Titan (element)

Titan
←  Scandium | Vanadiu  →
22 Ti

Zr
Sistem periodic de elemente22 Ti
Aspectul unei substanțe simple
Tijă compusă din cristale de titan de înaltă puritate
Proprietățile atomului
Nume, simbol, număr Titan / Titan (Ti), 22
Grup , punct , bloc 14 (învechit 4), 4,
element d
Masa atomica
( masa molara )
47.867(1) [1]  a. e. m.  ( g / mol )
Configuratie electronica [Ar] 3d 2 4s 2
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2
Raza atomului ora 147
Proprietăți chimice
raza covalentă ora 132 
Raza ionică (+4e)68 (+2e)94  pm
Electronegativitatea 1,54 (scara Pauling)
Potențialul electrodului −1,63
Stări de oxidare +2, +3, +4
Energia de ionizare
(primul electron)
657,8 (6,8281 [2]kJ / mol  ( eV )
Proprietățile termodinamice ale unei substanțe simple
Densitate (la n.a. ) 4,54 g/cm³
Temperatură de topire 1670 °C
1943 K
Temperatura de fierbere 3560K _
Oud. căldură de fuziune 18,8 kJ/mol
Oud. căldură de evaporare 422,6 kJ/mol
Capacitate de căldură molară 25,1 [3]  J/(K mol)
Volumul molar 10,6  cm³ / mol
Rețeaua cristalină a unei substanțe simple
Structura de zăbrele hexagonal
compact (α-Ti)
Parametrii rețelei a=2,951 c=4,697 (α-Ti)
raport c / a 1.587
Debye temperatura 380K  _
Alte caracteristici
Conductivitate termică (300 K) 21,9 W/(m K)
numar CAS 7440-32-6
22 Titan
Ti47.867
3d 2 4s 2

Titan ( simbol chimic  - Ti , din lat.  Ti tanium ) - un element chimic al grupului al 14-lea (conform clasificării învechite  - un subgrup lateral al celui de-al patrulea grup, IVB), a patra perioadă a sistemului periodic de elemente chimice ale D. I. Mendeleev , cu număr atomic 22.

Substanța simplă titanul  este un metal de tranziție ușor, alb-argintiu . Posedă rezistență ridicată la coroziune .

Istorie

Descoperirea dioxidului de titan (TiO 2 ) a fost făcută aproape simultan și independent de englezul W. Gregor și de chimistul german M. G. Klaproth . W. Gregor, studiind compoziția nisipului feruginos magnetic (Creed, Cornwall, England, 1791 ), a izolat un nou „pământ” ( oxid ) dintr-un metal necunoscut, pe care l-a numit menaken. În 1795, chimistul german Klaproth a descoperit un nou element în mineralul rutil și l-a numit titan. Doi ani mai târziu, Klaproth a stabilit că pământul rutil și menaken sunt oxizi ai aceluiași element, în spatele căruia a rămas denumirea de „titan” propusă de Klaproth. După 10 ani, descoperirea titanului a avut loc pentru a treia oară: omul de știință francez L. Vauquelin a descoperit titanul în anatază și a demonstrat că rutilul și anataza  sunt oxizi de titan identici.

Prima mostră de titan metalic a fost obținută în 1825 de suedezul J. Ya. Berzelius . Datorită activității chimice ridicate a titanului și a complexității purificării sale, olandezii A. van Arkel și I. de Boer au obținut o probă de Ti pur în 1925 prin descompunerea termică a vaporilor de iodură de titan TiI 4 .

Titanul nu și-a găsit utilizare industrială până când luxemburghezul Wilhelm Kroll a brevetat o metodă simplă de magneziu-termic în 1940 pentru a reduce titanul metalic din tetraclorura ; această metodă ( procesul Kroll) rămâne încă unul dintre principalele în producția industrială de titan.

