Мәңгілік, жұмбақ, ғарыштық, болашақтың материалы - осы және басқа да көптеген эпитеттер титанға әртүрлі дереккөздерде берілген. Бұл металдың ашылу тарихы тривиальды болған жоқ: бір мезгілде бірнеше ғалымдар элементті оның таза түрінде оқшаулаумен айналысты. Физикалық, химиялық қасиеттерін зерттеу және оның қолдану салаларын анықтау процесі бүгінгі күнге дейін аяқталмаған. Титан – болашақтың металы, оның адам өміріндегі орны әлі түпкілікті анықталған жоқ, бұл қазіргі зерттеушілерге шығармашылық пен ғылыми зерттеулерге үлкен мүмкіндік береді.
Сипаттамасы
Титан (титан) химиялық элементі Д. И. Менделеевтің периодтық жүйесінде Ti белгісімен көрсетілген. Төртінші периодтың IV тобының екінші топшасында орналасқан және реттік нөмірі 22. Титанның қарапайым заты ақ күміс түсті металл, жеңіл және төзімді. Атомның электрондық конфигурациясы келесі құрылымға ие: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Титанның бірнеше ықтимал тотығу күйлері бар: 2,3, 4, ең тұрақты қосылыстарда ол төрт валентті.
Титан - қорытпа немесе металл?
Бұл сұрақ көпшілікті қызықтырады. 1910 жылы американдық химик Хантер бірінші таза титанды алды. Металлдың құрамында тек 1% қоспалар болды, бірақ сонымен бірге оның мөлшері шамалы болып шықты және оның қасиеттерін одан әрі зерттеуге мүмкіндік бермеді. Алынған заттың пластикалық қасиетіне жоғары температура әсерінен ғана қол жеткізілді, қалыпты жағдайда (бөлме температурасы) үлгі тым нәзік болды. Шын мәнінде, бұл элемент ғалымдарды қызықтырмады, өйткені оны пайдалану перспективалары тым белгісіз болып көрінді. Алу мен зерттеудің қиындығы оны қолдану мүмкіндігін одан әрі төмендетті. Тек 1925 жылы Нидерланд химигі И.де Бур мен А. Ван Аркель титан металын алды, оның қасиеттері бүкіл әлем инженерлері мен конструкторларының назарын аударды. Бұл элементтің зерттелу тарихы 1790 жылдан басталады, дәл осы уақытта параллельді, бір-бірінен тәуелсіз екі ғалым титанды химиялық элемент ретінде ашады. Олардың әрқайсысы металды таза күйінде оқшаулай алмай, заттың қосындысын (оксиді) алады. Титанды ашқан ағылшын минералогы монах Уильям Грегор. Англияның оңтүстік-батыс бөлігінде орналасқан өзінің приходының аумағында жас ғалым Менакен алқабының қара құмын зерттей бастады. Магнитпен жүргізілген тәжірибелердің нәтижесі титан қосылысы болып табылатын жылтыр дәндердің бөлінуі болды. Осы кезде Германияда химик Мартин Генрих Клапрот минералдан жаңа затты бөліп алды.рутил. 1797 жылы ол сонымен қатар параллель ашылған элементтердің ұқсас екенін дәлелдеді. Титан диоксиді көптеген химиктерге ғасырдан астам уақыт бойы жұмбақ болды, тіпті Берцелиус таза металды ала алмады. 20 ғасырдың соңғы технологиялары аталған элементті зерттеу процесін айтарлықтай жеделдетіп, оны пайдаланудың бастапқы бағыттарын анықтады. Сонымен бірге қолдану аясы үнемі кеңеюде. Тек таза титан сияқты затты алу процесінің күрделілігі ғана оның қолданылу аясын шектей алады. Қорытпалар мен металдардың бағасы айтарлықтай жоғары, сондықтан бүгінде ол дәстүрлі темір мен алюминийді ығыстыра алмайды.
Аттың шығу тегі
Менакин - 1795 жылға дейін қолданылған титанның алғашқы атауы. Жаңа элементті территориялық тиесілігі бойынша В. Грегор осылай атады. Мартин Клапрот 1797 жылы элементке «титан» атауын берді. Осы кезде оның француздық әріптестері жеткілікті беделді химик А. Л. Лавуазье бастаған жаңадан ашылған заттарды негізгі қасиеттеріне сәйкес атауды ұсынды. Неміс ғалымы бұл тәсілмен келіспеді, ол ашу сатысында затқа тән барлық белгілерді анықтау және оларды атауда көрсету өте қиын деп есептеді. Дегенмен, Клапроттың интуитивті түрде таңдаған термині металға толығымен сәйкес келетінін мойындау керек - бұл қазіргі заманғы ғалымдар бірнеше рет атап өтті. Титан атауының шығу тегі туралы екі негізгі теория бар. Металды эльф патшайымы Титанияның құрметіне осылай белгілеуге болады(герман мифологиясының сипаты). Бұл атау заттың жеңілдігін де, күштілігін де білдіреді. Көптеген ғалымдар ежелгі грек мифологиясын қолдану нұсқасын қолдануға бейім, онда жер құдайы Гаяның күшті ұлдары титандар деп аталды. Бұрын ашылған уран элементінің атауы да осы нұсқаны жақтайды.
