Eeuwig, mysterieus, kosmisch, materiaal van de toekomst - al deze en vele andere benamingen worden in verschillende bronnen aan titanium toegeschreven. De geschiedenis van de ontdekking van dit metaal was niet triviaal: tegelijkertijd werkten verschillende wetenschappers aan het isoleren van het element in zijn pure vorm. Het proces van het bestuderen van de fysische, chemische eigenschappen en het bepalen van de toepassingsgebieden is tot op heden niet voltooid. Titanium is het metaal van de toekomst, zijn plaats in het menselijk leven is nog niet definitief bepaald, wat moderne onderzoekers een enorme ruimte geeft voor creativiteit en wetenschappelijk onderzoek.
Karakteristiek
Het scheikundige element titanium (titanium) wordt in het periodiek systeem van D. I. Mendelejev aangegeven met het symbool Ti. Het bevindt zich in de secundaire subgroep van groep IV van de vierde periode en heeft serienummer 22. De eenvoudige stof titanium is een witzilver metaal, licht en duurzaam. De elektronische configuratie van een atoom heeft de volgende structuur: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Dienovereenkomstig heeft titanium verschillende mogelijke oxidatietoestanden: 2,3, 4, in de meest stabiele verbindingen is het vierwaardig.
Titanium - legering of metaal?
Deze vraag interesseert velen. In 1910 verkreeg de Amerikaanse chemicus Hunter het eerste pure titanium. Het metaal bevatte slechts 1% onzuiverheden, maar tegelijkertijd bleek de hoeveelheid te verwaarlozen en maakte het niet mogelijk om de eigenschappen ervan verder te bestuderen. De plasticiteit van de verkregen stof werd alleen bereikt onder invloed van hoge temperaturen; onder normale omstandigheden (kamertemperatuur) was het monster te kwetsbaar. In feite interesseerde dit element wetenschappers niet, omdat de vooruitzichten voor het gebruik ervan te onzeker leken. De moeilijkheid om te verkrijgen en onderzoek te doen, verminderde het potentieel voor de toepassing ervan verder. Pas in 1925 ontvingen chemici uit Nederland I. de Boer en A. Van Arkel titaniummetaal, waarvan de eigenschappen de aandacht trokken van ingenieurs en ontwerpers over de hele wereld. De geschiedenis van de studie van dit element begint in 1790, precies op dit moment, parallel, onafhankelijk van elkaar, ontdekken twee wetenschappers titanium als een chemisch element. Elk van hen ontvangt een verbinding (oxide) van een stof, waardoor het metaal niet in zijn zuivere vorm kan worden geïsoleerd. De ontdekker van titanium is de Engelse mineraloog monnik William Gregor. Op het grondgebied van zijn parochie, gelegen in het zuidwesten van Engeland, begon de jonge wetenschapper het zwarte zand van de Menaken-vallei te bestuderen. Het resultaat van experimenten met een magneet was het vrijkomen van glanzende korrels, die een titaniumverbinding waren. Tegelijkertijd isoleerde de chemicus Martin Heinrich Klaproth in Duitsland een nieuwe stof uit het mineraalrutiel. In 1797 bewees hij ook dat parallel geopende elementen vergelijkbaar zijn. Titaandioxide is al meer dan een eeuw een mysterie voor veel scheikundigen, en zelfs Berzelius was niet in staat om puur metaal te verkrijgen. De nieuwste technologieën van de 20e eeuw hebben het proces van het bestuderen van het genoemde element aanzienlijk versneld en de initiële aanwijzingen voor het gebruik ervan bepaald. Tegelijkertijd wordt het toepassingsgebied voortdurend uitgebreid. Alleen de complexiteit van het proces om zo'n stof als puur titanium te verkrijgen, kan de reikwijdte ervan beperken. De prijs van legeringen en metaal is vrij hoog, dus tegenwoordig kan het traditioneel ijzer en aluminium niet vervangen.
Oorsprong van de naam
Menakin - de eerste naam voor titanium, die tot 1795 werd gebruikt. Zo noemde W. Gregor, door territoriale verwantschap, het nieuwe element. Martin Klaproth geeft het element in 1797 de naam "titanium". Op dat moment stelden zijn Franse collega's, onder leiding van een redelijk gerenommeerde chemicus A. L. Lavoisier, voor om de nieuw ontdekte stoffen te benoemen in overeenstemming met hun basiseigenschappen. De Duitse wetenschapper was het niet eens met deze benadering, hij geloofde redelijkerwijs dat het in de ontdekkingsfase nogal moeilijk is om alle kenmerken die inherent zijn aan een stof te bepalen en deze in de naam weer te geven. Er moet echter worden erkend dat de term die Klaproth intuïtief heeft gekozen, volledig overeenkomt met het metaal - dit is herhaaldelijk benadrukt door moderne wetenschappers. Er zijn twee hoofdtheorieën voor de oorsprong van de naam titanium. Het metaal zou zo kunnen worden aangewezen ter ere van de elvenkoningin Titania(karakter van de Germaanse mythologie). Deze naam symboliseert zowel de lichtheid als de kracht van de stof. De meeste wetenschappers zijn geneigd om de versie van het gebruik van de oude Griekse mythologie te gebruiken, waarin de machtige zonen van de godin van de aarde Gaia titanen werden genoemd. De naam van het eerder ontdekte element, uranium, spreekt ook in het voordeel van deze versie.
