Titan (prvek)

Titan
←  Scandium | Vanad  →
22 Ti

Zr
Periodická soustava prvků22 Ti
Vzhled jednoduché látky
Tyč složená z vysoce čistých titanových krystalů
Vlastnosti atomu
Jméno, symbol, číslo Titan / Titan (Ti), 22
Skupina , období , blok 14 (zastaralé 4), 4,
d-prvek
atomová hmotnost
( molární hmotnost )
47.867(1) [1]  a. e. m.  ( g / mol )
Elektronická konfigurace [Ar] 3d 2 4s 2
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2
Poloměr atomu 147 hodin
Chemické vlastnosti
kovalentní poloměr 132  hodin
Poloměr iontů (+4e)68 (+2e)94  pm
Elektronegativita 1,54 (Paulingova stupnice)
Elektrodový potenciál −1,63
Oxidační stavy +2, +3, +4
Ionizační energie
(první elektron)
657,8 (6,8281 [2]kJ / mol  ( eV )
Termodynamické vlastnosti jednoduché látky
Hustota (v n.a. ) 4,54 g/cm³
Teplota tání 1670 °C
1943 K
Teplota varu 3560 tis .
Oud. teplo tání 18,8 kJ/mol
Oud. výparné teplo 422,6 kJ/mol
Molární tepelná kapacita 25,1 [3]  J/(K mol)
Molární objem 10,6  cm³ / mol
Krystalová mřížka jednoduché látky
Příhradová konstrukce šestiúhelníkový
uzavřený (α-Ti)
Parametry mřížky a=2,951 c=4,697 (α-Ti)
poměr c / a 1,587
Debyeho teplota 380 tisíc  _
Další vlastnosti
Tepelná vodivost (300 K) 21,9 W/(m K)
Číslo CAS 7440-32-6
22 Titan
Ti47,867
3d 2 4s 2

Titan ( chemická značka  - Ti , z lat.  Ti tanium ) - chemický prvek 14. skupiny (podle zastaralé klasifikace  vedlejší podskupina čtvrté skupiny, IVB), čtvrté období periodického systému chemických prvků D. I. Mendělejev s atomovým číslem 22.

Jednoduchá látka titan  je lehký , stříbřitě bílý přechodový kov . Má vysokou odolnost proti korozi .

Historie

Objev oxidu titaničitého (TiO 2 ) téměř současně a nezávisle na sobě provedli Angličan W. Gregor a německý chemik M. G. Klaproth . W. Gregor, který studoval složení magnetického železitého písku (Creed, Cornwall, Anglie, 1791 ), izoloval novou "země" ( oxid ) neznámého kovu, který nazval menaken. V roce 1795 objevil německý chemik Klaproth nový prvek v minerálu rutil a pojmenoval jej titan. O dva roky později Klaproth zjistil, že rutil a menaken země jsou oxidy stejného prvku, za kterým zůstal Klaprothem navržený název „titan“. Po 10 letech došlo k objevu titanu potřetí: francouzský vědec L. Vauquelin objevil titan v anatasu a dokázal, že rutil a anatas  jsou totožné oxidy titanu.

První vzorek kovového titanu získal v roce 1825 Švéd J. Ya. Berzelius . Kvůli vysoké chemické aktivitě titanu a složitosti jeho čištění získali Holanďané A. van Arkel a I. de Boer v roce 1925 vzorek čistého Ti tepelným rozkladem par jodidu titanu TiI 4 .

Titan nenašel průmyslové využití, dokud Lucemburčan Wilhelm Kroll patentoval v roce 1940 jednoduchou hořčíkovou tepelnou metodu k redukci kovového titanu z tetrachloridu ; tato metoda ( proces Kroll) stále zůstává jedním z hlavních v průmyslové výrobě titanu.

Původ jména

Kov dostal své jméno na počest titánů , postav starověké řecké mytologie, dětí Gaie . Název prvku dal Martin Klaproth v souladu se svými názory na chemické názvosloví, na rozdíl od francouzské chemické školy, kde se snažili prvek pojmenovat podle jeho chemických vlastností. Protože německý badatel sám zaznamenal nemožnost určit vlastnosti nového prvku pouze podle jeho oxidu, zvolil pro něj název z mytologie, analogicky s jím dříve objeveným uranem .

