Rasprostranjen je u zemljinoj kori, gde ga sadrži oko 6%, a po zastupljenosti zauzima četvrto mesto posle aluminijuma, gvožđa i magnezijuma. Međutim, industrijska metoda za njegovu ekstrakciju razvijena je tek 40-ih godina dvadesetog stoljeća. Zahvaljujući napretku u oblasti proizvodnje aviona i raketa, intenzivno se razvijala proizvodnja titanijuma i njegovih legura. To se objašnjava kombinacijom tako vrijednih svojstava titana kao što su niska gustoća, visoka specifična čvrstoća (s u /r × g), otpornost na koroziju, obradivost pri obradi pod pritiskom i zavarljivost, otpornost na hladnoću, nemagnetičnost i niz drugih vrijednih fizičko-mehaničkih karakteristika.
Titanium Basics
Hemijski element sa atomskim brojem 22, atomska težina 47,88, svijetli srebrno-bijeli metal. Gustina 4,51 g/cm3, Tmelt=1668+(-)5 °C, Tboil=3260 °C. Titanijum i legure titana kombinuju lakoću, čvrstoću, visoku otpornost na koroziju, nizak koeficijent toplotnog širenja i sposobnost rada u širokom temperaturnom opsegu.
Istorija otkrića titanijuma
Titanijum oksid TiO2 prvi je otkrio 1789. godine engleski naučnik, specijalista za mineralogiju W. Gregor, koji je, proučavajući magnetski željezni pijesak, izolovao oksid nepoznatog metala, nazvavši ga menakenova. Prvi uzorak metalnog titana dobio je 1825. godine švedski hemičar i mineralog J. Ya.
Svojstva titanijuma
U periodnom sistemu elemenata D.I. Mendeljejeva, titan se nalazi u grupi IV 4. perioda na broju 22. U najvažnijim i najstabilnijim jedinjenjima, metal je četvorovalentan. By izgled izgleda kao čelik. Titanijum je prelazni element. Ovaj metal se topi na prilično visokoj temperaturi (1668±4 °C) i ključa na 3300 °C, latentna toplota topljenja i isparavanja titanijuma je skoro dvostruko veća od željeza.
Postoje dvije poznate alotropske modifikacije titana (dvije varijante titanijuma koje imaju iste hemijski sastav, ali različite strukture i svojstva). Niskotemperaturna alfa modifikacija, koja postoji do 882,5 °C i visokotemperaturna beta modifikacija, stabilna od 882,5 °C do tačke topljenja.
U pogledu gustine i specifičnog toplotnog kapaciteta, titanijum zauzima srednju poziciju između dva glavna strukturna metala: aluminijuma i gvožđa. Također je vrijedno napomenuti da je njegova mehanička čvrstoća otprilike dvostruko veća od čistog željeza i skoro šest puta veća od aluminija. Ali titan može aktivno apsorbirati kisik, dušik i vodik, što naglo smanjuje plastična svojstva metala. Sa ugljenikom, titanijum formira vatrostalne karbide visoke tvrdoće.
Titanijum ima nisku toplotnu provodljivost, koja je 13 puta manja od toplotne provodljivosti aluminijuma i 4 puta manja od toplotne provodljivosti gvožđa. Koeficijent toplinske ekspanzije na sobnoj temperaturi je relativno mali;
Moduli elastičnosti titanijuma su niski i pokazuju značajnu anizotropiju. Moduli elastičnosti karakteriziraju sposobnost materijala da se elastično deformira kada se na njega primjenjuje sila. Anizotropija je razlika u svojstvima elastičnosti ovisno o smjeru sile. Sa porastom temperature na 350 °C, moduli elastičnosti opadaju gotovo linearno. Mala vrijednost modula elastičnosti titanijuma je njegov značajan nedostatak, jer u nekim slučajevima, da bi se dobile dovoljno krute konstrukcije, potrebno je koristiti veće presjeke proizvoda u odnosu na one koje proizlaze iz uvjeta čvrstoće.
Titanijum ima prilično visoku električnu otpornost, koja se, u zavisnosti od sadržaja nečistoća, kreće od 42·10-8 do 80·10-6 Ohm·cm. Na temperaturama ispod 0,45 K postaje supravodič.
Titanijum je paramagnetski metal. Tipično, za paramagnetne tvari, magnetska osjetljivost se smanjuje kada se zagrijavaju. Magnetna osjetljivost karakterizira odnos između magnetizacije tvari i magnetsko polje u ovoj supstanci. Titanijum je izuzetak od ovog pravila - njegova osetljivost se značajno povećava sa temperaturom.
