Edinstvene lastnosti titana kovin: gostota in tališče

Zgodovina odkrivanja kovin

Vse se je začelo leta 1791, ko so istočasno neodvisno drug od drugega William Gregor (Anglija) in MG Klaprot (Nemčija) prejel titanov dioksid, vendar od nje niso mogli ločiti čiste snovi. Mineralogist, in v kombinaciji, vasi duhovnik Gregor je preučeval črno železov pesek, ki se nahaja v bližini njegove župnije. Rezultat je bila ekstrakcija titanove spojine - briljantna zrna, ki z imenom "menakin" (iz mineralnega menakanita), so usmrtile domače kraje angleškega človeka.

Okoli istega časa je kemik Klaprot, ki je preučeval rdeče peske, prinesene iz Madžarske, našel novo snov v mineralu rutila in jo imenoval »titan«. In nekaj let kasneje je dokazal, da so rutile in menaške zemljine enake spojine. Leta 1825 je švedski kemik Berzelius prejel prvi titanov kovinski vzorec, vendar to ni omogočilo napredka pri proučevanju lastnosti, saj so nečistoče vzorec krhke in neprimerne za obdelavo.

Šele leta 1925 so nizozemski kemiki van Arkel in de Boer z uporabo termičnega razkroja titanovega jodida, ki se ni uporabljal široko, prejeli snov s čistostjo 99,9%. Taka kovina je bila plastika, lahko jo zavijete v pločevino, žico in folijo. To nam je omogočilo začetek celovite študije fizikalnih in kemičnih lastnosti, opozoriti inženirje in graditelje ter predstaviti področje uporabe. In že leta 1940 je bil proces predelave magnezijevega tetraklorida s titanom, ki se je doslej uspešno uporabljal.

Teorije o izvoru imena

Obstajata dve teoriji o izvoru imena:

• Prvi, ki poudarja osnovne lastnosti titana kovin - lahkotnost in moč, je povezan z imenom značaja nemške legende - elven kraljica Titania.
• Druga teorija se nanaša na starodavno grško mitologijo, kjer so se titani imenovali močni bratje - božje druge generacije, otroci bogov Urana in Gaia. Odzivi tega so slišali v imenu elementa urana.

Iskanje titana v naravi

Titan ima častno četrto mesto po vsebini v zemeljski skorji med kovinami, ki so pomembne za človeka, drugič pa samo za železo, magnezij in aluminij. Njegova največja količina se koncentrira v spodnji, bazaltni plasti, nekoliko manj v granitnem sloju. Glede na visoko kemijsko aktivnost titana ni mogoče najti v čisti obliki. Najpogostejši so tetravalentni oksidi, ki so koncentrirani v rudah zemeljske skorje in morske gline.

Danes je do 75 titanovih mineralov, znanstveniki pa redno objavljajo odkritje novih oblik in spojin. Za industrijsko predelavo so najpomembnejši:

• Ilmenite.
• Leukoxen (proizvod spremembe ilmenita).
• Rutile.
• Titanit (fenom).
• Perovskite.
• Anataza.
• Titanomagnetit.
• Brookyt.

Titan - šibek migrant, ga lahko nosimo le v obliki mehanskih odpadkov kamnine ali pri premikanju koloidne moke plasti vodnih telesih. Pri običajnih Največja vsebnost biosfera količin te kovine v alge, je pri živalih v volno in pohoten tkiv v človeškem telesu prisoten v ščitnici, vranici, nadledvične žleze in placente.

Vloge vesoljskega materiala

Najpogostejši so depoziti ilmenita, okoli 800 milijonov ton. Pridržki rutilnih rud so precej manjši, vendar z rastjo proizvodnje lahko vsi zagotavljajo človeštvo še nadaljnjih 100 let. Glede na rezerve titana je Rusija le na Kitajskem in ima 20 raziskovanih vlog. Večina jih je zapletena, kjer proizvajajo tudi železo, fosfor, vanadij in cirkonij. Danes je največji svetovni proizvajalec titan je ruska metalurška družba VSMPO-AVISMA.

