Титан (елемент)

1. ізотопи [ правити | правити код ]
2. У чистому вигляді і у вигляді сплавів [ правити | правити код ]
3. У виде Сполука [ правити | правити код ]
4. Аналіз ринків споживання [ правити | правити код ]
5. ціни [ правити | правити код ]

Цей термін має також інші значення див. Титан . Титан ← скандій | ванадій →

Стрижень, що складається з титанових кристалів високої чистоти

Назва, символ, номер

Титан / Titanium (Ti), 22 атомна маса
( молярна маса ) 47,867 (1) [1] а. е. м. ( г / моль ) Електронна конфігурація [Ar] 3d2 4s2 радіус атома 147 пм ковалентний радіус 132 пм радіус іона (+ 4e) 68 (+ 2 e) 94 пм електронегативність 1,54 (шкала Полінга) електродний потенціал -1,63 ступені окислення 2, 3, 4 енергія іонізації
(Перший електрон) 657,8 (6,8281 [2] ) кДж / моль ( еВ ) щільність (при н. у. ) 4,54 г / см³ Температура плавлення 1670 ° C
1943 K Температура кипіння 3560 K Уд. теплота плавлення 18,8 кДж / моль Уд. теплота випаровування 422,6 кДж / моль Питома теплоємність 25,1 [3] Дж / (K моль) молярний об'єм 10,6 см ³ / моль Структура ґратки гексагональна
щільноупакована (α-Ti) параметри решітки a = 2,951 с = 4,697 (α-Ti) Ставлення c / a 1,587 температура Дебая 380 K теплопровідність (300 K) 21,9 Вт / (м · К) номер CAS 7440-32-6

Титан - хімічний елемент з атомним номером 22 [4] . належить до 4-й групі періодичної таблиці хімічних елементів (За застарілою короткої формі періодичної системи належить до побічної підгрупи IV групи, або до групи IVB), знаходиться в четвертому періоді таблиці. атомна маса елемента 47,867 (1) а. е. м. [1] . Позначається символом Ti. проста речовина титан - легкий міцний метал сріблясто-білого кольору. Має високу корозійну стійкість.

Перший зразок металевого титану отримав в 1825 році швед Й. Я. Берцеліус . Через високу хімічної активності титану і складності його очищення чистий зразок Ti отримали голландці А. ван Аркел і І. де Бур в 1925 році термічним розкладанням парів йодиду титану TiI4.

Титан не знаходив промислового застосування, поки люксембуржец Г. Кролл (Англ.) В 1940 року не запатентував простий магниетермический метод відновлення металевого титану з тетрахлорида ; цей метод ( процес Кролла (Англ.)) До теперішнього часу залишається одним з основних в промисловому отриманні титану.

Метал отримав свою назву на честь титанів , Персонажів давньогрецької міфології, дітей геї . Назва елементу дав Мартін Клапрот в відповідності зі своїми поглядами на хімічну номенклатуру на противагу французької хімічної школі, де елемент намагалися називати по його хімічними властивостями. Оскільки німецький дослідник сам відзначив неможливість визначення властивостей нового елемента тільки по його оксиду, він підібрав для нього ім'я з міфології, за аналогією з відкритим ним раніше ураном .

Титан знаходиться на 10-му місці за поширеністю в природі. зміст в земній корі - 0,57% за масою, в морській воді - 0,001 мг / л [5] . В ультраосновних породах 300 г / т, в основних - 9 кг / т, в кислих 2,3 кг / т, в глинах і сланцях 4,5 кг / т. У земній корі титан майже завжди четирехвалентен і присутній тільки в кисневих з'єднаннях. У вільному вигляді не зустрічається. Титан в умовах вивітрювання і осадження має геохімічне спорідненість з Al2O3 . Він концентрується в боксити кори вивітрювання і в морських глинистих опадах. Перенесення титану здійснюється у вигляді механічних уламків мінералів і у вигляді колоїдів . До 30% TiO2 по вазі накопичується в деяких глинах. Мінерали титану стійкі до вивітрювання і утворюють великі концентрації в розсипах. Відомо понад 100 мінералів, що містять титан. Найважливіші з них: рутил TiO2, ільменіт FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титаніт (Стено) CaTiSiO5. розрізняють корінні руди титану - ільменіт-титаномагнетитових і розсипних - рутил-ільменіт-цирконовий [3] .