Табиғатта болу
Адамдар үшін техникалық құнды металдардың ішінде титан жер қыртысында көп таралған төртінші орында. Тек темір, магний және алюминий табиғатта үлкен пайызбен сипатталады. Титанның ең көп мөлшері базальт қабығында, гранит қабатында азырақ байқалады. Теңіз суында бұл заттың мөлшері төмен - шамамен 0,001 мг / л. Титан химиялық элементі жеткілікті белсенді, сондықтан оны таза күйінде кездестіруге болмайды. Көбінесе ол оттегі бар қосылыстарда болады, ал оның валенттілігі төрт. Құрамында титан бар минералдардың саны 63-тен 75-ке дейін (әртүрлі көздерде), ал қазіргі зерттеулер кезеңінде ғалымдар оның қосылыстарының жаңа формаларын ашуды жалғастыруда. Практикалық қолдану үшін келесі минералдар өте маңызды:
- Ильменит (FeTiO3).
- Рутил (TiO2).
- Титанит (CaTiSiO5).
- Перовскит (CaTiO3).
- Титаномагнетит (FeTiO3+Fe3O4) т.б.
Барлық құрамында титан бар кендер бөлінедіаллювиальды және негізгі. Бұл элемент әлсіз мигрант, ол тек тау жыныстарының сынықтары немесе жылжымалы лайлы түбі жыныстары түрінде жүре алады. Биосферада титанның ең көп мөлшері балдырларда кездеседі. Құрлық фаунасының өкілдерінде элемент мүйізді тіндерде, шашта жиналады. Адам ағзасы көкбауырда, бүйрек үсті безінде, плацентада, қалқанша безде титанның болуымен сипатталады.
Физикалық қасиеттері
Титан – болат сияқты күмістей ақ түсті түсті металл. 0 0C температурада оның тығыздығы 4,517 г/см3 болады. Заттың салыстырмалы салмағы төмен, ол сілтілік металдарға (кадмий, натрий, литий, цезий) тән. Тығыздығы бойынша титан темір мен алюминий арасында аралық орынды алады, ал оның өнімділігі екі элементке қарағанда жоғары. Металдардың қолданылу аясын анықтау кезінде ескерілетін негізгі қасиеттері – аққыштық пен қаттылық. Титан алюминийден 12 есе, темір мен мыстан 4 есе берік, сонымен бірге әлдеқайда жеңіл. Таза заттың пластикасы және оның аққыштығы басқа металдардағы сияқты төмен және жоғары температурада, яғни тойтару, соғу, дәнекерлеу, илемдеу арқылы өңдеуге мүмкіндік береді. Титанның айрықша ерекшелігі оның төмен жылу және электр өткізгіштігі болып табылады, бұл қасиеттер жоғары температурада, 500 0С дейін сақталады. Магниттік өрісте титан парамагниттік элемент болып табылады, олай еместемірдей тартылады, мыс сияқты итерілмейді. Агрессивті ортада және механикалық кернеу жағдайында коррозияға қарсы өте жоғары өнімділік бірегей болып табылады. Теңіз суында 10 жылдан астам уақыт болуы титан тақтасының сыртқы түрі мен құрамын өзгертпеді. Бұл жағдайда темір тоттанудан толығымен жойылады.
Титанның термодинамикалық қасиеттері
- Тығыздық (қалыпты жағдайда) 4,54 г/см3.
- Атомдық нөмірі 22.
- Металл тобы - отқа төзімді, жеңіл.
- Титанның атомдық массасы 47,0.
- Қайнау температурасы (0С) – 3260.
- Молярлық көлем см3/моль – 10, 6.
- Титанның балқу температурасы (0С) – 1668.
- Меншікті булану жылуы (кДж/моль) – 422, 6.
- Электр кедергісі (20 0С кезінде) Омсм10-6 – 45.
Химиялық қасиеттері
Элементтің коррозияға төзімділігінің жоғарылауы бетінде кішкене оксидті қабықтың пайда болуына байланысты. Ол титан металы сияқты элементті қоршаған атмосферада газдармен (оттегі, сутегі) химиялық реакциялардың (қалыпты жағдайда) алдын алады. Оның қасиеттері температураның әсерінен өзгереді. Ол 600 0С дейін көтерілгенде, оттегімен әрекеттесу реакциясы пайда болады, нәтижесінде титан оксиді (TiO2) түзіледі. Атмосфералық газдарды сіңіру жағдайында практикалық қолданысы жоқ сынғыш қосылыстар түзіледі, сондықтан титанды дәнекерлеу және балқыту вакуумдық жағдайда жүргізіледі. қайтымды реакцияметалда сутегінің еру процесі болып табылады, ол температураның жоғарылауымен белсенді түрде жүреді (400 0С және одан жоғары). Титан, әсіресе оның ұсақ бөлшектері (жұқа табақша немесе сым) азотты атмосферада жанады. Өзара әрекеттесу химиялық реакциясы тек 700 0С температурада мүмкін болады, нәтижесінде TiN нитриді түзіледі. Көптеген металдармен өте қатты қорытпалар түзеді, көбінесе легирлеуші элемент ретінде. Ол галогендермен (хром, бром, йод) катализатордың қатысуымен (жоғары температура) және құрғақ затпен әрекеттескенде ғана әрекеттеседі. Бұл жағдайда өте қатты отқа төзімді қорытпалар түзіледі. Көптеген сілтілер мен қышқылдардың ерітінділерімен титан концентрлі күкіртті (ұзақ қайнайтын), фторлы, ыстық органикалықты (құмырсқа, қымыздық) қоспағанда, химиялық белсенді емес.
