Povijest otkrivanja metala
Sve je počelo 1791. godine, kada su, neovisno jedan o drugom, istodobno W. Gregor (Engleska) i MG Klaproth (Njemačka) primili titanov dioksid, ali nisu uspjeli iz njega izvući čistu tvar. Minijaturist i, istodobno, seoski svećenik Gregor proučavao je crni željezni pijesak pronađen u blizini njegove župe. Rezultat je bio ekstrakcija spoja titanijuma - briljantnih zrna, koja je pod nazivom "menakin" (od mineralnog menakanita) ovjekovječila Engleskina rodna mjesta.
Otprilike u isto vrijeme, kemičar Klaproth, proučavajući crveni pijesak donesen iz Mađarske, pronašao je novu tvar u mineralnom rutilu i nazvao je "titan". Nekoliko godina kasnije dokazao je da su rutilna i poražena zemlja identični spojevi. Godine 1825. švedski kemičar Berzelius dobio je prvi kemijski uzorak metalnog titana, ali to nije omogućilo napredak u proučavanju svojstava, jer su nečistoće učinile uzorak krhkim i neprikladnim za strojnu obradu.
Samo 1925. godine nizozemski kemičari van Arkel i de Boer, primjenjujući termičku razgradnju titanijevog jodida, koji se nisu našli u širokoj uporabi, dobili su tvar čistoće 99, 9%. Takav metal imao je plastičnost, mogao se uvaljati u limove, žicu i foliju. To je omogućilo da se započne cjelovito istraživanje fizikalnih i kemijskih svojstava, da se privuče pozornost inženjera i graditelja, da se odredi područje primjene. Već 1940. pojavio se Krollow proces za dobivanje titan-tetraklorida s magnezijem, koji je uspješno korišten do danas.
Teorije o podrijetlu imena
Postoje dvije teorije o podrijetlu imena:
Prvi, s naglaskom na osnovna svojstva metala od titana - lakoća i trajnost, povezan je s imenom lika njemačke legende - vilinskom kraljicom Titania.- Druga se teorija odnosi na starogrčku mitologiju, gdje su titani nazvali moćnu braću - božanstva druge generacije, djecu bogova Urana i Gaie. Odjeci ovoga čuju se u ime elementa urana.
Pronalaženje titana u prirodi
Titan zauzima četvrto mjesto časti po sadržaju u Zemljinoj kori među najvažnijim metalima za čovjeka, odmah iza željeza, magnezija i aluminija. Njegova maksimalna količina koncentrirana je u donjem, bazaltnom sloju, nešto manje - u granitu. Uzimajući u obzir visoku kemijsku aktivnost, nije moguće pronaći titan u čistom obliku. Najčešći tetravalentni oksidi, koji su koncentrirani u rudama kore za trošenje i u morskoj glini.
Danas postoji do 75 minerala od titana, a znanstvenici povremeno objavljuju otkriće svih novih oblika i spojeva. Za industrijsku preradu najvažnije su:
Ilmenit.- Leukoksen (produkt promjena ilmenita).
- Rutil.
- Titanit (sphene).
- Perovskitnu.
- Anatas.
- Titanomagnetite.
- Brooke.
Titan je slab migrant, može se transportirati samo u obliku mehaničkih fragmenata stijene ili tijekom kretanja koloidnih muljevitih slojeva vodenih tijela. Biosferu karakterizira sadržaj maksimalnih količina tog metala u algama, u životinja se nalazi u vunama i rožnatim tkivima, prisutnim u ljudskom tijelu u štitnoj žlijezdi, slezeni, nadbubrežnoj žlijezdi i posteljici.
Depoziti prostornog materijala
Najčešća nalazišta ilmenita su oko 800 milijuna tona. Rezerve rutilnih ruda su znatno manje, ali uz očuvanje rasta proizvodnje, sve one mogu osigurati čovječanstvo još 100 godina. Što se tiče rezerve titana, Rusija je na drugom mjestu iza Kine i ima 20 istraženih nalazišta. Većina njih je složena, gdje se također vađaju željezo, fosfor, vanadij i cirkonij. Danas se ruska metalurška tvrtka VSMPO-AVISMA smatra najvećim svjetskim proizvođačem titana.
