Титан и его свойства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. История открытия титана

2. Свойства титана

3. Химические соединения титана

4. Физические и механические свойства титана

5. Температурные, электрические и магнитные свойства титана

6. Получение титана

7. Применение титана и его соединений

Литература

1. История открытия титана

Вряд ли можно найти еще один такой металл, история открытия и изучения которого была бы так полна драматических событий, ошибок и заблуждений, как история титана. Первооткрывателем титана считается 28-летний английский монах Уильям Грегор. В 1790 г., проводя минералогические изыскания в своем приходе, он обратил внимание на распространенность и необычные свойства черного песка в долине Менакэна на юго-западе Англии и принялся его исследовать. В песке священник обнаружил крупицы черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновенным магнитом. Будучи минералогом-любителем и имея свою небольшую минералогическую лабораторию, Грегор произвел с этим магнитным минералом несколько опытов: растворил его сначала в соляной, затем в серной кислоте, упарил раствор и получил белый порошок, который при прокалке желтел, а при спекании с углем приобретал голубой цвет. Исследованное природное образование черного цвета Грегор принял за новый, неизвестный ранее минерал, а выделенный из него белый порошок - за новый элемент. Минералу и элементу дали название по местности, где они были найдены: минерал «менакэнит» и элемент «менакин». По сегодняшним представлениям «менакэнит» был смесью ильменита (FeTiO3) и магнетита (FeTiO3(nFe3O4), а белый порошок «менакин» - диоксидом титана.

В 1795 г. немецкий исследователь-химик Мартин Генрих Клапрот, изучая рутил, выделил из него диоксид нового металла - белый порошок, похожий на описанный ранее Грегором. И хотя до получения чистого металла было еще очень далеко - почти полтора столетия, Клапрот известил мир об открытии нового металла, которому дал название «титан». Но почему титан? Вопреки распространенному в те времена правилу французских химиков во главе с Лавуазье - присваивать новым элементам и соединениям имена, отражающие их свойства, у Клапрота был свой принцип. По поводу присвоения новому элементу названия «титан» Клапрот в 1795 г. писал: «Для вновь открываемого элемента трудно подобрать название, указывающее на его свойства, и я нахожу, что лучше всего подбирать такие названия, которые ничего не говорили бы о свойствах и не давали бы, таким образом, повода для превратных толкований. В связи с этим мне захотелось для данной металлической субстанции подобрать, так же как и для урана, имя из мифологии: поэтому я называю новый металлический осадок титаном, в честь древних обитателей Земли». Это название стало поистине пророческим. Мифические жители - титаны, сыновья богини Земли Геи и бога неба Урана, были огромными, сильными, стойкими, добрыми, бессмертными существами, покорителями огня, земных просторов и недр, морей, рек и гор. И открытый металл оказался одним из самых твердых, крепких, стойких. Но чтобы познать все замечательные свойства нового металла и использовать их для своего блага, человечеству потребовалось еще более 150 лет. Чистый титан (содержание примесей менее 0,1%) впервые был получен в 1875 году русским ученым Д.К. Кирилловым, но его работа осталась незамеченной. Полученный в 1925 г. Ван Аркелем и де Буром йодидным методом чистейший титан оказался пластичным и технологичным металлом со многими ценными свойствами, которые привлекли к нему внимание широкого круга конструкторов и инженеров. В 1940 г. Кролль предложил магниетермический способ извлечения титана из руд, который является основным и в настоящее время.

2. Свойства титана

В периодической системе элементов Менделеева титан имеет порядковый номер 22. Атомная масса природного титана, вычисленная по результатам исследований его изотопов, составляет 47,926. Итак, ядро нейтрального атома титана содержит 22 протона. Количество же нейтронов, т.е. нейтральных незаряженных частиц, различно: чаще 26, но может колебаться от 24 до 28. Поэтому и число изотопов титана различно. Всего сейчас известно 13 изотопов элемента № 22. Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов, наиболее широко представлен титан-48, его доля в природных рудах 73,99%. Есть в природе также изотопы с массовыми числами 46, 47, 49 и 50. Среди радиоактивных изотопов титана самый долгоживущий - титан-44 с периодом полураспада около 1000 лет.