In de natuur zijn
Van de metalen die technisch waardevol zijn voor de mens, is titanium de vierde meest voorkomende in de aardkorst. Alleen ijzer, magnesium en aluminium worden gekenmerkt door een groot percentage in de natuur. Het hoogste geh alte aan titanium wordt genoteerd in de bas altschelp, iets minder in de granietlaag. In zeewater is het geh alte van deze stof laag - ongeveer 0,001 mg / l. Het chemische element titanium is behoorlijk actief, dus het kan niet in zijn pure vorm worden gevonden. Meestal is het aanwezig in verbindingen met zuurstof, terwijl het een valentie van vier heeft. Het aantal titaniumbevattende mineralen varieert van 63 tot 75 (in verschillende bronnen), terwijl wetenschappers in het huidige stadium van onderzoek nieuwe vormen van zijn verbindingen blijven ontdekken. Voor praktisch gebruik zijn de volgende mineralen van het grootste belang:
- Ilmeniet (FeTiO3).
- Rutiel (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskiet (CaTiO3).
- Titanomagnetiet (FeTiO3+Fe3O4) enz.
Alle bestaande titaniumhoudende ertsen zijn onderverdeeld in:alluviaal en basisch. Dit element is een zwakke migrant, het kan alleen reizen in de vorm van rotsfragmenten of bewegende slibbodemrotsen. In de biosfeer wordt de grootste hoeveelheid titanium gevonden in algen. In vertegenwoordigers van de terrestrische fauna hoopt het element zich op in de hoornachtige weefsels, haar. Het menselijk lichaam wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van titanium in de milt, bijnieren, placenta, schildklier.
Fysieke eigenschappen
Titanium is een non-ferro metaal met een zilverwitte kleur die op staal lijkt. Bij een temperatuur van 0 0C is de dichtheid 4,517 g/cm3. De stof heeft een laag soortelijk gewicht, wat typisch is voor alkalimetalen (cadmium, natrium, lithium, cesium). Qua dichtheid neemt titanium een tussenpositie in tussen ijzer en aluminium, terwijl de prestaties hoger zijn dan die van beide elementen. De belangrijkste eigenschappen van metalen waarmee rekening wordt gehouden bij het bepalen van het toepassingsgebied zijn de vloeigrens en hardheid. Titanium is 12 keer sterker dan aluminium, 4 keer sterker dan ijzer en koper, terwijl het veel lichter is. De plasticiteit van een zuivere stof en zijn vloeigrens maken het mogelijk om te verwerken bij lage en hoge temperaturen, zoals in het geval van andere metalen, d.w.z. door klinken, smeden, lassen, walsen. Een onderscheidend kenmerk van titanium is de lage thermische en elektrische geleidbaarheid, terwijl deze eigenschappen behouden blijven bij verhoogde temperaturen, tot 500 0С. In een magnetisch veld is titanium een paramagnetisch element, dat is het nietwordt aangetrokken als ijzer en wordt niet als koper naar buiten geduwd. Zeer hoge anticorrosieprestaties in agressieve omgevingen en onder mechanische belasting is uniek. Meer dan 10 jaar in zeewater hebben het uiterlijk en de samenstelling van de titaniumplaat niet veranderd. IJzer zou in dit geval volledig worden vernietigd door corrosie.
Thermodynamische eigenschappen van titanium
- Dichtheid (onder normale omstandigheden) is 4,54g/cm3.
- Het atoomnummer is 22.
- Metalengroep - vuurvast, licht.
- De atoommassa van titanium is 47,0.
- Kookpunt (0С) – 3260.
- molair volume cm3/mol – 10, 6.
- Titanium smeltpunt (0С) – 1668.
- Specifieke verdampingswarmte (kJ/mol) – 422, 6.
- Elektrische weerstand (bij 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Chemische eigenschappen
De verhoogde corrosieweerstand van het element is te wijten aan de vorming van een kleine oxidefilm op het oppervlak. Het voorkomt (onder normale omstandigheden) chemische reacties met gassen (zuurstof, waterstof) in de omringende atmosfeer van een element zoals titaniummetaal. De eigenschappen veranderen onder invloed van temperatuur. Wanneer het stijgt tot 600 0С, vindt er een interactiereactie met zuurstof plaats, wat resulteert in de vorming van titaniumoxide (TiO2). Bij absorptie van atmosferische gassen worden brosse verbindingen gevormd die geen praktische toepassing hebben, daarom wordt het lassen en smelten van titanium onder vacuümomstandigheden uitgevoerd. omkeerbare reactieis het proces van waterstofoplossing in het metaal, het vindt actiever plaats bij een temperatuurstijging (van 400 0С en hoger). Titanium, vooral de kleine deeltjes (dunne plaat of draad), brandt in een stikstofatmosfeer. Een chemische interactiereactie is alleen mogelijk bij een temperatuur van 700 0С, wat resulteert in de vorming van TiN-nitride. Vormt zeer harde legeringen met veel metalen, vaak als legeringselement. Het reageert met halogenen (chroom, broom, jodium) alleen in aanwezigheid van een katalysator (hoge temperatuur) en onderhevig aan interactie met een droge stof. In dit geval worden zeer harde vuurvaste legeringen gevormd. Met oplossingen van de meeste alkaliën en zuren is titanium chemisch inactief, met uitzondering van geconcentreerd zwavelzuur (met langdurig koken), fluorwaterstof, heet organisch (mierenzuur, oxaalzuur).