Obsežne vloge se nahajajo v Južni Afriki, Ukrajini, Kanadi, ZDA, Braziliji, Avstraliji, na Švedskem, Norveškem, Egiptu, Kazahstanu, Indiji in Južni Koreji. Razlikujejo se po vsebnosti kovin v rudah in količinah ekstrakcije, geološka raziskava se ne ustavi. Tudi na Luni so bile najdene zaloge titanovih rud, nekatere od njih so večkrat večje od velikih nanosov Zemlje. To nam omogoča, da upamo, da bomo znižali tržno ceno kovin in razširili obseg uporabe.

Fizične lastnosti elementa

Titan - kemični element periodične tabele Mendelejeva, je v četrti skupini četrtega obdobja. Ima atomsko številko 22, molarno maso 47.867, označena s simbolom Ti in kaže oksidacijska stanja od 2 do 4, njegove tetravalentne spojine so najbolj stabilne. Pri normalnem tlaku je tališče titana 1670 ± 2 ° C, nanaša se na barvne ognjevzdržne kovine in podobno kot jeklo.

Trdnost, duktilnost in močnostne obremenitve - pomembni parametri za vsako kovino, ki določajo obseg uporabe. Titan je 12-krat močnejši od aluminija, 4-kratni baker in železo. In je veliko lažje od vseh (gostota titana je le 4,54 g / cm 3) in se prosto obdeluje z varjenjem, žigosanjem, kovanjem in valjanjem. Pomembne lastnosti so nizka toplotna prevodnost in električna prevodnost, ki ostajajo nespremenjeni tudi pri visokih temperaturah.

Titan ima paramagnetne lastnosti: ni magnetiziran v magnetnem polju, kot je nikelj in železo, in ni potisnjen kot srebro in zlato. Njegove slabe antifrikcijske lastnosti so posledica spoštovanja številnih materialov. Indeksi odpornosti proti koroziji in odpornosti proti mehanskim delovanjem so edinstveni: titanove plošče, ki že deset let ležijo na morskem dnu, se ne bodo spremenile videz in sestava, v tem času pa se bo železo popolnoma razgradilo.

Kemijske lastnosti

Visoka odpornost na korozijo je posledica dejstva, da je v normalnih pogojih prisoten oksidni film na površini kovine. Vendar pa je v obliki prahu, drobnih vlaken ali žice sposobna samovnetiti in eksplodirati. Titan je odporen na vodne raztopine klora in veliko razredčenih alkalij in kislin, razen nafte, fosforja in žvepla. Varjenje in taljenje se izvaja v vakuumu, ker se z rahlim segrevanjem manifestira ena od glavnih lastnosti titana - aktivna absorpcija plinov okoliške atmosfere.

Reakcija z vodikom, ki se začne pri 60 ° C, je reverzibilna, nastali hidrati pa se ponovno segrejejo ob segrevanju. V zraku pri 1200 ° C titan prižge s svetlim belim plamenom in le lahko v ozračju dušika pri temperaturi nad 400 ° C nastane z nastankom nitridov. Za interakcijo s halogeni so potrebni pogoji odsotnost vlage in prisotnost katalizatorja - visoka temperatura. Reakcija z ogljikom proizvaja superhardni karbid. Pri večini kovin titan tvori visoko trdne strukturne ali toplotno odporne zlitine in intermetalne spojine, ki se pogosto uporabljajo kot pomembna legirana komponenta.

Metoda pridobivanja surovin

Izhodni material je titanov dioksid, ki vsebuje malo tujih nečistoč. To zahteva rutilni koncentrat, pridobljen z obogatitvijo rude. Toda njegove svetovne zaloge so majhne, ​​pogosto pa se uporablja titanova žlindra (sintetični rutil), ki se pridobiva s toplotno obdelavo - obogatitev ilmenitnih koncentratov v električni obločni peči. Kot rezultat, se na dnu posebne kopeli zbere železo v obliki litega železa in ostane prašek sive barve - žlindra, ki vsebuje titanov oksid. Pomeša se, pomeša s premogom, brizgani in klorira v pečeh, kjer se pri 800 ° C v prisotnosti pari ogljikovega titanovega tetraklorida oblikujejo.

