Титан в природе (0,6% в земной коре)

Титан и его характеристики

Титан очень распространен в природе; содержание титана в земной коре составляет 0,6% (масс.), т.е. выше, чем содержание таких широко используемых в технике металлов, как медь, свинец и цинк.

Минералы, содержащие титан, находятся в природе повсеместно. Важнейшими из них являются: титаномагнетиты FeTiO3×nFe3O4, ильменит FeTiO3, сфен CaTiSiO5 и рутил TiO2.

В виде простого вещества титан представляет собой серебристо-белый металл (рис. 1). Относится к легким металлам. Тугоплавок. Плотность – 4,50 г/см 3. Температуры плавления и кипения равны 1668oС и 3330oС, соответственно. Коррозионно-устойчив при на воздухе при обычной температуре, что объясняется наличием на его поверхности защитной пленки состава TiO2.

Рис. 1. Титан. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса титана

Относительной молекулярная масса вещества (Mr) – это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (Ar) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии титан существует в виде одноатомных молекул Ti, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 47,867.

Изотопы титана

Известно, что в природе титан может находиться в виде пяти стабильных изотопов 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti и 50Ti. Их массовые числа равны 46, 47, 48, 49 и 50 соответственно. Ядро атома изотопа титана 46Ti содержит двадцать два протона и двадцать четыре нейтрона, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные изотопы титана с массовыми числами от 38-ми до 64-х, среди которых наиболее стабильным является 44Ti с периодом полураспада равным 60 лет, а также два ядерных изотопа.

Ионы титана

На внешнем энергетическом уровне атома титана имеется четыре электрона, которые являются валентными:

1s22s22p63s23p63d24s2.

В результате химического взаимодействия титан отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Ti0 -2e → Ti2+;

Ti0 -3e → Ti3+;

Ti0 -4e → Ti4+.

Молекула и атом титана

В свободном состоянии титан существует в виде одноатомных молекул Ti. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу титана:

Энергия ионизации атома, эВ 6,82
Относительная электроотрицательность 1,54
Радиус атома, нм 0,147

Сплавы титана

Главное свойство титана, способствующее его широкому применению в современной технике – высокая жаростойкость как самого титана, так и его сплавов с алюминием и другими металлами. Кроме того, эти сплавы жаропрочностью – стойкостью сохранять высокие механические свойства при повышенных температурах. Все это делает сплавы титана весьма ценными материалами для самолето- и ракетостроения.

При высоких температурах титан соединяется с галогенами, кислородом, серой, азотом и другими элементами. На этом основано применение сплавов титана с железом (ферротиттана) в качестве добавки к стали.

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Источник: http://ru.solverbook.com/spravochnik/ximiya/ximicheskie-elementy/titan-i-ego-xarakteristiki/

Титан металл. Свойства титана. Применение титана

Титан — металл фей. По крайней мере, элемент назван в честь царицы этих мифических существ. Титания, как и все ее сородичи, отличилась воздушностью.

Летать феям позволяют не только крылья, но и малый вес. Титан тоже легок. Плотность у элемента самая малая среди металлов. На этом сходство с феями заканчивается и начинается чистая наука.

Химические и физические свойства титана

Титан – элемент серебристо-белого цвета, с выраженным блеском. В бликах металла можно разглядеть и розовый, и синий, и красный. Переливаться всеми цветами радуги – характерная особенность 22-го элемента таблицы Менделеева.

Его лучение всегда ярко, ведь титан устойчив к коррозии. От нее материал защищен оксидной пленкой. Она формируется на поверхности при стандартных температура.

В итоге, коррозия металлу не страшна ни на воздухе, ни в воде, ни в большинстве агрессивных сред, к примеру, царской водке. Так химики прозвали смесь концентрированных азотной и соляной кислот.

Плавится 22-ый элемент при 1 660-ти градусов Цельсия. Получается, титан – цветной металл тугоплавкой группы. Гореть материал начинает раньше, чем размягчаться.

Белое пламя появляется при 1 200-от градусов. Закипает вещество при 3 260-ти по шкале Цельсия. Плавление элемента делает его вязким. Приходится использовать специальные реагенты, препятствующие налипанию.

Если жидкая масса металла тягучая и клейкая, то в состоянии порошка титан взрывоопасен. Для срабатывания «бомбы» достаточно нагрева до 400-от градусов Цельсия. Принимая тепловую энергию, элемент плохо ее передает.

В качестве электропроводника титан тоже не используют. Зато, материал ценят за прочность. В сочетании с малой плотностью и весом, она пригождается во многих отраслях промышленности.

Химически титан довольно активен. Так, или иначе, металл взаимодействует с большинством элементов. Исключения: — инертные газы, литий, натрий, калий, магний, кальций и сера.

Столь малое количество безразличных титану веществ затрудняет процесс получения чистого элемента. Нелегко произвести и сплавы металлов титана. Однако, промышленники научились это делать. Слишком уж высока практическая польза смесей на основе 22-го вещества.

Применение титана

Сборка самолетов и ракет, — вот где в первую очередь пригождается титан. Металл купить необходимо, чтобы повысить жаростойкость и жаропрочность корпусных сплавов. Жаростойкость – сопротивление высоким температурам.

Они, к примеру, при разгоне ракеты в атмосфере неизбежны. Жаропрочность – сохранение в «огненных» обстоятельствах еще и большинства механических свойств сплава. То есть, с титаном эксплуатационные характеристики деталей не меняются в зависимости от условий внешней среды.

Пригождается и устойчивость 22-го металла к коррозии. Это свойство важно уже не только в деле производства машин. Элемент идет на колбы и прочую посуду для химических лабораторий, становится сырьем для ювелирных украшений.

Сырье не из дешевых. Но, во всех отраслях затраты окупаются сроком службы титановых изделий, их способностью сохранять первозданный вид.

Так, серия посуды питерской фирмы «Нева» «Металл Титан ПК» позволяет использовать при жарке металлические ложки. Тефлон бы они уничтожили, поцарапали. Титановому же покрытию нипочем нападки стали, алюминия.

Это, кстати, касается и украшений. Кольцо из серебра или золота просто поцарапать. Модели из титана остаются гладкими десятилетия. Поэтому 22-ый элемент начали рассматривать, как сырье для обручальных перстней.

Сковорода «Титан Металл» легка, как и посуда с тефлоном. 22-ый элемент лишь немногим тяжелее алюминия. Это вдохновило не только представителей легкой промышленности, но и специалистов автомобилестроения. Не секрет, что в машинах много алюминиевых деталей.

Они нужны для снижения массы транспорта. Но, титан прочнее. Касаемо представительских машин автомобилестроение уже почти полностью перешло на использование 22-го металла.

Детали из титана и его сплавов снижают массу двигателя внутреннего сгорания на 30%. Облегчается и корпус, правда, растет цена. Алюминий, все же, дешевле.

Фирма «Нева Металл Титан», отзывы о которой оставляют, как правило, со знаком плюс, производит посуду. Автомобильные бренды используют титан для машин. Ювелиры придают элементу форму колец, сережек и браслетов.  В этой череде перечислений не хватает медицинских компаний.

22-ый металл – сырье для протезов и хирургических инструментов. Продукция почти не имеет пор, поэтому легко стерилизуется. К тому же, титан, будучи легким, выдерживает колоссальные нагрузки. Что еще нужно, ели, к примеру, вместо коленных связок ставится чужеродная деталь?

Отсутствие в материале пор ценится успешными рестораторами. Чистота скальпелей хирурга важна. Но, важна и чистота рабочих поверхностей поваров. Чтобы пища была безопасной, ее разделывают и пропаривают на титановых столах.

