Титан - Titanium

Титан,  ₂₂ Ti

Титан
Произношение
Появление	серебристый серо-белый металлик
Стандартный атомный вес A r, std (Ti)	47,867 (1)
Титан в периодической таблице
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебряный Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон - ↑ Ti ↓ Zr скандий ← титан → ванадий
Атомный номер ( Z )	22
Группа	группа 4
Период	период 4
Блокировать	d-блок
Электронная конфигурация	[ Ar ] 3d 2 4s 2
Электронов на оболочку	2, 8, 10, 2
Физические свойства
Фаза на  СТП	твердый
Температура плавления	1941  К (1668 ° C, 3034 ° F)
Точка кипения	3560 К (3287 ° С, 5949 ° F)
Плотность (около  rt )	4,506 г / см 3
в жидком состоянии (при  т. пл. )	4,11 г / см 3
Теплота плавления	14,15  кДж / моль
Теплота испарения	425 кДж / моль
Молярная теплоемкость	25,060 Дж / (моль · К)
Давление газа P  (Па) 1 10 100 1 к 10 тыс. 100 тыс. при  T  (K) 1982 г. 2171 (2403) 2692 3064 3558
Атомные свойства
Состояния окисления	−2, −1, 0, +1, +2 , +3 , +4 (  амфотерный оксид)
Электроотрицательность	Шкала Полинга: 1,54
Энергии ионизации
Радиус атома	эмпирический: 147  pm
Ковалентный радиус	160 ± 8 часов вечера
Спектральные линии титана
Прочие свойства
Естественное явление	изначальный
Кристальная структура	гексагональной плотной упаковкой (ГЦК)
Скорость звука тонкого стержня	5090 м / с (при  комнатной температуре )
Тепловое расширение	8,6 мкм / (м⋅K) (при 25 ° C)
Теплопроводность	21,9 Вт / (м⋅K)
Удельное электрическое сопротивление	420 нОм⋅м (при 20 ° C)
Магнитный заказ	парамагнитный
Молярная магнитная восприимчивость	+153,0 × 10 −6  см 3 / моль (293 К)
Модуль для младших	116 ГПа
Модуль сдвига	44 ГПа
Объемный модуль	110 ГПа
коэффициент Пуассона	0,32
Твердость по шкале Мооса	6.0
Твердость по Виккерсу	830–3420 МПа
Твердость по Бринеллю	716–2770 МПа
Количество CAS	7440-32-6
История
Открытие	Уильям Грегор (1791)
Первая изоляция	Йенс Якоб Берцелиус (1825)
Названный	Мартин Генрих Клапрот (1795)
Основные изотопы титана
Изотоп Избыток Период полураспада ( t 1/2 ) Режим распада Продукт 44 Ti син 63 года ε 44 сбн γ - 46 Ti 8,25% стабильный 47 Ti 7,44% стабильный 48 Ti 73,72% стабильный 49 Ti 5,41% стабильный 50 Ti 5,18% стабильный
Категория: Титан Посмотреть разговаривать редактировать | использованная литература

Титан - химический элемент с символом Ti и атомным номером 22. Его атомный вес составляет 47,867 дальтон . Это блестящий переходный металл серебристого цвета, низкой плотности и высокой прочности, устойчивый к коррозии в морской воде , царской водке и хлоре .

Титан был обнаружен в Корнуолле , Великобритания , Уильямом Грегором в 1791 году и назван Мартином Генрихом Клапротом в честь титанов из греческой мифологии . Элемент встречается в ряде месторождений полезных ископаемых, в основном рутила и ильменита , которые широко распространены в земной коре и литосфере ; он встречается почти во всех живых существах, а также в водоемах, камнях и почвах. Металл извлекается из основных минеральных руд процессами Кролла и Хантера . Наиболее распространенное соединение, диоксид титана , является популярным фотокатализатором и используется при производстве белых пигментов. Другие соединения включают тетрахлорид титана (TiCl ₄ ), компонент дымовых завес и катализаторов ; и трихлорид титана (TiCl ₃ ), который используется в качестве катализатора при производстве полипропилена .

Титан может быть легированный с железом , алюминием , ванадия и молибдена , помимо других элементов, чтобы произвести сильные, легкие сплавы для аэрокосмической ( реактивных двигателей , ракет и космических аппаратов ), военные, промышленные процессы (химической и нефтехимической промышленности, опреснительных установок , целлюлозы, и бумага), автомобилестроение, сельское хозяйство (сельское хозяйство), медицинские протезы , ортопедические имплантаты , стоматологические и эндодонтические инструменты и файлы, зубные имплантаты , спортивные товары, ювелирные изделия, мобильные телефоны и другие приложения.

