Vječni, tajanstveni, kozmički materijal budućnosti - svi ovi i mnogi drugi epiteti titanu se pripisuju u raznim izvorima. Povijest otkrića ovog metala nije bila trivijalna: istodobno je nekoliko znanstvenika radilo na izolaciji elementa u njegovom čistom obliku. Proces proučavanja fizikalnih, kemijskih svojstava i određivanja područja njegove primjene do danas nije završen. Titan je metal budućnosti, njegovo mjesto u ljudskom životu još nije konačno određeno, što modernim istraživačima daje ogroman prostor za kreativnost i znanstveno istraživanje.
Karakteristika
Kemijski element titan (Titanium) označen je u periodnom sustavu D. I. Mendeljejeva simbolom Ti. Nalazi se u sekundarnoj podskupini IV skupine četvrtog razdoblja i ima serijski broj 22. Jednostavna tvar titan je bijelo-srebrni metal, lagan i izdržljiv. Elektronička konfiguracija atoma ima sljedeću strukturu: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Sukladno tome, titan ima nekoliko mogućih oksidacijskih stanja: 2,3, 4, u najstabilnijim spojevima je četverovalentan.
Titan - legura ili metal?
Ovo pitanje zanima mnoge. Godine 1910. američki kemičar Hunter dobio je prvi čisti titan. Metal je sadržavao samo 1% nečistoća, ali se u isto vrijeme pokazalo da je njegova količina zanemariva i nije omogućila daljnje proučavanje njegovih svojstava. Plastičnost dobivene tvari postignuta je samo pod utjecajem visokih temperatura, a u normalnim uvjetima (sobna temperatura) uzorak je bio previše krhak. Zapravo, ovaj element nije zanimao znanstvenike, budući da su se izgledi za njegovu upotrebu činili previše neizvjesnim. Teškoća dobivanja i istraživanja dodatno je smanjila potencijal za njegovu primjenu. Tek 1925. godine, kemičari iz Nizozemske I. de Boer i A. Van Arkel dobili su metal titan, čija su svojstva privukla pozornost inženjera i dizajnera diljem svijeta. Povijest proučavanja ovog elementa počinje 1790. godine, točno u to vrijeme, paralelno, neovisno jedan o drugome, dva znanstvenika otkrivaju titan kao kemijski element. Svaki od njih prima spoj (oksid) tvari, ne uspijevajući izolirati metal u njegovom čistom obliku. Otkrivač titana je engleski redovnik mineralog William Gregor. Na teritoriju svoje župe, koja se nalazi u jugozapadnom dijelu Engleske, mladi znanstvenik počeo je proučavati crni pijesak doline Menaken. Rezultat pokusa s magnetom bio je oslobađanje sjajnih zrnaca, koji su bili spoj titana. U isto vrijeme u Njemačkoj je kemičar Martin Heinrich Klaproth izolirao novu tvar iz mineralarutil. 1797. također je dokazao da su elementi otvoreni paralelno slični. Titanov dioksid je za mnoge kemičare bio misterij više od jednog stoljeća, a čak ni Berzelius nije uspio dobiti čisti metal. Najnovije tehnologije 20. stoljeća značajno su ubrzale proces proučavanja spomenutog elementa i odredile početne smjerove njegove uporabe. Istodobno, opseg primjene se stalno širi. Samo složenost procesa dobivanja takve tvari kao što je čisti titan može ograničiti njegov opseg. Cijena legura i metala je prilično visoka, pa danas ne može istisnuti tradicionalno željezo i aluminij.
Porijeklo imena
Menakin - prvi naziv za titan, koji se koristio do 1795. godine. Tako je, po teritorijalnoj pripadnosti, W. Gregor nazvao novi element. Martin Klaproth je elementu 1797. dao naziv "titanij". U to su vrijeme njegovi francuski kolege, predvođeni prilično uglednim kemičarem A. L. Lavoisierom, predložili da se novootkrivene tvari imenuju u skladu s njihovim osnovnim svojstvima. Njemački znanstvenik nije se složio s ovim pristupom, sasvim je razumno vjerovao da je u fazi otkrića prilično teško odrediti sve karakteristike svojstvene tvari i odražavati ih u nazivu. Međutim, treba priznati da izraz koji je Klaproth intuitivno odabrao u potpunosti odgovara metalu - to su više puta naglašavali moderni znanstvenici. Dvije su glavne teorije o podrijetlu naziva titan. Metal bi se tako mogao označiti u čast vilenjačke kraljice Titanije(lik germanske mitologije). Ovo ime simbolizira i lakoću i snagu tvari. Većina znanstvenika sklona je upotrijebiti verziju upotrebe starogrčke mitologije, u kojoj su moćni sinovi božice zemlje Geje nazvani titanima. Ime prethodno otkrivenog elementa, urana, također govori u prilog ovoj verziji.
