Istoria descoperirilor de metale
Totul a început în 1791, când, independent de unul de celălalt, W. Gregor (Anglia) și MG Klaproth (Germania) au primit dioxid de titan, dar nu au reușit să extragă substanțe pure de la acesta. Mineralogistul și, în același timp, preotul Gregor a studiat nisipul de fier negru găsit în vecinătatea parohiei sale. Rezultatul a fost extracția unui compus de granule de titan - strălucitoare, care prin numele "menakin" (din menacanitul mineral) au perpetuat locurile natale ale englezului.
În același timp, chimistul Klaproth, studiind nisipurile roșii aduse din Ungaria, a găsit o substanță nouă în rutilul mineral și la numit "titan". Câțiva ani mai târziu, el a dovedit că rutilul și pământul menacen sunt compuși identici. În 1825, primul eșantion de chimist din titan metalic a fost obținut de chimistul suedez Berzelius, dar acest lucru nu a permis progresul în studiul proprietăților, deoarece impuritățile au făcut ca eșantionul să fie fragil și inadecvat pentru prelucrare.
Doar în 1925, chimistii olandezi van Arkel și de Boer, care aplicau descompunerea termică a iodurii de titan, care nu au găsit o utilizare pe scară largă, au obținut o substanță cu o puritate de 99, 9%. Un astfel de metal avea plasticitate, ar putea fi laminat în foi, sârmă și folie. Acest lucru a permis începerea unui studiu la scară largă a proprietăților fizice și chimice, pentru a atrage atenția inginerilor și a constructorilor, pentru a sublinia domeniul de aplicare. Și deja în 1940, a apărut procesul Krollow pentru recuperarea tetraclorurii de titan cu magneziu, care a fost folosit cu succes până în prezent.
Teorii despre originea numelui
Există două teorii despre originea numelor:
Primul, subliniind proprietățile de bază ale titanului metalic - ușurința și durabilitatea, este asociat cu numele caracterului legendei germane - regina elita Titania.- O altă teorie se referă la mitologia greacă veche, în care titanii au numit frații puternici - divinități de a doua generație, copiii zeilor Uranus și Gaia. Echiile de acest lucru sunt auzite în numele elementului uraniu.
Găsirea titanului în natură
Titanul ocupă al patrulea loc de onoare în ceea ce privește conținutul său în crusta pământului printre cele mai importante metale pentru om, al doilea doar la fier, magneziu și aluminiu. Cantitatea sa maximă este concentrată în stratul inferior, bazaltic, puțin mai puțin - în granit. Având în vedere activitatea chimică ridicată, nu este posibil să se găsească titan în forma sa pură. Cele mai frecvente oxizi tetravalenți, care sunt concentrați în minereurile de crustă din vreme și în lut de mare.
Astăzi există până la 75 de minerale de titan, iar oamenii de știință declară periodic descoperirea tuturor formelor și compușilor noi. Pentru prelucrarea industrială cele mai importante sunt:
Ilmenit.- Leucoxen (produs al schimbărilor ilmenite).
- Rutil.
- Titanit (sferă).
- Perovskit.
- Anatase.
- Titanomagnetic.
- Brooke.
Titanul este un migrant slab, poate fi transportat numai sub formă de fragmente mecanice de rocă sau în timpul mișcării straturilor coloidale de nămoluri ale corpurilor de apă. Biosfera se caracterizează prin conținutul cantităților maxime de acest metal în alge, la animalele care se găsesc în țesuturile de lână și țepuș, prezente în corpul uman în glanda tiroidă, splina, glandele suprarenale și placenta.
Depozite de material spațial
Cele mai frecvente depozite de ilmenit sunt de aproximativ 800 de milioane de tone. Rezervele de minereuri rutile sunt mult mai mici, dar cu menținerea creșterii producției, ele pot asigura omenirea încă 100 de ani. În ceea ce privește rezervele de titan, Rusia este al doilea numai în China și are 20 de depozite explorate. Cele mai multe dintre ele sunt complexe, unde fierul, fosforul, vanadiul și zirconiul sunt, de asemenea, exploatate. Astăzi, compania metalurgică rusă VSMPO-AVISMA este considerată a fi cel mai mare producător de titan din lume .