Karakteristike fizičkih i mehaničkih svojstava titanijuma (VT1-00)
| Gustina r, kg/m 3 | 4,5 × 10 –3 |
|---|---|
| Temperatura topljenja T pl , °C | 1668± 4 |
| Koeficijent linearne ekspanzije a × 10 –6 , stepen –1 | 8,9 |
| Toplotna provodljivost l, W/(m × deg) | 16,76 |
| Vlačna čvrstoća s in, MPa | 300–450 |
| Dokaz granice tečenja s 0,2 , MPa | 250–380 |
| Specifična snaga (s in /r × g)× 10 –3 , km | 7–10 |
| Relativno izduženje d, % | 25–30 |
| Relativno suženje Y, % | 50–60 |
| Modul normalne elastičnosti E´ 10 –3, MPa | 110,25 |
| Modul smicanja G´ 10 –3, MPa | 41 |
| Poissonov omjer m, | 0,32 |
| Tvrdoća HB | 103 |
| Čvrstoća udara KCU, J/cm 2 | 120 |
Titanijum ima dve polimorfne modifikacije: a-titanijum sa heksagonalnom zbijenom rešetkom sa tačkama A= 0,296 nm, With= 0,472 nm i visokotemperaturna modifikacija b-titanijuma sa kubičnom telo centriranom rešetkom sa periodom A= 0,332 nm na 900 °C. Temperatura polimorfne a « b -transformacije je 882 °C.
Mehanička svojstva titana značajno zavise od sadržaja nečistoća u metalu. Postoje intersticijske nečistoće - kiseonik, dušik, ugljik, vodonik i zamjenske nečistoće, koje uključuju željezo i silicijum. Iako nečistoće povećavaju čvrstoću, one istovremeno naglo smanjuju duktilnost, a najjače negativno djelovanje imaju intersticijske nečistoće, posebno plinovi. Sa uvođenjem samo 0,003% H, 0,02% N ili 0,7% O, titan u potpunosti gubi sposobnost plastične deformacije i lomi se krto.
Posebno je štetan vodonik, uzrok vodikovo krhkost legura titanijuma. Vodonik ulazi u metal tokom topljenja i naknadne obrade, posebno tokom kiseljenja poluproizvoda. Vodik je slabo rastvorljiv u a-titanijumu i formira hidridne čestice nalik pločama, koje smanjuju udarnu čvrstoću i posebno su negativne u testovima odloženog loma.
Industrijski način proizvodnje titana sastoji se od obogaćivanja i hlorisanja titanijumske rude, nakon čega sledi njena redukcija iz titan tetrahlorida metalnim magnezijumom (magnezijum-termalna metoda). Dobija se ovom metodom titanijumski sunđer(GOST 17746-79), u zavisnosti od hemijskog sastava i mehaničkih svojstava, proizvode se sledeće vrste:
TG-90, TG-100, TG-110, TG-120, TG-130, TG-150, TG-T V (vidi tabelu 17.1). Brojevi označavaju tvrdoću po Brinellu HB, T B - tvrdo.
Da bi se dobio monolitni titan, spužva se melje u prah, presuje i sinteruje ili topi u lučnim pećima u vakuumu ili atmosferi inertnih plinova.
Mehanička svojstva titanijuma karakteriše dobra kombinacija čvrstoće i duktilnosti. Na primjer, tehnički čisti titanijum VT1-0 ima: s in = 375–540 MPa, s 0,2 = 295–410 MPa, d ³ 20%, a po ovim karakteristikama nije inferioran nizu ugljičnih i Cr-Ni čelika otpornih na koroziju.
Visoka duktilnost titana u odnosu na druge metale sa hcp rešetkom (Zn, Mg, Cd) objašnjava se velikim brojem sistema klizanja i twinning sistema zbog niskog omjera With/A= 1.587. Očigledno je to povezano sa visokom hladnom otpornošću titanijuma i njegovih legura (za više detalja, vidi Poglavlje 13).
Kada temperatura poraste na 250 ° C, čvrstoća titana se smanjuje skoro 2 puta. Međutim, Ti legure otporne na toplinu nemaju jednake po specifičnoj čvrstoći u temperaturnom rasponu od 300-600 ° C; na temperaturama iznad 600 ° C, legure titana su inferiorne od legura na bazi željeza i nikla.
Titanijum ima nizak normalni modul elastičnosti ( E= 110,25 GPa) - gotovo 2 puta manje od željeza i nikla, što otežava proizvodnju krutih konstrukcija.
Titan je jedan od hemijski aktivnih metala, ali ima visoku otpornost na koroziju, jer se na njegovoj površini formira stabilan pasivni film TiO 2, čvrsto vezan za osnovni metal i isključujući njegov direktan kontakt sa korozivnom okolinom. Debljina ovog filma obično doseže 5-6 nm.
Zahvaljujući oksidnom filmu, titan i njegove legure ne korodiraju u atmosferi, slatkoj i morskoj vodi, a otporni su na kavitacijsku koroziju i napregnutu koroziju, kao i na kiseline organskog porijekla.
Proizvodnja proizvoda od titanijuma i njegovih legura ima niz tehnoloških karakteristika. Zbog visoke hemijske aktivnosti rastaljenog titanijuma, njegovo topljenje, livenje i elektrolučno zavarivanje obavljaju se u vakuumu ili u atmosferi inertnih gasova.