Великі корінні родовища титану знаходяться на території ПАР, Росії, України, Канади, США, Китаю, Норвегії, Швеції, Єгипту, Австралії, Індії, Південної Кореї, Казахстану; розсипних родовищ є в Бразилії, Індії, США, Сьєрра-Леоне, Австралії [6] [3] . У країнах СНД провідне місце за розвіданими запасами титанових руд займає РФ (58,5%) і Україна (40,2%) [7] . Найбільше родовище в Росії - Ярегское .

Основні руди : ільменіт (FeTiO3), рутил (TiO2), титаніт (CaTiSiO5).

За даними на 2002 рік, 90% видобутого титану використовувалося на виробництво діоксиду титану TiO2. Світове виробництво діоксиду титану становило 4,5 млн т. На рік. Підтверджені запаси діоксиду титану (без Росії) становлять близько 800 млн т. На 2006 рік, за оцінкою Геологічної служби США, в перерахунку на діоксид титану і без урахування Росії, запаси ільменітових руд складають 603-673 млн т., А рутилових - 49, 7-52,7 млн ​​т [8] . Таким чином, при нинішніх темпах видобутку світових розвіданих запасів титану (без урахування Росії) вистачить більш ніж на 150 років.

Росія володіє другими в світі, після Китаю, запасами титану. Мінерально-сировинну базу титану Росії складають 20 родовищ (з них 11 корінних і 9 розсипних), досить рівномірно розосереджених по території країни. Найбільше з розвіданих родовищ (Ярегское) знаходиться в 25 км від міста Ухта (Республіка Комі). Запаси родовища оцінюються в 2 мільярди тонн руди з середнім вмістом діоксиду титану близько 10% [9] .

Найбільший в світі виробник титану - російська компанія « ВСМПО-АВІСМА » [10] .

Як правило, вихідним матеріалом для виробництва титану і його з'єднань слугує діоксид титану з порівняно невеликою кількістю домішок. Зокрема, це може бути рутиловий концентрат, що отримується при збагаченні титанових руд. Однак запаси рутилу в світі вельми обмежені, і частіше застосовують так званий синтетичний рутил або титановий шлак , Одержувані при переробці ільменітових концентратів. Для отримання титанового шлаку концентрат ільменіту відновлюють в електродугової печі, при цьому залізо відокремлюється в металеву фазу ( чавун ), А невідновлені оксиди титану і домішок утворюють шлакову фазу. Багатий шлак переробляють хлоридним або сернокислотним способом.

Концентрат титанових руд піддають кислотною або пирометаллургической переробці. Продукт кислотною обробки - порошок діоксиду титану TiO2. Пірометаллургічним методом руду спекают з коксом і обробляють хлором , Отримуючи пари тетрахлориду титану TiCl4:

T i O 2 + 2 C + 2 C l 2 → T i C l 4 + 2 C O {\ displaystyle {\ mathsf {TiO_ {2} + 2C + 2Cl_ {2} \ rightarrow TiCl_ {4} + 2CO}}}

Пари, що утворюються TiCl4 при 850 ° C відновлюють магнієм :

T i C l 4 + 2 M g → 2 M g C l 2 + T i {\ displaystyle {\ mathsf {TiCl_ {4} + 2Mg \ rightarrow 2MgCl_ {2} + Ti}}}

Крім цього, в даний час починає отримувати популярність так званий процес FFC Cambridge, названий за іменами його розробників Дерека Фрея, Тома Фартінга і Джорджа Чена з Кембриджського університету , Де він був створений. Цей електрохімічний процес дозволяє здійснювати пряме безперервне відновлення титану з оксиду в розплаві суміші хлориду кальцію і негашеного вапна (Оксиду кальцію). У цьому процесі використовується електролітична ванна, наповнена сумішшю хлориду кальцію і вапна, з графітовим електродом, що витрачається (або нейтральним) анодом і катодом, виготовленим з підмета відновленню оксиду. При пропущенні через ванну струму температура швидко досягає ~ 1000-1100 ° C, і розплав оксиду кальцію розкладається на аноді на кисень і металевий кальцій :

