Властивості титану

ТИТАН (Titanium; по імені давньо-грец. Богів Титанів), Ti – хім. елемент IV групи періодичної системи елементів; ат. н. 22, ат. м. 47,90. У з’єднаннях виявляє ступінь окислення переважно. +4, Рідше +3 і +2. Метал світло-сірого кольору. Природний Т.- суміш стабільних ізотопів з масовими числами 46 (7,99%), 47 (7,32%), 48 (73,99%), 49 (5,46%) і 50 (5,25%). Виявлені також радіоактивні ізотопи з масовими числами 43-45, кількість яких брало не перевищує тисячних часток відсотка. Штучно отримані радіоактивні ізотопи з масовими числами 41, 42, 51 і 52, їх періоди напіврозпаду – хвилини і менше. Вперше Т. у вигляді двоокису виявив (+1789) англ. любитель-мінералог У. Дж. Грегор, назвавши його меначіном. У 1795 нім. хімік М. Г. Клапрот знайшов, що мінерал рутил є окисел нового елемента, названого ним титаном, а в 1797 встановив ідентичність Т. і меначіна.

Металевий Т., але з великою кількістю домішок, вперше виділив (1825) швед, хімік і мінералог Й. Я. Берцеліус. Т.- досить поширений елемент. Зміст його в земній корі 0,63%. Утворює понад 100 мінералів, з них найважливіші – рутил, ільменіт FeTiOg, тітаномагнетіт FeTiOs х Fe304, перовскит і титаніт (сфен) CaOTi02Si02. Атомний радіус титану 1,46 А, іонний радіус Ti4 + становить 0,64 А. Енергія іонізації Ti ° → Ti⁺ → Ti²⁺ → Ti³⁺ → Ti⁴⁺ відповідно 6,83, 13,57; 28,14 і 43,24 ев. Т. існує у двох кристалічних модифікаціях. Низькотемпературна альфа-модифікація має гексагональну плотноупакованвую решітку з періодами а = 2,9504 Аве = 4,6833 А (т-ра 25 ° С), високотемпературна бета-модифікація – кубічну об’емноцентрірованной з періодом а = 3,3065А (т-ра 900 ° С). Т-ра поліморфного альфа ^ ± бета-перетворення 882,5 ° С. Загартованістю бета-титан не зберігається, в процесі охолодження відбувається Бездифузійний р А’-перетворення. Домішки сильно змінюють св-ва металевого титан а. Наведені нижче величини відносяться до Т. високої чистоти: tпл 1668 ° С; tкип +3260 ° С; теплота плавлення, випаровування і поліморфного перетворення відповідно 5,0; 112,5 і 0,813 ккал / г-атом. Щільність (т-ра 25 ° С) 4,51 г / см3; питома теплоємність (т-ра 25 ° С) 0,125 кал / г- град; коеф. теплопровідності 0,04 кал / см сек – град (в інтервалі т-р 0-200 ° C; коеф. лінійного розширення 8,5 • 10-6 град-1 (в інтервалі т-р 0-100 ° С); питомий електричний опір (т-ра 0 ° С) 42 мком см; температурний коеф. електр. опору 0,0055 град-1; критична т-ра переходу в надпровідний стан нижче 0,53 К.

Метал парамагнитен, його питома магнітна сприйнятливість (т-ра 20 ° С) 3,16-10-6. Тиск насиченої пари (т-ра 1 490 ° С) 2 • 10 4 мм рт. ст. Т. володіє високими хутро. характеристиками. Е го св-ва мало змінюються в широкому інтервалі т-р, але сильно залежать від .чістоти металу і попередньої хутро. і термічної обробки. У Т. високої чистоти (йодідного), відпаленого у вакуумі при т-рі 800 ° С, межа міцності на розтяг 25-27 кгс / мм2, межа плинності 14-17 кгс / мм2, відносне подовження 55-70%, модуль норм, пружності 9850-10 900 кгс / мм2, HB = 73. У магніетерміческого Т., плавленого в дугового печі, а потім відпаленого, ці величини відповідно 30-55; 41-48; 25-45; І 200- 14500 і 90-150. На хутро. характеристики Т. особливо різко впливають домішки водню, азоту, кисню і вуглецю. Водень (0,01-0,005%) знижує ударну в’язкість, обумовлюючи водневу крихкість. Ефективний спосіб боротьби з такою крихкістю – вакуумирование сплавів. Азот, кисень і вуглець (до 1%) збільшують твердість і міцність, значна знижуючи пластичність. Так, напр., Т., що містить більше 0,5% N, стає крихким і не може бути прокачаний. Холодне деформування помітно упрочняет метал. Так, межа міцності на розтяг йодідного Т., відпаленого у вакуумі при т-рі 800 ° С, після обтиску на 50% зростає до 68- 75 кгс / мм2, відносне подовження знижується до 5-11%. Т. має високу корозійну стійкість при низьких і помірних т-рах. При високій т-рі його хім. активність різко зростає.