Prilikom procesnog i radnog zagrevanja, posebno iznad 550–600°C, potrebno je preduzeti mere za zaštitu titanijuma od oksidacije i zasićenja gasom (alfa sloj) (vidi Poglavlje 3).
Titanijum se može dobro presovati kada je vruć i zadovoljavajuće kada je hladan. Lako se valja, kovati i štancati. Titanijum i njegove legure su dobro zavarene otpornim i argon-lučnim zavarivanjem, obezbeđujući visoku čvrstoću i duktilnost zavarenog spoja. Nedostatak titanijuma je njegova loša obradivost zbog njegove sklonosti lepljenju, niske toplotne provodljivosti i loših svojstava protiv trenja.
Glavna svrha legiranja titanijumskih legura je povećanje čvrstoće, otpornosti na toplinu i otpornosti na koroziju. Legure titanijuma sa aluminijumom, hromom, molibdenom, vanadijem, manganom, kositrom i drugim elementima se široko koriste. Legirajući elementi imaju veliki uticaj na polimorfne transformacije titana.
Tabela 17.1
Kvalitete, hemijski sastav (%) i tvrdoća titanijumskog sunđera (GOST 17746-79)
| Brand | Ti, ništa manje | Dosta | tvrdoća NV, 10/1500/30, ne više |
||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fe | Si | Ni | C | Cl | N | O | |||
| TG-90 | 99,74 | 0,05 | 0,01 | 0,04 | 0,02 | 0,08 | 0,02 | 0,04 | 90 |
| TG-100 | 99,72 | 0,06 | 0,01 | 0,04 | 0,03 | 0,08 | 0,02 | 0,04 | 100 |
| TG-110 | 99,67 | 0,09 | 0,02 | 0,04 | 0,03 | 0,08 | 0,02 | 0,05 | 110 |
| TG-120 | 99,64 | 0,11 | 0,02 | 0,04 | 0,03 | 0,08 | 0,02 | 0,06 | 120 |
| TG-130 | 99,56 | 0,13 | 0,03 | 0,04 | 0,03 | 0,10 | 0,03 | 0,08 | 130 |
| TG-150 | 99,45 | 0,2 | 0,03 | 0,04 | 0,03 | 0,12 | 0,03 | 0,10 | 150 |
| TG-TV | 99,75 | 1,9 | – | – | 0,10 | 0,15 | 0,10 | – | – |
Tabela 17.2
Kvalitete i hemijski sastav (%) kovanih legura titanijuma (GOST 19807–91)
| Oznake marke | Ti | Al | V | Mo | Sn | Zr | Mn | Cr | Si | Fe | O | H | N | C |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| VT1-00 | Osnova | – | – | – | – | – | – | – | 0,08 | 0,15 | 0,10 | 0,008 | 0,04 | 0,05 |
| VT1-0 | Isto | – | – | – | – | – | – | – | 0,10 | 0,25 | 0,20 | 0,010 | 0,04 | 0,07 |
| VT1-2 | Isto | – | – | – | – | – | – | – | 0,15 | 1,5 | 0,30 | 0,010 | 0,15 | 0,10 |
| OT4-0 | Isto | 0,4–1,4 | – | – | – | 0,30 | 0,5–1,3 | – | 0,12 | 0,30 | 0,15 | 0,012 | 0,05 | 0,10 |
| OT4-1 | Isto | 1,5–2,5 | – | – | – | 0,30 | 0,7–2,0 | – | 0,12 | 0,30 | 0,15 | 0,012 | 0,05 | 0,10 |
| OT4 | Isto | 3,5–5,0 | – | – | – | 0,30 | 0,8–2,0 | – | 0,12 | 0,30 | 0,15 | 0,012 | 0,05 | 0,10 |
| VT5 | Isto | 4,5–6,2 | 1,2 | 0,8 | – | 0,30 | – | – | 0,12 | 0,30 | 0,20 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| VT5-1 | Isto | 4,3–6,0 | 1,0 | – | 2,0 –3,0 | 0,30 | – | – | 0,12 | 0,30 | 0,15 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| VT6 | Isto | 5,3–6,8 | 3,5–5,3 | – | – | 0,30 | – | – | 0,10 | 0,60 | 0,20 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| VT6s | Isto | 5,3–6,5 | 3,5–4,5 | – | – | 0,30 | – | – | 0,15 | 0,25 | 0,15 | 0,015 | 0,04 | 0,10 |
| VT3-1 | Isto | 5,5–7,0 | – | 2,0–3,0 | – | 0,50 | – | 0,8–2,0 | 0,15–0,40 | 0,2–0,7 | 0,15 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| VT8 | Isto | 5,8–7,0 | – | 2,8–3,8 | – | 0,50 | – | – | 0,20–0,40 | 0,30 | 0,15 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| VT9 | Isto | 5,8–7,0 | – | 2,8–3,8 | – | 1,0–2,0 | – | – | 0,20–0,35 | 0,25 | 0,15 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| VT14 | Isto | 3,5–6,3 | 0,9–1,9 | 2,5–3,8 | – | 0,30 | – | – | 0,15 | 0,25 | 0,15 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| VT20 | Isto | 5,5–7,0 | 0,8–2,5 | 0,5–2,0 | – | 1,5–2,5 | – | – | 0,15 | 0,25 | 0,15 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| VT22 | Isto | 4,4–5,7 | 4,0–5,5 | 4,0–5,5 | – | 0,30 | – | 0,5–1,5 | 0,15 | 0,5–1,5 | 0,18 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| PT-7M | Isto | 1,8–2,5 | – | – | – | 2,0–3,0 | – | – | 0,12 | 0,25 | 0,15 | 0,006 | 0,04 | 0,10 |
| PT-3V | Isto | 3,5–5,0 | 1,2–2,5 | – | – | 0,30 | – | – | 0,12 | 0,25 | 0,15 | 0,006 | 0,04 | 0,10 |
| AT3 | Isto | 2,0–3,5 | – | – | – | – | – | 0,2–0,5 | 0,20–0,40 | 0,2–0,5 | 0,15 | 0,008 | 0,05 | 0,10 |
Bilješka. Zbir ostalih nečistoća u svim legurama je 0,30%, u leguri VT1-00 - 0,10%.