Они не царапаются, легко моются. Заведения среднего уровня, как правило, пользуются стальной утварью, но, она уступают в качестве. Поэтому, в ресторанах с Мишленовскими звездами оборудование титановое.

Добыча титана

Элемент входит в 20-ку наиболее распространенных на Земле, находясь ровно посередине рейтинга. По массе коры планеты содержание титана равно 0,57%. На литр морской воды 24-го металла приходится 0,001 миллиграмма. В сланцах и глинах элемента содержится 4,5 килограмма на тонну.

В кислых породах, то есть богатых кремнеземом, на титан приходятся 2,3 килограмма с каждой тысячи. В основных залежах, образовавшихся из магмы, 22-го металла около 9-ти кило на тонну. Меньше всего титана скрывается в ультраосновных породах с 30-процентным содержанием кремнезема – 300 граммов на 1 000 килограммов сырья.

Не смотря на распространенность в природе, чистый титан в ней не встречается. Материалом для получения 100-процентного металла стал его йодит. Термическое разложение вещества провели Аркель и Де Бур. Это голландские химики. Эксперимент удался в 1925-ом году. К 1950-ым запустили массовое производство.

Современники, как правило, добывают титан из его диоксида. Это минерал, называемый рутилом. В нем наименьшее количество сторонних примесей. Походят, так же титанит и ильменит.

При переработке ильменитовых руд остается шлак. Он-то и служит материалом для получения 22-го элемента. На выходе он порист. Приходится вести вторичную переплавку в вакуумных печах с добавлением лигатуры.

Если ведется работа с диоксидом титана, к нему примешивают магний и хлор. Смесь нагревают в вакуумных печах. Температуру поднимают до тех пор, пока все лишние элементы не испарятся. На дне емкостей остается чистый титан. Метод назван магниетермическим.

Отработан и гидридно-кальциевый метод. Он основан на электролизе. Ток высокой силы позволяет разделить гидрид металла на титан и водород. Продолжает применяться и йодитный способ добычи элемента, отработанный в 1925-ом году. Однако, в 21-ом веке он наиболее трудоемкий и дорогой, поэтому начинает забываться.

Цена титана

На металл титан цена устанавливается за килограмм. В начале 2016-го, это около 18-ти долларов США. Мировой рынок 22-го элемента за последний год достиг 7 000 000 тонн. Крупнейшие поставщики – Россия и Китай.

Это связано с разведанными в них и пригодными для разработки запасами. Во втором полугодии 2015-го спрос на титановые слитки и листы начал снижаться.

Реализуют металл и в виде проволоки, различных деталей, к примеру, труб. Они гораздо дешевле биржевых расценок. Но, нужно учитывать, что в слитках идет чистый титан, а в изделиях использованы сплавы на его основе.

Содержание 22-го элемента в них, порой, не превышает 20%. Примерно настолько же в этом году эксперты прогнозируют рост стоимости металла. Он нужен в оборонном комплексе, который многие страны наращивают в связи с непростой ситуацией на мировой политической арене.

Источник: https://tvoi-uvelirr.ru/titan-metall-svojstva-titana-primenenie-titana/

Микроэлементы. Титан

07.02.2017

Физиологическая роль микроэлемента. Титан – один из наиболее распространенных химических элементов в природе. Этот твердый и легкий, нерастворимый в воде серебристо-серый металл входит в состав многих минералов, но в чистом виде не встречается.

Наиболее распространенные его соединения – оксид титана, IV (TiO2), и титанат бария (BaTiO3). Титан присутствует в тканях практически всех представителей флоры и фауны. Содержание его в растениях не превышает сотых и тысячных долей процента.

 Наибольшее количество этого элемента содержится в морской воде (до 7%), количество же в почвах не превышает 0,57%.  

Роль титана (Ti) в жизни растений не является жизненно важной для них, но все же этот микроэлемент в составе ферментов способствует активизации процессов метаболизма в период развития и роста культур. Он положительно влияет на поступление питательных веществ из почвы в корневую систему растений, улучшает процесс фотосинтеза.

Но самая важная его функция – стимулирование опыления, оплодотворения и образования завязи, интенсификация развития плодов и ускорение их созревания, и, как результат, –  получение более ранних и качественных урожаев.

Кроме того, содержание в органах культур этого элемента повышает их сопротивляемость к грибковым и бактериальным заболеваниям.    

Титан в растениях. Титан аккумулируется в листьях растений. Содержание его составляет 0,000001% (по массе). Растворимость этого элемента в почвах очень ограничена (0,03 мг/л). К растениям, обладающим наибольшим содержанием титана, относят водоросли (наибольшее его количество содержится в водоросли Cladophora – 0,032% по массе), сахарный тростник, лук.

Много его находится в листьях табака, бобовых культурах, а также в гречихе. Присутствует он в семенах хлопка, подсолнечника, в кукурузе, тыкве, красном клевере, в каштане и других породах деревьев.

В плодах различных видов боярышника содержание титана составляет 0,36 – 0,96 мг/% (в 100 г), в плодах барбариса обыкновенного – 0,07 мг/%, а в бузине черной этот микроэлемент варьируется в пределах 0,05 – 0,02 мг/%. 

Хотя титан еще находится в стадии изучения, некоторое его влияние на рост и развитие растений выявлены в процессе наблюдения за культурой томата. Он способствует образованию завязей в условиях недостаточной освещенности, увеличивает содержание в плодах сухих веществ и витамина С.

Замечено также, что присутствие в почвенных растворах титана благоприятно сказывается на развитии таких культур как капуста, щавель, огурец, ревень, салат, свекла. Давно известна уникальная способность бобовых растений поглощать молекулярный азот из атмосферного воздуха.

Это поглощение находится под строгим контролем трех металлов: молибдена, кобальта и ванадия, которые стимулируют эту фиксацию, а в конечном итоге и синтез белка. Предполагают и участие во всех этих явлениях титана. 

Научные исследования доказывают, что титан является постоянным компонентом растений и выполняет в них важные физиолого-биохимические функции.

В тоже время нет доказательств, что дефицит титана способен привести растение к гибели или как-то негативно повлиять на организм животных или человека.

При переизбытке этого элемента наблюдалось такое явление как хлороз листьев (у фасоли). Токсичная доза титана для растений определена как 200 мг/кг сухой массы. 

Титан в почвах. Растения поглощают титан из почв. Соединения этого элемента присутствуют почти во всех кристаллических горных породах, песках, глинах и остальных составляющих земной коры. Содержание титана в ней составляет более половины процента.

Читайте также:  Стихотворение г. р. державина "властителям и судиям"

Большое количество титана содержится в титанистом железняке, а также в золотисто-красном рутиле. К горным титаносодержащим породам относятся титанит, анатаз (полиморфное соединение), перовскит, брукит.

Но, помимо горных пород, этот элемент присутствует в почвах (особенно песчаных), где он встречается гораздо чаще. 

Содержание титана в почвах различных географических районов земного шара может колебаться от 0,5 до 1,5%. Больше всего титана в глинистых грунтах (0,38 – 0,46%), немного ниже его содержание в суглинках, а самое низкое – в известняках (0,03 – 0,04%). Пахотные земли и пустыни характеризуются присутствием в них очень незначительного количества титаносодержащих соединений (0,01 – 0,6%).  

Торфяно-болотистые почвы тундры и красноземы наиболее богаты титаном вследствие их формирования на основных породах. Почвы средней полосы – подзол и серые лесные – содержат меньшее количество этого элемента. Несколько больше его в черноземах и каштановых почвах. Наименьшее количество титана находится в сероземах. 