Двумя наиболее полезными свойствами металла являются коррозионная стойкость и отношение прочности к плотности, наивысшее среди всех металлических элементов. В нелегированном состоянии титан такой же прочный, как и некоторые стали , но менее плотный. Есть две аллотропные формы и пять встречающихся в природе изотопов этого элемента, от ⁴⁶ Ti до ⁵⁰ Ti, причем ⁴⁸ Ti является наиболее распространенным (73,8%). Хотя титан и цирконий имеют одинаковое количество валентных электронов и находятся в одной группе в периодической таблице , они различаются по многим химическим и физическим свойствам.

Характеристики

Физические свойства

Как металл , титан известен своим высоким отношением прочности к весу . Это прочный металл с низкой плотностью , довольно пластичный (особенно в бескислородной среде), блестящий и металлически-белый цвет . Относительно высокая температура плавления (более 1650 ° C или 3000 ° F) делает его полезным в качестве тугоплавкого металла . Он парамагнитен и имеет довольно низкую электрическую и теплопроводность по сравнению с другими металлами. Титан становится сверхпроводником при охлаждении ниже своей критической температуры 0,49 К.

Коммерчески чистые (чистота 99,2%) сорта титана имеют предел прочности при растяжении около 434 МПа (63000 фунтов на кв. Дюйм ), что соответствует таковому у обычных низкосортных стальных сплавов, но имеет меньшую плотность. Титан на 60% плотнее алюминия, но более чем в два раза прочнее наиболее часто используемого алюминиевого сплава 6061-T6 . Некоторые титановые сплавы (например, Beta C ) достигают предела прочности на разрыв более 1400 МПа (200000 фунтов на квадратный дюйм). Однако титан теряет прочность при нагревании выше 430 ° C (806 ° F).

Титан не такой твердый, как некоторые марки термообработанной стали; он немагнитен и плохо проводит тепло и электричество. Обработка требует мер предосторожности, поскольку материал может истираться, если не использовать острые инструменты и надлежащие методы охлаждения. Как и стальные конструкции, конструкции из титана имеют предел выносливости, который гарантирует долговечность в некоторых областях применения.

Металл представляет собой диморфный аллотроп гексагональной α-формы, который превращается в объемно-центрированную кубическую (решеточную) β-форму при 882 ° C (1620 ° F). Удельная теплоемкость из формы α резко возрастает при его нагревании до этой температуры перехода , но затем падает и остается довольно постоянным для формы бета независимо от температуры.

Химические свойства

Подобно алюминию и магнию , поверхность металлического титана и его сплавов окисляется сразу после воздействия воздуха, образуя тонкий непористый пассивирующий слой, который защищает основной металл от дальнейшего окисления или коррозии. Когда он впервые образуется, этот защитный слой имеет толщину всего 1-2 нм, но продолжает медленно расти, достигая толщины 25 нм за четыре года. Этот слой придает титану превосходную устойчивость к коррозии, почти эквивалентную платине .

Титан способен противостоять воздействию разбавленных серной и соляной кислот , хлоридных растворов и большинства органических кислот. Однако титан разъедает концентрированные кислоты. На что указывает его отрицательный окислительно-восстановительный потенциал, титан термодинамически является очень химически активным металлом, который горит в нормальной атмосфере при более низких температурах, чем точка плавления. Плавление возможно только в инертной атмосфере или в вакууме. При 550 ° C (1022 ° F) он соединяется с хлором. Он также реагирует с другими галогенами и поглощает водород.

Титан легко реагирует с кислородом при температуре 1200 ° C (2190 ° F) на воздухе и при 610 ° C (1130 ° F) в чистом кислороде с образованием диоксида титана . Титан - один из немногих элементов, который горит в чистом газообразном азоте, реагируя при 800 ° C (1470 ° F) с образованием нитрида титана , который вызывает охрупчивание. Из-за своей высокой реакционной способности по отношению к кислороду, азоту и многим другим газам титан, который испаряется из нитей, является основой для сублимационных насосов титана , в которых титан служит поглотителем этих газов, химически связываясь с ними. Такие насосы недорого обеспечивают чрезвычайно низкое давление в системах сверхвысокого вакуума .

Вхождение

Титан является девятым самым распространенным элементом в земной коре «ы (0,63% по массе ) и седьмой самый распространенный металл. Он присутствует в виде оксидов в большинстве вулканических пород , в образовавшихся из них отложениях , в живых существах и в естественных водоемах. Из 801 типа магматических пород, проанализированных Геологической службой США , 784 содержали титан. Его доля в почвах составляет примерно от 0,5 до 1,5%.

Обычные титансодержащие минералы - анатаз , брукит , ильменит , перовскит , рутил и титанит (сфен). Акаогиит - чрезвычайно редкий минерал, состоящий из диоксида титана. Из этих минералов только рутил и ильменит имеют экономическое значение, но даже их трудно найти в высоких концентрациях. В 2011 году было добыто около 6,0 и 0,7 млн ​​тонн этих полезных ископаемых, соответственно. Значительные месторождения титансодержащего ильменита существуют в Западной Австралии , Канаде , Китае , Индии , Мозамбике , Новой Зеландии , Норвегии , Сьерра-Леоне , Южной Африке и Украине . В 2011 году было произведено около 186 000 тонн металлической губки из титана , в основном в Китае (60 000 т), Японии (56 000 т), России (40 000 т), США (32 000 т) и Казахстане (20 700 т). Общие запасы титана оцениваются в более 600 миллионов тонн.