На повітрі при звичайній т-рі Т. стійкий. При нагріванні до т-ри 400-600 ° С покривається захисною окіснонітрідной плівкою, при більш високих т-рах захисні св-ва окалини швидко погіршуються. Т. стійок у воді, в т. Ч. Морський, розчинах більшості хлоридів, розведених розчинах лугів, соляної та сірчаної к-т. З підвищенням концентрації к-ти і т-ри швидкість корозії Т. в соляній і сірчаній к-тах збільшується, особливо при наявності розчинних фторидів або окислювачів. У азотної к-ті Т. пасивується. Розчиняється в плавиковою к-ті (особливо добре в суміші її з азотною к-тій) і в розплавлених лугах і перекису, сильно кородує в розплавлених хлоридах лужних металів при наявності повітря. Характерним св-вом Т. є здатність активно поглинати гази – водень, азот і кисень.

При поглинанні водню спершу утворюються тверді розчини, а потім гідриди TiH і TiH2. Нагріванням у вакуумі (т-ра 800-900 ° С) поглинений водень може бути повністю вилучений. При нагріванні Т. в значній мірі розчиняє азот і кисень, утворюючи з ними тверді розчини впровадження. Зі збільшенням вмісту азоту і кисню утворюються нітриди й окисли титану. Окисли TiO, Ti203 і ТiO2 відповідають ступенів окислення металу. Відомі проміжні оксиди. На відміну від водню поглинені азот і кисень вакуумируют-ристанням видалити не можна. При т-рі більше 1000 ° С Т. взаємодіє з вуглецем і углеродсодержащими газами (СО, СH4 та ін.) З утворенням карбіду TiC. Нітрид TiN і карбід TiC – тверді, тугоплавкі, хімічно стійкі металлоподобниє з’єднання з кристалічною струк-турою типу NaCl, відносяться до впровадження фазам. З галогенами Т. взаємодіє при порівняно низьких т-рах (100-200 ° С) з утворенням легколетких вищих галогенідів TiX4 (відомі також галогеніди TiX3 і TiX2).

З халькогенами, фосфором, кремнієм, бором та ін. Неметалами реагує при більш високих т-рах з утворенням численних сполук різної стехіометрії (напр., Ti3Si, Ti5Si3, Ti6Si4, TiSi, TiSi2) і кристалічної структури (типів FeB, Mn5Si3, NiAs і ін.). Практично найбільш важливими сполуками Т. є двоокис ТiO2, чотирихлористий TiCl4 і че-тирехйодістий титан Til4, карбід TiC, нітрид TiN, фторотитанати K2TiF6 і Na2TiF6 та ін. Т. сплавляється з усіма металами, крім лужних і лужноземельних. У потрійній системі з міддю і сріблом спостерігається його часткова несмешиваемость в рідкому стані. Із перехідними металами Т. утворює широкі області бета-твердих розчинів (зі скандієм і металами IV- VI груп – необмежені тверді розчини) і порівняно вузькі – альфа-твердих розчинів. Виняток становлять скандій, цирконій і гафній, з к-римі Т. утворює необмежені ряди як бета-, так і альфа-твердих розчинів, і рідкоземельні метали, розчинність яких брало в бета- і альфа-титані мала. Розчинність неперехідних металів в альфа- і бета-титані змінюється в досить широких межах. Вона дуже мала в системах з цинком і кадмієм і велика в системах з алюмінієм і оловом.