Длительные наблюдения за сельскохозяйственными угодьями и анализ количества титана в черноземных почвах показали, что содержание этого элемента в пахотном слое систематически удобряемого участка выросло на 2% по сравнению с неудобряемым. Количество же титана в подпахотном на обоих участках осталось одинаковым. 

Восстановление элемента в грунтах. Обогащение пахотных почв титаном естественным путем происходит в процессе десиликации горных пород при выветривании. Титан относится к группе слабоподвижных и инертных элементов. Минералы титана отличаются высокой стойкостью в процессах выветривания и почвообразования.

При химическом выветривании минералов титан освобождается в виде двуокиси в коллоидной форме (гидрат TiO2 образуется в процессе разрушения титаносодержащих минералов). Накопление титана в почвах зависит от материнской породы, на которой они образуются, и от интенсивности почвообразовательного процесса.

Богаче их почвы, формирующиеся на основных породах, беднее – песчаные, лесовые, болотные и известковые. 

Ежегодно с урожаем сельскохозяйственных культур выносится от 75 до 2700 г/га титана. Но научно-обоснованная система удобрения полей позволяет восстанавливать баланс элементов питания растений в почвах.

Применение хелата титана при внекорневой подкормке способствует усилению образования хлорофилла, повышает количество и улучшает качество урожая многих сельскохозяйственных растений (в т.ч.

томатов, бобовых, корнеплодов и пр.). 

Источник: https://agrostory.com/info-centre/agronomists/mikroelementy-titan/

Статьи

Историческая справка

Распространение в природе

Физические свойства

Химические свойства

Получение

Применение

Титан в организме

Титан (лат. Titanium), Ti, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 22, атомная масса 47,90; имеет серебристо-белый цвет, относится к легким металлам.

Природный Титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов: 46Ti (7,95%), 47Ti (7,75%), 48Ti (73,45%), 49Ti (5,51%), 50Ti (5,34%).

Известны искусственные радиоактивные изотопы 45Ti (T½ = 3,09 ч), 51Ti (Т½ = 5,79 мин) и другие.

Титан в виде оксида (IV) был открыт английским любителем-минералогом У. Грегором в 1791 году в магнитных железистых песках местечка Менакан (Англия); в 1795 году немецкий химик М. Г.

Клапрот установил, что минерал рутил представляет собой природный оксид этого же металла, названного им “титаном” [в греческой мифологии титаны — дети Урана (Неба) и Геи (Земли)]. Выделить Титан в чистом виде долго не удавалось; лишь в 1910 году американский ученый М. А.

Хантер получил металлический Титан нагреванием его хлорида с натрием в герметичной стальной бомбе; полученный им металл был пластичен только при повышенных температурах и хрупок при комнатной из-за высокого содержания примесей.

Возможность изучать свойства чистого Титана появилась только в 1925, когда нидерландские ученые А. Ван-Аркел и И. де Бур методом термической диссоциации иодида титана получили металл высокой чистоты, пластичный при низких температурах.

Титан — один из распространенных элементов, среднее содержание его в земной коре (кларк) составляет 0,57% по массе (среди конструкционных металлов по распространенности занимает 4-е место, уступая железу, алюминию и магнию).

Больше всего Титана в основных породах так называемых “базальтовой оболочки” (0,9%), меньше в породах “гранитной оболочки” (0,23%) и еще меньше в ультраосновных породах (0,03%) и др. К горным породам, обогащенным Титаном, относятся пегматиты основных пород, щелочные породы, сиениты и связанные с ними пегматиты и другие.

Известно 67 минералов Титан, в основном магматического происхождения; важнейшие — рутил и ильменит.

В биосфере Титан в основном рассеян. В морской воде его содержится 10-7%; Титан — слабый мигрант.

Титан существует в виде двух аллотропических модификаций: ниже температуры 882,5 °С устойчива α-форма с гексагональной плотноупакованной решеткой (а = 2,951Å, с = 4,679Å), a выше этой температуры — β-форма с кубической объемноцентрированной решеткой а = 3,269Å. Примеси и легирующие добавки могут существенно изменять температуру α/β превращения.

Плотность α-формы при 20°С 4,505 г/см3, a при 870°С 4,35 г/см3; β-формы при 900°С 4,32 г/см3; атомный радиус Ti 1,46 Å, ионные радиусы Ti+ 0,94 А, Ti2+ 0,78 Å, Ti3+ 0,69 Å, Ti4+ 0,64 Å; Тпл 1668 °С, Ткип 3227 °С; теплопроводность в интервале 20-25°С 22,065 вт/(м·К) [0,0527 кал/(см·сек·°С)]; температурный коэффициент линейного расширения при 20°С 8,5·10-6, в интервале 20-700°С 9,7·10-6; теплоемкость 0,523 кдж/(кг·К) [0,1248 кал/(г·°С)]; удельное электросопротивление 42,1·10-6 ом·см при 20 °С; температурный коэффициент электросопротивления 0,0035 при 20 °С; обладает сверхпроводимостью ниже 0,38 К. Титан парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 3,2·10-6 при 20 °С. Предел прочности 256 Мн/м2 (25,6 кгс/мм2), относительное удлинение 72% , твердость по Бринеллю менее 1000 Мн/м2 (100 кгс/мм2). Модуль нормальной упругости 108 000 Мн/м2 (10 800 кгс/мм2). Металл высокой степени чистоты ковок при обычной температуре.

Применяемый в промышленности технический Титан содержит примеси кислорода, азота, железа, кремния и углерода, повышающие его прочность, снижающие пластичность и влияющие на температуру полиморфного превращения, которое происходит в интервале 865-920 °С.

Для технического Титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 плотность около 4,32 г/см3, предел прочности 300-550 Мн/м2 (30-55кгс/мм2), относительное удлинение не ниже 25%, твердость по Бринеллю 1150-1650 Мн/м2 (115-165 кгс/мм2).

Конфигурация внешней электронной оболочки атома Ti 3d24s2.

Чистый Титан — химически активный переходный элемент, в соединениях имеет степени окисления +4, реже +3 и +2. При обычной температуре и вплоть до 500-550 °С коррозионно устойчив, что объясняется наличием на его поверхности тонкой, но прочной оксидной пленки.

С кислородом воздуха заметно взаимодействует при температуре выше 600 °С с образованием ТiO2. Тонкая титановая стружка при недостаточной смазке может загораться в процессе механической обработки. При достаточной концентрации кислорода в окружающей среде и повреждении окисной пленки путем удара или трения возможно загорание металла при комнатной температуре и в сравнительно крупных кусках.

Оксидная пленка не защищает Титан в жидком состоянии от дальнейшего взаимодействия с кислородом (в отличие, например, от алюминия), и поэтому его плавка и сварка должны проводиться в вакууме, в атмосфере нейтрального газа или под флюсом.

Титан обладает способностью поглощать атмосферные газы и водород, образуя хрупкие сплавы, непригодные для практическое использования; при наличии активированной поверхности поглощение водорода происходит уже при комнатной температуре с небольшой скоростью, которая значительно возрастает при 400 °С и выше.

Растворимость водорода в Титане является обратимой, и этот газ можно удалить почти полностью отжигом в вакууме. С азотом Титан реагирует при температуре выше 700 °С, причем получаются нитриды типа TiN; в виде тонкого порошка или проволоки Титан может гореть в атмосфере азота.

Скорость диффузии азота и кислорода в Титане значительно ниже, чем водорода. Получаемый в результате взаимодействия с этими газами слой отличается повышенными твердостью и хрупкостью и должен удаляться с поверхности титановых изделий путем травления или механической обработки.

Титан энергично взаимодействует с сухими галогенами, по отношению к влажным галогенам устойчив, так как влага играет роль ингибитора.

