Igavene, salapärane, kosmiline, tulevikumaterjal – kõik need ja paljud teised epiteetid on erinevates allikates omistatud titaanile. Selle metalli avastamise ajalugu ei olnud triviaalne: samal ajal töötasid mitmed teadlased elemendi puhtal kujul eraldamisega. Füüsikaliste, keemiliste omaduste uurimise ja selle rakendusalade määramise protsess ei ole tänaseks lõppenud. Titaan on tulevikumetall, selle koht inimelus pole veel lõplikult kindlaks määratud, mis annab tänapäeva teadlastele tohutu ruumi loovusele ja teaduslikule uurimistööle.
Iseloomulik
Keemiline element titaan (Titanium) on D. I. Mendelejevi perioodilisuse tabelis tähistatud sümboliga Ti. See asub neljanda perioodi IV rühma teiseses alarühmas ja kannab seerianumbrit 22. Lihtaine titaan on valge-hõbedane metall, kerge ja vastupidav. Aatomi elektroonilisel konfiguratsioonil on järgmine struktuur: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Sellest tulenev alt on titaanil mitu võimalikku oksüdatsiooniastet: 2,3, 4, kõige stabiilsemates ühendites on see neljavalentne.
Titaan – sulam või metall?
See küsimus huvitab paljusid. 1910. aastal sai Ameerika keemik Hunter esimese puhta titaani. Metall sisaldas ainult 1% lisandeid, kuid samal ajal osutus selle kogus tühiseks ega võimaldanud selle omadusi edasi uurida. Saadud aine plastilisus saavutati ainult kõrgete temperatuuride mõjul, tavatingimustes (toatemperatuuril) oli proov liiga habras. Tegelikult see element teadlasi ei huvitanud, kuna selle kasutamise väljavaated tundusid liiga ebakindlad. Raskused hankimisel ja uurimisel vähendasid veelgi selle rakendamise potentsiaali. Alles 1925. aastal said Hollandi keemikud I. de Boer ja A. Van Arkel titaanmetalli, mille omadused äratasid inseneride ja disainerite tähelepanu üle maailma. Selle elemendi uurimise ajalugu algab 1790. aastal, täpselt sel ajal avastavad kaks teadlast paralleelselt, üksteisest sõltumatult, titaani keemilise elemendina. Igaüks neist saab mingi aine ühendi (oksiidi), mis ei suuda metalli puhtal kujul isoleerida. Titaani avastaja on inglise mineraloog munk William Gregor. Oma kihelkonna territooriumil, mis asub Inglismaa edelaosas, asus noor teadlane uurima Menakeni oru musta liiva. Magnetiga tehtud katsete tulemusel eraldusid läikivad terad, mis olid titaaniühend. Samal ajal Saksamaal eraldas keemik Martin Heinrich Klaproth mineraalist uue ainerutiil. 1797. aastal tõestas ta ka, et paralleelselt avatud elemendid on sarnased. Titaandioksiid on olnud paljude keemikute jaoks mõistatus juba üle sajandi ja isegi Berzeliusel ei õnnestunud saada puhast metalli. 20. sajandi uusimad tehnoloogiad kiirendasid oluliselt nimetatud elemendi uurimist ja määrasid kindlaks selle kasutamise esialgsed suunad. Samal ajal laieneb rakendusala pidev alt. Ainult sellise aine nagu puhta titaani saamise protsessi keerukus võib piirata selle ulatust. Sulamite ja metalli hind on üsna kõrge, nii et tänapäeval ei suuda see traditsioonilist rauda ja alumiiniumi välja tõrjuda.
Nime päritolu
Menakin – titaani eesnimi, mida kasutati kuni 1795. aastani. Nii nimetas W. Gregor uut elementi territoriaalse kuuluvuse järgi. Martin Klaproth annab elemendile 1797. aastal nime "titaan". Sel ajal tegid tema prantsuse kolleegid eesotsas üsna maineka keemiku A. L. Lavoisier'ga ettepaneku nimetada äsja avastatud aineid nende põhiomaduste järgi. Saksa teadlane selle lähenemisviisiga ei nõustunud, ta uskus üsna põhjendatult, et avastamise etapis on üsna raske kindlaks teha kõiki ainele omaseid omadusi ja kajastada neid nimes. Siiski tuleb tunnistada, et Klaprothi intuitiivselt valitud termin vastab täielikult metallile - seda on tänapäeva teadlased korduv alt rõhutanud. Nimetuse titaan päritolu kohta on kaks peamist teooriat. Metalli võiks nimetada nii päkapikukuninganna Titania auks(germaani mütoloogia tegelane). See nimi sümboliseerib nii aine kergust kui ka tugevust. Enamik teadlasi kaldub kasutama Vana-Kreeka mütoloogia kasutamise versiooni, milles maajumalanna Gaia võimsaid poegi nimetati titaanideks. Selle versiooni kasuks räägib ka varem avastatud elemendi uraan nimi.