Originea numelui

Metalul și-a primit numele în onoarea titanilor , personajelor mitologiei grecești antice, a copiilor lui Gaia . Numele elementului a fost dat de Martin Klaproth în conformitate cu opiniile sale asupra nomenclaturii chimice, spre deosebire de școala franceză de chimie, unde au încercat să denumească elementul după proprietățile sale chimice. Întrucât cercetătorul german însuși a remarcat imposibilitatea de a determina proprietățile unui element nou numai prin oxidul său, a ales un nume pentru acesta din mitologie, prin analogie cu uraniul descoperit de el mai devreme .

Fiind în natură

Titanul este al 9-lea cel mai abundent în natură. Conținut în scoarța terestră  - 0,57% în greutate, în apa de mare  - 0,001 mg / l [4] . În roci ultrabazice 300 g/t, în roci bazice  9 kg/t, în roci acide 2,3 kg/t, în argile și șisturi 4,5 kg/t. În scoarța terestră, titanul este aproape întotdeauna tetravalent și este prezent doar în compușii de oxigen. Nu apare în formă liberă. Titanul în condiții de intemperii și precipitații are o afinitate geochimică pentru Al 2 O 3 . Este concentrat în bauxite ale crustei meteorologice și în sedimentele argiloase marine. Transferul titanului se realizează sub formă de fragmente mecanice de minerale și sub formă de coloizi . Până la 30 % TiO2 în greutate se acumulează în unele argile. Mineralele de titan sunt rezistente la intemperii și formează concentrații mari în placeri. Sunt cunoscute peste 100 de minerale care conțin titan. Cele mai importante dintre ele sunt: ​​rutil TiO 2 , ilmenit FeTiO 3 , titanomagnetit FeTiO 3 + Fe 3 O 4 , perovskit CaTiO 3 , titanită (sfenă) CaTiSiO 5 . Există minereuri primare de titan - ilmenit-titanomagnetit și placer - rutil-ilmenit-zircon [3] .

Depozite

Zăcăminte primare mari de titan sunt situate pe teritoriul Africii de Sud , Rusiei , Ucrainei , Canada , SUA , China , Norvegia , Suedia , Egipt , Australia , India , Coreea de Sud , Kazahstan ; depozitele aluvionare se găsesc în Brazilia , India, SUA, Sierra Leone , Australia [3] [5] . În țările CSI, primul loc în ceea ce privește rezervele explorate de minereuri de titan este ocupat de Federația Rusă (58,5%) și Ucraina (40,2%) [6] . Cel mai mare depozit din Rusia este Yaregskoye .

Rezerve și producție

Minereuri de bază : ilmenit (FeTiO 3 ), rutil (TiO 2 ), titanit (CaTiSiO 5 ).

Din 2002, 90% din titanul extras a fost folosit pentru producerea de dioxid de titan TiO2 . Producția mondială de dioxid de titan a fost de 4,5 milioane de tone pe an. Rezervele confirmate de dioxid de titan (fără Rusia) sunt de aproximativ 800 de milioane de tone.În 2006, conform US Geological Survey, în ceea ce privește dioxidul de titan și excluzând Rusia, rezervele de minereuri de ilmenit se ridică la 603-673 milioane de tone, iar rutil - 49,7- 52,7 milioane de tone [7] . Astfel, la ritmul actual de producție, rezervele dovedite de titan (cu excepția Rusiei) vor fi suficiente pentru mai bine de 150 de ani.

Rusia are a doua cea mai mare rezervă de titan din lume, după China. Baza de resurse minerale de titan din Rusia constă din 20 de zăcăminte (dintre care 11 sunt primare și 9 sunt aluviale), dispersate destul de uniform în toată țara. Cel mai mare dintre depozitele explorate (Yaregskoye) este situat la 25 km de orașul Ukhta (Republica Komi). Rezervele zăcământului sunt estimate la 2 miliarde de tone de minereu cu un conținut mediu de dioxid de titan de aproximativ 10% [8] .

Cel mai mare producător de titan din lume este compania rusă VSMPO-Avisma .