2011 производство рутила и ильменита

Страна	тысяча тонн	% от общего
Австралия	1,300	19,4
Южная Африка	1,160	17,3
Канада	700	10,4
Индия	574	8,6
Мозамбик	516	7,7
Китай	500	7,5
Вьетнам	490	7.3
Украина	357	5,3
Мир	6700	100

Концентрация титана в океане составляет около 4 пикомолей. При 100 ° C концентрация титана в воде, по оценкам, составляет менее 10 ^-7 M при pH 7. Идентичность разновидностей титана в водном растворе остается неизвестной из-за его низкой растворимости и отсутствия чувствительных спектроскопических методов, хотя только степень окисления 4+ стабильна на воздухе. Нет никаких доказательств биологической роли, хотя известно, что редкие организмы накапливают высокие концентрации титана.

Титан содержится в метеоритах , и он был обнаружен на Солнце и в звездах M-типа (самый холодный тип) с температурой поверхности 3200 ° C (5790 ° F). Камни, привезенные с Луны во время миссии « Аполлон-17 », состоят на 12,1% из TiO ₂ . Самородный титан (чистый металлик) встречается очень редко.

Изотопы

Встречающийся в природе титан состоит из пяти стабильных изотопов : ⁴⁶ Ti, ⁴⁷ Ti, ⁴⁸ Ti, ⁴⁹ Ti и ⁵⁰ Ti, причем ⁴⁸ Ti является наиболее распространенным ( естественное содержание 73,8% ). Охарактеризован как минимум 21 радиоактивный изотоп , наиболее стабильными из которых являются ⁴⁴ Ti с периодом полураспада 63 года; ⁴⁵ Ti, 184,8 мин; ⁵¹ Ti, 5,76 минуты; и ⁵² Ti, 1,7 мин. Все другие радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 33 секунд, большинство из которых менее полсекунды.

Изотопы титана имеют атомный вес от 39,002 ед. ( ³⁹ Ti) до 63,999 ед. ( ⁶⁴ Ti). Первичный режим распада изотопов легче , чем ⁴⁶ Ti является позитронно - эмиссионным (за исключением ⁴⁴ Ti , который проходит захват электрона ), что приводит к изотопам скандия , а первичный режим для изотопов более тяжелых , чем ⁵⁰ Ti является бетой - излучением , что приводит к изотопам ванадий .

Титан становится радиоактивным при бомбардировке дейтронами , испуская в основном позитроны и жесткие гамма-лучи .

Соединения

Степень окисления +4 доминирует в химии титана, но соединения со степенью окисления +3 также распространены. Обычно титан имеет октаэдрическую координационную геометрию в своих комплексах, но тетраэдрический TiCl ₄ является заметным исключением. Из-за высокой степени окисления соединения титана (IV) обладают высокой степенью ковалентной связи .

Оксиды, сульфиды и алкоксиды

Наиболее важным оксидом является TiO ₂ , который существует в трех важных полиморфных модификациях ; анатаз , брукит и рутил . Все они представляют собой белые диамагнитные твердые вещества, хотя образцы минералов могут казаться темными (см. Рутил ). Они используют полимерные структуры, в которых Ti окружен шестью оксидными лигандами, которые связаны с другими центрами Ti.

Термин титанаты обычно относится к титана (IV) соединений, как представлено титаната бария (BaTiO ₃ ). Обладая структурой перовскита , этот материал демонстрирует пьезоэлектрические свойства и используется в качестве преобразователя при взаимном преобразовании звука и электричества . Многие минералы представляют собой титанаты, например ильменит (FeTiO ₃ ). Звездчатые сапфиры и рубины приобретают свой астеризм (звездообразный блеск) из-за примесей диоксида титана.

Разнообразие восстановленных оксидов ( субоксиды ) титан известно, главным образом , снижается стехиометрия из диоксида титана , полученной путем атмосферных плазменного напыления . Ti ₃ O ₅ , описываемый как разновидность Ti (IV) -Ti (III), представляет собой пурпурный полупроводник, полученный восстановлением TiO ₂ водородом при высоких температурах, и используется в промышленности, когда поверхности необходимо покрыть паром диоксидом титана. : он испаряется как чистый TiO, тогда как TiO ₂ испаряется как смесь оксидов и осаждает покрытия с переменным показателем преломления. Также известен Ti ₂ O ₃ со структурой корунда и TiO со структурой каменной соли, хотя часто и нестехиометрической.