Кроме естественных, титан может иметь и целый ряд искусственных изотопов, получаемых с помощью его радиоактивного облучения. Некоторые из них сильнорадиоактивные, с различными сроками полураспада.

Вокруг положительно заряженного ядра титана на четырех орбитах располагаются электроны: на К - два электрона, на L - восемь, на М - 10, на N - два. С орбит N и М атом титана может свободно отдавать по два электрона. Таким образом, наиболее устойчивый ион титана - четырехвалентный. Пятый электрон с орбиты М «вырвать» невозможно, поэтому титан никогда не бывает больше чем четырехвалентным ионом. В то же время с орбит N и М атом титана может отдавать не четыре, а три, два или один электрон. В этих случаях он становится трех-, двух- или одновалентным ионом.

В периодической системе элементов Менделеева титан расположен в группе IVВ, в которую, кроме него, входят цирконий, гафний, курчатовий. Элементы данной группы в отличие от элементов группы углерода (IVА) обладают металлическими свойствами. Хотя титан занимает самое верхнее место в своей подгруппе, он является наименее активным металлическим элементом.

Так, двуокись титана амфотерна, а двуокиси циркония и гафния обладают слабо выраженными основными свойствами. Титан больше, чем другие элементы подгруппы IVВ, близок к элементам подгруппы IVА - кремнию, германию, олову. Четырехвалентный титан отличается от кремния и германия большей склонностью к образованию комплексных соединений различных типов, чем особенно сходен с оловом. Титан и другие элементы подгруппы IVВ очень близки по свойствам к элементам подгруппы IIIВ (группы скандия), хотя и отличаются от последних способностью проявлять большую валентность. Сходство титана со скандием, иттрием, а также с элементами подгруппы VВ - ванадием и ниобием выражается и в том, что в природных минералах титан часто встречается вместе с этими элементами.

Все элементы периодической системы по отношению к титану по их химическому воздействию можно разделить на четыре группы:

1. Элементы, не взаимодействующие с титаном: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra и инертные газы.

2. Элементы, образующие с титаном химические соединения с ковалентной связью, не имеющие или имеющие малую растворимость в титане: H, F, Cl, Br, I, At, O, S, Se, Te, Po.

3. Элементы, образующие с титаном соединения с металлическим характером связи (металлические соединения) и ограниченные твердые растворы: Cu, Ag, Zn, Cd, Hg, Be, Ga, In, Tl, B, Al, Th, C, Si, Ge, Sn, Pb, N, P, As, Sb, Bi, Mn, Te, Re, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir.

4. Элементы, образующие с титаном ?-модификации непрерывных твердых растворов: Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Sc, W.

Таким образом, титан так или иначе взаимодействует с большинством элементов. Это, с одной стороны, создает значительные трудности при получении чистого титана и его сплавов, а с другой стороны, дает возможность получать большое количество разнообразных по составу и свойствам сплавов.

Титан - довольно активный металл; стандартный электродный потенциал системы Ti/Ti²⁺равен -1,63 В. Однако благодаря образованию на поверхности металла плотной защитной пленки титан обладает исключительно высокой стойкостью против коррозии, превышающей стойкость нержавеющей стали. Он не окисляется на воздухе, в морской воде и не изменяется в ряде агрессивных химических сред, в частности в разбавленной и концентрированной азотной кислоте и даже царской водке.

Титан при низкой температуре более устойчив к действию кислорода, чем железо, однако при нагревании на воздухе он сгорает до TiO₂. С хлором титан реагирует примерно при 300?C.

В отличие от циркония и гафния титан растворяется при нагревании в соляной кислоте, образуя в восстановительной атмосфере аквакомплексы Ti(III):

Растворы титана. В водных растворах Ti находится преимущественно в 4-валентном состоянии, но в определенных условиях существуют комплексы, в которых валентность титана равна трем. Малый ионный радиус позволяет ему приобретать заметную долю электронной плотности кислородного донора с образованием прочной ковалентной связи. Значения электроотрицательности для TiOH и TiO - 2,43 и 2,56 соответственно. Сродство ионов Ti⁺⁴ настолько велико, что комплексы практически всегда содержат кислород и образуют в растворах титана(IV) цепи с гидроксильными и кислородными мостиками.