Titanijum- lagani izdržljivi metal srebrno-bijele boje. Postoji u dvije kristalne modifikacije: α-Ti sa heksagonalnom zbijenom rešetkom, β-Ti sa kubičnim tijelom centriranim pakovanjem, temperatura polimorfne transformacije α↔β je 883 °C Titanijum i legure titana kombinuju lakoću, čvrstoću , visoka otpornost na koroziju, nizak toplinski koeficijent ekspanzije, sposobnost rada u širokom temperaturnom rasponu.
Vidi također:
STRUKTURA
Titanijum ima dve alotropske modifikacije. Niskotemperaturna modifikacija, koja postoji do 882 °C, ima heksagonalnu zbijenu rešetku s periodima a = 0,296 nm i c = 0,472 nm. Visokotemperaturna modifikacija ima telo centriranu kockastu rešetku sa periodom a = 0,332 nm.
Polimorfna transformacija (882 °C) sa sporim hlađenjem odvija se po normalnom mehanizmu sa formiranjem ravnoosnih zrna, a sa brzim hlađenjem - prema martenzitnom mehanizmu sa formiranjem igličaste strukture.
Titanijum ima visoku otpornost na koroziju i hemikalije zbog zaštitnog oksidnog filma na njegovoj površini. Ne korodira u slatkoj i morskoj vodi, mineralnim kiselinama, carskoj vodi itd.
NEKRETNINE
Tačka topljenja 1671 °C, tačka ključanja 3260 °C, gustina α-Ti i β-Ti, respektivno, je 4,505 (20 °C) i 4,32 (900 °C) g/cm³, atomska gustina 5,71 × 1022 at/cm . Plastični, zavarljivi u inertnoj atmosferi.
Tehnički titan koji se koristi u industriji sadrži nečistoće kiseonika, azota, gvožđa, silicijuma i ugljenika, koje povećavaju njegovu čvrstoću, smanjuju duktilnost i utiču na temperaturu polimorfne transformacije koja se dešava u rasponu od 865-920 °C. Za tehničke razrede titana VT1-00 i VT1-0, gustina je oko 4,32 g/cm 3 , zatezna čvrstoća 300-550 MN/m 2 (30-55 kgf/mm 2), izduženje ne manje od 25%, tvrdoća po Brinellu 1150 -1650 Mn/m 2 (115-165 kgf/mm 2). Paramagnetski je. Konfiguracija vanjske elektronske ljuske atoma Ti 3d24s2.
Ima visoku viskoznost, sa mašinska obrada sklona lijepljenju za rezni alat, te stoga zahtijeva primjenu posebnih premaza na alat i raznih maziva.
Na uobičajenim temperaturama prekriven je zaštitnim pasivirajućim filmom od TiO 2 oksida, što ga čini otpornim na koroziju u većini okruženja (osim alkalnih). Titanijumska prašina ima tendenciju da eksplodira. Tačka paljenja 400 °C.
REZERVE I PROIZVODNJA
Glavne rude: ilmenit (FeTiO 3), rutil (TiO 2), titanit (CaTiSiO 5).
Od 2002. godine, 90% iskopanog titana korišteno je za proizvodnju titan dioksida TiO 2 . Svjetska proizvodnja titan dioksida iznosila je 4,5 miliona tona godišnje. Potvrđene rezerve titan-dioksida (bez Rusije) su oko 800 miliona tona, prema podacima Geološkog zavoda SAD-a, u pogledu titanijum-dioksida i bez Rusije, rezerve ilmenitnih ruda iznose 603-673 miliona tona, a rutilnih ruda. - 49,7- 52,7 miliona tona Tako će, prema sadašnjoj stopi proizvodnje, dokazane svjetske rezerve titana (bez Rusije) trajati više od 150 godina.
