Титан (елемент)

Відкриття TiO2 зробили практично одночасно і незалежно один від одного англієць У. Грегор [en] і німецький хімік М. Г. Клапрот. У. Грегор, досліджуючи склад магнітного залозистого піску (Крід, Корнуолл, Англія, 1791), виділив нову «землю» (оксид) невідомого металу, яку назвав менакеновой. У 1795 р німецький хімік Клапрот відкрив в мінералі рутил новий елемент і назвав його титаном. Через два роки Клапрот встановив, що рутил і менакеновая земля - оксиди одного і того ж елемента, за яким і залишилася назва «титан», запропоноване Клапротом. Через 10 років відкриття титану відбулося в третій раз. Французький учений Л. Воклен виявив титан в анатаз і довів, що рутил і анатаз - ідентичні оксиди титану.

Перший зразок металевого титану отримав в 1825 році 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.

Знаходження в природі

Родовища титану знаходяться на території ПАР, Укаїни, України, Китаю, Японії, Австралії, Індії, Цейлону, Бразилії, Південної Кореї, Казахстану [5]. У країнах СНД провідне місце за розвіданими запасами титанових руд займає Україна (58,5%) і Україна (40,2%) [6]. Найбільше родовище вУкаіни - Ярегское.

Запаси і видобуток

Найбільший в світі виробник титану - українська компанія «ВСМПО-АВІСМА» [9].

Брусок кристалічного титану (чистота 99,995%, вага ≈283 г, довжина ≈14 см, діаметр ≈25 мм), виготовлений на заводі «Уралредмет» іодідним методом ван Аркеля і де Бура

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, який одержують 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 не відновлені 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 + 2C + 2Cl_ \ rightarrow TiCl_ + 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 + 2Mg \ rightarrow 2MgCl_ + 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 і Кембріджського університету. де він був створений. Цей електрохімічний процес дозволяє здійснювати пряме безперервне відновлення титану з оксиду в розплаві суміші хлориду кальцію і негашеного вапна. 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:

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

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, оксиду 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. Існує в двох кристалічних модифікаціях: α-Ti з гексагональної щільноупакованими гратами (a = 2,951 Å; з = 4,679 Å [10]; z = 2; просторова група C6mmc), β-Ti з кубічної об'ємно-центрованої упаковкою (a = 3,269 Å ; z = 2; просторова група Im3m), температура переходу α↔β 883 ° C, ΔH переходу 3,8 кДж / моль. Точка плавлення 1660 ± 20 ° C, точка кипіння 3260 ° C, щільність α-Ti і β-Ti відповідно дорівнює 4,505 (20 ° C) і 4,32 (900 ° C) г / см [2]. атомна щільність 5,71 х 10 22 ат / см [джерело не вказано 2796 днів]. Пластичний, зварюється в інертному атмосфері. Питомий опір 0,42 мкОм · м при 20 ° C

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).

Титанова пил має властивість вибухати. Температура спалаху - 400 ° C. Титанова стружка пожежонебезпечна.

Стійкий до корозії завдяки оксидної плівці, але при подрібненні в порошок, а також в тонкій стружці або дроті титан пірофорен [11].

Легко реагує навіть зі слабкими кислотами в присутності комплексоутворювачів, наприклад, з плавиковою кислотою HF він взаємодіє завдяки освіті комплексного аніону [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. [12]

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 · xH2 O, обережним прожарюванням якого отримують оксид TiO2. Гідроксид TiO (OH) 2 · xH2 O і діоксид TiO2 амфотерни.

T i O 2 + K 2 C O 3 → K 2 T i O 3 + C O 2 + K_CO_ \ rightarrow K_TiO_ + CO _ >>>

При нагріванні Ti взаємодіє з галогенами. Тетрахлорид титану TiCl4 при звичайних умовах - безбарвна рідина, сильно димить на повітрі, що пояснюється гідролізом TiCl4. 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). При взаємодії титану з вуглецем утворюється карбід титану TiCx (x = 0,49-1,00).

При нагріванні Ti поглинає H2 з утворенням сполуки змінного складу TiHх (x = 1,3 - 2). При нагріванні ці гідриди розкладаються з виділенням H2. Титан утворює сплави з багатьма металами.

У вигляді сполук

Білий діоксид титану (TiO2) використовується в фарбах (наприклад, титанові білила), а також при виробництві паперу і пластика. Харчова добавка E171.
Тітанорганіческіе з'єднання (наприклад, тетрабутоксітітан) застосовуються в якості каталізатора і затверджувача в хімічній і лакофарбовій промисловості.
Неорганічні сполуки титану застосовуються в хімічній електронної, стекловолоконной промисловості в якості добавки або покриттів.
Карбід титану, диборид титану, карбонітриду 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.

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 (в українській класифікації - ВТ6).

Аналіз ринків споживання

Ціна титану становить $ 5,9-6,0 за кілограм, залежно від чистоти [14].

Чистота і марка чорнового титану (титанової губки) зазвичай визначається по його твердості, яка залежить від вмісту домішок. Найбільш поширені марки тг100 і ТГ110 [джерело не вказано 745 днів].