Depozitele extinse sunt situate în Africa de Sud, Ucraina, Canada, SUA, Brazilia, Australia, Suedia, Norvegia, Egipt, Kazahstan, India și Coreea de Sud. Ele diferă în conținutul de metale din minereuri și volume de producție, studiile geologice nu se opresc. Chiar și pe Lună, s-au descoperit rezerve de minereuri care conțin titan, unele dintre ele fiind de zece ori mai bogate decât depozitele mari ale Pământului. Acest lucru ne permite să sperăm pentru o scădere a prețurilor de piață a metalului și extinderea sferei de utilizare.
Proprietățile fizice ale elementului
Titanul este un element chimic al tabelului periodic, este în grupul IV al celei de-a patra perioade. Are un număr atomic de 22, o masă molară de 47.867, este marcat cu simbolul Ti și prezintă stări de oxidare de la 2 la 4, compușii săi tetravalenți sunt cei mai stabili. Sub presiune normală, punctul de topire al titanului este 1670 ± 2 ° C, se referă la metale refractare neferoase și seamănă cu aspectul oțelului.
Duritatea, plasticitatea și rezistența la curgere sunt parametri importanți pentru orice metal care determină domeniul său de aplicare. Titanul este de 12 ori mai puternic decât aluminiu, de 4 ori cupru și fier. Este, de asemenea, mult mai ușoară decât toate (densitatea titanului este de numai 4, 54 g / cm3) și este prelucrată liber prin metodele de sudare, nituire, forjare și laminare. Caracteristicile importante includ conductivitatea termică scăzută și conductivitatea electrică, care rămân neschimbate chiar și la temperaturi ridicate.
Titanul are proprietăți paramagnetice: nu magnetizează într-un câmp magnetic, cum ar fi nichelul și fierul, și nu este împins ca argint și aur. Proprietățile sale slabe de anti-fricțiune se datorează lipirii de multe materiale. Există indicatori unici de rezistență la coroziune și rezistență la stres mecanic: plăcile din titan, care au rămas timp de zece ani pe fundul mării, nu vor suferi modificări în aspect și compoziție, iar fierul se va descompune complet în acest timp.
Proprietăți chimice
Rezistență ridicată la coroziune datorită faptului că în condiții normale de pe suprafața filmului de oxid de metal este prezent. Cu toate acestea, sub formă de pulbere, chips-uri fine sau sârmă, este capabil să se aprindă și să explodeze. Titanul este rezistent la soluții apoase de clor și multe alcalii și acizi diluați, cu excepția hidrofluoric, ortofosforic și sulfuric. Sudarea și topirea se efectuează în vid, deoarece prin încălzirea ușoară se manifestă una dintre principalele proprietăți ale titanului - absorbția activă a gazelor din atmosfera înconjurătoare.
Reacția cu hidrogen, care începe la 60 ° C, este reversibilă, hidrurile obținute se descompun atunci când sunt încălzite. În aer la o temperatură de 1200 ° C, titanul strălucește cu o flacără albă strălucitoare și poate arde doar într-o atmosferă de azot la temperaturi de peste 400 ° C pentru a forma nitruri. Pentru a interacționa cu halogeni, condițiile necesare sunt absența umidității și prezența unui catalizator - o temperatură ridicată. Reacția cu carbon produce carbură superhardă. Cu cele mai multe metale, titanul formează aliaje rezistente la structuri rezistente sau rezistente la căldură și compuși intermetalici, adesea folosit ca o componentă importantă de aliere.
Metoda de obținere din materii prime
Sucul de alimentare este dioxidul de titan care conține puține impurități. Aceasta necesită un concentrat de rutil, obținut prin îmbogățirea minereului. Dar rezervele sale mondiale sunt mici și, mai des, folosesc zgură de titan (rutil sintetic), obținută prin tratament termic - îmbogățirea concentratelor de ilmenit într-un cuptor cu arc electric. Drept rezultat, fierul sub formă de fontă este colectat la baza unei băi speciale și rămâne o pulbere cenușie - zgură conținând oxid de titan. Este zdrobit, amestecat cu cărbune, brichetat și clorinat în cuptoare, unde, la 800 ° C, se formează vapori de tetraclorură de titan în prezența carbonului.