Rusija ima druge najveće rezerve titanijuma na svetu, posle Kine. Baza mineralnih resursa titanijuma u Rusiji sastoji se od 20 ležišta (od kojih je 11 primarnih i 9 aluvijalnih), prilično ravnomerno raspoređenih po celoj zemlji. Najveće od istraženih nalazišta nalazi se 25 km od grada Ukhta (Republika Komi). Rezerve ležišta se procjenjuju na 2 milijarde tona.
Koncentrat titanove rude se podvrgava sumpornoj kiselini ili pirometalurškoj preradi. Proizvod tretmana sumpornom kiselinom je prah titanijum dioksida TiO 2. Koristeći pirometaluršku metodu, ruda se sinteruje sa koksom i tretira hlorom, pri čemu se dobija para titan tetrahlorida, koja se redukuje na 850 °C magnezijumom.
Dobijeni titanijumski „spužva“ se topi i čisti. Koncentrati ilmenita se redukuju u elektrolučnim pećima, nakon čega slijedi hlorisanje nastale titanijumske troske.
PORIJEKLO
Titanijum je na 10. mestu po rasprostranjenosti u prirodi. Sadržaj u zemljinoj kori je 0,57% po težini, u morskoj vodi - 0,001 mg/l. U ultrabazičnim stijenama 300 g/t, u bazičnim stijenama - 9 kg/t, u kiselim stijenama 2,3 kg/t, u glinama i škriljcima 4,5 kg/t. U zemljinoj kori titan je skoro uvek četvorovalentan i prisutan je samo u jedinjenjima kiseonika. Nije pronađeno u slobodnom obliku. U uslovima vremenskih uslova i padavina, titanijum ima geohemijski afinitet sa Al 2 O 3 . Koncentrisan je u boksitima kore trošenja i u morskim glinovitim sedimentima.
Titan se prenosi u obliku mehaničkih fragmenata minerala iu obliku koloida. U nekim glinama se akumulira i do 30% TiO 2 po težini. Minerali titana su otporni na vremenske uslove i formiraju velike koncentracije u naslagama. Poznato je više od 100 minerala koji sadrže titanijum. Najvažniji od njih su: rutil TiO 2, ilmenit FeTiO 3, titanomagnetit FeTiO 3 + Fe3O 4, perovskit CaTiO 3, titanit CaTiSiO 5. Postoje primarne rude titana - ilmenit-titanomagnetit i placer rude - rutil-ilmenit-cirkon.
Nalazišta titana nalaze se u Južnoj Africi, Rusiji, Ukrajini, Kini, Japanu, Australiji, Indiji, Cejlonu, Brazilu, sjeverna koreja, Kazahstan. U zemljama ZND vodeća mjesta u istraženim rezervama titanovih ruda zauzimaju Ruska Federacija (58,5%) i Ukrajina (40,2%).
PRIMJENA
Legure titana igraju važnu ulogu u vazduhoplovna tehnologija, gdje nastoje dobiti najlakšu strukturu u kombinaciji sa potrebnom čvrstoćom. Titanijum je lagan u poređenju sa drugim metalima, ali u isto vreme može da radi na visokim temperaturama. Legure titana koriste se za izradu kućišta, dijelova za pričvršćivanje, kompleta za napajanje, dijelova šasije i raznih jedinica. Ovi materijali se takođe koriste u konstrukciji avionskih mlaznih motora. To vam omogućava da smanjite njihovu težinu za 10-25%. Legure titana se koriste za proizvodnju diskova i lopatica kompresora, dijelova za usis zraka i vodeće lopatice, te pričvršćivača.
Titanijum i njegove legure se takođe koriste u raketnoj nauci. Zbog kratkotrajnog rada motora i brzog prolaska gustih slojeva atmosfere u raketnoj nauci, problemi čvrstoće zamora, statičke izdržljivosti i djelimično puzanja su u velikoj mjeri otklonjeni.
Tehnički titan, zbog svoje nedovoljno visoke termičke čvrstoće, nije pogodan za upotrebu u vazduhoplovstvu, ali je zbog izuzetno visoke otpornosti na koroziju u nekim slučajevima neophodan u hemijska industrija i brodogradnju. Tako se koristi u proizvodnji kompresora i pumpi za pumpanje agresivnih medija kao što su sumporna i hlorovodonična kiselina i njihove soli, cjevovodi, zaporni ventili, autoklavi, razne vrste posuda, filteri itd. Samo titanijum je otporan na koroziju u okruženjima kao što su vlažni hlor, vodene i kisele otopine hlora, stoga je oprema za industriju hlora napravljena od ovog metala. Izmjenjivači topline su napravljeni od titanijuma koji rade u korozivnim sredinama, na primjer, dušična kiselina (nepušeći). U brodogradnji, titan se koristi za proizvodnju propelera, oplata brodova, podmornica, torpeda itd. Školjke se ne lijepe za titan i njegove legure, što naglo povećava otpor plovila dok se kreće.