Металл устойчив в азотной кислоте всех концентраций (за исключением красной дымящейся, вызывающей коррозионное растрескивание Титана, причем реакция иногда идет со взрывом), в слабых растворах серной кислоты (до 5% по массе). Соляная, плавиковая, концентрированная серная, а также горячие органических кислоты: щавелевая, муравьиная и трихлоруксусная реагируют с Титаном.

Титан коррозионно устойчив в атмосферном воздухе, морской воде и морской атмосфере, во влажном хлоре, хлорной воде, горячих и холодных растворах хлоридов, в различных технологических растворах и реагентах, применяемых в химической, нефтяной, бумагоделательной и других отраслях промышленности, а также в гидрометаллургии.

Титан образует с С, В, Se, Si металлоподобные соединения, отличающиеся тугоплавкостью и высокой твердостью. Карбид TiC (tпл 3140 °С) получают нагреванием смеси TiO2 с сажей при 1900-2000 °С в атмосфере водорода; нитрид TiN (tпл 2950 °С) — нагреванием порошка Титан в азоте при температуре выше 700 °С.

Известны силициды TiSi2, TiSi и бориды TiB, Ti2B5, TiB2. При температуpax 400-600 °C Титан поглощает водород с образованием твердых растворов и гидридов (TiH, TiH2). При сплавлении TiO2 со щелочами образуются соли титановых кислот мета- и ортотитанаты (например, Na2TiO3 и Na4TiO4), а также полититанаты (например, Na2Ti2O5 и Na2Ti3O7).

К титанатам относятся важнейшие минералы Титана, например, ильменит FeTiO3, перовскит CaTiO3. Все титанаты малорастворимы в воде. Оксид Титана (IV), титановые кислоты (осадки), а также титанаты растворяются в серной кислоте с образованием растворов, содержащих титанилсульфат TiOSO4.

При разбавлении и нагревании растворов в результате гидролиза осаждается Н2ТiO3, из которой получают оксид Титана (IV).

При добавлении перекиси водорода в кислые растворы, содержащие соединения Ti (IV), образуются перекисные (надтитановые) кислоты состава Н4ТiO5 и H4TiO8 и соответствующие им соли; эти соединения окрашены в желтый или оранжево-красный цвет (в зависимости от концентрации Титана), что используется для аналитического определения Титана.

Наиболее распространенным методом получения металлического Титана является магниетермический метод, то есть восстановление тетрахлорида Титана металлическим магнием (реже — натрием):

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2.

В обоих случаях исходным сырьем служат оксидные руды Титана — рутил, ильменит и другие. В случае руд типа ильменитов Титан в форме шлака отделяется от железа путем плавки в электропечах. Шлак (так же, как рутил) подвергают хлорированию в присутствии углерода с образованием тетрахлорида Титана, который после очистки поступает в восстановительный реактор с нейтральной атмосферой.

Титан по этому процессу получается в губчатом виде и после измельчения переплавляется в вакуумных дуговых печах на слитки с введением легирующих добавок, если требуется получить сплав.

Магниетермический метод позволяет создать крупное промышленное производство Титана с замкнутым технологическим циклом, так как образующийся при восстановлении побочный продукт — хлорид магния направляется на электролиз для получения магния и хлора.

В ряде случаев для производства изделий из Титана и его сплавов выгодно применять методы порошковой металлургии. Для получения особо тонких порошков (например, для радиоэлектроники) можно использовать восстановление оксида Титана (IV) гидридом кальция.

Основные преимущества Титана перед другими конструкционными металлами: сочетание легкости, прочности и коррозионной стойкости. Титановые сплавы по абсолютной, а тем более по удельной прочности (т. е.

прочности, отнесенной к плотности) превосходят большинство сплавов на основе других металлов (например, железа или никеля) при температурах от -250 до 550 °С, а по коррозионности они сравнимы со сплавами благородных металлов.

Однако как самостоятельный конструкционный материал Титан стал применяться только в 50-е годы 20 века в связи с большими техническими трудностями его извлечения из руд и переработки (именно поэтому Титан условно относили к редким металлам).

Основная часть Титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Сплавы Титана с железом, известные под названием “ферротитан” (20-50% Титана), в металлургии качественных сталей и специальных сплавов служат легирующей добавкой и раскислителем.

Технический Титан идет на изготовление емкостей, химические реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов и других изделий, работающих в агрессивных средах, например, в химическом машиностроении. В гидрометаллургии цветных металлов применяется аппаратура из Титана. Он служит для покрытия изделий из стали.

Использование Титана дает во многих случаях большой технико-экономический эффект не только благодаря повышению срока службы оборудования, но и возможности интенсификации процессов (как, например, в гидрометаллургии никеля).

Биологическая безвредность Титана делает его превосходным материалом для изготовления оборудования для пищевой промышленности и в восстановительной хирургии.

В условиях глубокого холода прочность Титана повышается при сохранении хорошей пластичности, что позволяет применять его как конструкционный материал для криогенной техники.

Титан хорошо поддается полировке, цветному анодированию и других методам отделки поверхности и поэтому идет на изготовление различных художественных изделий, в т. ч. и монументальной скульптуры. Примером может служить памятник в Москве, сооруженный в честь запуска первого искусственного спутника Земли.

Из соединений Титана практическое значение имеют оксиды, галогениды, а также силициды, используемые в технике высоких температур; бориды и их сплавы, применяемые в качестве замедлителей в ядерных энергетических установках благодаря их тугоплавкости и большому сечению захвата нейтронов. Карбид Титана, обладающий высокой твердостью, входит в состав инструментальных твердых сплавов, используемых для изготовления режущих инструментов и в качестве абразивного материала.

Оксид титана (IV) и титанат бария служат основой титановой керамики, а титанат бария — важнейший сегнетоэлектрик.

Титан постоянно присутствует в тканях растений и животных. В наземных растениях его концентрация — около 10-4% , в морских — от 1,2·1

Источник: http://tdsm.ru/article/view/svojstva-titana

Титан — Химия — Химия — Каталог статей — AlexLat

Титан (Titanium), Ti,— химический элемент IV группы периодической системы элементов Д. И. Мен­делеева. Порядковый номер 22, атомный вес 47,90. Состоит из 5 устойчивых изотопов; получены также искус­ственно радиоактивные изотопы.

В 1791 году английский химик У. Грегор нашёл в песке из местечка Менакан (Англия, Корнуолл) новую «зем­лю», названную им менакановой. В 1795 году немецкий хи­мик М. Клаирот открыл в минерале рутиле неиз­вестную еще землю, металл которой он назвал Титан [в греч.

Читайте также:  Природа, растения и животные ростовской области

мифологии титаны — дети Урана (Неба) и Геи (Земли)]. В 1797 году Клапрот доказал тождество этой земли с открытой У. Грегором. Чистый титан выде­лен в 1910 году американским химиком Хантером посредством восстановления четырёххлористого титана натрием в же­лезной бомбе.

Титан относится к числу наиболее распространённых в природе элементов, его содержание в земной коре составляет 0,6% (весовых). Встречается главным образом в ви­де двуокиси TiO2 или её соединений — титанатов.

Известно свыше 60 минералов, в состав которых входит титан Он содержится также в поч­ве, в животных и растительных организмах. Ильме­нит FeTiO3 и рутил TiO2 служат основным сырьём для получения титана.

В качестве источника титана приобретают значение шлаки от плавки титано-магнетитов и ильменита.

Титан существует в двух состояниях: аморфный — темносерый порошок, плотность 3,392—3,395г/см3, и кристаллический, плотность 4,5 г/см3. Для кристаллического титана известны две модификации с точкой перехода при 885° (ниже 885° устойчивая гексагональная фор­ма, выше — кубическая); t°пл около 1680°; t°кип выше 3000°.