2 C a O → 2 C a + O 2 {\ displaystyle {\ mathsf {2CaO \ rightarrow 2Ca + O_ {2}}}}

Отриманий кисень окисляє анод (в разі використання графіту), а кальцій мігрує в розплаві до катода, де і відновлює титан з його оксиду:

O 2 + C → C O 2 {\ displaystyle {\ mathsf {O_ {2} + C \ rightarrow CO_ {2}}}} T i O 2 + 2 C a → T i + 2 C a O {\ displaystyle {\ mathsf {TiO_ {2} + 2Ca \ rightarrow Ti + 2CaO}}}

Утворений оксид кальцію знову дисоціює на кисень і металевий кальцій, і процес повторюється аж до повного перетворення катода в титанову губку або вичерпання оксиду кальцію. Хлорид кальцію в даному процесі використовується як електроліт для додання електропровідності розплаву і рухливості активним іонів кальцію і кисню. При використанні інертного анода (наприклад, діоксиду олова ), Замість вуглекислого газу на аноді виділяється молекулярний кисень, що менше забруднює навколишнє середовище, проте процес в такому випадку стає менш стабільним, і, крім того, в деяких умовах більш енергетично вигідним стає розкладання хлориду, а не оксиду кальцію, що призводить до вивільнення молекулярного хлору .

Отриману титанову «губку» переплавляють і очищають. Рафінують титан іодідним способом або електролізом , Виділяючи Ti з TiCl4. Для отримання титанових злитків застосовують дугову, електронно-променеву або плазмову переробку.

Титан - легкий сріблясто-білий метал . При нормальному тиску існує в двох кристалічних модифікаціях: низькотемпературний α -Ti з гексагональними щільноупакованими гратами ( гексагональная сингония , просторова група C 6 mmc, параметри комірки a = 0,2953 нм, c = 0,4729 нм, Z = 2) і високотемпературний β -Ti з кубічної об'ємно-центрованої упаковкою ( кубічна сингония , просторова група Im 3 m, параметри комірки a = 0,3269 нм, Z = 2), температура переходу α↔β 883 ° C, теплота переходу Δ H = 3,8 кДж / моль [3] (87,4 кДж / кг [11] ). Більшість металів при розчиненні в титані стабілізують β -фазу і знижують температуру переходу α↔β [3] . При тиску вище 9 ГПа і температурі вище 900 ° C титан переходить в гексагональну фазу (ω -Ti) [11] . Щільність α -Ti і β -Ti відповідно дорівнює 4,505 г / см³ (при 20 ° C) і 4,32 г / см³ (при 900 ° C) [3] . атомна щільність α-титану 5,67⋅1022 ат / см [12] [13] .

Температура плавлення титану при нормальному тиску дорівнює 1670 ± 2 ° C, або 1943 ± 2 К (прийнята в якості однієї з вторинних калібрувальних точок температурної шкали ITS-90 (Англ.)) [2] . Температура кипіння 3287 ° C [2] . При досить низькій температурі (-80 ° C) [2] , Титан стає досить крихким. молярна теплоємність при нормальних умовах Cp = 25,060 кДж / (моль · K), що відповідає питомій теплоємності 0,523 кДж / (кг · K) [2] . Теплота плавлення 15 кДж / моль [11] , Теплота випаровування 410 кДж / моль [11] . характеристична дебаєвсьного температура 430 К [11] . Теплопровідність 21,9 Вт / (м · К) при 20 ° C [11] . Температурний коефіцієнт лінійного розширення 9,2 · 10-6 К-1 в інтервалі від -120 до + 860 ° C [11] . Молярна ентропія α -тітана S 0 = 30,7 кДж / (моль · К) [2] . Для титану в газовій фазі ентальпія формування Δ H 0
f = 473,0 кДж / моль, енергія Гіббса Δ G 0
f = 428,4 кДж / моль, молярна ентропія S 0 = 180,3 кДж / (моль · К), теплоємність при постійному тиску Cp = 24,4 кДж / (моль · K) [2]

Питомий електричний опір при 20 ° C становить 0,58 мк Ом · м [11] (За іншими даними 0,42 мк Ом · м [3] ), При 800 ° C 1,80 мкОм · м [3] . Температурний коефіцієнт опору 0,003 К-1 в діапазоні 0 ... 20 ° C [11] .