Депозиттер
Ильменит кендері табиғатта ең көп таралған – олардың қоры 800 млн тоннаға бағаланады. Рутил кен орындарының кен орындары әлдеқайда қарапайым, бірақ жалпы көлемі - өндірістің өсуін сақтай отырып, адамзатты алдағы 120 жылда титан сияқты металмен қамтамасыз етуі керек. Дайын өнімнің бағасы сұранысқа және өндіріс деңгейін арттыруға байланысты болады, бірақ орташа есеппен ол 1200-ден 1800 рубль / кг-ға дейін өзгереді. Тұрақты техникалық жетілдіру жағдайында барлық өндірістік процестердің құны оларды уақтылы жаңарту арқылы айтарлықтай төмендейді. Қытай мен Ресейде титан кендерінің, сондай-ақ пайдалы қазбалардың ең үлкен қоры барЖапония, Оңтүстік Африка, Австралия, Қазақстан, Үндістан, Оңтүстік Корея, Украина, Цейлонның шикізат базасы бар. Кен орындары өндіріс көлемі мен рудадағы титанның пайызы бойынша ерекшеленеді, геологиялық зерттеулер жүргізілуде, бұл металдың нарықтық құнының төмендеуін және оны кеңінен пайдалануды болжауға мүмкіндік береді. Ресей титанның ең ірі өндірушісі болып табылады.
Алу
Титан өндірісі үшін құрамында қоспалардың ең аз мөлшері бар титан диоксиді жиі пайдаланылады. Оны ильменит концентраттарын немесе рутил кендерін байыту арқылы алады. Электр доғалы пеште кенді термиялық өңдеу жүреді, ол темірдің бөлінуімен және құрамында титан оксиді бар шлактардың түзілуімен жүреді. Темірсіз фракцияны өңдеу үшін сульфатты немесе хлоридті әдіс қолданылады. Титан оксиді - сұр ұнтақ (суретті қараңыз). Титан металы оны кезең-кезеңімен өңдеу арқылы алынады.
Бірінші фаза – қожды кокспен агломерациялау және хлор буының әсеріне ұшырату процесі. Алынған TiCl4 850 0C температураға әсер еткенде магниймен немесе натриймен тотықсызданады. Химиялық реакция нәтижесінде алынған титан губкасы (кеуекті балқытылған масса) тазартылады немесе құймаларға балқытылады. Әрі қарай пайдалану бағытына қарай қорытпа немесе таза металл түзіледі (қоспалар 1000 0С дейін қыздыру арқылы жойылады). Құрамында 0,01% қоспасы бар затты алу үшін йодид әдісі қолданылады. Ол процеске негізделгенгалогенмен алдын ала өңделген титан губкасынан булану, оның булары.
Қолдану аймақтары
Титанның балқу температурасы айтарлықтай жоғары, бұл металдың жеңілдігін ескере отырып, оны құрылымдық материал ретінде пайдаланудың баға жетпес артықшылығы болып табылады. Сондықтан ол кеме жасауда, авиация өнеркәсібінде, зымыран жасауда және химия өнеркәсібінде ең көп қолданыс табады. Титан қаттылығы мен ыстыққа төзімділігі жоғарылаған әртүрлі қорытпаларда легирленген қоспа ретінде жиі қолданылады. Коррозияға қарсы жоғары қасиеттері және ең агрессивті орталарға төтеп беру қабілеті бұл металды химия өнеркәсібі үшін таптырмас етеді. Титан (оның қорытпалары) қышқылдарды және басқа да химиялық белсенді заттарды айдау мен тасымалдауда қолданылатын құбырларды, резервуарларды, клапандарды, сүзгілерді жасау үшін қолданылады. Ол жоғары температура көрсеткіштері жағдайында жұмыс істейтін құрылғыларды жасау кезінде сұранысқа ие. Титан қосылыстары берік кескіш құралдарды, бояуларды, пластмассалар мен қағазды, хирургиялық аспаптарды, импланттарды, зергерлік бұйымдарды, әрлеу материалдарын жасау үшін қолданылады және тамақ өнеркәсібінде қолданылады. Барлық бағыттарды сипаттау қиын. Заманауи медицина толық биологиялық қауіпсіздікке байланысты титан металын жиі пайдаланады. Баға осы элементтің қолданылу кеңдігіне әсер ететін жалғыз фактор болып табылады. Титан болашақтың материалы, оны зерттеу арқылы адамзат өтіп кетеді деп айту әділеттідамудың жаңа кезеңіне.