Proprietăți fizice

Titanul este un metal ușor, alb-argintiu . La presiune normală, există în două modificări cristaline: α - Ti la temperatură scăzută cu o rețea compactă hexagonală ( singonie hexagonală , grup spațial C 6 mmc , parametrii celulei  a = 0,2953 nm , c = 0,4729 nm , Z = 2 ) și β -Ti de temperatură înaltă cu împachetare centrată pe corpul cubic ( singonie cubică , grup spațial Im 3 m , parametrii celulei  a = 0,3269 nm , Z = 2 ), temperatura de tranziție α↔β 883 °C, căldură de tranziție Δ H = 3,8 kJ/mol [3] (87,4 kJ/kg [9] ). Majoritatea metalelor, atunci când sunt dizolvate în titan, stabilizează faza β și reduc temperatura de tranziție α↔β [3] . La presiuni peste 9 GPa și temperaturi peste 900 °C, titanul trece în faza hexagonală ( ω -Ti) [9] . Densitatea α - Ti și β - Ti este de 4,505 g/cm³ (la 20°C) și respectiv 4,32 g/cm³ (la 900°C) [3] . Densitatea atomică a α-titanului este 5,67⋅10 22 at/cm³ [10] [11] .

Punctul de topire al titanului la presiune normală este 1670 ± 2 °C sau 1943 ± 2 K (luat ca unul dintre punctele de calibrare secundare ale scalei de temperatură ITS-90) [2] . Punct de fierbere 3287 °C [2] . La o temperatură suficient de scăzută (-80 °C) [2] , titanul devine destul de fragil. Capacitatea termică molară în condiții normale C p = 25,060 kJ/(mol·K), ceea ce corespunde unei capacități termice specifice de 0,523 kJ/(kg·K) [2] . Căldura de fuziune este de 15 kJ/mol [9] , căldura de vaporizare este de 410 kJ/mol [9] . Temperatura caracteristică Debye este de 430 K [9] . Conductivitate termică 21,9 W/(m K) la 20 °C [9] . Coeficientul de temperatură al expansiunii liniare este de 9,2·10 −6 K −1 în intervalul de la −120 la +860 °C [9] . Entropia molară a α -titanului S 0 = 30,7 kJ/(mol·K) [2] . Pentru titanul în fază gazoasă , entalpia de formare Δ H
0f _
= 473,0 kJ/mol, energia Gibbs Δ G
0f _
= 428,4 kJ/mol, entropie molară S 0 = 180,3 kJ/(mol K), capacitate termică la presiune constantă C p = 24,4 kJ/(mol K) [2]

Rezistența electrică specifică la 20 °C este de 0,58 μ Ohm m [9] (după alte surse, 0,42 μ Ohm m [3] ), la 800 °C 1,80 μ Ohm m [3] . Coeficientul de temperatură al rezistenței este de 0,003 K −1 în intervalul 0–20 °C [9] .

Plastic, sudat în atmosferă inertă. Caracteristicile de rezistență depind puțin de temperatură, dar sunt foarte dependente de puritate și pretratare [3] . Pentru titanul tehnic , duritatea Vickers este de 790–800 MPa, modulul de elasticitate normal este de 103 GPa, iar modulul de forfecare este de 39,2 GPa [9] . Titanul de înaltă puritate recoacet în vid are o limită de curgere de 140–170 MPa, o alungire relativă de 55–70% și o duritate Brinell de 175 MPa [3] .

Are o vâscozitate ridicată, în timpul prelucrării este predispus să se lipească de unealta de tăiere și, prin urmare, este necesară aplicarea unor acoperiri speciale pe unealtă, diferiți lubrifianți .

La temperatură normală, este acoperit cu o peliculă protectoare de pasivizare de oxid de TiO 2 , datorită căruia este rezistent la coroziune în majoritatea mediilor (cu excepția celor alcaline).

Temperatura de tranziție la starea supraconductoare este de 0,387 K. La temperaturi de peste 73 K, titanul este paramagnetic . Susceptibilitatea magnetică la 20 °C este 3,2·10 −6 [3] . Constanta Hall a α -titanului este egală cu +1,82·10 −13 [3] .

Izotopi

Izotopii de titan sunt cunoscuți cu numere de masă de la 38 la 63 (numărul de protoni este de 22, de neutroni de la 16 la 41) și 2 izomeri nucleari .