Химия титана даже в разбавленных растворах оказывается связанной с процессами полимеризации.

В растворах титан может находиться в форме простых и комплексных ионов, а также в коллоидно-дисперсном состоянии. Превалирование той или иной формы зависит от условий получения и хранения раствора, его концентрации, содержания примесей и других факторов. Способность Ti вступать в типичные ионные реакции, например в окислительно-восстановительные, свидетельствует о том, что в растворах сернокислые соли диссоциирует на катионы и анионы. Так, превращение сульфата в хлорид при добавлении BaCl₂:

Ti⁴⁺+2SO₄^2-+2Ba²⁺+4Cl^-=2BaSO₄+Ti⁴⁺+4Cl^-

Происходит полно и ион Ti⁴⁺ не изменяется. Кристаллизация солей с четко выраженными стехиометрическими отношениями также является доказательством их ионной природы.

В водных сернокислых растворах существование ионов Ti⁴⁺ невозможно, так как Ti существует в виде гидратных комплексов Ti(H₂O)₆⁴⁺, подвергающихся гидролизу с депротонизацией. С позиций представлений о льдоподобной структуре воды выполненные расчеты по данным кажущихся мольных объемов позволяют предполагать нахождение Ti(H₂O)₆⁴⁺ как в каркасе структуры воды, так и в ее пустотах.

Прямых доказательств существования ионов титанила TiO²⁺ в растворе нет. Однако наличие TiO-группы в ряде соединений не вызывает сомнения. Термохимическим методом показано, что ион титанила обладает в растворе ярко выраженной положительной гидратацией. Гидратные числа, рассчитанные для Ti-форм при мольных соотношениях SO₃ : Ti, равных 2 и 1, составляют 9и 5 соответственно, что близко к минимальным величинам для ионов U⁴⁺, Na⁺ и К⁺, найденным по данным числе переноса электролитов. С ростом концентрации титана гидратные числа уменьшаются и к моменту кристаллизации сульфатов становятся близкими к числу молекул Н₂О на атом Ti, прочно связанных в твердой фазе.

Гидролиз титансодержащих ионов или нейтральных молекул в сернокислых растворах - сложный физико-химический процесс. В нем различают несколько стадий: взаимодействие сульфатов титана с водой с их переходом в основные сульфаты, образование и рост мицелл гидроокиси, коагуляция мицелл с выпадением осадка. Процесс гидролиза сульфатов титана может быть представлен последовательными реакциями:

Взаимодействие титана с азотом. В результате взаимодействия титана с азотом образуется нитрид титана (TiN). Цвет нитрида титана изменяется от светло-коричневого до бронзово-желтого.

На воздухе до 300?С титан незначительно взаимодействует с азотом. Этот факт подтверждает, что на воздухе прежде всего образуется окисная пленка, которая в значительной степени защищает титан от взаимодействия с азотом. При повышении температуры до 400?С начинается некоторое растворение окисной пленки в глубь металла, происходит нарушение структуры поверхностной пленки, в результате чего взаимодействие титана с азотом воздуха интенсифицируется.

В среде азота взаимодействие титана с азотом при 20?С обнаруживается только по изменению цвета поверхности металла.

Азот способен растворяться в титане; до 550?С диффузия ионов азота в глубь металла протекает медленно, но резко активизируется при 700?С. Даже незначительное содержание азота в титане приводит к заметному увеличению его твердости. Азотирование является эффективным средством повышения износоустойчивости титана.

Взаимодействие титана с водой. При химическом взаимодействии титана с водой по схеме

протекают одновременно два процесса: поглощение титаном водорода и образование окисных соединений.

Увеличение содержания кислорода в титановой губке при окислении в воде при температуре до 100?С пропорционально квадрату температуры

Окисление титана в воде протекает интенсивно; увеличение содержания кислорода в титане в результате взаимодействия с водой более чем в десять раз превышает окисление на воздухе при тех же температурах, содержание водорода в титане после контакта с водой возрастает в 3-4 раза.