Opsežna nalazišta nalaze se u Južnoj Africi, Ukrajini, Kanadi, SAD-u, Brazilu, Australiji, Švedskoj, Norveškoj, Egiptu, Kazahstanu, Indiji i Južnoj Koreji. Razlikuju se u sadržaju metala u rudama i proizvodnim količinama, geološka istraživanja se ne zaustavljaju. Čak i na Mjesecu, otkrivene su rezerve ruda koje sadrže titan, neke od njih su deset puta bogatiji od velikih naslaga Zemlje. To nam omogućuje da se nadamo smanjenju tržišnih cijena metala i širenju područja uporabe.
Fizička svojstva elementa
Titan je kemijski element periodnog sustava, u IV. Ima atomski broj 22, molarnu masu 47, 867, označen simbolom Ti i pokazuje oksidacijska stanja od 2 do 4, njegovi tetravalentni spojevi su najstabilniji. Pod normalnim tlakom, talište titana je 1670 ± 2 ° C, odnosi se na obojene vatrostalne metale i izgleda kao čelik.
Tvrdoća, plastičnost i granica tečenja su važni parametri za svaki metal koji određuje njegov opseg. Titan je 12 puta jači od aluminija, 4 puta bakra i željeza. Također je mnogo lakši od svih ostalih (gustoća titana je samo 4, 54 g / cm 3) i slobodno se obrađuje metodama zavarivanja, zakivanja, kovanja i valjanja. Važna svojstva uključuju nisku toplinsku vodljivost i električnu vodljivost, koji ostaju nepromijenjeni čak i na visokim temperaturama.
Titan ima paramagnetska svojstva: ne magnetizira se u magnetskom polju, kao što je nikal i željezo, i nije izbačen poput srebra i zlata. Njegova loša svojstva protiv trenja su zbog lijepljenja na mnoge materijale. Postoje jedinstveni pokazatelji otpornosti na koroziju i otpornosti na mehanička naprezanja: ploče od titana, koje su deset godina ležale na morskom dnu, neće se podvrgnuti promjenama u izgledu i sastavu, a željezo će se tijekom tog vremena potpuno razgraditi.
Kemijska svojstva
Visoka otpornost na koroziju zbog činjenice da je u normalnim uvjetima na površini filma metalni oksid prisutan. Međutim, u obliku praha, finih iverja ili žice, može se zapaliti i eksplodirati. Titan je otporan na vodene otopine klora i mnogih razrijeđenih lužina i kiselina, osim fluorovodične, ortofosforne i sumporne. Zavarivanje i taljenje provodi se u vakuumu, jer se s blagim zagrijavanjem očituje jedno od glavnih svojstava titana - aktivna apsorpcija plinova okolne atmosfere.
Reakcija s vodikom, koja počinje na 60 ° C, je reverzibilna, dobiveni hidridi se raspadaju pri zagrijavanju. U zraku na temperaturi od 1200 ° C, titan svijetli s jarkim bijelim plamenom, i samo on može izgorjeti u atmosferi dušika na temperaturama iznad 400 ° C da bi se formirale nitridi. Za interakciju s halogenima, nužni uvjeti su odsustvo vlage i prisutnost katalizatora - visoka temperatura. Reakcija s ugljikom proizvodi super-čvrst karbid. Kod većine metala, titan stvara visoke čvrstoće strukturnih ili toplinski otpornih legura i intermetalnih spojeva, koji se često koriste kao važna komponenta za legiranje.