Titanul natural constă dintr-un amestec de cinci izotopi stabili: 46 Ti ( abundența izotopilor 7,95%), 47 Ti (7,75%), 48 Ti (73,45%), 49 Ti (5,51%), 50 Ti (5,34%).

Dintre izotopii artificiali, cel mai longeviv este 44 Ti ( timp de înjumătățire 60 ani) și 45 Ti (timp de înjumătățire 184 minute).

Proprietăți chimice

Rezistent la coroziune datorită peliculei de oxid , dar atunci când este zdrobit în pulbere, precum și în așchii subțiri sau sârmă, titanul este piroforic [3] . Praful de titan tinde să explodeze. Punct de aprindere - 400 °C. Așchii de titan sunt inflamabili.

Titanul este rezistent la soluțiile diluate ale multor acizi și alcalii (cu excepția HF , H 3 PO 4 și H 2 SO 4 concentrat ). Titanul este rezistent la clorul umed și la soluțiile apoase de clor [2] .

Reacționează ușor chiar și cu acizi slabi în prezența agenților de complexare, de exemplu, interacționează cu acidul fluorhidric HF datorită formării anionului complex [TiF 6 ] 2− . Titanul este cel mai susceptibil la coroziune în mediile organice, deoarece în prezența apei se formează un film pasiv dens de oxizi și hidrură de titan pe suprafața unui produs de titan. Cea mai vizibilă creștere a rezistenței la coroziune a titanului este vizibilă cu o creștere a conținutului de apă într-un mediu agresiv de la 0,5 la 8,0%, ceea ce este confirmat de studiile electrochimice ale potențialelor electrozilor titanului în soluții de acizi și alcalii în apă amestecată. -medii organice [12] .

Când este încălzit în aer la 1200°C, Ti se aprinde cu o flacără albă strălucitoare cu formarea de faze de oxid cu compoziție variabilă TiOx . Hidroxidul TiO(OH) 2 ·xH 2 O precipită din soluții de săruri de titan, prin calcinare atentă a cărora se obține oxidul TiO 2 . Hidroxidul de TiO(OH) 2 xH20 și dioxidul de Ti02 sunt amfoter .

TiO 2 interacționează cu acidul sulfuric în timpul fierberii prelungite. Când este fuzionat cu sodă Na 2 CO 3 sau potasiu K 2 CO 3 , oxidul de TiO 2 formează titanați:

Când este încălzit, Ti interacționează cu halogenii (de exemplu, cu clorul la 550 °C [2] ). Tetraclorura de titan TiCl 4 în condiții normale este un lichid incolor, puternic fumant în aer, ceea ce se explică prin hidroliza TiCl 4 , vaporii de apă conținuti în aer și formarea de picături mici de HCI și o suspensie de hidroxid de titan .

Prin reducerea TiCl 4 cu hidrogen , aluminiu , siliciu și alți agenți reducători puternici, se obțin triclorura și diclorura de titan TiCl 3 și TiCl 2  - substanțe solide cu proprietăți reducătoare puternice. Ti interacționează cu Br2 și I2 .

Cu azot N2 peste 400 ° C , titanul formează nitrura TiN x (x = 0,58–1,00). Titanul este singurul element care arde într-o atmosferă de azot [2] .

Când titanul interacționează cu carbonul , se formează carbură de titan TiC x (x = 0,49–1,00).

Când este încălzit, Ti absoarbe H 2 pentru a forma un compus cu compoziție variabilă TiH x (x = 2,00–2,98). Când sunt încălzite, aceste hidruri se descompun cu eliberarea de H2 .

Titanul formează aliaje și compuși intermetalici cu multe metale.

Obținerea

De regulă, materialul de pornire pentru producția de titan și compușii săi este dioxidul de titan cu o cantitate relativ mică de impurități. În special, poate fi un concentrat de rutil obţinut în timpul valorificării minereurilor de titan. Cu toate acestea, rezervele de rutil din lume sunt foarte limitate, iar așa-numita zgură sintetică de rutil sau titan , obținută în timpul prelucrării concentratelor de ilmenit , este mai des folosită. Pentru a obține zgura de titan, concentratul de ilmenit este redus într-un cuptor cu arc electric, în timp ce fierul este separat într-o fază metalică ( fontă ), iar oxizii și impuritățile de titan nereduși formează o fază de zgură. Zgura bogată este prelucrată prin metoda clorurii sau acidului sulfuric.

