας (από 400 0С και υψηλότερα). Το τιτάνιο, ειδικά τα μικρά σωματίδια του (λεπτή πλάκα ή σύρμα), καίγεται σε ατμόσφαιρα αζώτου. Μια χημική αντίδραση αλληλεπίδρασης είναι δυνατή μόνο σε θερμοκρασία 700 0С, με αποτέλεσμα το σχηματισμό νιτριδίου TiN. Σχηματίζει πολύ σκληρά κράματα με πολλά μέταλλα, συχνά ως στοιχείο κράματος. Αντιδρά με αλογόνα (χρώμιο, βρώμιο, ιώδιο) μόνο παρουσία καταλύτη (υψηλή θερμοκρασία) και υπόκειται σε αλληλεπίδραση με ξηρή ουσία. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζονται πολύ σκληρά πυρίμαχα κράματα. Με διαλύματα των περισσότερων αλκαλίων και οξέων, το τιτάνιο είναι χημικά ανενεργό, με εξαίρεση το συμπυκνωμένο θειικό (με παρατεταμένο βρασμό), το υδροφθορικό, το θερμό οργανικό (μυρμηκικό, το οξαλικό).
Καταθέσεις
Τα μεταλλεύματα ιλμενίτη είναι τα πιο κοινά στη φύση - τα αποθέματά τους υπολογίζονται σε 800 εκατομμύρια τόνους. Τα κοιτάσματα των κοιτασμάτων ρουτιλίου είναι πολύ πιο μέτρια, αλλά ο συνολικός όγκος - διατηρώντας την ανάπτυξη της παραγωγής - θα πρέπει να παρέχει στην ανθρωπότητα για τα επόμενα 120 χρόνια ένα τέτοιο μέταλλο όπως το τιτάνιο. Η τιμή του τελικού προϊόντος θα εξαρτηθεί από τη ζήτηση και την αύξηση του επιπέδου κατασκευής, αλλά κατά μέσο όρο κυμαίνεται από 1200 έως 1800 ρούβλια/κιλό. Σε συνθήκες συνεχούς τεχνικής βελτίωσης, το κόστος όλων των παραγωγικών διαδικασιών μειώνεται σημαντικά με τον έγκαιρο εκσυγχρονισμό τους. Η Κίνα και η Ρωσία έχουν τα μεγαλύτερα αποθέματα μεταλλευμάτων τιτανίου, καθώς και ορυκτώνΗ Ιαπωνία, η Νότια Αφρική, η Αυστραλία, το Καζακστάν, η Ινδία, η Νότια Κορέα, η Ουκρανία, η Κεϋλάνη έχουν βάση πρώτης ύλης. Τα κοιτάσματα διαφέρουν ως προς τον όγκο παραγωγής και το ποσοστό τιτανίου στο μετάλλευμα, οι γεωλογικές έρευνες βρίσκονται σε εξέλιξη, γεγονός που καθιστά δυνατή την υπόθεση μείωσης της αγοραίας αξίας του μετάλλου και την ευρύτερη χρήση του. Η Ρωσία είναι μακράν ο μεγαλύτερος παραγωγός τιτανίου.
Λήψη
Για την παραγωγή τιτανίου, χρησιμοποιείται συχνότερα το διοξείδιο του τιτανίου, το οποίο περιέχει ελάχιστη ποσότητα ακαθαρσιών. Λαμβάνεται με εμπλουτισμό συμπυκνωμάτων ιλμενίτη ή μεταλλευμάτων ρουτιλίου. Στον κλίβανο ηλεκτρικού τόξου γίνεται η θερμική επεξεργασία του μεταλλεύματος, η οποία συνοδεύεται από διαχωρισμό σιδήρου και σχηματισμό σκωρίας που περιέχει οξείδιο του τιτανίου. Η μέθοδος θειικού ή χλωριδίου χρησιμοποιείται για την επεξεργασία του κλάσματος χωρίς σίδηρο. Το οξείδιο του τιτανίου είναι μια γκρίζα σκόνη (βλ. φωτογραφία). Το μέταλλο τιτάνιο λαμβάνεται με τη σταδιακή επεξεργασία του.
Η πρώτη φάση είναι η διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης της σκωρίας με οπτάνθρακα και η έκθεση σε ατμούς χλωρίου. Το προκύπτον TiCl4 μειώνεται με μαγνήσιο ή νάτριο όταν εκτίθεται σε θερμοκρασία 850 0C. Ο σπόγγος τιτανίου (πορώδης λιωμένη μάζα), που λαμβάνεται ως αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης, εξευγενίζεται ή τήκεται σε πλινθώματα. Ανάλογα με την περαιτέρω κατεύθυνση χρήσης, σχηματίζεται ένα κράμα ή ένα καθαρό μέταλλο (οι ακαθαρσίες αφαιρούνται με θέρμανση στους 1000 0С). Για την παραγωγή ουσίας με περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες 0,01%, χρησιμοποιείται η μέθοδος του ιωδίου. Βασίζεται στη διαδικασίαεξάτμιση από σφουγγάρι τιτανίου προεπεξεργασμένο με αλογόνο, τους ατμούς του.
Περιοχές εφαρμογής
Το σημείο τήξης του τιτανίου είναι αρκετά υψηλό, γεγονός που, δεδομένης της ελαφρότητας του μετάλλου, είναι ένα ανεκτίμητο πλεονέκτημα της χρήσης του ως δομικού υλικού. Ως εκ τούτου, βρίσκει τη μεγαλύτερη εφαρμογή στη ναυπηγική, την αεροπορική βιομηχανία, την κατασκευή πυραύλων και τις χημικές βιομηχανίες. Το τιτάνιο χρησιμοποιείται αρκετά συχνά ως πρόσθετο κράματος σε διάφορα κράματα, τα οποία έχουν αυξημένα χαρακτηριστικά σκληρότητας και αντοχής στη θερμότητα. Οι υψηλές αντιδιαβρωτικές ιδιότητες και η ικανότητα αντοχής στα πιο επιθετικά περιβάλλοντα καθιστούν αυτό το μέταλλο απαραίτητο για τη χημική βιομηχανία. Το τιτάνιο (τα κράματά του) χρησιμοποιείται για την κατασκευή αγωγών, δεξαμενών, βαλβίδων, φίλτρων που χρησιμοποιούνται στην απόσταξη και τη μεταφορά οξέων και άλλων χημικά δραστικών ουσιών. Είναι σε ζήτηση κατά τη δημιουργία συσκευών που λειτουργούν σε συνθήκες ανυψωμένων δεικτών θερμοκρασίας. Οι ενώσεις τιτανίου χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ανθεκτικών εργαλείων κοπής, χρωμάτων, πλαστικών και χαρτιού, χειρουργικών εργαλείων, εμφυτευμάτων, κοσμημάτων, υλικών φινιρίσματος και χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία τροφίμων. Όλες οι κατευθύνσεις είναι δύσκολο να περιγραφούν. Η σύγχρονη ιατρική, λόγω της πλήρους βιολογικής ασφάλειας, χρησιμοποιεί συχνά μέταλλο τιτάνιο. Η τιμή είναι ο μόνος παράγοντας που μέχρι στιγμής επηρεάζει το εύρος εφαρμογής αυτού του στοιχείου. Είναι δίκαιο να πούμε ότι το τιτάνιο είναι το υλικό του μέλλοντος, μελετώντας ποιο θα περάσει η ανθρωπότητασε ένα νέο στάδιο ανάπτυξης.