Більшість металів, у т. Ч. Всі перехідні, знижують т-р у поліморфного альфа ± бета-перетворення, стабілізуючи бета-твердий розчин (бета-стабілізатори). Алюміній, галій, кисень, азот, вуглець і деякі ін. Елемент Ьг, підвищуючи цю т-ру, стабілізують альфа-твердий розчин (альфа-стабілізатори). Відомі також мета стабільні зі-, А’-і а * -фази, що утворюються в процесі охолодження сплавів з ^ -області і суттєво впливають на технологічні св-ва титанових сплавів. Зі мн. металами непереходнимі і VII-VIII груп) титан утворює проміжні фази з кристалічною структурою типів CsCI, СuАі, Cr3Si, MoSi2, Ti2Ni та ін. Вихідним продуктом для произова металевого Т. служать гл. обр. що не містять кисню речовини, одержувані з титанових руд. Основна речовина – чотирихлористий титан TiCl4. У процесі произова очищений TiCl4 відновлюють чистим магнієм в середовищі аргону (магниетермический метод). Потім утворилася титанову губку піддають вакуумно-тримаючи-ської обробці, щоб видалити надмірний магній і MgCl2. Зміст осн. домішок в Магнієтермічеський титані (%): 0,01 – 0,03 С; 0,05 – 0,015 О; 0,01-0,05 N; 0,03-0,2 Fe; 0,04-0,12 Mg. За натріетерміче-ському методу відновлення TiCl4 ведуть металевим натрієм.

Т. отримують також відновленням двоокису титану металевим кальцієм або гидридом кальцію (каль-ціетерміческій метод і його різновид – гідріднокальціевий). Отриманий Т. відрізняється більш високою твердістю і меншою пластичністю, ніж метал, відновлений з TiCl4, що обумовлюється підвищеним вмістом азоту і кисню – відповідно 0,03-0,15 і 0,2-0,25%. Метал високої чистоти отримують йодідного методом, к-рий заснований на здатності Т. утворювати з парами йоду при порівняно низьких т-рах йодид Til4, дисоціюють при більш високих т-рах на металевий титан і йод. Розкладання Til4 відбувається на розпеченій титанової дроті, на якій і осідає Т., утворюючи компактний метал. Й одідний Т. відрізняється від магніетерміческого меншим вмістом кисню, азоту, заліза, магнію та ін. Домішок (0,005-0,01% О; 0,001-0,004% N; 0,0035-0,025% Fe; 0,0015-0,002% Mg і т.д.). Більш глибокого очищення досягають зонної плавкою йодідного Т., напр. Електроннопроменеві нагре-в ом, п о л навчаючи я метал чистотою 99,999 – 99,9999%.

Електролітичний метод застосовують гл. обр. для рафінування Т. (напр., неякісної губки, відходів плавки металу) і сплавів на його основі. Електроліт – розплав хлоридів лужних металів (NaCl або суміші NaCl і КС1), в к-ром розчинені нижчі хлориди титану (TiCl2, TiCl3), анод – забруднений домішками титан. Метод перспективний для переробки тютюнового скрапу, к-рий використовують як розчинного анода. Компактні заготовки пластичного Т. з титанової губки або титанового порошку виготовляють вакуумної дугового плавкою або методами порошкової металургії. Для виплавки Т. і його сплавів використовують дугові печі з мідним водоохолоджуваним тиглем-кристалізатором і нерасхо-дуємо вольфрамовим електродом, або витрачаються електродом, спресованим з титанового порошку або відповідної шихти. Створені вакуумні дугові печі для гарни-Сажнєв плавки титану. Застосовують пресування порошку на холоду з подальшим спеканієм у вакуумі, гаряче пресування у вакуумі, гарячу ковку спечених заготовок в штампах.

Компактний метал, отриманий будь-яким з цих методів, піддається обробці тиском в холодному і гарячому стані: його можна кувати, прокатувати, штампувати і т. Д. Переробляють Т. і його сплави в прутки, смуги, профілі прокату, безшовні труби, дріт, жерсть і фольгу. При обробці Т. різанням матеріалом для інструменту служать швидкорізальні сталі і тверді сплави. Високий опір корозії в поєднанні з великою питомою міцністю, що зберігається до т-р 150-430 ° С, зумовили застосування Т. і сплавів на його основі (легованих алюмінієм, хромом, ванадієм, молібденом, оловом) як конструкційний матеріал в авіа-, ракето- і суднобудуванні, хім. машинобудуванні (див. Титану сплави). Чистий Т. застосовують в електровакуумної техніці для виготовлення анодів, сіток та ін. Деталей, у вигляді порошку – в якості геттера.