Пластичний, зварюється в інертному атмосфері. Характеристики міцності мало залежать від температури, однак сильно залежать від чистоти і попередньої обробки [3] . Для технічного титану твердість по Віккерсу становить 790-800 МПа, модуль нормальної пружності 103 ГПа, модуль зсуву 39,2 ГПа [11] . У високочистого попередньо відпаленого у вакуумі титану межа плинності 140-170 МПа, відносне подовження 55-70%, твердість по Бринеллю 716 МПа [3] .

Має високу в'язкість, при механічній обробці схильний до налипання на ріжучий інструмент, і тому потрібно нанесення спеціальних покриттів на інструмент, різних мастил .

При звичайній температурі покривається захисною пасивуються плівкою оксиду TiO2, завдяки цьому коррозіонностоек в більшості середовищ (крім лужної).

Температура переходу в надпровідний стан 0,387 К. При температурах вище 73 коливань титан парамагнитен . магнітна сприйнятливість при 20 ° C становить 3,2 · 10-6 [3] . Постійна Холла α -тітана дорівнює + 1,82 · 10-13 [3] .

ізотопи [ правити | правити код ]

відомі ізотопи титану з масовими числами від 38 до 63 (кількість протонів 22, нейтронів від 16 до 41), і 2 ядерних ізомеру .

Природний титан складається із суміші п'яти стабільних ізотопів: 46Ti ( ізотопна поширеність 7,95%), 47Ti (7,75%), 48Ti (73,45%), 49Ti (5,51%), 50Ti (5,34%).

Серед штучних ізотопів самі довгоживучі 44Ti ( період напіврозпаду 60 років) і 45Ti (період напіврозпаду 184 хвилини).

стійкий до корозії завдяки оксидної плівці, але при подрібненні в порошок, а також в тонкій стружці або дроті титан пірофорен [3] . Титанова пил має властивість вибухати. Температура спалаху - 400 ° C. Титанова стружка пожежонебезпечна.

Титан стійкий до розведених розчинів багатьох кислот і лугів (крім HF , H3PO4 і концентрованої H2SO4 ). Титан стійкий до вологого хлору і водних розчинів хлору [2] .

Легко реагує навіть зі слабкими кислотами в присутності комплексоутворювачів, наприклад, з плавиковою кислотою HF він взаємодіє завдяки освіті комплексного аниона [TiF6] 2. Титан найбільш схильний до корозії в органічних середовищах, так як в присутності води на поверхні титанового виробу утворюється щільна пасивна плівка з оксидів і гідриду титану. Найбільш помітне підвищення корозійної стійкості титану помітно при підвищенні вмісту води в агресивному середовищі з 0,5 до 8,0%, що підтверджується електрохімічними дослідженнями електроднихпотенціалів титану в розчинах кислот і лугів в змішаних водно-органічних середовищах [14] .

При нагріванні на повітрі до 1200 ° C Ti спалахує яскравим білим полум'ям з утворенням оксидних фаз змінного складу TiOx. З розчинів солей титану осідає гідроксид TiO (OH) 2 · xH2O, обережним прожарюванням якого отримують оксид TiO2. Гідроксид TiO (OH) 2 · xH2O і діоксид TiO2 амфотерни .

TiO2 взаємодіє з сірчаною кислотою при тривалому кип'ятінні. При сплаві з содою Na2CO3 або поташом K2CO3 оксид TiO2 утворює титанати:

T i O 2 + K 2 CO 3 → K 2 T i O 3 + CO 2 {\ displaystyle {\ mathsf {TiO_ {2} + K_ {2} CO_ {3} \ rightarrow K_ {2} TiO_ {3} + CO_ {2}}}}

При нагріванні Ti взаємодіє з галогенами (Наприклад, з хлором - при 550 ° C [2] ). тетрахлорид титану TiCl4 при звичайних умовах - безбарвна рідина, сильно димить на повітрі, що пояснюється гідролізом TiCl4, що містяться в повітрі парами води і утворенням дрібних крапельок HCl і суспензії гідроксиду титану .