Biti u prirodi
Od metala koji su tehnički vrijedni za ljude, titan je četvrti najzastupljeniji u zemljinoj kori. Samo željezo, magnezij i aluminij karakterizira veliki postotak u prirodi. Najveći sadržaj titana zabilježen je u baz altnoj ljusci, nešto manji u granitnom sloju. U morskoj vodi sadržaj ove tvari je nizak - oko 0,001 mg / l. Kemijski element titan je prilično aktivan, pa se ne može naći u čistom obliku. Najčešće je prisutan u spojevima s kisikom, dok ima valenciju četiri. Broj minerala koji sadrže titan varira od 63 do 75 (u različitim izvorima), dok u sadašnjoj fazi istraživanja znanstvenici nastavljaju otkrivati nove oblike njegovih spojeva. Za praktičnu upotrebu od najveće su važnosti sljedeći minerali:
- Ilmenit (FeTiO3).
- Rutil (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskite (CaTiO3).
- Titanomagnetit (FeTiO3+Fe3O4) itd.
Sve postojeće rude koje sadrže titan su podijeljene naaluvijalne i osnovne. Ovaj element je slab migrant, može putovati samo u obliku fragmenata stijena ili pokretnih muljevitih stijena dna. U biosferi se najveća količina titana nalazi u algama. Kod predstavnika kopnene faune element se nakuplja u rožnatim tkivima, kosi. Ljudsko tijelo karakterizira prisutnost titana u slezeni, nadbubrežnim žlijezdama, posteljici, štitnoj žlijezdi.
Fizička svojstva
Titan je obojeni metal srebrno-bijele boje koji izgleda kao čelik. Na temperaturi od 0 0C, njegova gustoća je 4,517 g/cm3. Tvar ima nisku specifičnu težinu, što je tipično za alkalijske metale (kadmij, natrij, litij, cezij). Što se tiče gustoće, titan zauzima srednje mjesto između željeza i aluminija, dok su njegove performanse veće od performansi oba elementa. Glavna svojstva metala koja se uzimaju u obzir pri određivanju opsega njihove primjene su granica popuštanja i tvrdoća. Titan je 12 puta jači od aluminija, 4 puta jači od željeza i bakra, a pritom je mnogo lakši. Plastičnost čiste tvari i njezina granica tečenja omogućuju obradu na niskim i visokim temperaturama, kao iu slučaju drugih metala, tj. zakivanjem, kovanjem, zavarivanjem, valjanjem. Karakteristična karakteristika titana je njegova niska toplinska i električna vodljivost, dok su ta svojstva očuvana na povišenim temperaturama, do 500 0S. U magnetskom polju titan je paramagnetski element, nijeprivlači se poput željeza, a ne istiskuje se kao bakar. Jedinstvena je vrlo visoka antikorozivna svojstva u agresivnim okruženjima i pod mehaničkim naprezanjima. Više od 10 godina boravka u morskoj vodi nije promijenilo izgled i sastav titanske ploče. Željezo bi u ovom slučaju bilo potpuno uništeno korozijom.
Termodinamička svojstva titana
- Gustoća (u normalnim uvjetima) je 4,54 g/cm3.
- Atomski broj je 22.
- Metalna grupa - vatrostalna, lagana.
- Atomska masa titana je 47,0.
- Točka vrenja (0S) – 3260.
- Molarni volumen cm3/mol – 10, 6.
- Točka taljenja titana (0S) – 1668.
- Specifična toplina isparavanja (kJ/mol) – 422, 6.
- Električni otpor (na 20 0S) Ohmcm10-6 – 45.
Kemijska svojstva
Povećana otpornost elementa na koroziju nastaje zbog stvaranja malog oksidnog filma na površini. Sprječava (u normalnim uvjetima) kemijske reakcije s plinovima (kisik, vodik) u okolnoj atmosferi elementa kao što je metalni titan. Svojstva se mijenjaju pod utjecajem temperature. Kada poraste na 600 0S, dolazi do interakcije s kisikom, što rezultira stvaranjem titanovog oksida (TiO2). U slučaju apsorpcije atmosferskih plinova nastaju krhki spojevi koji nemaju praktičnu primjenu, zbog čega se zavarivanje i taljenje titana obavlja u vakuumskim uvjetima. reverzibilna reakcijaje proces otapanja vodika u metalu, odvija se aktivnije s povećanjem temperature (od 400 0S i više). Titan, posebno njegove male čestice (tanka ploča ili žica), gori u atmosferi dušika. Kemijska reakcija interakcije moguća je samo na temperaturi od 700 0S, što rezultira stvaranjem TiN nitrida. Tvori vrlo tvrde legure s mnogim metalima, često kao legirajući element. Reagira s halogenima (krom, brom, jod) samo u prisutnosti katalizatora (visoka temperatura) i podložan interakciji sa suhom tvari. U tom slučaju nastaju vrlo tvrde vatrostalne legure. S otopinama većine lužina i kiselina, titan je kemijski neaktivan, s izuzetkom koncentrirane sumporne (s produljenim ključanjem), fluorovodične, vruće organske (mravlje, oksalne).