Для захисту від корозії титаном покривають поверхні сталевих виробів. Ферротитан застосовують для розкислення сталі та очищення від розчинених у ній кисню, азоту та сірки (запобігає красноломкость сталі). Присадки Т. вводять в марганцевисті, хромисті, хромомолібденові і хромонікеле-ші сталі, мідні та алюмінієві сплави. Карбід Т. використовують в произове Тітановольфрамовие твердих сплавів для різальних інструментів, жаростійких і жароміцних сплавів, застосовуваних для виготовлення деталей газових турбін реактивних двигунів. Двоокис титану використовують для приготування титанових білил, в произове емалей і глазурі, при виготовленні сегнетоді-електриків. Рутил, або технічну двоокис титану, вводять до складу обмазки зварювальних електродів. Гідрид титану служить джерелом чистого водню.

Характеристика елемента. Хімія перших елементів побічних підгруп істотно відрізняється від наступних, так як на них ще не позначається ні d-стиснення, ні лантаноидному. У підгрупі IVB це повною мірою відноситься до титану. У нейтрального атома енергія 3d – і 4s-орбіталей дуже близькі між собою, тому більш стійким станом є +4, хоча іони Ti⁺⁴ реально не існують, так як відрив всіх чотирьох електронів вимагає великої енергії.
Сполуки титану (IV) зазвичай включають ковалентні зв’язки. З інших ступенів окислення – 1, +2 і +3 титан легко окислюється до Ti (IV) повітрям, водою та іншими реагентами. У водних розчинах на повітрі стійкі лише з’єднання з максимальним ступенем окислення титану. У комплексах для титану характерно координаційне число 6 і рідше 4

Властивості простої речовини і з’єднань. Титан-один з небагатьох металів з високою корозійною стійкістю, яку він повідомляє і сплавів на його основі. Тому так великий інтерес до цього тугоплавкі (tпл = +1688 ° С, tкип = 3260 ° С), порівняно легкому (d = 4,5 г / см) і сріблястого металу. Значення його і надії, покладені на нього, подібні до тих, що проявлялися колись відносно алюмінію. Якості титану в своєму поєднанні унікальні: він парамагнитен, відрізняється високою міцністю, високою в’язкістю і легко піддається обробці, зберігає свої механічні властивості незмінними в широкому інтервалі температур від -180 до + 500 ° С. Він стійкий в атмосфері повітря, у холодній і киплячій воді, в розчинах багатьох солей і морській воді, в неорганічних і органічних кислотах. З киснем титан реагує при температурі червоного розжарювання, а з азотом трохи вище (при 800 ° С), тому при його нагріванні на повітрі утворюється суміш оксиду і нітриду. Найлегше він з’єднується з галогенами: при 150 ° С зі фтором, а при 300 ° С з хлором.
Солі титану гідролізуються у воді, утворюючи різноманітні солі титанів – групи TiO²⁺, провідною себе як двузарядних іон. Діоксид титану TiO2- міцне біла речовина, існує в декількох модифікаціях (рутил, анатаз), плавиться при +1855 ° С і проявляє дуже слабкі кислотні властивості. Гідролізом солей титану отримують кислоти: ортотітановую H4TIO4 і метатітановую, Н2TiO3
Обидві вони малоактивні н слабкі (слабше кремнієвої). З з’єднанні титану особливої ​​згадки заслуговує титанат барію ВаТiOз-родоначальник одного з сімейств сегнетоелектриків – з’єднань, що змінюють свої властивості (розміри, діелектричну
проникність і ін.) в змінному електричному полі. Вони здатні перетворювати механічну енергію стиснення кристала в електричну.

Отримання і використання. Титан по поширеності займає четверте місце серед технічно важливих металів після алюмінію, заліза і міді. Виділення його з мінералів пов’язано з труднощами, зумовленими реакцією титану при нагріванні з вугіллям, киснем і металами. Отримують чистий титан іодідним методом, термічно розкладаючи її йодид. Роль металу як конструкційного матеріалу швидко зростає особливо в авіації, техніці, в металургії сплавів.
Титан відіграє певну роль у життєдіяльності організмів: він неодмінний учасник процесів імуногенезу. Міститься в плазмі крові, селезінці, надниркових і щитовидній залозі.
З рослин титаном особливо багата водорість кладофора: вміст титану в ній становить 0,03%.

Посилання на основну публікацію