відновленням TiCl4 воднем , алюмінієм , кремнієм , Іншими сильними відновниками, отриманий трихлорид і дихлорид титану TiCl3 і TiCl2 - тверді речовини, що володіють сильними відновними властивостями. Ti взаємодіє з Br2 і I2 .

З азотом N2 вище 400 ° C титан утворює нітрид TiNx (x = 0.58-1.00). Титан - єдиний елемент, який горить в атмосфері азоту [2] .

При взаємодії титану з вуглецем утворюється карбід титану TiCx (x = 0.49-1.00).

При нагріванні Ti поглинає H2 з утворенням сполуки змінного складу TiHx (x = 2.00-2.98). При нагріванні ці гідриди розкладаються з виділенням H2.

Титан утворює сплави і интерметаллические з'єднання з багатьма металами.

У чистому вигляді і у вигляді сплавів [ правити | правити код ]

Використання металевого титану в багатьох галузях промисловості обумовлено тим, що його міцність приблизно дорівнює міцності стали при тому, що він на 45% легше. Титан на 60% важче алюмінію, але міцніше його приблизно вдвічі [2] .

• Титан у вигляді сплавів є найважливішим конструкційним матеріалом в авіа- і ракетобудуванні, в кораблебудуванні.
• Метал застосовується в хімічній промисловості ( реактори , трубопроводи , насоси , трубопровідна арматура ), Військової промисловості (бронежилети, броня і протипожежні перегородки в авіації, корпусу підводних човнів), промислових процесах (опріснювальних установках, процесах целюлози і паперу), автомобільної промисловості, сільськогосподарської промисловості, харчової промисловості, спортивних товарах, ювелірних виробах, мобільних телефонах, легких сплавах і т. д.
• Титан є фізіологічно інертним [2] , Завдяки чому застосовується в медицині (протези, остеопротези , зубні імплантати ), В стоматологічних та ендодонтичних інструментах, прикрасах для пірсингу .
• Титанове лиття виконують в вакуумних печах в графітові форми. Також використовується вакуумне лиття по виплавлюваних моделях. Через технологічні труднощі в художньому лиття використовується обмежено. Першим у світовій практиці монументальної литий скульптурою з титану є пам'ятник Юрію Гагаріну на площі його імені в Москві [15] .
• Титан є легирующей добавкою в багатьох легованих сталях і більшості спецсплавів [ яких? ].
• нитинол (Нікель-титан) - сплав, що володіє пам'яттю форми, що застосовується в медицині і техніці.
• алюмініди титану є дуже стійкими до окислення і жароміцних, що, в свою чергу, визначило їх використання в авіації та автомобілебудуванні в якості конструкційних матеріалів.
• Титан є одним з найбільш поширених гетерні матеріалів , Використовуваних в високовакуумних насосах .

існує безліч титанових сплавів з різними металами. Легуючі елементи поділяють на три групи, в залежності від їх впливу на температуру поліморфного перетворення: на бета-стабілізатори, альфа-стабілізатори і нейтральні упрочнители. Перші знижують температуру перетворення, другі підвищують, треті не впливають на неї, але призводять до розчинному зміцнення матриці. Приклади альфа-стабілізаторів: алюміній, кисень, вуглець, азот. Бета-стабілізатори: молібден, ванадій, залізо, хром, нікель. Нейтральні упрочнители: цирконій, олово, кремній. Бета-стабілізатори, в свою чергу, діляться на бета-ізоморфні і бета-евтектоідообразующіе.

Найпоширенішим титановим сплавом є сплав Ti-6Al-4V (Англ.) (В російській класифікації - ВТ6), що містить близько 6% алюмінію і близько 4% ванадію . За співвідношенням кристалічних фаз він класифікується як (α + β) -сплав. На його виробництво йде до 50% видобутого титану [3] .

феротитан (Сплав титану з залізом, що містить 18-25% титану) використовують в чорної металургії для розкислення сталі і видалення розчинених в ній небажаних домішок (сірка, азот, кисень) [3] .

У 1980-х роках близько 60-65% видобутого в світі титану використовувалося в будівництві літальних апаратів і ракет, 15% - в хімічному машинобудуванні, 10% - в енергетиці, 8% - в будівництві судів і для опріснювачів води [3] .