Взаимодействие титана с водородом. При взаимодействии титана с водородом образуется гидрид титана (TiH₂). Кроме того, титан поглощает около 30% (ат.) водорода, который занимает октаэдрические пустоты решетки. Если адсорбировано незначительное количество водорода, то наблюдается только расширение кристаллической решетки без изменения типа ее структуры. Дальнейшая адсорбция создает значительное напряжение. Более богатой водородом фазе соответствует формула TiH₂.

Адсорбированный при повышенных температурах водород не остается только на поверхности. Водород диффундирует в титан с очень большими скоростями. Так, например, при 500?С коэффициент диффузии водорода в ?-титане составляет 1,5?10^-5 см²/сек.

Высокая скорость диффузии водорода в титане определяет высокую интенсивность их взаимодействия. Диффузия водорода в титан происходит через щели и другие места нарушения структуры металла. За этим быстрым процессом следует медленная диффузия водорода и его растворение в металле с образованием твердого раствора. После того как образование твердого раствора будет закончено, значительное количество водорода может быть адсорбировано на поверхности межкристаллитных щелей, что приведет к поглощению водорода в количестве, большем стехиометрического.

Поглощение титаном водорода - процесс обратимый, при температуре выше 800?С водород может быть полностью удален из титана.

Тщательная дегазация позволяет устранить один из продуктов реакции титана с водой, однако окисные соединения полностью остаются в металле и приводят к ухудшению его качества. В связи с тем, что первым этапом взаимодействия титана с водой является физическая адсорбция паров воды из воздуха, этому процессу должно быть уделено особое внимание

3. Химические соединения титана

С одновалентными галогенами (фтором, бромом, хлором и йодом) он может образовывать ди- три- и, тетрасоединения, с серой и элементами ее группы (селеном, теллуром) - моно- и дисульфиды, с кислородом - оксиды, диоксиды и триоксиды. Титан образует также соединения с водородом (гидриды), азотом (нитриды), углеродом (карбиды), фосфором (фосфиды), мышьяком (арсиды), а также соединения со многими металлами - интерметаллиды. Образует титан не только простые, но и многочисленные комплексные соединения, известно немало его соединений с органическими веществами.

Как видно из перечня соединений, в которых может участвовать титан, он химически весьма активен. И в то же время титан является одним из немногих металлов с исключительно высокой коррозионной стойкостью: он практически вечен в атмосфере воздуха, в холодной и кипящей воде, весьма стоек в морской воде, в растворах многих солей, неорганических и органических кислотах. По своей коррозионной стойкости в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благородных - золота, платины и т.п., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие сплавы. В воде, во многих агрессивных средах чистый титан не подвержен коррозии. Почему же это происходит? Почему так активно, а нередко и бурно, с взрывами, реагирующий почти со всеми элементами периодической системы титан стоек к коррозии? Дело в том, что реакций титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакции. Связано это с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, хорошо срастающаяся с металлом тончайшая (в несколько ангстрем (1А=10-10м) пленка диоксида титана, предохраняющая его от дальнейшего окисления. Если даже эту пленку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка появляется вновь, и металл, как говорят, ею «пассивируется», т. е. защищает сам себя от дальнейшего разрушения.

Рассмотрим несколько подробнее поведение чистого титана в различных агрессивных средах. Противостоит титан и эрозионной коррозии, происходящей в результате сочетания химического и механического воздействия на металл. В этом отношении он не уступает лучшим маркам нержавеющих сталей, сплавам на основе меди и другим конструкционным материалам. Хорошо противостоит титан и усталостной коррозии, проявляющейся часто в виде нарушений целостности и прочности металла (растрескивание, локальные очаги коррозии и т. п.). Поведение титана во многих агрессивных средах, в таких, как азотная, соляная, серная, «царская водка» и другие кислоты и щелочи, вызывает удивление и восхищение этим металлом.