Титан активно поглощает газы (водород, кислород, азот), которые делают его очень хрупким. Технический металл поддаётся горячей обработ­ке давлением. Совершенно чистый металл может быть прокатан на холоду. На воздухе при обыкновенной температуре титан не изменяется, при накаливании образует смесь окиси Ti2O3 и нитрида TiN. В токе кислорода при красном калении окисляется до двуокиси TiO2.

При высоких температурах реаги­рует с углеродом, кремнием, фосфором, серой и др. Устойчив к морской воде, азотной кислоте, влажному хлору, органическим кислотам и сильным щелочам. Рас­творяется в серной, соляной и плавиковой кислотах, лучше всего — в смеси HF и HNO3. Добавление к кислотам окислителя предохраняет металл от кор­розии при комнатной температуре.

Галогениды четырёхвалентного титана, за исключением TiCl4 — кристаллические тела, легкоплавкие и летучие в водном растворе гидрализованы, склонны к образованию комплексных соединений, из которых в технологии и аналитической практике имеет значение фтортитанат калия K2TiF6.

Важное значение имеют карбид TiC и нитрид TiN— металлоподобные вещества, отличающиеся большой твёрдостью (карбид титан тверже карборунда), туго­плавкостью (TiC, t°пл = 3140°; TiN, t°пл = 3200°) и хо­рошей электропроводностью.

Химический элемент №22. Титан.

Электронная формула титана имеет вид: 1s2|2s22p6|3s23p63d2|4s2.

Порядковый номер титана в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева — 22. Номер элемента обозначает заряд ярда, следовательно у титана заряд ядра — +22, масса ядра — 47,87.

Титан находится в четвертом периоде, в побочной подгруппе. Номер периода указывает на количество электронных слоев. Номер группы обозначает количество валентных электронов.

Побочная подгруппа указывает на то, что титан относится к d-элементам.

Титан имеет два валентных электрона на s-орбитали внешнего слоя и два валентных электрона на d-орбитали предвнешнего слоя.

Квантовые числа для каждого валентного электрона:

3d1 3d2 4s1 4s2
N 3 3 4 4
l 2 2
ml -2 -1
ms +1/2 +1/2 +1/2 -1/2

Распределение валентных электронов по энергетическим уровням:

4s

3d

В возбужденном состоянии один электрон с 4s-орбитали перескакивает на 3d, образуя ковалентность равную четырем:

4s

3d

С галогенами и водородом Ti(IV) образует соединения вида TiX4, имеющие sp3→q4 вид гибридизации.

Титан — металл. Является первым элементом d-группы. Наиболее устойчивым и распространенным является Ti+4.

Так же существуют соединения с более низкими степенями окисления — Ti0, Ti-1, Ti+2, Ti+3, но эти соединения легко окисляются воздухом, водой или другими реагентами в Ti+4.

Отрыв четырех электронов требует больших затрат энергии, поэтому ион Ti+4 реально не существует и соединения Ti(IV) обычно включают связи ковалентного характера. Ti(IV) в некоторых отношениях сходен с элементами — Si, Ge, Sn и Pb, особенно с Sn.

Свойства соединений титана.

Оксиды титана:

Ti(IV) — TiO2 — Двуокись титана. Имеет амфотерный характер. Наиболее устойчив и имеет наобольшее практическое значение.

Ti(III) — Ti2O3 — окись титана. Имеет основной характер. Устойчив в растворе и является сильным восстановителем, как и остальные соединения Ti(III).

TI(II) — TiO2 — Закись титана. Имеет основной характер. Наименее устойчив.

Двуокись титана, ТiO2, — соединение ти­тана с кислородом, в котором титан четырёхвалентен. Белый порошок, желтый в нагретом состоянии. Встречается в природе главным образом в виде минерала ру­тила, t°пл выше 1850°. Плотностъ 3,9 — 4,25 г/см3. Практически нерастворима в щелочах и кислотах, за исключением HF. В концентрированной Н2SO4 растворяется лишь при длительном на­гревании.

При сплавлении двуокиси титана с едкими или угле­кислыми щелочами образуются титанаты, которые легко гидролизуются с образованием на холоду ортотитановой кислоты (или гидрата) Ti(OH)4, легко рас­творимой в кислотах.

При стоянии она переходит в мстатитановую кислоту (форма), имеющую микрокристаллическую структуру и растворимую лишь в горя­чей концентрированной серной и фтористоводородной кислотах. Большинство титанатов практически нерастворимы в воде.

Основные свойства двуокиси титана выра­жены сильнее кислотных, но соли, в которых титан является катионом, также в значительной мере гид­ролизуются с образованием двухвалентного радикала титанила TiO2+. Последний входит в состав солей в качестве катиона (например, сернокислый титанил TiOSO4*2H2O).

Двуокись титана является одним из важнейших соединений титана, служит исходным материа­лом для получения других его соединений, а также частично металлического титана. Используется главным образом как минеральная краска, кроме того, как наполнитель в производстве резины и пластических металлов. Входит в состав тугоплавких стекол, глазурей, форфоровых масс. Из нее изготов­ляют искусственные драгоценные камни, бесцветные и окрашенные.

Диоксид титана не растворяется в воде и разбавленных минеральных кислотах (кроме плавиковой) и разбавленных растворах щелочей.

Медленно растворяется в концентрированной серной кислоте:

TiO2+ 2H2SO4 = Ti(SO4)2 + 2H2O

С пероксидом водорода образует ортотитановую кислоту H4TiO4:

TiO2 + 2H2O2 = H4TiO4

В концентрированных растворах щелочей:

TiO2 + 2NaOH = Na2TiO3+ H2O

При нагревании диоксид титана с аммиаком образует нитрид титана:

2TiO2 + 2NH3 = 2TiN + 3H2O + O2

В насыщенном растворе гидрокарбоната калия:

TiO2 + 2KHCO3 = K2TiO3 + H2O + 2CO2

При сплавлении с оксидами, гидроксидами и карбонатами образуются титанаты и двойные оксиды:

TiO2 + BaO = BaO∙TiO2(BaTiO3)

TiO2 + BaCO3 = BaO∙TiO2 + CO2(BaTiO3)

TiO2 + Ba(OH)2 = BaO∙TiO2(BaTiO3)

Гидроксиды титана:

H2TiO3 — П.Р. = 1,0∙10-29

H2TiO4 — П.Р. = 3,6∙10-17

TIO(OH)2 — П.Р. = 1,0∙10-29

Ti(OH)2  — П.Р. = 1,0∙10-35

Гидроскида Ti(IV) — Ti(OH)4 или H4TiO4 — ортотитановой кислоты по видимому вообще не существует, а осадок, выпадающий при добавлении оснований к растворам солей Ti(IV), представляет собой гидратированную форму TiO2. Это вещество растворяется в кончентрированных щелочах, и из таких растворов можно выделить гидратированные титанаты общей формулы: M2TiO3∙nH2O и M2Ti2O5∙nH2O.

Для титана характерно комплексообразование с соответствующими галогеноводородными кислотами и особенно с их солями. Наиболее типичны комплексные производные с общей формулой Мe2TiГ6 (где Мe — одновалентный металл). Они хорошо кристаллизуются и подвергаются гидролизу гораздо менее, чем исходные галогениды TiГ4. Это указывает на устойчивость комплексных ионов TiГ6 в растворе.

Окраска производных титана сильно зависит от природы входящего в них галогена:

Устойчивость солей комплексных кислот типа Н2ЭГ6, в общем, возрастает по ряду Ti-Zr-Hf и уменьшается в ряду галогенов F-Cl-Br-I.