В алкоксидах титана (IV), полученные по реакции TiCl ₄ со спиртами, представляют собой бесцветные соединения , которые превращают в диоксид на реакцию с водой. Они используются в промышленности для осаждения твердого TiO _{2 с} помощью золь-гель процесса . Изопропоксид титана используется в синтезе хиральных органических соединений посредством эпоксидирования Шарплесса .

Титан образует множество сульфидов, но только TiS ₂ вызывает значительный интерес. Он имеет слоистую структуру и использовался в качестве катода при разработке литиевых батарей . Поскольку Ti (IV) является «твердым катионом» , сульфиды титана нестабильны и имеют тенденцию гидролизоваться до оксида с выделением сероводорода.

Нитриды и карбиды

Нитрид титана (TiN) является членом семейства тугоплавких нитридов переходных металлов и проявляет свойства, аналогичные обоим ковалентным соединениям, включая термодинамическую стабильность, чрезвычайную твердость, термическую / электрическую проводимость и высокую температуру плавления. TiN имеет твердость, эквивалентную сапфиру и карборунду (9,0 по шкале Мооса ), и часто используется для покрытия режущих инструментов, таких как сверла . Он также используется в качестве декоративной отделки золотого цвета и в качестве барьерного металла при производстве полупроводников . Карбид титана , который также очень твердый, содержится в режущих инструментах и ​​покрытиях.

Галогениды

Тетрахлорид титана (хлорид титана (IV), TiCl ₄ ) представляет собой бесцветную летучую жидкость (коммерческие образцы желтоватого цвета), которая на воздухе гидролизуется с эффектным выделением белых облаков. В процессе Кролла TiCl ₄ используется для превращения титановой руды в металлический титан. Тетрахлорид титана также используется для производства диоксида титана, например, для использования в белой краске. Он широко используется в органической химии в качестве кислоты Льюиса , например, при альдольной конденсации Мукаямы . В ван Arkel-де - процесса Бур , иодид титана (TII ₄ ) генерируется в производстве высокочистого металлического титана.

Титан (III) и титан (II) также образуют стабильные хлориды. Ярким примером является титан (III) , хлорид (TiCl ₃ ), который используется в качестве катализатора для получения полиолефинов (см катализатора Циглера-Натта ) и восстанавливающего агента в органической химии.

Металлоорганические комплексы

В связи с важной ролью соединений титана как катализатора полимеризации , соединения со связями Ti-C интенсивно изучаются. Наиболее распространенным титаноорганическим комплексом является дихлорид титаноцена ((C ₅ H ₅ ) ₂ TiCl ₂ ). Связанные соединения включают в себя реагент тебба и реагент петасиса . Титан образует карбонильные комплексы , например (C ₅ H ₅ ) ₂ Ti (CO) ₂ .

Исследования противоопухолевой терапии

После успеха химиотерапии на основе платины комплексы титана (IV) стали одними из первых неплатиновых соединений, которые были протестированы для лечения рака. Преимущество соединений титана заключается в их высокой эффективности и низкой токсичности in vivo . В биологических средах гидролиз приводит к безопасному и инертному диоксиду титана. Несмотря на эти преимущества, первые соединения-кандидаты не прошли клинические испытания из-за недостаточной эффективности и токсичности, а также из-за сложностей с приготовлением. Дальнейшее развитие привело к созданию потенциально эффективных, селективных и стабильных препаратов на основе титана.

История

Титан был обнаружен в 1791 году на священнослужителя и геолог - любитель Уильям Грегор в качестве включения в виде минерала в Корнуолл , Великобритания. Грегор распознал присутствие нового элемента в ильмените, когда он нашел черный песок у ручья и заметил, что песок притягивается магнитом . Анализируя песок, он определил присутствие двух оксидов металлов: оксида железа (объясняющего притяжение к магниту) и 45,25% белого оксида металла, который он не смог идентифицировать. Понимая, что неопознанный оксид содержит металл, который не соответствует ни одному из известных элементов, Грегор сообщил о своих открытиях Королевскому геологическому обществу Корнуолла и немецкому научному журналу Crell's Annalen .

Примерно в то же время Франц-Йозеф Мюллер фон Райхенштейн произвел подобное вещество, но не смог его идентифицировать. Оксид был независимо заново открыт в 1795 году прусским химиком Мартином Генрихом Клапротом в рутиле из Бойника (немецкое название Баймочска), деревни в Венгрии (ныне Бойнички в Словакии). Клапрот обнаружил , что в нем содержится новый элемент и назвал его для титанов из греческой мифологии . Услышав о более раннем открытии Грегора, он получил образец манакканита и подтвердил, что он содержит титан.