Depoziti
Rude ilmenita najčešće su u prirodi - njihove se rezerve procjenjuju na 800 milijuna tona. Naslage rutila su mnogo skromnije, ali ukupni obujam - uz održavanje rasta proizvodnje - trebao bi čovječanstvu u sljedećih 120 godina osigurati takav metal kao što je titan. Cijena gotovog proizvoda ovisit će o potražnji i povećanju razine proizvodnosti, ali u prosjeku varira u rasponu od 1200 do 1800 rubalja / kg. U uvjetima stalnog tehničkog usavršavanja, troškovi svih proizvodnih procesa značajno su smanjeni njihovom pravovremenom modernizacijom. Kina i Rusija imaju najveće rezerve titanovih ruda, kao i mineralaJapan, Južna Afrika, Australija, Kazahstan, Indija, Južna Koreja, Ukrajina, Cejlon imaju sirovinsku bazu. Ležišta se razlikuju po obujmu proizvodnje i postotku titana u rudi, geološka istraživanja su u tijeku, što omogućuje pretpostavku smanjenja tržišne vrijednosti metala i njegove šire uporabe. Rusija je daleko najveći proizvođač titana.
Primi
Za proizvodnju titana najčešće se koristi titanijev dioksid koji sadrži minimalnu količinu nečistoća. Dobiva se obogaćivanjem koncentrata ilmenita ili rutila rutila. U elektrolučnoj peći odvija se toplinska obrada rude, koja je popraćena odvajanjem željeza i stvaranjem troske koja sadrži titanov oksid. Za obradu frakcije bez željeza koristi se metoda sulfata ili klorida. Titanov oksid je sivi prah (vidi sliku). Metalni titan dobiva se njegovom faznom obradom.
Prva faza je proces sinteriranja troske s koksom i izlaganje klorovim parama. Rezultirajući TiCl4 reducira se magnezijem ili natrijem kada se izloži temperaturi od 850 0C. Titanska spužva (porozna fuzionirana masa), dobivena kao rezultat kemijske reakcije, rafinira se ili topi u ingote. Ovisno o daljnjem smjeru uporabe, nastaje legura ili čisti metal (nečistoće se uklanjaju zagrijavanjem na 1000 0S). Za proizvodnju tvari s udjelom nečistoća od 0,01% koristi se jodidna metoda. Temelji se na procesuisparavanje iz titanove spužve prethodno tretirane halogenom, njegove pare.
Područja primjene
Točka taljenja titana je prilično visoka, što je, s obzirom na lakoću metala, neprocjenjiva prednost korištenja kao konstrukcijskog materijala. Stoga najveću primjenu nalazi u brodogradnji, zrakoplovnoj industriji, proizvodnji raketa i kemijskoj industriji. Titan se vrlo često koristi kao aditiv za legiranje u raznim legurama, koje imaju povećane karakteristike tvrdoće i toplinske otpornosti. Visoka antikorozivna svojstva i sposobnost otpornosti na većinu agresivnih okruženja čine ovaj metal nezamjenjivim za kemijsku industriju. Titan (njegove legure) koristi se za izradu cjevovoda, spremnika, ventila, filtera koji se koriste u destilaciji i transportu kiselina i drugih kemijski aktivnih tvari. Potreban je pri stvaranju uređaja koji rade u uvjetima povišenih temperaturnih pokazatelja. Spojevi titana koriste se za izradu izdržljivih reznih alata, boja, plastike i papira, kirurških instrumenata, implantata, nakita, završnih materijala, a koriste se u prehrambenoj industriji. Sve smjerove je teško opisati. Moderna medicina, zbog potpune biološke sigurnosti, često koristi metalni titan. Cijena je jedini faktor koji do sada utječe na širinu primjene ovog elementa. Pošteno je reći da je titan materijal budućnosti, proučavanjem koje će čovječanstvo proćiu novu fazu razvoja.