Legure titanijuma obećavaju za upotrebu u mnogim drugim aplikacijama, ali njihovo širenje u tehnologiji ometaju visoka cena i oskudica titanijuma.
Titanijum - Ti
KLASIFIKACIJA
| Strunz (8. izdanje) | 1/A.06-05 |
| Dana (7. izdanje) | 1.1.36.1 |
| Nickel-Strunz (10. izdanje) | 1.AB.05 |
Element 22 (engleski Titanium, francuski Titane, njemački Titan) otkriven je krajem 18. stoljeća, kada su potraga i analiza novih minerala koji još nisu opisani u literaturi fascinirali ne samo hemičare i mineraloge, već i naučnike amatere. Jedan takav amater, engleski svećenik Gregor, pronašao je crni pijesak pomiješan sa finim prljavo bijelim pijeskom u svojoj župi u dolini Menachan u Cornwallu. Gregor je rastvorio uzorak peska u hlorovodoničkoj kiselini; Istovremeno, 46% željeza je otpušteno iz pijeska. Gregor je ostatak uzorka rastvorio u sumpornoj kiselini, a gotovo sva supstanca je otišla u rastvor, sa izuzetkom 3,5% silicijum dioksida. Nakon isparavanja otopine sumporne kiseline, ostao je bijeli prah u količini od 46% uzorka. Gregor ga je smatrao posebnom vrstom vapna, rastvorljivog u višku kiseline i taloženog kaustičnim kalijumom. Nastavljajući proučavanje praha, Gregor je došao do zaključka da se radi o spoju željeza s nekim nepoznatim metalom. Nakon konsultacija sa svojim prijateljem, mineralogom Hawkinsom, Gregor je objavio rezultate svog rada 1791. godine, predlažući da se novi metal nazove Menachine po dolini u kojoj je pronađen crni pijesak. U skladu s tim, originalni mineral je nazvan menakonit. Klaproth se upoznao s Gregorovom porukom i, nezavisno od njega, počeo je analizirati mineral poznat u to vrijeme kao „crveni mađarski šerl“ (rutil). Ubrzo je uspio izolirati oksid nepoznatog metala iz minerala, koji je nazvao titanijum (Titan) po analogiji s titanima - drevnim mitskim stanovnicima zemlje. Klaproth je namjerno odabrao mitološko ime za razliku od imenovanja elemenata prema njihovim svojstvima, kao što su predložili Lavoisier i Komisija za nomenklaturu Pariške akademije nauka i što je dovelo do ozbiljnih nesporazuma. Sumnjajući da su Gregorov menahin i titanijum isti element, Klaproth je izvršio komparativnu analizu menakonita i rutila i utvrdio identitet oba elementa. U Rusiji krajem 19. veka. titan je izolovan iz ilmenita i detaljno ga je proučavao sa hemijske strane T.E. Istovremeno je uočio neke greške u Klaprothovim definicijama. Elektrolitički čisti titanijum je 1895. dobio Moissan. U ruskoj književnosti ranog 19. veka. titanijum se ponekad naziva i titanijum (Dvigubsky, 1824), a pet godina kasnije tu se pojavljuje naziv titanijum.
DEFINICIJA
Titanijum nalazi se u četvrtom periodu IV grupe sekundarne (B) podgrupe periodnog sistema.
Odnosi se na elemente d-familije. Metal. Oznaka - Ti. Serijski broj - 22. Relativna atomska masa - 47.956 amu.
Elektronska struktura atoma titana
Atom titana sastoji se od pozitivno nabijenog jezgra (+22), unutar kojeg se nalaze 22 protona i 26 neutrona, a 22 elektrona se kreću u četiri orbite.
Fig.1. Šematska struktura atoma titana.
Raspodjela elektrona među orbitalama je sljedeća:
1s 2 2s 2 2str 6 3s 2 3str 6 3d 2 4s 2 .