В азотной кислоте, являющейся сильным окислителем, в котором быстро растворяются очень многие металлы, титан исключительно стоек. При любой концентрации азотной кислоты (от 10 до 99%-ной), при любых температурах скорость коррозии титана не превышает 0,1-0,2 мм/год. Опасна только красная дымящая азотная кислота, пересыщенная (20% и более) свободными диоксидами азота: в ней чистый титан бурно, со взрывом, реагирует. Однако стоит добавить в такую кислоту хотя бы немного воды (1-2% и более), как реакция заканчивается и коррозия титана прекращается.

В соляной кислоте титан стоек лишь в разбавленных ее растворах. Например, в 0,5%-ной соляной кислоте даже при нагревании до 100° С скорость коррозии титана не превышает 0,01 мм/год, в 10%-ной при комнатной температуре скорость коррозии достигает 0,1 мм/год, а в 20%-ной при 20° С-0,58 мм/год. При нагревании скорость коррозии титана в соляной кислоте резко повышается. Так, даже в 1,5%-ной соляной кислоте при 100°С скорость коррозии титана составляет 4,4 мм/год, а в 20%-ной при нагревании до 60°С - уже 29,8 мм/год. Это объясняется тем, что соляная кислота, особенно при нагревании, растворяет пассивирующую пленку диоксида титана и начинается растворение металла. Однако скорость коррозии титана в соляной кислоте при всех условиях остается ниже, чем у нержавеющих сталей.

В серной кислоте слабой концентрации (до 0,5-1% ) титан стоек даже при температуре раствора до 50-95° С. Стоек он и в более концентрированных растворах (10-20%-ных) при комнатной температуре, в этих условиях скорость коррозии титана не превышает 0,005-0,01 мм/год. Но с повышением температуры раствора титан в серной кислоте даже сравнительно слабой концентрации (10-20%-ной) начинает растворяться, причем скорость коррозии достигает 9-10 мм/год. Серная кислота, так же как и соляная, разрушает защитную пленку диоксида титана и повышает его растворимость. Ее можно резко понизить, если в растворы этих кислот добавлять определенное количество азотной, хромовой, марганцевой кислот, соединений хлора или других окислителей, которые быстро пассивируют поверхность титана защитной пленкой и прекращают его дальнейшее растворение. Вот почему титан практически единственный металл, не растворяющийся в «царской водке»: в ней при обычных температурах (10-20° С) коррозия титана не превышает 0,005 мм/год. Слабо корродирует титан и в кипящей «царской водке», а ведь в ней, как известно, многие металлы, и даже такие, как золото, растворяются почти мгновенно.

Очень слабо корродирует титан в большинстве органических кислот (уксусной, молочной, винной), в разбавленных щелочах, в растворах многих хлористых солей, в физиологическом растворе. А вот с расплавами хлоридов при температуре выше 375°С титан взаимодействует очень бурно.

В расплаве многих металлов чистый титан обнаруживает удивительную стойкость. В жидких горячих магнии, олове, галлии, ртути, литии, натрии, калии, в расплавленной сере титан практически не корродирует, и лишь при очень высоких температурах расплавов (выше 300-400°С) скорость его коррозии в них может достигать 1 мм/год. Однако есть немало агрессивных растворов и расплавов, в которых титан растворяется очень интенсивно. Главный «враг» титана - плавиковая кислота (HF). Даже в 1%-ном ее растворе скорость коррозии титана очень высока, а в более концентрированных растворах титан «тает», как лед в горячей воде. Фтор - этот «разрушающий все» (греч.) элемент - бурно реагирует практически со всеми металлами и сжигает их.

Не может противостоять титан кремнефтористоводородной и фосфорной кислотам даже слабой концентрации, перекиси водорода, сухим хлору и брому, спиртам, в том числе спиртовой настойке йода, расплавленному цинку. Однако стойкость титана можно увеличить, если добавить различные окислители - так называемые ингибиторы, например, в растворы соляной и серной кислот -азотную и хромовую. Ингибиторами могут быть и ионы различных металлов в растворе: железо, медь и др.