Известные в настоящее время способы извлечения титана из различных руд трудоемки и дороги; невозможно восстановить руду путем нагревания с углеродом (как при плавке чугуна), потому что титан соединяется с углеродом с образованием карбида титана . Чистый металлический титан (99,9%) был впервые получен в 1910 году Мэтью А. Хантером из Политехнического института Ренсселера путем нагревания TiCl ₄ с натрием при 700–800 ° C под большим давлением в периодическом процессе, известном как процесс Хантера . Металлический титан не использовался за пределами лаборатории до 1932 года, когда Уильям Джастин Кролл произвел его путем восстановления тетрахлорида титана (TiCl ₄ ) кальцием . Восемь лет спустя он усовершенствовал этот процесс с помощью магния и натрия в так называемом процессе Кролла . Хотя исследования продолжает искать более дешевые и более эффективные процессы (например , FFC Кембридж , Армстронг ), процесс Kroll все еще используется для промышленного производства.

Титан очень высокой чистоты производился в небольших количествах, когда Антон Эдуард ван Аркель и Ян Хендрик де Бур открыли йодистый процесс в 1925 году, когда он реагировал с йодом и разлагал образующиеся пары над горячей нитью до чистого металла.

В 1950-х и 1960-х годах Советский Союз стал пионером в использовании титана в военных целях и на подводных лодках ( класса «Альфа» и « Майк» ) в рамках программ, связанных с холодной войной. Начиная с начала 1950-х годов, титан стал широко использоваться в военной авиации, особенно в высокопроизводительных реактивных самолетах, начиная с таких самолетов, как F-100 Super Sabre и Lockheed A-12 и SR-71 .

На протяжении всего периода холодной войны титан считался правительством США стратегическим материалом , и Большой запас титановой губки (пористая форма чистого металла) поддерживался Национальным центром обороны США , пока запасы не были рассредоточены в 2000-х годах. . В 2006 году российская ВСМПО-АВИСМА была крупнейшим производителем в мире, на долю которого приходилось около 29% мирового рынка. По состоянию на 2015 год семью странами, производившими титановую губку, в порядке выпуска были Китай, Япония, Россия, Казахстан, США, Украина и Индия.

Производство

Обработка металлического титана происходит в четыре основных этапа: восстановление титановой руды до «губки», пористой формы; плавление губки или губки плюс лигатуры с образованием слитка; первичное производство, когда слиток превращается в обычные прокатные изделия, такие как заготовка , пруток, лист , лист , полоса и труба ; вторичное изготовление готовых профилей из прокатных изделий.

Потому что оно не может быть легко получены путем сокращения из диоксида титана , титана , металл получают восстановлением TiCl ₄ с металлическим магнием в процессе Кролла . Сложность такого серийного производства в процессе Kroll объясняет относительно высокую рыночную стоимость титана, несмотря на то, что процесс Kroll дешевле, чем процесс Hunter . Для получения TiCl _4, необходимого для процесса Кролла, диоксид подвергают карботермическому восстановлению в присутствии хлора . В этом процессе газообразный хлор пропускают через раскаленную смесь рутила или ильменита в присутствии углерода. После тщательной очистки с помощью фракционной перегонки , то TiCl ₄ будет снижен с 800 ° C (1470 ° F) расплавленным магнием в качестве аргона атмосферы. Металлический титан может быть дополнительно очищен с помощью процесса Ван Аркеля – де Бура , который включает термическое разложение тетраиодида титана.

2 FeTiO ₃ + 7 Cl ₂ + 6 C → 2 TiCl ₄ + 2 FeCl ₃ + 6 CO (900 ° C)

TiCl ₄ + 2 Mg → 2 MgCl ₂ + Ti (1100 ° C)

Недавно разработанный метод серийного производства, процесс FFC Cambridge , электрохимически восстанавливает диоксид титана в расплавленном хлориде кальция с получением металлического титана в виде порошка или губки. Если используются порошки смешанных оксидов, продукт представляет собой сплав .

Обычные титановые сплавы получают восстановлением. Например, восстанавливаются купротитан (восстанавливается рутил с добавлением меди ), железоуглеродистый титан (ильменит, восстановленный коксом в электрической печи) и манганотитан (рутил с оксидами марганца или марганца).

В настоящее время разработано и используется около пятидесяти марок титановых сплавов , хотя коммерчески доступно всего несколько десятков. ASTM International признает 31 марок металлического титана и его сплавов, из которых сорта один через четыре являются коммерчески чистый (нелегированный). Эти четыре различаются по пределу прочности на разрыв в зависимости от содержания кислорода , причем сорт 1 является наиболее пластичным (самый низкий предел прочности при содержании кислорода 0,18%), а сорт 4 - наименее пластичным (наивысший предел прочности при содержании кислорода 0,40%). ). Остальные марки представляют собой сплавы, каждая из которых имеет определенные свойства пластичности, прочности, твердости, удельного электрического сопротивления, сопротивления ползучести , удельной коррозионной стойкости и их сочетаний.