Stortingen
Ilmenietertsen komen het meest voor in de natuur - hun reserves worden geschat op 800 miljoen ton. De afzettingen van rutielafzettingen zijn veel bescheidener, maar het totale volume - met behoud van de groei van de productie - zou de mensheid de komende 120 jaar moeten voorzien van een metaal als titanium. De prijs van het eindproduct is afhankelijk van de vraag en een toename van de maakbaarheid, maar varieert gemiddeld in het bereik van 1200 tot 1800 roebel/kg. In omstandigheden van constante technische verbetering worden de kosten van alle productieprocessen aanzienlijk verlaagd door hun tijdige modernisering. China en Rusland hebben de grootste reserves aan titaniumerts en mineralenJapan, Zuid-Afrika, Australië, Kazachstan, India, Zuid-Korea, Oekraïne, Ceylon hebben een grondstofbasis. De afzettingen verschillen in het productievolume en het percentage titanium in het erts, geologische onderzoeken zijn aan de gang, wat het mogelijk maakt om een daling van de marktwaarde van het metaal en het bredere gebruik ervan aan te nemen. Rusland is verreweg de grootste producent van titanium.
Ontvangen
Voor de productie van titanium wordt meestal titaniumdioxide gebruikt, dat een minimale hoeveelheid onzuiverheden bevat. Het wordt verkregen door verrijking van ilmenietconcentraten of rutielertsen. In de vlamboogoven vindt de warmtebehandeling van het erts plaats, die gepaard gaat met de afscheiding van ijzer en de vorming van slak die titaanoxide bevat. De sulfaat- of chloridemethode wordt gebruikt om de ijzervrije fractie te verwerken. Titaanoxide is een grijs poeder (zie foto). Titaniummetaal wordt verkregen door de gefaseerde verwerking ervan.
De eerste fase is het proces van het sinteren van slakken met cokes en blootstelling aan chloordamp. Het resulterende TiCl4 wordt gereduceerd met magnesium of natrium bij blootstelling aan een temperatuur van 850 0C. Titaniumspons (poreuze gesmolten massa), verkregen als resultaat van een chemische reactie, wordt geraffineerd of gesmolten tot ingots. Afhankelijk van de verdere gebruiksrichting wordt een legering of puur metaal gevormd (onzuiverheden worden verwijderd door verhitting tot 1000 0С). Voor de productie van een stof met een onzuiverheidsgeh alte van 0,01% wordt de jodidemethode gebruikt. Het is gebaseerd op het proces:verdamping van een titanium spons voorbehandeld met halogeen, zijn dampen.
Toepassingsgebieden
Het smeltpunt van titanium is vrij hoog, wat, gezien de lichtheid van het metaal, een onschatbaar voordeel is van het gebruik ervan als structureel materiaal. Daarom vindt het de grootste toepassing in de scheepsbouw, de luchtvaartindustrie, de fabricage van raketten en de chemische industrie. Titanium wordt vrij vaak gebruikt als legeringsadditief in verschillende legeringen, die een verhoogde hardheid en hittebestendigheid hebben. Hoge corrosiewerende eigenschappen en het vermogen om de meest agressieve omgevingen te weerstaan, maken dit metaal onmisbaar voor de chemische industrie. Titanium (zijn legeringen) wordt gebruikt om pijpleidingen, tanks, kleppen, filters te maken die worden gebruikt bij de destillatie en het transport van zuren en andere chemisch actieve stoffen. Er is veel vraag naar bij het maken van apparaten die werken in omstandigheden met verhoogde temperatuurindicatoren. Titaniumverbindingen worden gebruikt om duurzame snijgereedschappen, verven, kunststoffen en papier, chirurgische instrumenten, implantaten, sieraden, afwerkingsmaterialen te maken en worden gebruikt in de voedingsindustrie. Alle richtingen zijn moeilijk te beschrijven. De moderne geneeskunde maakt, vanwege de volledige biologische veiligheid, vaak gebruik van titaniummetaal. Prijs is de enige factor die tot nu toe van invloed is op de reikwijdte van de toepassing van dit element. Het is eerlijk om te zeggen dat titanium het materiaal van de toekomst is, door te bestuderen welke mensheid zal passerennaar een nieuwe ontwikkelingsfase.