Být v přírodě

Titan je 9. nejhojnější v přírodě. Obsah v zemské kůře  - 0,57 % hmotnosti, v mořské vodě  - 0,001 mg / l [4] . V ultrabazických horninách 300 g/t, v bazických  9 kg/t, v kyselých 2,3 kg/t, v jílech a břidlicích 4,5 kg/t. V zemské kůře je titan téměř vždy čtyřmocný a je přítomen pouze ve sloučeninách kyslíku. Nevyskytuje se ve volné formě. Titan má za podmínek zvětrávání a srážek geochemickou afinitu k Al 2 O 3 . Je koncentrován v bauxitech zvětrávací kůry a v mořských jílovitých sedimentech. Přenos titanu se provádí ve formě mechanických úlomků minerálů a ve formě koloidů . V některých jílech se hromadí až 30 % hmotnosti TiO 2 . Titanové minerály jsou odolné vůči povětrnostním vlivům a tvoří velké koncentrace v sypačích. Je známo více než 100 minerálů obsahujících titan. Nejvýznamnější z nich jsou: rutil TiO 2 , ilmenit FeTiO 3 , titanomagnetit FeTiO 3 + Fe 3 O 4 , perovskit CaTiO 3 , titanit (sfén) CaTiSiO 5 . Existují primární titanové rudy - ilmenit-titanomagnetit a rýžovač - rutil-ilmenit-zirkon [3] .

Vklady

Velká primární ložiska titanu se nacházejí na území Jihoafrické republiky , Ruska , Ukrajiny , Kanady , USA , Číny , Norska , Švédska , Egypta , Austrálie , Indie , Jižní Koreje , Kazachstánu ; aluviální ložiska se nacházejí v Brazílii , Indii, USA, Sierra Leone , Austrálii [3] [5] . V zemích SNS zaujímá přední místo z hlediska prozkoumaných zásob titanových rud Ruská federace (58,5 %) a Ukrajina (40,2 %) [6] . Největší naleziště v Rusku je Yaregskoye .

Zásoby a produkce

Zásadité rudy : ilmenit (FeTiO 3 ), rutil (TiO 2 ), titanit (CaTiSiO 5 ).

Od roku 2002 bylo 90 % vytěženého titanu použito na výrobu oxidu titaničitého TiO 2 . Světová produkce oxidu titaničitého byla 4,5 milionu tun ročně. Potvrzené zásoby oxidu titaničitého (bez Ruska) jsou asi 800 milionů t. V roce 2006 podle US Geological Survey, pokud jde o oxid titaničitý a bez Ruska, zásoby ilmenitových rud dosahují 603-673 milionů tun a rutilu - 49,7- 52,7 milionů tun [7] . Při současném tempu produkce tedy prokázané světové zásoby titanu (vyjma Ruska) vystačí na více než 150 let.

Rusko má po Číně druhé největší zásoby titanu na světě. Základ nerostných zdrojů titanu v Rusku tvoří 20 ložisek (z nichž 11 je primárních a 9 aluviálních), poměrně rovnoměrně rozmístěných po celé zemi. Největší z prozkoumaných ložisek (Yaregskoye) se nachází 25 km od města Ukhta (Republika Komi). Zásoby ložiska se odhadují na 2 miliardy tun rudy s průměrným obsahem oxidu titaničitého kolem 10 % [8] .

Největším světovým producentem titanu je ruská společnost VSMPO-Avisma .

Fyzikální vlastnosti

Titan je lehký, stříbřitě bílý kov . Za normálního tlaku existuje ve dvou krystalických modifikacích: nízkoteplotní α - Ti s šestiúhelníkovou těsně uzavřenou mřížkou ( hexagonální syngonie , prostorová grupa C 6 mmc , parametry buňky  a = 0,2953 nm , c = 0,4729 nm , Z = 2 ) a vysokoteplotní β -Ti s kubickým tělesem centrovaným balením ( kubická syngonie , prostorová grupa Im 3 m , parametry buňky  a = 0,3269 nm , Z = 2 ), teplota přechodu α↔β 883 °C, teplo přechodu Δ H = 3,8 kJ/mol [3] (87,4 kJ/kg [9] ). Většina kovů po rozpuštění v titanu stabilizuje β -fázi a snižuje přechodovou teplotu α↔β [3] . Při tlacích nad 9 GPa a teplotách nad 900 °C přechází titan do hexagonální fáze ( ω -Ti) [9] . Hustota α -Ti a β- Ti je 4,505 g/cm3 (při 20 °C) a 4,32 g/cm3 (při 900 °C) [3] . Atomová hustota α-titanu je 5,67⋅1022 at/cm³ [10] [ 11] .