В дополнение к спецификациям ASTM, титановые сплавы также производятся в соответствии с аэрокосмическими и военными спецификациями (SAE-AMS, MIL-T), стандартами ISO и спецификациями для конкретных стран, а также собственными спецификациями конечных пользователей для аэрокосмической, военной и др. медицинские и промышленные применения.

Титановый порошок производится с использованием процесса поточного производства, известного как процесс Армстронга, который похож на процесс серийного производства Хантера. К потоку расплавленного натрия добавляют поток газообразного тетрахлорида титана ; продукты (соль хлорида натрия и частицы титана) отфильтровывают от лишнего натрия. Затем титан отделяют от соли промыванием водой. И натрий, и хлор перерабатываются для производства и переработки большего количества тетрахлорида титана.

Изготовление

Вся сварка титана должна выполняться в инертной атмосфере аргона или гелия, чтобы защитить его от загрязнения атмосферными газами (кислородом, азотом и водородом). Загрязнение вызывает различные условия, такие как охрупчивание , которые снижают целостность сварных швов сборочных и привести к ненадежной.

Титан не может быть припаян без первого предварительного покрытия его в металле , который пайка . Металл можно обрабатывать на том же оборудовании и тех же процессах, что и нержавеющую сталь .

Формовка и ковка

Технически чистый плоский продукт (лист, плита) можно легко формовать, но при обработке необходимо учитывать склонность металла к упругому возврату . Особенно это касается некоторых высокопрочных сплавов. Воздействие кислорода воздуха при повышенных температурах, используемых при ковке, приводит к образованию хрупкого, богатого кислородом металлического поверхностного слоя, называемого « альфа-корпус », который ухудшает усталостные свойства, поэтому его необходимо удалить фрезерованием, травлением или электрохимической обработкой.

Приложения

Титан используется в стали в качестве легирующего элемента ( ферротитан ) для уменьшения размера зерна и в качестве раскислителя, а также в нержавеющей стали для уменьшения содержания углерода. Титан часто легируют алюминием (для уменьшения размера зерна), ванадием , медью (для упрочнения), железом , марганцем , молибденом и другими металлами. Изделия из титана (лист, лист, пруток, проволока, поковки, отливки) находят применение на промышленных, аэрокосмических, развлекательных и развивающихся рынках. Порошок титана используется в пиротехнике как источник ярко горящих частиц.

Пигменты, добавки и покрытия

Около 95% всей титановой руды предназначено для переработки в диоксид титана ( Ti O
₂), интенсивно-белый перманентный пигмент, используемый в красках, бумаге, зубной пасте и пластике. Он также используется в цементе, в драгоценных камнях, в качестве оптического глушителя для бумаги и в качестве упрочняющего агента в графитовых композитных удилищах и клюшках для гольфа.

TiO
₂пигмент химически инертен, устойчив к выцветанию на солнце и очень непрозрачен: он придает чистый и блестящий белый цвет коричневым или серым химическим веществам, которые образуют большинство бытовых пластиков. В природе это соединение содержится в минералах анатазе , бруките и рутиле. Краска, изготовленная из диоксида титана, хорошо себя чувствует в суровых температурах и в морской среде. Чистый диоксид титана имеет очень высокий показатель преломления и оптическую дисперсию выше, чем у алмаза . Диоксид титана не только является очень важным пигментом, но и используется в солнцезащитных кремах.

Аэрокосмическая и морская

Поскольку титановые сплавы имеют высокое отношение прочности на разрыв к плотности, высокую коррозионную стойкость , усталостную стойкость, высокую трещиностойкость и способность выдерживать умеренно высокие температуры без ползучести , они используются в самолетах, бронировании, военно-морских кораблях, космических кораблях и ракетах. Для этих применений титан легируют алюминием, цирконием, никелем, ванадием и другими элементами для производства различных компонентов, включая критически важные структурные детали, противопожарные перегородки, шасси , выхлопные каналы (вертолеты) и гидравлические системы. Фактически, около двух третей всего производимого титана используется в авиационных двигателях и каркасах. Титана 6Al-4V сплава составляет почти 50% всех сплавов , используемых в самолетах.

Локхид А-12 и его развития SR-71 «Blackbird» были два из первых авиационных кадров , где был использован титан, что открывает путь для более широкого применения в современных военных и коммерческих самолетов. По оценкам , 59 метрических тонн (130000 фунтов) используются в Boeing 777 , 45 в Boeing 747 , 18 в Boeing 737 , 32 в Airbus A340 , 18 в Airbus A330 , и 12 в Airbus A320 . Airbus A380 может использовать 77 метрических тонн, в том числе около 11 тонн в двигателях. В авиационных двигателях титан используется для изготовления роторов, лопаток компрессоров, компонентов гидравлической системы и гондол . Первые реактивные двигатели использовались для самолетов Orenda Iroquois в 1950-х годах.