Производные трёхвалентных элементов более или менее характерны лишь для титана. Тёмно-фиолетовый оксид Тi2O3 (т. пл. 1820 °С) может быть получен прокаливанием TiO2 до 1200 °C в токе водорода. В качестве промежуточного продукта при 700-1000 °С образуется синий Ti2O3.

В воде Ti2O3 практически нерастворим. Его гидроксид образуется в виде тёмно-коричневого осадка при действии щелочей на растворы солей трёхвалентного титана.

Он начинает осаждаться из кислых растворов при рН = 4, имеет только основные свойства и в избытке щелочи не растворяется. Однако производящиеся от HTiO2 титаниты металлов (Li, Na, Mg, Mn) были получены сухим путём.

Известна также сине-чёрная «титановая бронза” состава Na0,2TiO2.

Гидроксид титана (III) легко окисляется кислородом воздуха. Если в растворе нет других способных окисляться веществ, одновременно с окислением Ti(OH)3 идёт образование пероксида водорода. В присутствии Са(ОН)2 (связывающего Н2О2) реакция протекает по уравнению:

2Ti(ОН)3 + O2 + 2H2O = 2Ti(OH)4 + H2O2

Азотнокислые соли Тi(OH)3 восстанавливает до аммиака.

Фиолетовый порошок ТiCl3 может быть получен пропусканием смеси паров ТiCl4 c избытком водорода сквозь нагретую до 650 °С трубку. Нагревание вызывает его возгонку (с частичным образованием димерных молекул Ti2Cl6) и затем дисмутацию по схеме:

2TiCl3 = TiCl4 + TiCl2

Интересно, что уже при обычных условиях тетрахлорид титана постепенно восстанавливается металлической медью, образуя чёрное соединение состава CuTiCl4 (т. е. СuCl·TiCl3).

Трёххлористый титан образуется также при действии на TiCl4 водорода в момент выделения (Zn + кислота). При этом бесцветный раствор окрашивается в характерный для ионов Ti3+ фиолетовый цвет, и из него может быть выделен кристаллогидрат состава ТiCl3·6H2O.

Известен и малоустойчивый зелёный кристаллогидрат того же состава, выделяющийся из насыщенного HCl раствора TiCl3. Структуре обеих форм, равно как и аналогичных кристаллогидратов СrCl3, отвечают формулы [Ti(Н2O)6]Cl3 и [Ti(Н2O)4Cl2]Cl·2Н2О.

При стоянии в открытом сосуде раствор TiCl3 постепенно обесцвечивается ввиду окисления Ti3+ до Ti4+ кислородом воздуха по реакции:

4TiCl3 + O2 +2H2O = 4TiOCl2 + 4HCl.

Ион Тi3+ является одним из очень немногих восстановителей, довольно быстро восстанавливающих (в кислой среде) перхлораты до хлоридов. В присутствии платины Тi3+ окисляется водой (с выделением водорода).

Безводный Ti2(SO4)3 имеет зелёный цвет. В воде он нерастворим, а раствор его в разбавленной серной кислоте имеет обычную для солей Ti3+ фиолетовую окраску. От сульфата трёхвалентного титана производятся комплексные соли, главным образом типов Мe[Ti(SO4)2]·12H2O (где Мe — Сs или Rb) и Me[Ti3(SO4)5] (с переменным в зависимости от природы катиона содержанием кристаллизационной воды).

Теплота образования TiO (т. пл. 1750 °С) составляет 518 кДж/моль. Он получается в виде золотисто-жёлтой компактной массы нагреванием в вакууме до 1700 °С спрессованной смеси TiO2 + Ti.

Интересным способом его образования является термическое разложение (в высоком вакууме при 1000 °С) нитрила титанила.

Похожий по виду на металл, тёмно-коричневый TiS получен прокаливанием TiS2 в токе водорода (первоначально при этом образуются сульфиды промежуточного состава, в частности Ti2S3). Известны также TiSe, TiTe и силицид состава Ti2Si.

Все TiГ2 образуются при нагревании соответствующих галогенидов TiГ3 без доступа воздуха за счёт их разложения по схеме:

2TiГ3 = TiГ4 + TiГ2

При несколько более высоких температурах галогениды TiГ2 сами подвергаются дисмутации по схеме: 2TiГ2 = TiГ4 + Ti

Двухлористый титан может быть получен также восстановлением TiCl4 водородом при 700 °С. Он хорошо растворим в воде (и спирте), а с жидким аммиаком даёт серый аммиакат TiCl2·4NH3. Раствор TiCl2 может быть получен восстановлением TiCl4 амальгамой натрия.

В результате окисления кислородом воздуха бесцветный раствор TiCl2 быстро буреет, затем становится фиолетовым (Ti3+) и, наконец, вновь обесцвечивается (Ti4+). Получаемый действием щёлочи на раствор TiCl2 чёрный осадок Ti(OH)2 исключительно легко окисляется.

Состояние электролита в растворе.

Для элементов подгруппы титана характерны пероксидные соединения. Пероксид титана даже в ничтожных концентрациях сообщает водному раствору интенсивную жёлтую окраску. Его образованием (в сильнокислой среде) пользуются поэтому как чрезвычайно чувствительной реакцией и на титан и на пероксид водорода.

Ответственным за окраску является ион (TiO)2+, содержащий пероксидную группу в трёхчленном цикле с титаном. Отвечающий ему сульфат был выделен в виде красного кристаллогидрата ТiO2SO4·3H2O.

Связь между устойчивым в кислой среде пероксокатионом и устойчивым в щелочной среде пероксоанионом может быть представлена уравнением:

(TiO2)2+ + 3H2O2 = (TiO8)4- + 6H+

Так как основные свойства гидроксидов Тi(IV) и его аналогов выражены сильнее кислотных, по отношению к воде соли бесцветных катионов Э4+ устойчивее титанатов, цирконатов и гафнатов. Но гидролиз этих солей очень значителен и даже в крепких растворах ведёт к образованию двухвалентных катионов титанила (TiO)2+, цирконила (ZrO)2+ и гафнила (HfO)2+ по схеме:

Э4+ + Н2О = (ЭО)2+ + 2Н+

Многие соли титана и его аналогов являются производными именно этих радикалов, а не Э4+. Например, (TiO)SO4·2H2O. Дальнейший их гидролиз (особенно производных титана) идёт в меньшей, но всё же сильной степени.

Сульфат четырёхвалентного титана Ti(SO4)2 образуется при взаимодействии ТiCl4 c SO3 и SO2Cl2. Он представляет собой бесцветное, чрезвычайно гигроскопичное вещество. Его термическое разложение (в атмосфере сухого аргона) идёт с отщеплением SO3 и образованием ТiOSO4 (выше 150) или ТiO2 (выше 430 °С). В водной среде может быть получен только сульфат титанила — ТiOSO4·2H2O.

При одновременном наличии избытка КNCS сульфат титанила медленно растворяется в жидком аммиаке. Из образующегося красного раствора был выделен комплексный роданид состава К2[TiO (NCS)4]·2NH3, а действием на него КNH2 получен бурый амид титанила — ТiO(NH2)2, медленно гидролизующийся во влажном воздухе.

Под действием избытка КNH2 он переходит в оранжево-коричневый ТiO(NHK)2 вспыхивающий при соприкосновении с воздухом и водой. Нагревание ТiO(NH2)2 сопровождается отщеплением аммиака и образованием сине-чёрного нитрида титанила — (TiO)3N2.

Последний не взаимодействует с водой и разбавленными растворами кислот или щелочей, а при нагревании на воздухе переходит в TiO2.