Looduses viibimine
Inimestele tehniliselt väärtuslikest metallidest on titaan maakoore sisalduselt neljas. Ainult rauda, magneesiumi ja alumiiniumi iseloomustab looduses suur protsent. Suurim titaanisisaldus on basaldikestas, veidi vähem graniidikihis. Merevees on selle aine sisaldus madal - ligikaudu 0,001 mg / l. Keemiline element titaan on üsna aktiivne, seetõttu ei leia seda puhtal kujul. Kõige sagedamini esineb see hapnikuga ühendites, samas kui selle valents on neli. Titaani sisaldavate mineraalide arv varieerub 63-st 75-ni (erinevates allikates), samal ajal kui praeguses uurimisetapis jätkavad teadlased selle ühendite uute vormide avastamist. Praktilisel kasutamisel on kõige olulisemad järgmised mineraalid:
- Ilmenite (FeTiO3).
- Rutiil (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskite (CaTiO3).
- Titanomagnetiit (FeTiO3+Fe3O4) jne
Kõik olemasolevad titaani sisaldavad maagid on jagatudalluviaalne ja põhiline. See element on nõrk rändaja, see võib liikuda ainult kivimitükkide või liikuvate aleuritud põhjakivimite kujul. Biosfääris leidub kõige rohkem titaani vetikates. Maapealse fauna esindajatel koguneb element sarvkudedesse, juustesse. Inimkeha iseloomustab titaani sisaldus põrnas, neerupealistes, platsentas ja kilpnäärmes.
Füüsikalised omadused
Titaan on hõbevalge värvusega värviline metall, mis näeb välja nagu teras. Temperatuuril 0 0C on selle tihedus 4,517 g/cm3. Aine erikaal on madal, mis on tüüpiline leelismetallidele (kaadmium, naatrium, liitium, tseesium). Titaanil on tiheduse poolest raua ja alumiiniumi vahepealne positsioon, samas kui selle jõudlus on kõrgem kui mõlemal elemendil. Metallide peamised omadused, mida nende kasutusala määramisel arvesse võetakse, on voolavuspiir ja kõvadus. Titaan on 12 korda tugevam kui alumiinium, 4 korda tugevam kui raud ja vask, olles samas palju kergem. Puhta aine plastilisus ja voolavuspiir võimaldavad töödelda madalal ja kõrgel temperatuuril, nagu teistegi metallide puhul, st neetimise, sepistamise, keevitamise, v altsimise teel. Titaani eripäraks on selle madal soojus- ja elektrijuhtivus, samas kui need omadused säilivad kõrgel temperatuuril, kuni 500 0С. Magnetväljas on titaan paramagnetiline element, mittetõmbab ligi nagu raud ja ei tõugata välja nagu vask. Väga kõrge korrosioonivastane jõudlus agressiivses keskkonnas ja mehaanilise pinge all on ainulaadne. Rohkem kui 10 aastat merevees olemist ei muutnud titaanplaadi välimust ja koostist. Sel juhul hävitaks raud korrosiooni tõttu täielikult.
Titaani termodünaamilised omadused
- Tihedus (tavatingimustes) on 4,54 g/cm3.
- Aatomarv on 22.
- Metallgrupp – tulekindel, kerge.
- Titaani aatommass on 47,0.
- Keemistemperatuur (0С) – 3260.
- Molaarmaht cm3/mol – 10, 6.
- Titaani sulamistemperatuur (0С) – 1668.
- Eriaurustumissoojus (kJ/mol) – 422, 6.
- Elektritakistus (20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Keemilised omadused
Elemendi suurenenud korrosioonikindlus on tingitud väikese oksiidkile moodustumisest pinnale. See takistab (normaalsetes tingimustes) keemilisi reaktsioone gaasidega (hapnik, vesinik) elemendi, näiteks titaanmetalli, ümbritsevas atmosfääris. Selle omadused muutuvad temperatuuri mõjul. Kui see tõuseb 600-ni 0С, toimub interaktsioonireaktsioon hapnikuga, mille tulemusena moodustub titaanoksiid (TiO2). Atmosfäärigaaside neeldumisel tekivad rabedad ühendid, millel pole praktilist rakendust, mistõttu titaani keevitamine ja sulatamine toimub vaakumi tingimustes. pöörduv reaktsioonon vesiniku lahustumisprotsess metallis, see toimub aktiivsem alt temperatuuri tõusuga (alates 400 0С ja kõrgem). Titaan, eriti selle väikesed osakesed (õhuke plaat või traat), põleb lämmastiku atmosfääris. Koostoime keemiline reaktsioon on võimalik ainult temperatuuril 700 °C 0С, mille tulemusena moodustub TiN-nitriid. Moodustab paljude metallidega ülikõvad sulamid, sageli legeeriva elemendina. See reageerib halogeenidega (kroom, broom, jood) ainult katalüsaatori juuresolekul (kõrge temperatuur) ja kokkupuutel kuivainega. Sel juhul moodustuvad väga kõvad tulekindlad sulamid. Enamiku leeliste ja hapete lahustes on titaan keemiliselt inaktiivne, välja arvatud kontsentreeritud väävelhape (pika keetmisega), fluorvesinik, kuum orgaaniline (sipelg-, oksaalhape).