Поскольку титан устойчив к коррозии морской водой, он используется для изготовления гребных валов, оснастки и теплообменников на опреснительных установках ; нагреватели-охладители для аквариумов с соленой водой, леска и поводок, водолазные ножи. Титан используется в корпусах и компонентах устройств наблюдения и наблюдения за океаном для науки и армии. В бывшем Советском Союзе были разработаны технологии изготовления подводных лодок с корпусами из титановых сплавов, ковка титана в огромных электронных трубках.

Титан используется в стенах хранилища космического корабля Juno для защиты бортовой электроники.

Промышленные

Сварные титановые трубы и технологическое оборудование (теплообменники, резервуары, технологические сосуды, клапаны) используются в химической и нефтехимической промышленности в первую очередь для обеспечения устойчивости к коррозии. Определенные сплавы используются в скважинах для добычи нефти и газа и никелевой гидрометаллургии из- за их высокой прочности (например, титановый бета-C-сплав), коррозионной стойкости или и того, и другого. В целлюлозно-бумажной промышленности титан используется в технологическом оборудовании, подверженном воздействию агрессивных сред, таких как гипохлорит натрия или влажный газообразный хлор (на отбеливателе). Другие области применения включают ультразвуковую сварку , пайку волной и распыление мишеней.

Тетрахлорид титана (TiCl ₄ ), бесцветная жидкость, играет важную роль в качестве промежуточного продукта в процессе получения TiO _2, а также используется для производства катализатора Циглера – Натта . Тетрахлорид титана также используется для радужной окраски стекла и, поскольку он сильно дымится во влажном воздухе, его используют для изготовления дымовых завес.

Потребительский и архитектурный

Металлический титан используется в автомобилестроении, особенно в автомобильных и мотоциклетных гонках, где критически важны малый вес, высокая прочность и жесткость. Металл, как правило, слишком дорогой для общего потребительского рынка, хотя некоторые поздние модели Corvette производились с титановыми выхлопными трубами, а в двигателе LT4 Corvette Z06 с наддувом используются легкие твердые титановые впускные клапаны для большей прочности и устойчивости к нагреванию.

Титан используется во многих спортивных товарах: теннисных ракетках, клюшках для гольфа, стержнях клюшек для лакросса; решетки для шлема для игры в крикет, хоккей, лакросс и футбола, а также рамы и компоненты велосипедов. Хотя титановые велосипеды не являются основным материалом для производства велосипедов, они используются гоночными командами и велосипедистами-любителями .

Титановые сплавы используются для изготовления оправ для очков, которые являются довольно дорогими, но очень прочными, долговечными, легкими и не вызывают кожной аллергии. Многие туристы используют титановое снаряжение, включая кухонную утварь, столовые приборы, фонари и колья для палаток. Хотя изделия из титана немного дороже традиционных стальных или алюминиевых альтернатив, они могут быть значительно легче без ущерба для прочности. Титановые подковы предпочтительнее стал на кузнец , потому что они являются более легкими и прочными.

Титан иногда использовался в архитектуре. 42,5 м (139 футов) памятник Юрию Гагарину , первому человеку, побывавшему  / 55,708250 ° с. Ш. 37,582556 ° в. / 55.708250; 37,582556 в космосе ( 55 ° 42′29,7 ″ с.ш., 37 ° 34′57,2 ″ в.д. ), а также 110-метровый памятник Победителям. космического пространства на крыше Музея космонавтов в Москве сделаны из титана, так как металл имеет привлекательный цвет и ассоциируется с ракетной техникой. Музей Гуггенхайма в Бильбао и Библиотека тысячелетия Серритоса были первыми зданиями в Европе и Северной Америке, соответственно, которые были обшиты титановыми панелями. Титановая оболочка использовалась в здании Фредерика К. Гамильтона в Денвере, штат Колорадо.

Из-за превосходной прочности и легкости титана по сравнению с другими металлами (сталью, нержавеющей сталью и алюминием), а также из-за недавних достижений в технологиях обработки металлов его использование стало более широко распространенным в производстве огнестрельного оружия. Основное применение - рамы пистолетов и цилиндры револьверов. По тем же причинам он используется в корпусах портативных компьютеров (например, в линейке Apple PowerBook).

Некоторые элитные легкие и устойчивые к коррозии инструменты, такие как лопаты и фонарики, изготавливаются из титана или титановых сплавов.

ювелирные украшения

Из-за своей прочности титан стал более популярным для дизайнерских украшений (в частности, титановых колец ). Его инертность делает его хорошим выбором для людей, страдающих аллергией, или тех, кто будет носить украшения в таких помещениях, как бассейны. Титан также сплавлен с золотом для производства сплава, который можно продавать как 24-каратное золото, потому что 1% легированного Ti недостаточно, чтобы требовать меньшую отметку. Полученный сплав по твердости примерно равен 14-каратному золоту и более долговечен, чем чистое 24-каратное золото.

Долговечность, легкий вес и устойчивость титана к вмятинам и коррозии делают его полезным для корпусов часов . Некоторые художники работают с титаном для создания скульптур, декоративных предметов и мебели.