Concentratul de minereuri de titan este supus acidului sulfuric sau prelucrarii pirometalurgice. Produsul tratamentului cu acid sulfuric este pulbere de dioxid de titan TiO2 . Prin metoda pirometalurgică, minereul este sinterizat cu cocs și tratat cu clor , obținându-se o pereche de tetraclorură de titan TiCl 4 :

Vaporii de TiCl 4 formați la 850 ° C se reduc cu magneziu :

În plus, așa-numitul proces FFC Cambridge, numit după dezvoltatorii săi Derek Frey, Tom Farthing și George Chen de la Universitatea din Cambridge , unde a fost creat , începe acum să câștige popularitate . Acest proces electrochimic permite reducerea directă și continuă a titanului din oxid într-un amestec topit de clorură de calciu și var nestins (oxid de calciu). Acest proces folosește o baie electrolitică umplută cu un amestec de clorură de calciu și var, cu un anod de sacrificiu (sau neutru) din grafit și un catod dintr-un oxid de redus. Când trece un curent prin baie, temperatura ajunge rapid la ~1000–1100 °C, iar topitura de oxid de calciu se descompune la anod în oxigen și calciu metalic :

Oxigenul rezultat oxidează anodul (în cazul utilizării grafitului), iar calciul migrează în topitură către catod, unde reface titanul din oxidul său:

Oxidul de calciu rezultat se disociază din nou în oxigen și calciu metalic, iar procesul se repetă până la transformarea completă a catodului într-un burete de titan sau epuizarea oxidului de calciu. Clorura de calciu în acest proces este folosită ca electrolit pentru a conferi conductivitate electrică topiturii și mobilității ionilor activi de calciu și oxigen. Când se utilizează un anod inert (de exemplu, dioxid de staniu ), în loc de dioxid de carbon, oxigenul molecular este eliberat la anod, ceea ce poluează mai puțin mediul, dar procesul în acest caz devine mai puțin stabil și, în plus, în anumite condiții , descompunerea clorurii devine mai favorabilă din punct de vedere energetic, mai degrabă decât oxidul de calciu, rezultând eliberarea de clor molecular .

„Buretele” de titan rezultat este topit și purificat. Titanul este rafinat prin metoda iodurii sau prin electroliză , separând Ti de TiCl4 . Pentru a obține lingouri de titan, se utilizează prelucrarea cu arc, fascicul de electroni sau plasmă.

Aplicație

În forma sa pură și sub formă de aliaje

Utilizarea titanului metalic în multe industrii se datorează faptului că rezistența sa este aproximativ egală cu cea a oțelului, în ciuda faptului că este cu 45% mai ușor. Titanul este cu 60% mai greu decât aluminiul, dar de aproximativ două ori mai puternic. [2] .

Există multe aliaje de titan cu diferite metale. Elementele de aliere sunt împărțite în trei grupe, în funcție de efectul lor asupra temperaturii de transformare polimorfă: stabilizatori beta, stabilizatori alfa și întăritori neutri. Primele scad temperatura de transformare, cele din urmă o măresc, iar cele din urmă nu o afectează, dar duc la întărirea prin soluție a matricei. Exemple de stabilizatori alfa: aluminiu , oxigen , carbon , azot . Stabilizatori beta: molibden , vanadiu, fier , crom , nichel . Întăritori neutri: zirconiu, staniu, siliciu. Stabilizatorii beta, la rândul lor, sunt împărțiți în beta-izomorfi și beta-eutectoizi.

Cel mai comun aliaj de titan este aliajul Ti-6Al-4V (în clasificarea rusă - VT6), care conține aproximativ 6% aluminiu și aproximativ 4% vanadiu . În funcție de raportul fazelor cristaline, este clasificat ca un aliaj (α + β) . Producția sa reprezintă până la 50% din titanul produs [3] .