Источник: http://alexlat.ucoz.ru/publ/khimija/khimija/titan/131-1-0-1400

Титан — металл. Свойства титана. Применение титана. Марки и химический состав титана

Образование 18 января 2015

Вечный, загадочный, космический, материал будущего — все эти и многие другие эпитеты присваиваются в различных источниках титану. История открытия этого металла не была тривиальной: одновременно над выделением элемента в чистом виде трудились несколько ученых.

Процесс изучения физических, химических свойств и определение областей его применения не закончен на сегодняшний день. Титан — металл будущего, место его в жизни человека еще окончательно не определено, что дает современным исследователям огромный простор для творчества и научных изысканий.

Читайте также:  Сочинения по темам: природа и окружающий мир

Характеристика

Химический элемент титан (Titanium) обозначается в периодической таблице Д. И. Менделеева символом Ti. Располагается в побочной подгруппе IV группы четвертого периода и имеет порядковый номер 22.

Простое вещество титан – металл бело-серебристого цвета, легкий и прочный. Электронная конфигурация атома имеет следующую структуру: +22)2 )8 )10 )2, 1S22S22P63S23P63d24S2.

Соответственно, титан имеет несколько возможных степеней окисления: 2, 3, 4, в наиболее устойчивых соединениях он четырехвалентен.

Титан — сплав или металл?

Этот вопрос интересует многих. В 1910 году американский химик Хантер получил впервые чистый титан. Металл содержал всего 1 % примесей, но при этом его количество оказалось ничтожно мало и не давало возможности дальнейшего исследования его свойств.

Пластичность полученного вещества достигалась толькопод воздействием высоких температур, при нормальных условиях (комнатной температуре) образец был слишком хрупок. Фактически этот элемент не заинтересовал ученых, так как перспективы его использования казались слишком неопределенными.

Сложность получения и исследования еще больше снизили потенциал его применения. Только в 1925 году ученые-химики из Нидерландов И. де Бур и А. Ван-Аркел получили металл титан, свойства которого привлекли внимание инженеров и конструкторов всего мира.

История исследования этого элемента начинается с 1790 года, именно в это время параллельно, независимо друг от друга, двое ученых открывают титан как химический элемент. Каждый из них получает соединение (оксид) вещества, не сумев выделить металл в чистом виде. Первооткрывателем титана считается английский минеролог монах Уильям Грегор.

На территории своего прихода, расположенного в юго-западной части Англии, молодой ученый начал изучение черного песка долины Менакэна. Результатом опытов с магнитом стало выделение блестящих крупиц, которые являлись соединением титана. В это же время в Германии химик Мартин Генрих Клапрот выделил новое вещество из минерала рутиле.

В 1797 году он же доказал, что открытые параллельно элементы являются аналогичными. Двуокись титана более века являлась загадкой для многих химиков, получить чистый металл оказалось не по силам даже Берцелиусу.

Новейшие технологии XX века значительно ускорили процесс изучения упомянутого элемента и определили начальные направления его использования. При этом сфера применения расширяется постоянно. Ограничить её рамки может только сложность процесса получения такого вещества, как чистый титан. Цена сплавов и металла достаточно высока, поэтому на сегодняшний день он не может вытеснить традиционное железо и алюминий.

Видео по теме

Происхождение названия

Менакин — первое название титана, которое применялось до 1795 года. Именно так, по территориальной принадлежности, назвал новый элемент У. Грегор. Мартин Клапрот присваивает элементу в 1797 году наименование «титан».

В это время его французские коллеги во главе с достаточно авторитетным химиком А. Л. Лавуазье предлагают именовать вновь открытые вещества в соответствии с их основными свойствами.

Немецкий ученый не был согласен с таким подходом, он вполне обоснованно считал, что на стадии открытия достаточно сложно определить все характеристики, свойственные веществу, и отразить их в названии.

Однако следует признать, что интуитивно выбранный Клапротом термин в полной мере соответствует металлу — это неоднократно подчеркивали современные ученые. Существуют две основные теории возникновения названия титан.

Металл мог быть обозначен так в честь эльфийской царицы Титании (персонаж германской мифологии). Такое название символизирует одновременно легкость и прочность вещества. Большинство ученых склоняются к версии использования древнегреческой мифологии, в которой титанами называли могучих сыновей богини земли Геи. В пользу этой версии говорит и название открытого ранее элемента — урана.

Нахождение в природе

Из металлов, которые в техническом отношении представляют ценность для человека, титан занимает четвертое место по степени распространенности в земной коре. Большим процентным содержанием в природе характеризуются только железо, магний и алюминий.

Наибольшее содержание титана отмечено в базальтовой оболочке, чуть меньше его в гранитном слое. В морской воде содержание данного вещества невысокое — приблизительно 0,001 мг/л. Химический элемент титан достаточно активен, поэтому в чистом виде его встретить невозможно.

Чаще всего он присутствует в соединениях с кислородом, при этом имеет валентность, равную четырем. Количество титаносодержащих минералов варьируется от 63 до 75 (в различных источниках), при этом на современном этапе исследований ученые продолжают открывать новые формы его соединений.

Для практического использования наибольшее значение имеют следующие минералы:

  1. Ильменит (FeTiO3).
  2. Рутил (TiO2).
  3. Титанит (CaTiSiO5).
  4. Перовскит (CaTiO3).
  5. Титаномагнетит (FeTiO3+Fe3O4) и т. д.

Все существующие титаносодержащие руды делят на россыпные и основные. Данный элемент является слабым мигрантом, он может путешествовать только в виде обломов камней или перемещения илистых придонных пород.

В биосфере наибольшее количество титана содержится в водорослях. У представителей наземной фауны элемент накапливается в роговых тканях, волосе.

Для человеческого организма характерно присутствие титана в селезенке, надпочечниках, плаценте, щитовидной железе.

Физические свойства

Титан – цветной металл, имеющий серебристо-белую окраску, внешне напоминает сталь. При температуре 0 0С его плотность составляет 4,517 г/см3. Вещество имеет низкую удельную массу, что характерно для щелочных металлов (кадмий, натрий, литий, цезий).

По плотности титан занимает промежуточную позицию между железом и алюминием, при этом его эксплуатационные характеристики выше, чем у обоих элементов. Основными свойствами металлов, которые учитываются при определении сферы их применения, являются предел текучести и твердость.

Титан прочнее алюминия в 12 раз, железа и меди — в 4 раза, при этом он значительно легче. Пластичность чистого вещества и предел его текучести позволяют производить обработку при низких и высоких температурных значениях, как и в случае с остальными металлами, т. е. методами клепки, ковки, сварки, проката.

Отличительная характеристика титана – его низкая тепло- и электропроводность, при этом данные свойства сохраняются при повышенных температурах, вплоть до 500 0С. В магнитном поле титан является парамагнитным элементом, он не притягивается, как железо, и не выталкивается, как медь.

Очень высокие антикоррозийные показатели в агрессивных средах и при механических воздействиях уникальны. Более 10 лет нахождения в морской воде не изменили внешнего вида и состава пластины из титана. Железо в этом случае было бы уничтожено коррозией полностью.

Термодинамические свойства титана

  1. Плотность (при нормальных условиях) составляет 4,54 г/см3.
  2. Атомный номер — 22.
  3. Группа металлов – тугоплавкий, легкий.
  4. Атомная масса титана – 47,0.

  5. Температура кипения (0С) – 3260.
  6. Молярный объем см3/моль – 10,6.
  7. Температура плавления титана (0С) – 1668.
  8. Удельная теплота испарения (кДж/моль) – 422,6.