Титан может быть анодирован для изменения толщины поверхностного оксидного слоя, что приводит к появлению оптических интерференционных полос и различных ярких цветов. Благодаря такой окраске и химической инертности титан является популярным металлом для пирсинга .

Титан редко используется в специальных не обращающихся монетах и ​​медалях. В 1999 году Гибралтар выпустил первую в мире титановую монету к празднованию тысячелетия. The Gold Coast Titans , команда австралийской лиги регби, награждает своего игрока года медалью из чистого титана.

Медицинское

Поскольку титан биосовместим (нетоксичен и не отторгается организмом), он имеет множество медицинских применений, включая хирургические инструменты и имплантаты, такие как тазобедренные суставы и суставы ( замена суставов ) и зубные имплантаты, которые могут оставаться на месте до 20 годы. Титан часто легирован примерно 4% алюминия или 6% алюминия и 4% ванадия.

Титану присуща способность к остеоинтеграции , что позволяет использовать его в зубных имплантатах , срок службы которых превышает 30 лет. Это свойство также полезно для применения в ортопедических имплантатах . Они извлекают выгоду из более низкого модуля упругости титана ( модуля Юнга ), чтобы более точно соответствовать таковому у кости, для восстановления которой такие устройства предназначены. В результате скелетные нагрузки более равномерно распределяются между костью и имплантатом, что снижает частоту деградации костей из-за защиты от напряжения и перипротезных переломов костей, которые возникают на границах ортопедических имплантатов. Однако жесткость титановых сплавов все еще более чем в два раза превышает жесткость кости, поэтому соседняя кость несет значительно меньшую нагрузку и может разрушиться.

Поскольку титан неферромагнитен , пациентов с титановыми имплантатами можно безопасно обследовать с помощью магнитно-резонансной томографии (удобно для долгосрочных имплантатов). Подготовка титана к имплантации в организм включает в себя воздействие на него высокотемпературной плазменной дуги, которая удаляет поверхностные атомы, обнажая свежий титан, который мгновенно окисляется.

Современные достижения в технологиях аддитивного производства увеличили потенциал использования титана в ортопедических имплантатах. Сложные конструкции каркасов имплантатов могут быть напечатаны на 3D-принтере с использованием титановых сплавов, что позволяет использовать их для большего числа конкретных пациентов и повысить остеоинтеграцию имплантатов ».

Титан используется в хирургических инструментах, используемых в хирургии под визуальным контролем , а также в инвалидных колясках, костылях и любых других изделиях, где желательны высокая прочность и малый вес.

Наночастицы диоксида титана широко используются в электронике, а также в фармацевтике и косметике.

Хранение ядерных отходов

Из-за своей коррозионной стойкости контейнеры из титана были изучены для длительного хранения ядерных отходов. Считается, что контейнеры, срок службы которых превышает 100 000 лет, возможны при условиях производства, которые сводят к минимуму дефекты материала. Титановый «каплеуловитель» также может быть установлен над контейнерами других типов для увеличения их долговечности.

Меры предосторожности

Титан нетоксичен даже в больших дозах и не играет никакой естественной роли в организме человека . Приблизительное количество 0,8 миллиграмма титана потребляется людьми каждый день, но большая часть проходит через него, не всасываясь в тканях. Однако иногда он накапливается в тканях, содержащих диоксид кремния . Одно исследование указывает на возможную связь между синдромом титана и желтого ногтя .

В виде порошка или металлической стружки металлический титан представляет значительную опасность возгорания, а при нагревании на воздухе - опасность взрыва. Вода и углекислый газ неэффективны для тушения титанового пожара; Вместо этого следует использовать сухие порошковые агенты класса D.

Когда титан используется для производства хлора или обращения с ним , не следует подвергать его воздействию сухого газообразного хлора, поскольку это может привести к возгоранию титана и хлора.

Титан может загореться при контакте свежей неокисленной поверхности с жидким кислородом .

Функция в растениях

Неизвестный механизм у растений может использовать титан для стимуляции производства углеводов и стимулирования роста. Это может объяснить, почему большинство растений содержат около 1 части на миллион (частей на миллион) титана, пищевые растения - около 2 частей на миллион, а хвощ и крапива - до 80 частей на миллион.

Смотрите также

использованная литература

Библиография

внешние ссылки

• «Титан: наш следующий главный металл» , Popular Science , октябрь 1950 г. - одна из первых публичных подробных статей о титане.
• Титан в Периодической таблице видео (Ноттингемский университет)
• Титан в The Essential Chemical Industry - онлайн (CIEC по продвижению науки в Йоркском университете)
• Международная титановая ассоциация. Архивировано 4 ноября 2020 года на Wayback Machine.
• Металлургия титана и его сплавов, Кембриджский университет
• Мировое производство титановых концентратов по странам
• Металл богов