У виде Сполука [ правити | правити код ]

• білий діоксид титану (TiO2) вікорістовується в Фарба (Например, титанові біліла), а такоже при ВИРОБНИЦТВІ паперу и пластика. Харчова добавка E171 .
• Тітанорганіческіе з'єднання (Например, тетрабутоксітітан ) Застосовуються в якості каталізатора и затверджувача в хімічній и лакофарбовій промісловості.
• Неорганічні сполуки титану застосовуються в хімічній Електронної, стекловолоконной промісловості в якості добавки або покриттів.
• карбід титану , диборид титану , карбонітріду титану - важливі компоненти надтвердих матеріалів для обробки металів.
• нітрид титану застосовується для покриття інструментів, куполів церков і при виробництві біжутерії, так як має колір, схожий на золото.
• титанат барію BaTiO3, титанат свинцю PbTiO3 і ряд інших титанатів - сегнетоелектрики .
• тетрахлорид титану використовується для ірідізаціі скла і для створення димових завіс [2] .

Аналіз ринків споживання [ правити | правити код ]

В 2005 компанія Titanium Corporation опублікувала наступну оцінку споживання титану в світі:

• 60% - фарба;
• 20% - пластик;
• 13% - папір;
• 7% - машинобудування.

ціни [ правити | правити код ]

Ціна титану становить $ 5,9-6,0 за кілограм, залежно від чистоти [16] .

Чистота і марка чорнового титану (титанової губки) зазвичай визначається по його твердості, яка залежить від вмісту домішок.

Титан вважається фізіологічно інертним, завдяки чому застосовується в протезуванні як метал, безпосередньо контактує з тканинами організму. Однак титанова пил може бути канцерогенною [2] . Як було сказано вище, титан застосовується також у стоматології. Відмітна риса застосування титану полягає не тільки в міцності, а й здатності самого металу зрощуватися з кісткою , Що дає можливість забезпечити квазімонолітность основи зуба.

1. ↑ 1 2 Meija J. et al. Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report) (Англ.) // Pure and Applied Chemistry . - 2016. - Vol. 88, no. 3. - P. 265-291. - DOI : 10.1515 / pac-2015-0305 .
2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 CRC Handbook of Chemistry and Physics / DR Lide (Ed.). - 90th edition. - CRC Press; Taylor and Francis, 2009. - 2828 p. - ISBN 1420090844 .
3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Раків І. Е. Титан // Хімічна енциклопедія: у 5 т / Зефиров Н. С. (гол. Ред.) . - М .: Велика Російська енциклопедія , 1995. - Т. 4: Полімерні-Трипсин. - С. 590-592. - 639 с. - 40 000 прим. - ISBN 5-85270-039-8 .
4. ↑ таблиця Менделєєва на сайті ІЮПАК .
5. ↑ Riley JP, Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965.
6. ↑ родовище титану .
7. ↑ родовище титану .
8. ↑ Ільменіт, рутил, титаномагнетит - 2006 р
9. ↑ Титан (неопр.). Інформаційно-аналітичний центр «Мінерал». Дата звернення 19 листопада 2010 року. Читальний зал 21 серпня 2011 року.
10. ↑ Корпорація ВСМПО-АВІСМА
11. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Бердоносов С. С. Титан // фізична енциклопедія : [В 5 т.] / Гол. ред. А. М. Прохоров . - М.: Велика російська енциклопедія, 1994. - Т. 4: Пойнтинга - Робертсона - Стримери. - С. 116. - 704 с. - 40 000 прим. - ISBN 5-85270-087-8 .
12. ↑ Стрельченко С. С., Лебедєв В. В. З'єднання A 3 B 5: Довідник. М .: Металургія, 1984. 144 с.
13. ↑ Властивості елементів: В 2 ч. Ч. 1. Фізичні властивості: Довідник / За ред. Г. В. Самсонова. М .: Металургія, 1976. 600 с.
14. ↑ Вплив води на процес пасивації титану - 26 Февраля 2015 - Хімія і хімічна технологія в життя (неопр.). www.chemfive.ru. Дата звернення 21 жовтня 2015.
15. ↑ Мистецтво лиття в XX столітті
16. ↑ На світовому ринку титану за останні два місяці ціни стабілізувалися (огляд)