В титан можно вводить некоторые металлы, повышающие его стойкость в десятки и сотни раз, например до 10% циркония, гафния, тантала, вольфрама. Введение в титан 20-30% молибдена делает, этот сплав настолько устойчивым к любым концентрациям соляной, серной и других кислот, что он может заменить даже золото в работе с этими кислотами. Наибольший эффект достигается благодаря добавкам в титан четырех металлов платиновой группы: платины, палладия, родия и рутения. Достаточно всего 0,2% этих металлов, чтобы снизить скорость коррозии титана в кипящих концентрированных соляной и серной кислотах в десятки раз. Следует отметить, что благородные платиноиды

влияют лишь на стойкость титана, а если добавлять их, скажем, в железо, алюминий, магний, разрушение и коррозия этих конструкционных металлов не уменьшаются.

4. Физические и механические свойства титана

Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время считалось, что он плавится при 1800° С, однако в середине 50-х гг. английские ученые Диардорф и Хейс установили температуру плавления для чистого элементарного титана. Она составила 1668±3° С. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, рений, молибден, платиноиды, цирконий, а среди основных конструкционных металлов он стоит на первом месте.

Важнейшей особенностью титана как металла являются его уникальные физико-химические свойства: низкая плотность, высокая прочность, твердость и др. Главное же, что эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.

Титан-легкий металл, его плотность при 0°С составляет всего 4,517 г/см8, а при 100° С - 4,506 г/см3. Титан относится к группе металлов с удельной массой менее 5 г/см3. Сюда входят все щелочные металлы (натрий, кадий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9-1,5 г/см3, магний (1,7 г/см3), алюминий (2,7 г/см3) и др. Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия, и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см3). Однако, занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам во много раз их превосходит.

Каковы же эти свойства, которые позволяют широко использовать титан как конструкционный материал? Прежде всего, прочность металла, т.е. его способность сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластические деформации). Титан обладает значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза-железа и меди. Еще одна важная характеристика металла - предел текучести. Чем он выше тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия. Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5-2 раза. Его высокие механические свойства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов.

Чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать и даже делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм.

Интересно отметить, что титан долгие годы, вплоть до получения чистого металла, рассматривали как очень хрупкий материал. Связано это было с наличием в титане примесей, особенно водорода азота, кислорода, углерода и др. Если увеличение содержания кислорода и азота сразу сказывается на их механических свойствах, то влияние водорода более сложное и может проявляться не сразу, а в процессе эксплуатации изделия. Недооценка этого влияния при первых шагах применения титана привела к серьезным авариям. Многочисленные случаи неожиданных хрупких разрушений готовых титановых конструкций в авиации США даже стали причиной некоторого кризиса в производстве титана в 1945-1955 гг. Сегодня же водород специально вводят в титановые сплавы, как временный или постоянный легирующий элемент. Это позволяет сильно упростить многие технологические операции при изготовлении титановых изделий (горячую обработку давлением, резание, сварку, формовку) и улучшить их свойства. При необходимости водород удаляют отжигом в вакууме.

Титан имеет еще одно замечательное свойство - исключительную стойкость в условиях кавитации, т. е. при усиленной «бомбардировке» металла в жидкой среде пузырьками воздуха, которые образуются при быстром движении или вращении металлической детали в жидкой среде. Эти пузырьки воздуха, лопаясь на поверхности металла, вызывают очень сильные микроудары жидкости о поверхность движущегося тела. Они быстро разрушают многие материалы, и металлы в том числе, а вот титан прекрасно противостоит кавитации.

Испытания в морской воде быстровращающихся дисков из титана и других металлов показали, что при вращении в течение двух месяцев титановый диск практически не потерял в массе. Внешние края его, где скорость вращения, а следовательно, и кавитация максимальны, не изменились. Другие диски не выдержали испытания: у всех внешние края оказались поврежденными, а многие из них вовсе разрушились.