Sissemaksed
Ilmeniidi maagid on looduses levinumad – nende varusid hinnatakse 800 miljonile tonnile. Rutiili maardlad on palju tagasihoidlikumad, kuid kogumaht - säilitades samal ajal toodangu kasvu - peaks varustama inimkonda järgmiseks 120 aastaks sellise metalliga nagu titaan. Valmistoote hind sõltub nõudlusest ja valmistatavuse taseme tõusust, kuid keskmiselt jääb see vahemikku 1200–1800 rubla/kg. Pideva tehnilise täiustamise tingimustes väheneb kõigi tootmisprotsesside maksumus nende õigeaegse moderniseerimisega oluliselt. Hiinal ja Venemaal on suurimad titaanimaakide ja ka mineraalide varudToorainebaasil on Jaapan, Lõuna-Aafrika, Austraalia, Kasahstan, India, Lõuna-Korea, Ukraina, Tseilon. Maardlad erinevad toodangu mahu ja titaani osakaalu poolest maagis, käimas on geoloogilised uuringud, mis võimaldab eeldada metalli turuväärtuse langust ja laiemat kasutust. Venemaa on ülekaaluk alt suurim titaanitootja.
Võta vastu
Titaani tootmiseks kasutatakse kõige sagedamini titaandioksiidi, mis sisaldab minimaalses koguses lisandeid. Seda saadakse ilmeniidikontsentraatide või rutiilimaakide rikastamisel. Elektrikaarahjus toimub maagi kuumtöötlus, millega kaasneb raua eraldumine ja titaanoksiidi sisaldava räbu moodustumine. Rauavaba fraktsiooni töötlemiseks kasutatakse sulfaat- või kloriidmeetodit. Titaanoksiid on hall pulber (vt fotot). Titaanmetall saadakse selle etapiviisilise töötlemise teel.
Esimene faas on räbu paagutamine koksiga ja kokkupuude klooriauruga. Saadud TiCl4 redutseeritakse magneesiumi või naatriumiga kokkupuutel temperatuuril 850 °C 0C. Titaankäsn (poorne sulatatud mass), mis saadakse keemilise reaktsiooni tulemusena, rafineeritakse või sulatatakse valuplokkideks. Olenev alt edasisest kasutussuunast moodustub sulam või puhas metall (lisandid eemaldatakse kuumutades 1000 0С). 0,01% lisandisisaldusega aine tootmiseks kasutatakse jodiidi meetodit. See põhineb protsessilaurustumine halogeeniga eeltöödeldud titaankäsnast, selle aurud.
Kasutusvaldkonnad
Titaani sulamistemperatuur on üsna kõrge, mis, arvestades metalli kergust, on hindamatu eelis selle kasutamisel konstruktsioonimaterjalina. Seetõttu leiab see suurima rakenduse laevaehituses, lennutööstuses, rakettide tootmises ja keemiatööstuses. Titaani kasutatakse üsna sageli legeeriva lisandina erinevates sulamites, millel on suurenenud kõvadus ja kuumakindlus. Kõrged korrosioonivastased omadused ja võime taluda enamikku agressiivseid keskkondi muudavad selle metalli keemiatööstuses asendamatuks. Titaanist (selle sulamitest) valmistatakse torujuhtmeid, mahuteid, ventiile, filtreid, mida kasutatakse hapete ja muude keemiliselt aktiivsete ainete destilleerimisel ja transportimisel. See on nõutav kõrgendatud temperatuuriindikaatorite tingimustes töötavate seadmete loomisel. Titaaniühendeid kasutatakse vastupidavate lõikeriistade, värvide, plasti ja paberi, kirurgiainstrumentide, implantaatide, ehete, viimistlusmaterjalide valmistamiseks ning neid kasutatakse toiduainetööstuses. Kõiki suundi on raske kirjeldada. Kaasaegne meditsiin kasutab täieliku bioloogilise ohutuse tõttu sageli titaanmetalli. Hind on ainus tegur, mis siiani mõjutab selle elemendi kasutusala. On aus öelda, et titaan on tuleviku materjal, mille uurimisel inimkond möödubuude arenguetappi.