Apoi ele sunt curățate și reduse în reactoare speciale cu magneziu la 950 ° C. O masă poroasă sinterizată, un burete de titan, este formată pe pereți, care este calcinată în vid pentru a fi separată de compușii de magneziu. Pentru fabricarea lingourilor de titan, buretele obținut este topit în cuptoare cu vacuum. Aceasta protejează metalul de oxidare și contribuie la eliberarea finală din impurități. Lingourile finite cu o puritate de până la 99, 7% sunt utilizate pentru tratarea sub presiune (laminare, ștanțare, forjare).
Principalele aplicații
Este greu de descris toate domeniile vieții în care titanul a găsit un loc, dar printre domeniile principale se poate menționa:
Principalii consumatori sunt știința aerospațială și a rachetelor. Punctele de topire ridicate și ușurința sunt avantaje neprețuite ale titanului atunci când sunt folosite ca materiale de construcție "zburând". Pentru aeronave, de exemplu, acestea sunt elicoptere și rachete, aripi de aripă, conducte și rame. Este profund simbolic faptul că în 1980 monumentul lui Yu. A. Gagarin ridicat în Moscova a fost făcut din acest metal cosmic.- Construcția navelor necesită și materiale ușoare și rezistente la coroziune. La sfârșitul anilor 70 ai secolului al XX-lea, aproape întregul volum anual de producție de titan în Uniunea Sovietică a dus la crearea unui submarin nuclear, unde a servit drept material structural principal. Rezultatul a fost o reducere cu o treime a greutății submarinului, paramagnetismul său, indicatorii maximi ai adâncimii imersiunii și vitezei sub apă.
- Plăcile de titan sunt folosite în armura corpului. Corp ușor pentru corp - 4 kg, greu - 10, 5 kg. Chiar și o astfel de bandă cu o grosime de numai 5 mm protejează fiabil împotriva pistolului și a gloanțelor de pușcă.
- Metalul este indispensabil pentru necesitățile industriei chimice datorită rezistenței sale la coroziune în mediile cele mai agresive și la temperaturi ridicate: instrumente și conducte, rezervoare de depozitare și distilare, filtre și supape de oprire.
- Pentru a obține oțeluri de duritate și rezistență la căldură, este folosit ca aditiv de aliere.
- Aliajele de titan sunt folosite pentru fabricarea de instrumente de tăiere și chirurgicale, bijuterii. Metalul nu este respins de corpul uman, așa că este folosit în medicină pentru a crea implanturi.
De mult timp clădirile din orașele europene erau acoperite cu foi de zinc. În secolul al XX-lea, a fost creat un material zinc-titan ecologic și durabil pentru aceste nevoi. Plasticitatea excelentă ajută la realizarea acoperișului aproape a tuturor circuitelor și la formarea oricărui design non-standard al fațadelor.- Producția de materiale de construcție, vopsele, cauciuc, materiale plastice, hârtie și aditivi alimentari este greu de imaginat fără compuși de titan. Acestea sunt solicitate în domeniul ingineriei electrice, pot fi găsite în compoziția ochelarilor refractari și a pieselor ceramice, în suporturile platformelor de foraj care operează în condiții extreme de mare și în cazul computerelor la domiciliu.
Domeniul de aplicare al titanului se extinde constant, este constrâns de complexitatea și intensitatea energetică a procesului de obținere a unei substanțe pure. Acest lucru este parțial motivul pentru care fierul și aluminiu tradițional își mențin ferm pozițiile astăzi. Titanul este un tratament scump. Prețul metalului sub formă de concentrat este de sute de ori mai mic decât costul produselor finite, cum ar fi foaia de metal. Astăzi, astfel de costuri nu sunt disponibile pentru toată lumea, astfel încât utilizarea titanului determină nivelul dezvoltării economice și al apărării statului.