Način dobivanja sirovina
Sirovina je titanov dioksid koji sadrži nekoliko nečistoća. Za to je potreban rutilni koncentrat dobiven obogaćivanjem rude. Ali njegove svjetske rezerve su male, a češće koriste titansku trosku (sintetički rutil), koja se dobiva toplinskom obradom - obogaćenje ilmenitnih koncentrata u elektrolučnim pećima. Kao rezultat toga, željezo u obliku lijevanog željeza se prikuplja na dnu posebne kupke, a ostaci sivog praha - šljaka koja sadrži titan oksid. Drobljena je, pomiješana s ugljenom, briketirana i klorirana u pećima gdje se pri 800 ° C u prisutnosti ugljika stvaraju parice titan tetraklorida.
Zatim se čiste i reduciraju u posebnim reaktorima s magnezijem na 950 ° C. Na stijenkama se formira sinterovana porozna masa, titanska spužva, koja se kalcinira u vakuumu radi odvajanja od spojeva magnezija. Za dobivanje ingota od titana, dobivena spužva se istopi u vakuumskim lučnim pećima. To štiti metal od oksidacije i doprinosi konačnom oslobađanju od nečistoća. Gotovi ingoti čistoće do 99, 7% koriste se za tlačnu obradu (valjanje, štancanje, kovanje).
Glavne aplikacije
Teško je opisati sva područja života u kojima je Titan našao mjesto, ali među glavnim područjima može se spomenuti:
Glavni potrošači su zrakoplovna i raketna znanost. Visoke točke taljenja i lakoća su neprocjenjive prednosti titana kada se koriste kao "leteći" građevinski materijal. Za zrakoplove, na primjer, to su krilca i krilca, okretna krila, cjevovodi i okviri. Duboko je simbolično da je 1980. spomenik Yu A. Gagarinu podignut u Moskvi bio izrađen od tog kozmičkog metala.- Brodogradnja također treba materijale otporne na svjetlo i koroziju. U kasnim 70-ima dvadesetog stoljeća, gotovo cijeli godišnji obujam proizvodnje titana u Sovjetskom Savezu otišao je na stvaranje nuklearne podmornice, gdje je služio kao glavni konstrukcijski materijal. Rezultat je bio smanjenje trećine težine podmornice, njezin paramagnetizam, maksimalni pokazatelji dubine uranjanja i brzine pod vodom.
- Titan ploče se koriste u oklopu. Lagani karoserija - 4 kg, teška - 10, 5 kg. Čak i jedna takva traka debljine samo 5 mm pouzdano štiti od metaka iz pištolja i pušaka.
- Metal je neophodan za potrebe kemijske industrije zbog otpornosti na koroziju u većini agresivnih medija i na visokim temperaturama: instrumentima i cjevovodima, spremnicima za skladištenje i destilaciju, filtrima i zapornim ventilima.
- Za izradu čelika tvrdoće i otpornosti na toplinu koristi se kao aditiv za legiranje.
- Titanove legure koriste se za izradu reznih i kirurških instrumenata, nakita. Ljudsko tijelo ne odbacuje metal, pa se koristi u medicini za stvaranje implantata.
Davno su zgrade u europskim gradovima bile prekrivene cink pločama. U dvadesetom stoljeću za ove potrebe stvoren je ekološki i izdržljiv materijal od cinka i titana. Njegova izvrsna plastičnost pomaže da se napravi krov gotovo svih krugova i oblikuje bilo koje nestandardno oblikovanje fasada.- Proizvodnja građevinskog materijala, boja, gume, plastike, papira i prehrambenih dodataka teško je zamisliti bez spojeva titana. Oni su traženi u elektrotehnici, mogu se naći u sastavu vatrostalnih stakala i keramičkih dijelova, u nosačima platformi za bušenje koji rade u ekstremnim uvjetima mora, te u kućnim računalima.
Opseg primjene titana stalno se širi, ograničen je složenošću i energetskom intenzitetom procesa dobivanja čiste tvari. To je dijelom razlog zašto tradicionalno željezo i aluminij i danas čvrsto drže svoje pozicije. Titan je skupa poslastica. Cijena metala u obliku koncentrata je stotine puta manja od cijene gotovih proizvoda, kao što je lim. Danas takvi troškovi nisu dostupni svima pa upotreba titana određuje razinu gospodarskog razvoja i obrambene sposobnosti države.