Титан обладает еще одним удивительным свойством-«памятью». В сплаве с некоторыми металлами (например, с никелем, и особенно с никелем и водородом) он «запоминает» форму изделия, которую из него сделали при определенной температуре. Если такое изделие потом деформировать, например, свернуть в пружину, изогнуть, то оно останется в таком положении на долгое время. После нагревания до той температуры, при которой это изделие было сделано, оно принимает первоначальную форму. Это свойство титана широко используется в космической технике (на корабле разворачиваются вынесенные в космическое пространство большие антенны, до этого компактно сложенные). Недавно это свойство титана стали использовать медики для бескровных операций на сосудах: в больной, суженный сосуд вводится проволочка из титанового сплава, а потом она, разогреваясь до температуры тела, скручивается в первоначальную пружинку и расширяет сосуд.

5. Температурные, электрические и магнитные свойства титана

Титан обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(мК), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз-магния, в 17-20 раз-алюминия и меди. Соответственно и коэффициент линейного термического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных материалов: при 20С⁰ он в 1,5 раза ниже, чем у железа, в 2 - у меди и почти в 3 - у алюминия. Таким образом, титан - плохой проводник электричества и тепла. Проводов из него не сделаешь, а вот то, что он один из очень немногих металлов является при низких температурах сверхпроводником электричества, открывает ему большие перспективы в электрической технике, передачи энергии на большие расстояния. Титан - парамагнитный металл: он не намагничивается, как железо, в магнитном поле, но и не выталкивается из него, как медь. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойство можно использовать при строительстве, например, немагнитных кораблей, приборов, аппаратов.

В отличие от большинства металлов титан обладает значительным электросопротивлением: если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия - 60, железа и платины -15, а титана-всего 3,8. Вряд ли нужно объяснять, что это свойство, как и немагнитность, представляет интерес для радиоэлектроники и электротехники.

6. Получение титана

Цена - вот что ещё тормозит производство и потребление, титана. Собственно, высокая стоимость - не врожденный порок титана. В земной коре его много - 0,63%. Минералы, содержащие титан находятся повсеместно. Важнейшие из них титаномагнетиты FeTiO3(nFe3O4, ильменит FeTiO3, сфен CaTiSiO5 и рутил TiO2. (В России месторождения титановых руд находятся на Урале, а крупнейший производитель Верхне-Салдинское ПО). Среди конструкционных металлов титан по распространенности занимает четвертое место, уступая лишь алюминию, железу и магнию. Высокая цена титана - следствие сложности извлечения его из руд и применение вакуумного оборудования при переплавке. При промышленном получении титана руду или концентрат переводят в диоксид титана, который затем хлорируют. Однако даже при 800-1000С⁰ хлорирование протекает медленно. С достаточной для практических целей скоростью оно происходит в присутствии углерода, связывающего кислород в основном в CO₂:

TiO₂+2Cl₂+2C=TiCl₄+2CO

Хлорид титана (IV) восстанавливают магнием

TiCl₄+2Mg=Ti+2MgCl₂

а образующуюся смесь подвергают нагреванию в вакууме. При этом магний и его хлорид испаряются и осаждаются в конденсаторе. Остаток - губчатый титан - переплавляют, получая компактный ковкий металл. Для очистки от кислорода, углерода и других вредных примесей восстановление титана проводят в герметичной аппаратуре в атмосфере аргона, а очистку и переплавку в глубоком вакууме.

Для получения титана высокой чистоты применяют иодидный метод, предложенный еще в 1925 году. Суть этой технологии, в деталях разработана в 30-х гг. немецким химиком Вильгельмом Кроллем, и заключается в следующем. Черновой металл, загрязненный примесями, нагретый до 100-200°С, взаимодействуя с йодом, образует четырехйодистый титан. Дальнейшее нагревание йодида до температуры примерно 1300-1500°С приводит к его разложению на титан и йод. Причем парообразный йод соединяется снова с черновым металлом, а титан осаждается на раскаленной поверхности затравки из титана же. Примеси, находящиеся в черновом металле, взаимодействуют с йодом и не попадают на раскаленный чистый титан.