  9. Электросопротивление (при 20 0С) Ом*см*10-6 – 45.

Химические свойства

Повышенная коррозийная устойчивость элемента объясняется образованием на поверхности небольшой оксидной пленки. Она предотвращает (при нормальных условиях) химические реакции с газами (кислород, водород), находящимися в окружающей атмосфере такого элемента, как металл титан. Свойства его изменяются под воздействием температуры.

При ее повышении до 600 0С происходит реакция взаимодействия с кислородом, в результате образуется оксид титана (TiO2). В случае поглощения атмосферных газов образуются хрупкие соединения, которые не имеют никакого практического применения, именно поэтому сварка и плавка титана производятся в условиях вакуума.

Обратимой реакцией является процесс растворения водорода в металле, он более активно происходит при повышении температуры (от 400 0С и выше). Титан, особенно его мелкие частицы (тонкая пластина или проволока), сгорает в атмосфере азота. Химическая реакция взаимодействия возможна только при температуре 700 0С, в результате образуется нитрид TiN.

Со многими металлами формирует высокотвердые сплавы, часто является легирующим элементом. В реакцию с галогенами (хром, бром, йод) вступает только при наличии катализатора (высокой температуры) и при условии взаимодействия с сухим веществом. При этом образуются очень твердые тугоплавкие сплавы.

С растворами большинства щелочей и кислот титан химически не активен, исключением является концентрированная серная (при длительном кипячении), плавиковая, горячие органические (муравьиная, щавелевая).

Месторождения

Наиболее распространены в природе ильменитовые руды — их запасы оцениваются в 800 млн тонн. Залежи рутиловых месторождений гораздо скромнее, но общий объем — при сохранении роста добычи — должен обеспечить человечество на ближайшие 120 лет таким металлом, как титан.

Цена готового продукта будет зависеть от спроса и повышения уровня технологичности производства, но в среднем варьируется в диапазоне от 1200 до 1800 руб./кг. В условиях постоянного технического совершенствования значительно понижается себестоимость всех производственных процессов при их своевременной модернизации.

Наибольшими запасами титановых руд обладают Китай и Россия, также минерально-сырьевую базу имеют Япония, ЮАР, Австралия, Казахстан, Индия, Южная Корея, Украина, Цейлон.

Месторождения отличаются объемами добычи и процентным содержанием титана в руде, геологические изыскания продолжаются постоянно, что дает возможность предполагать снижение рыночной стоимости металла и его более широкое применение. Россия на сегодняшний день является наиболее крупным производителем титана.

Получение

Для производства титана чаще всего используется его диоксид, содержащий минимальное количество примесей. Его получают путем обогащения ильменитовых концентратов или рутиловых руд.

В электродуговой печи происходит термическая обработка руды, которая сопровождается отделением железа и образованием шлака, содержащего оксид титана. Сернокислый или хлоридный метод применяется для обработки свободной от железа фракции.

Оксид титана является порошком серого цвета (см. фото). Металл титан получается при его поэтапной обработке.

Первой фазой является процесс спекания шлака с коксом и воздействия парами хлора. Полученный TiCl4 восстанавливают магнием или натрием при воздействии температуры 850 0С. Титановая губка (пористая сплавленная масса), полученная в результате химической реакции, очищается или переплавляется в слитки.

В зависимости от дальнейшего направления использования, формируется сплав или металл в чистом виде (примеси удаляются путем нагрева до 1000 0С). Для производства вещества с долей примесей 0,01 % используется йодидный метод.

Он основан на процессе выпаривания из титановой губки, предварительно обработанной галогеном, его паров.

Сферы применения

Температура плавления титана является достаточно высокой, что при легкости металла является неоценимым преимуществом использования его в качестве конструкционного материала. Поэтому наибольшее применение он находит в судостроении, авиационной промышленности, изготовлении ракет, химических производствах.

Титан достаточно часто используют в качестве легирующей добавки в различных сплавах, которые обладают повышенными характеристиками твердости и жаропрочности. Высокие антикоррозийные свойства и способность выдерживать большинство агрессивных сред делают этот металл незаменимым для химической промышленности.

Из титана (его сплавов) изготавливают трубопроводы, емкости, запорную арматуру, фильтры, используемые при перегонке и транспортировке кислот и других химически активных веществ. Он востребован при создании приборов, работающих в условиях повышенных температурных показателях.

Соединения титана используются для изготовления прочного режущего инструмента, красок, пластика и бумаги, хирургических инструментов, имплантатов, ювелирных изделий, отделочных материалов, применяется в пищевой промышленности. Все направления сложно описать. Современная медицина из-за полной биологической безопасности часто использует металл титан.

Цена – это единственный фактор, который пока влияет на широту применения данного элемента. Справедливым является утверждение, что титан – материал будущего, изучая который, человечество перейдет на новый этап развития.

Источник: fb.ruЗдоровье
Малина повышает давление или понижает? Свойства и химический состав ягод

Малина является дикорастущим и очень полезным растением. Селекционеры вывели большое количество ее садовых разновидностей. Они обладают определенными характеристиками, например морозоустойчивостью, размером ягод, неск…

Здоровье
Чем уникален донниковый мед? Полезные свойства и химический состав

Среди обилия разных сортов меда не так легко определить, какой из них более полезен при том или ином заболевании. В данной статье мы расскажем про вкусный и целебный донниковый мед. Полезные свойства продукта известны…

Образование
Атмосфера и химический состав Солнца: описание и структура

Когда мы наблюдаем солнечный летний пейзаж, нам кажется, что вся картина будто залита светом. Однако если посмотреть на солнце при помощи специальных приборов, то мы обнаружим, что вся поверхность его напоминает гиган…

Образование
Самый легкоплавкий металл: свойства и применение

Вы можете назвать самый легкоплавкий металл? Подсказка: в нормальном состоянии он жидкий, серебристый и очень ядовитый. Догадались? В любом случае давайте узнаем о нём побольше.Какой самый легкоплавкий металл?…

Бизнес
Влияние легирующих элементов на свойства стали. Виды, марки и назначение сталей

Сталь – один из самых востребованных материалов в мире сегодня. Без нее сложно представить любую существующую строительную площадку, машиностроительные предприятия, да и много других мест и вещей, которые нас ок…

Бизнес
Вольфрам: применение, свойства и химические характеристики

Природа-мать обогатила человечество полезными химическими элементами. Некоторые из них скрыты в ее недрах и содержатся в относительно малом количестве, но их значение очень существенно. Одним из таких является вольфра…

Бизнес
Графит: плотность, свойства, особенности применения и виды

Графит является веществом, которое встречается в природе. Это одна из модификаций углерода, которая характеризуется определенной кристаллической решеткой. Это обуславливает свойства, которыми обладает графит. В природ…

Дом и семья
Лучшее средство от ржавчины на металле: обзор, особенности применения, производители и отзывы

Коррозия металла – это химический процесс, доставляющий множество проблем, ведь ржавчина может появиться на любой металлической поверхности. Как с ней бороться, и есть ли хорошее средство от ржавчины на металле?…

Домашний уют
Изофлекс 191: свойства, сфера применения и особенности хранения

Изофлекс 191 – это электроизоляционный композитный материал. Его компоненты – стеклянная ткань электротехнического назначения, обе стороны которой ламинированы полиэтилентерефталатной пленкой. Композиция и…

Домашний уют
Мастика тиоколовая: свойства, особенности применения и хранения

При строительстве сборных промышленных или жилых зданий крайне необходимо использовать специальные материалы, чтобы герметизировать швы между отдельными элементами конструкций. Зачем нужно использовать герметики? Стык…

Источник: http://monateka.com/article/187486/

Ссылка на основную публикацию