Ferotitanul (aliaj titan-fier care conține 18-25% titan) este utilizat în metalurgia feroasă pentru a dezoxida oțelul și a îndepărta impuritățile nedorite (sulf, azot, oxigen) dizolvate în acesta [3] .

În anii 1980, aproximativ 60-65% din titanul produs în lume a fost folosit în construcția de avioane și rachete, 15% - în inginerie chimică, 10% - în sectorul energetic, 8% - în construcția de nave și pentru desalinizarea apei [3] .

Sub formă de conexiuni

Analiza piețelor de consum

În 2005, Titanium Corporation a publicat următoarea estimare a consumului global de titan:

Prețuri

Prețul titanului este de 5,9-6,0 USD pe kilogram, în funcție de puritate [15] .

Puritatea și gradul de titan brut ( burete de titan ) este de obicei determinată de duritatea acestuia, care depinde de conținutul de impurități.

Acțiune fiziologică

Titanul este considerat inert din punct de vedere fiziologic, motiv pentru care este folosit in protetica ca metal in contact direct cu tesuturile corpului. Cu toate acestea, praful de titan poate fi cancerigen [2] . După cum am menționat mai sus, titanul este folosit și în stomatologie. O caracteristică distinctivă a utilizării titanului constă nu numai în rezistență, ci și în capacitatea metalului însuși de a fuziona cu osul , ceea ce face posibilă asigurarea cvasi-solidității bazei dintelui.

Note

  1. Meija J. și colab. Greutăți atomice ale elementelor 2013 (Raport tehnic IUPAC  )  // Chimie pură și aplicată . - 2016. - Vol. 88 , nr. 3 . - P. 265-291 . - doi : 10.1515/pac-2015-0305 .
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 CRC Handbook of Chemistry and Physics / DR Lide (Ed.). — ediția a 90-a. — CRC Press; Taylor și Francis, 2009. - 2828 p. — ISBN 1420090844 .
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Rakov I. E. Titan // Enciclopedie chimică  : în 5 volume / Cap. ed. N. S. Zefirov . - M . : Marea Enciclopedie Rusă , 1995. - T. 4: Polimer - Tripsina. - S. 590-592. — 639 p. - 40.000 de exemplare.  — ISBN 5-85270-039-8 .
  4. Riley JP, Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965.
  5. Depozit de titan Arhivat 28 martie 2015 la Wayback Machine .
  6. Depozit de titan Arhivat 21 februarie 2015 la Wayback Machine .
  7. Ilmenit, rutil, titanomagnetit - 2006 (link inaccesibil) . Consultat la 17 noiembrie 2007. Arhivat din original pe 28 decembrie 2007. 
  8. Titan . Centru de informare și analiză „Mineral”. Consultat la 19 noiembrie 2010. Arhivat din original pe 7 octombrie 2011.
  9. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Berdonosov S. S. Titan // Enciclopedia fizică  : [în 5 volume] / Cap. ed. A. M. Prohorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1994. - V. 4: Poynting - Robertson - Streamers. - S. 116. - 704 p. - 40.000 de exemplare.  - ISBN 5-85270-087-8 .
  10. Strelchenko S.S., Lebedev V.V. Compuși A 3 B 5 : Manual. - M.: Metalurgie, 1984. 144 p.
  11. Proprietățile elementelor: La 2 ore Partea 1. Proprietăți fizice: Manual. Ed. G. V. Samsonova. - M.: Metalurgie, 1976. 600 p.
  12. Efectul apei asupra procesului de pasivare a titanului (link inaccesibil) . www.chemfive.ru Preluat la 21 octombrie 2015. Arhivat din original la 14 august 2016. 
  13. Bolshina E.P. Înalte tehnologii în metalurgie. Producția de metale neferoase . - Novotroitsk: NF MISiS, 2008. - S. 67. - 68 p. - ISBN 73.
  14. Arta turnării în secolul XX . Consultat la 18 noiembrie 2010. Arhivat din original pe 5 mai 2012.
  15. Pe piața mondială a titanului, prețurile s-au stabilizat în ultimele două luni (recenzie) . Preluat la 2 mai 2015. Arhivat din original la 11 septembrie 2015.

Link -uri