Ti(загрязненный)+2I2(газ)(100-200(С(TiI4(газ) (1300-

1500(С(Ti(чистый)+2I2(газ)

7. Применение титана и его соединений

Выше, описывая свойства, коротко уже упоминались отдельные области применения титановых сплавов. Сегодня титановые сплавы широко применяют в авиационной технике. Титановые сплавы в промышленном масштабе впервые были использованы в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Применение титана в конструкции реактивных двигателей позволяет уменьшить их массу на 10...25%. В частности, из титановых сплавов изготавливают диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника, направляющего аппарата и крепежные изделия. Титановые сплавы незаменимы для сверхзвуковых самолетов. Рост скоростей полета летательных аппаратов привел к повышению температуры обшивки, в результате чего алюминиевые сплавы перестали удовлетворять требованиям, которые предъявляются авиационной техникой сверхзвуковых скоростей. Температура обшивки в этом случае достигает 246...316 °С. В этих условиях наиболее приемлемым материалом оказались титановые сплавы.

В 70-х годах существенно возросло применение титановых сплавов для планера гражданских самолетов. В среднемагистральном самолете ТУ-204 общая масса деталей из титановых сплавов составляет 2570 кг.

Постепенно расширяется применение титана в вертолетах, главным образом, для деталей системы несущего винта, привода, а также системы управления. Важное место занимают титановые сплавы в ракетостроении.

Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде титан и его сплавы находят применение в судостроении для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении.

Постепенно области применения титана расширяются. Титан и его сплавы применяют в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, цветной металлургии, энергомашиностроении, электронике, ядерной технике, гальванотехнике, при производстве вооружения, для изготовления броневых плит, хирургического инструмента, хирургических имплантатов, опреснительных установок, деталей гоночных автомобилей, спортинвентаря (клюшки для гольфа, снаряжение альпинистов), деталей ручных часов и даже украшений. Азотирование титана приводит к образованию на его поверхности золотистой пленки, по красоте не уступающей настоящему золоту.

Из титана созданы памятники Ю.А. Гагарину и монумент покорителям космоса в Москве, обелиск в честь успехов освоения Вселенной в Женеве.

Совершенно необычный аспект применения титана - колокольный звон. Колокола, отлитые из этого металла, обладают необычайным, очень красивым звучанием.

Из соединений титана наиболее широко применяется двуокись. В 1908 г. в США и Норвегии началось изготовление белил не из соединений свинца и цинка, как делалось прежде, а из двуокиси титана. Такими белилами можно окрасить в несколько раз большую поверхность, чем тем же количеством свинцовых или цинковых белил. К тому же у титановых белил больше отражательная способность они не ядовиты и не темнеют под действием сероводорода! В медицинской литературе описан случай, когда человек за один раз «принял» 460 г двуокиси титана! (Интересно, с чем он ее спутал?) «Любитель» двуокиси титана не испытал при этом никаких болезненных ощущений. Двуокись титана входит в состав некоторых медицинских препаратов, в частности мазей против кожных болезней.

Однако не медицина, а лакокрасочная промышленность потребляет наибольшие количества TiO₂. Мировое производство этого соединения намного превысило полмиллиона тонн в год. Эмали на основе двуокиси титана широко используют в качестве защитных и декоративных покрытий по металлу и дереву в судостроении, строительстве и машиностроении. Срок службы сооружений и деталей при этом значительно повышается. Титановыми белилами окрашивают ткани, кожу и другие материалы.

Двуокись титана входит в состав фарфоровых масс, тугоплавких стекол, керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Как наполнитель, повышающий прочность и термостойкость, ее вводят в резиновые смеси.

Среди новых материалов, которым наука приписывает большое будущее, следует отметить соединения титана с алюминием и никелем и углеродом. О свойствах никелида титана упоминалось выше. Интерметаллиды Ti₃Al, TiAl, TiAl₃ предполагается использовать при рабочих температурах до 700⁰С. Карбиды титана обладают очень высокой твердостью и износостойкостью, сто позволяет использовать их вместо алмазных насадок в качестве режущего инструмента.

титан металл магнитный

Литература

1. Н.Л. Глинка. Общая химия - Л.: Химия, 1981, - 720 с.;

Размещено на Allbest.ru