Nato se očistijo in v posebnih reaktorjih reduciramo z magnezijem pri 950 ° C. Na stenah se oblikuje špica porozne mase, gumijaste titanije, ki se v vakuumu žvepla ločuje od spojin magnezija. Za izdelavo ingotov iz titana uporabimo taljenje pridobljene gobice v vakuumsko-obločnih pečeh. To preprečuje oksidacijo kovine in spodbuja končno sproščanje nečistoč. Za obdelavo tlaka (valjanje, vtiskovanje, kovanje) se uporabljajo pripravljeni ingoti s čistostjo do 99,7%.

Glavne aplikacije

Težko je opisati vsa področja življenja, kjer obstaja mesto za titan, vendar je med glavnimi področji mogoče opaziti:

• Glavni potrošniki so letalska industrija in raketni inženiring. Visoka točka tališča in lahkotnost so neprecenljive prednosti titana, če se uporabljajo kot "letni" gradbeni material. Za letalo, na primer, so krila in palice, vrtljivi krili, cevovodi in okvirji. Simbolično je, da je bil leta 1980 spomenik Yu.A.Gagarinu s sedežem v Moskvi izdelan iz te kozmične kovine.
• Ladjedelništvo potrebuje tudi lahke in korozijsko odporne materiale. V poznih sedemdesetih letih dvajsetega stoletja je skoraj celotna letna proizvodnja titana v Sovjetski zvezi prinesla nastanek jedrske podmornice, kjer je služila kot glavni gradbeni material. Rezultat je bil zmanjšanje ene tretjine teže podmornice, njenega paramagnetizma, največje vrednosti globine potopitve in hitrosti pod vodo.
• Titanove plošče se uporabljajo v neprebojnih prsih. Teža lahkega neprobojnega telovnika je 4 kg, težka teža - 10,5 kg. Tudi en tak trak debeline samo 5 mm zanesljivo ščiti pred pištolami in puškami.
• Metal je nujno potrebno za potrebe kemične industrije glede na odpornosti na korozijo v najbolj agresivnih okoljih in pri visokih temperaturah: naprav in cevovodov, rezervoarjev in destilacije, filtri in ventilov.
• Dajemo jeklo trdoto in odpornost proti toploti, ki se uporablja kot legirni aditiv.
• Titanove zlitine služijo za izdelavo rezalnih in kirurških instrumentov, nakita. Človeško telo ne zavrne kovine, zato se v medicini uporablja za ustvarjanje vsadkov.
• Od starih časov so bile stavbe v evropskih mestih prekrite s cinkovi listi. V dvajsetem stoletju so za te potrebe ustvarili ekološko čisti in trajni cink-titanski material. Njegova odlična plastičnost omogoča izdelavo streh skoraj vseh kontur in oblikovanje nestandardnih konstrukcij fasad.
• Težko si je predstavljati proizvodnjo titanovih spojin gradbenih materialov, barv, gume, plastike, papirja in aditivov za živila. Zahtevajo jih v elektrotehniki, jih lahko najdemo v sestavi ognjevarnih kozarcev in keramičnih delov, v nosilcih vrtalnih ploščadi, ki delujejo v ekstremnih morskih razmerah, in ohišjih domačih računalnikov.

Obseg titana se nenehno širi, ovira zapletenost in energetsko intenzivnost procesa pridobivanja čiste snovi. Delno zaradi tega tradicionalno železo in aluminij še vedno trdno držijo položaje danes. Titan je drago zdravljenje. Cena kovine v obliki koncentrata je na stotine krat manjša od stroškov končnih izdelkov, na primer pločevine. Danes taki stroški niso na voljo vsem, zato uporaba titana določa stopnjo gospodarskega razvoja in obrambne zmogljivosti države.