Vanjski energetski nivo atoma titanijuma sadrži 4 elektrona, koji su valentni elektroni. Oksidacijsko stanje kalcijuma je +4. Energetski dijagram osnovnog stanja ima sljedeći oblik:
Primjeri rješavanja problema
PRIMJER 1
| Vježbajte | Pokažite raspodjelu elektrona po energetskim nivoima u atomima sljedećih elemenata: a) dušika; b) titanijum; c) galijum; d) cezijum; d) volfram. |
| Odgovori | a) 7 N1s 2 2s 2 2p 3 . b) 22 Ti1 s 2 2s 2 2str 6 3s 2 3str 6 3d 2 4s 2 . c) 31 Ga 1 s 2 2s 2 2str 6 3s 2 3str 6 3d 10 4s 2 4str 1 . d) 55 Cs 1 s 2 2s 2 2str 6 3s 2 3str 6 3d 10 4s 2 4str 6 4d 10 5s 2 5str 6 6s 1 . e) 74 W 1 s 2 2s 2 2str 6 3s 2 3str 6 3d 10 4s 2 4str 6 4d 10 5s 2 5str 6 5d 6 6s 2 . |
U periodnom sistemu, hemijski element titan je označen kao Ti (Titan) i nalazi se u sekundarnoj podgrupi grupe IV, u 4. periodu pod atomskim brojem 22. To je srebrno-beli čvrsti metal koji je deo velikog broj minerala. Titanijum možete kupiti na našoj web stranici.
Titanijum su otkrili krajem 18. veka hemičari iz Engleske i Nemačke, William Gregor i Martin Klaproth, nezavisno jedan od drugog sa šest godina razlike. Ime elementa dao je Martin Klaproth u čast drevnih grčkih likova titana (ogromna, snažna, besmrtna stvorenja). Kako se ispostavilo, ime je postalo proročansko, ali je čovječanstvu trebalo više od 150 godina da se upozna sa svim svojstvima titanijuma. Samo tri decenije kasnije bilo je moguće dobiti prvi uzorak metala titanijuma. U to vrijeme praktički se nije koristio zbog svoje krhkosti. 1925. godine, nakon serije eksperimenata, koristeći jodidnu metodu, hemičari Van Arkel i De Boer ekstrahovali su čisti titanijum.
Zbog vrijednih svojstava metala, inženjeri i dizajneri su odmah obratili pažnju na to. Bio je to pravi proboj. Godine 1940. Kroll je razvio magnezijum-termalnu metodu za dobijanje titana iz rude. Ova metoda je i danas aktuelna.
Fizička i mehanička svojstva
Titanijum je prilično vatrostalan metal. Njegova tačka topljenja je 1668±3°C. Po ovom pokazatelju je inferioran u odnosu na metale kao što su tantal, volfram, renijum, niobijum, molibden, tantal, cirkonijum. Titanijum je paramagnetski metal. U magnetnom polju se ne magnetizira, ali se ne istiskuje iz njega. Slika 2
Titanijum ima malu gustinu (4,5 g/cm³) i visoku čvrstoću (do 140 kg/mm²). Ova svojstva se praktički ne mijenjaju na visokim temperaturama. Više je od 1,5 puta teži od aluminijuma (2,7 g/cm³), ali 1,5 puta lakši od gvožđa (7,8 g/cm³). U pogledu mehaničkih svojstava, titanijum je mnogo bolji od ovih metala. U pogledu čvrstoće, titan i njegove legure su u rangu sa mnogim vrstama legiranog čelika.
Titanijum je otporan na koroziju kao i platina. Metal ima odličnu otpornost na uslove kavitacije. Mjehurići zraka formirani u tečnom mediju tijekom aktivnog kretanja titanijskog dijela praktički ga ne uništavaju.
To je izdržljiv metal koji može izdržati lom i plastičnu deformaciju. 12 puta je tvrđi od aluminijuma i 4 puta tvrđi od bakra i gvožđa. Drugi važan pokazatelj je granica popuštanja. Kako se ovaj pokazatelj povećava, otpornost titanijskih dijelova na radna opterećenja se poboljšava.
U legurama sa određenim metalima (posebno nikla i vodika), titanijum je u stanju da "pamti" oblik proizvoda nastao na određenoj temperaturi. Takav proizvod se tada može deformirati i dugo će zadržati ovaj položaj. Ako se proizvod zagrije na temperaturu na kojoj je napravljen, tada će proizvod poprimiti svoj izvorni oblik. Ovo svojstvo se zove “memorija”.
Toplotna provodljivost titanijuma je relativno niska, a koeficijent linearne ekspanzije je shodno tome nizak. Iz ovoga slijedi da je metal loš provodnik struje i topline. Ali na niskim temperaturama to je supravodnik električne energije, što mu omogućava da prenosi energiju na značajne udaljenosti. Titanijum takođe ima visoku električnu otpornost.
Čisti metal titanijuma podleže različitim vrstama hladne i vruće obrade. Može se izvlačiti i žicati, kovati, motati u trake, limove i foliju debljine do 0,01 mm. Od titanijuma se izrađuju sledeće vrste valjanih proizvoda: titanijumska traka, titanijumska žica, titanijumske cevi, titanijumske čahure, titanijumski krug, titanijumska šipka.
Hemijska svojstva
Čisti titanijum je hemijski aktivan element. Zbog činjenice da se na njegovoj površini formira gusti zaštitni film, metal je vrlo otporan na koroziju. Ne podliježe oksidaciji na zraku, u slanoj morskoj vodi i ne mijenja se u mnogim agresivnim hemijske sredine(na primjer: razrijeđena i koncentrirana dušična kiselina, carska voda). Na visokim temperaturama, titan mnogo aktivnije stupa u interakciju s reagensima. Na vazduhu na temperaturi od 1200°C se zapali. Kada se zapali, metal daje jak sjaj. Aktivna reakcija se javlja i sa dušikom, sa stvaranjem žuto-smeđeg nitridnog filma na površini titana.
Reakcije sa hlorovodoničnom i sumpornom kiselinom na sobnoj temperaturi su slabe, ali kada se zagreju, metal se intenzivno otapa. Kao rezultat reakcije nastaju niži kloridi i monosulfat. Slabe interakcije se javljaju i sa fosforom i azotne kiseline. Metal reaguje sa halogenima. Reakcija sa hlorom se odvija na 300°C.
Aktivna reakcija sa vodonikom se javlja na temperaturi malo iznad sobne temperature. Titanijum aktivno apsorbuje vodonik. 1 g titanijuma može apsorbovati do 400 cm³ vodonika. Zagrijani metal razgrađuje ugljični dioksid i vodenu paru. Do interakcije sa vodenom parom dolazi na temperaturama iznad 800°C. Kao rezultat reakcije nastaje metalni oksid, a vodik isparava. Na višim temperaturama, vrući titanijum upija ugljični dioksid i formira karbid i oksid.
Načini dobijanja
Titanijum je jedan od najzastupljenijih elemenata na Zemlji. Njegov sadržaj u utrobi planete po masi je 0,57%. Najveća koncentracija metala je uočena u „bazaltnoj ljusci“ (0,9%), u granitnim stijenama (0,23%) i u ultramafičnim stijenama (0,03%). Postoji oko 70 minerala titana u kojima se nalazi u obliku titanske kiseline ili dioksida. Glavni minerali titanovih ruda su: ilmenit, anataz, rutil, brukit, loparit, leukoksen, perovskit i sfen. Glavni svjetski proizvođači titanijuma su Velika Britanija, SAD, Francuska, Japan, Kanada, Italija, Španija i Belgija.
Postoji nekoliko načina da se dobije titanijum. Svi se oni koriste u praksi i prilično su efikasni.
1. Magnezijum-termički proces.
Ruda koja sadrži titan se kopa i prerađuje u dioksid, koji se polako i na vrlo visokim temperaturama podvrgava kloriranju. Kloriranje se vrši u ugljičnom okruženju. Titanijum hlorid nastao kao rezultat reakcije se zatim redukuje magnezijem. Dobiveni metal se zagrijava u vakuumskoj opremi na visokoj temperaturi. Kao rezultat toga, magnezijum i magnezijum hlorid isparavaju, ostavljajući titanijum sa mnogo pora i šupljina. Titanijumski sunđer se topi kako bi se dobio visokokvalitetni metal.
2. Metoda kalcijum hidrida.
Prvo se dobije titanijum hidrid, a zatim se odvaja na njegove komponente: titan i vodonik. Proces se odvija u bezzračnom prostoru na visokim temperaturama. Nastaje kalcijev oksid koji se ispere slabim kiselinama.
Kalcijum hidridne i magnezijum termalne metode se obično koriste u industrijske razmjere. Ove metode omogućavaju dobijanje značajne količine titanijuma u kratkom vremenskom periodu, uz minimalne novčane troškove.
3. Metoda elektrolize.
Titanijum hlorid ili dioksid je izložen jakoj struji. Kao rezultat, spojevi se raspadaju.
4. Metoda joda.
Titan dioksid reagira s parama joda. Zatim, titanijum jodid se izlaže visokoj temperaturi, što rezultira titanijumom. Ova metoda je najefikasnija, ali i najskuplja. Titanijum se dobija veoma visoke čistoće bez nečistoća i aditiva.
Primena titanijuma
Zbog svojih dobrih antikorozivnih svojstava, titan se koristi za proizvodnju hemijske opreme. Visoka otpornost na toplinu metala i njegovih legura olakšava njegovu upotrebu moderna tehnologija. Legure titanijuma su odličan materijal za izradu aviona, raketa i brodova.
Spomenici su napravljeni od titanijuma. A zvona napravljena od ovog metala poznata su po svom izuzetnom i veoma lepom zvuku. Titan dioksid je sastavni dio nekih lijekova, na primjer: masti protiv kožnih bolesti. Metalna jedinjenja sa niklom, aluminijumom i ugljenikom su takođe veoma tražena.
Titanijum i njegove legure našli su primenu u oblastima kao što su hemijska i prehrambena industrija, obojene metalurgije, elektronika, nuklearna tehnika, energetika, galvanizacija. Od titanijuma i njegovih legura izrađuju se oružje, oklopne ploče, hirurški instrumenti i implantati, sistemi za navodnjavanje, sportska oprema, pa čak i nakit. Tokom procesa nitriranja, na površini metala se formira zlatni film, koji po ljepoti nije inferioran čak ni pravom zlatu.