Bod tání titanu za normálního tlaku je 1670 ± 2 °C nebo 1943 ± 2 K (bráno jako jeden ze sekundárních kalibračních bodů teplotní stupnice ITS-90) [2] . Bod varu 3287 °C [2] . Při dostatečně nízké teplotě (-80 °C) [2] titan dosti křehne. Molární tepelná kapacita za normálních podmínek C p = 25,060 kJ/(mol·K), což odpovídá měrné tepelné kapacitě 0,523 kJ/(kg·K) [2] . Skupenské teplo tání je 15 kJ/mol [9] , skupenské teplo vypařování je 410 kJ/mol [9] . Charakteristická Debyeova teplota je 430 K [9] . Tepelná vodivost 21,9 W/(m K) při 20 °C [9] . Teplotní koeficient lineární roztažnosti je 9,2·10 −6 K −1 v rozsahu od −120 do +860 °C [9] . Molární entropie α -titanu S 0 = 30,7 kJ/(mol·K) [2] . U titanu v plynné fázi je entalpie tvorby ΔH
0f _
= 473,0 kJ/mol, Gibbsova energie Δ G
0f _
= 428,4 kJ/mol, molární entropie S 0 = 180,3 kJ/(mol K), tepelná kapacita při konstantním tlaku C p = 24,4 kJ/(mol K) [2]

Měrný elektrický odpor při 20 °C je 0,58 μ Ohm m [9] (podle jiných zdrojů 0,42 μ Ohm m [3] ), při 800 °C 1,80 μ Ohm m [3] . Teplotní koeficient odporu je 0,003 K −1 v rozmezí 0–20 °C [9] .

Plast, svařovaný v inertní atmosféře. Pevnostní charakteristiky jsou málo závislé na teplotě, ale jsou vysoce závislé na čistotě a předúpravě [3] . U technického titanu je tvrdost podle Vickerse 790–800 MPa, modul normální pružnosti 103 GPa a modul ve smyku 39,2 GPa [9] . Vysoce čistý titan předžíhaný ve vakuu má mez kluzu 140–170 MPa, relativní tažnost 55–70 % a tvrdost podle Brinella 175 MPa [3] .

Má vysokou viskozitu, při obrábění je náchylný k ulpívání na řezném nástroji, a proto je nutné na nástroj nanášet speciální nátěry, různá maziva .

Při normální teplotě je pokryta ochranným pasivačním filmem oxidu TiO 2 , díky čemuž je odolná vůči korozi ve většině prostředí (kromě alkalických).

Teplota přechodu do supravodivého stavu je 0,387 K. Při teplotách nad 73 K je titan paramagnetický . Magnetická susceptibilita při 20 °C je 3,2·10 −6 [3] . Hallova konstanta α - titanu je rovna +1,82·10 −13 [3] .

Izotopy

Izotopy titanu jsou známé s hmotnostními čísly od 38 do 63 (počet protonů je 22, neutronů od 16 do 41) a 2 jaderné izomery .

Přírodní titan se skládá ze směsi pěti stabilních izotopů: 46 Ti ( zastoupení izotopů 7,95 %), 47 Ti (7,75 %), 48 Ti (73,45 %), 49 Ti (5,51 %), 50 Ti (5,34 %).

Mezi umělými izotopy má nejdelší životnost 44 Ti ( poločas rozpadu 60 let) a 45 Ti (poločas rozpadu 184 minut).

Chemické vlastnosti

Odolný vůči korozi kvůli oxidickému filmu , ale když je rozdrcen na prášek, stejně jako na tenké třísky nebo drát, je titan samozápalný [3] . Titanový prach má tendenci explodovat. Bod vzplanutí - 400 °C. Titanové hobliny jsou hořlavé.

Titan je odolný vůči zředěným roztokům mnoha kyselin a zásad (kromě HF , H 3 PO 4 a koncentrované H 2 SO 4 ). Titan je odolný vůči vlhkému chlóru a vodným roztokům chloru [2] .

Snadno reaguje i se slabými kyselinami v přítomnosti komplexotvorných činidel, například interaguje s kyselinou fluorovodíkovou HF v důsledku tvorby komplexního aniontu [TiF 6 ] 2− . Titan je nejvíce náchylný ke korozi v organických médiích, protože v přítomnosti vody se na povrchu titanového produktu vytváří hustý pasivní film oxidů a hydridu titanu. Nejnápadnější zvýšení korozní odolnosti titanu je patrné se zvýšením obsahu vody v agresivním prostředí z 0,5 na 8,0 %, což potvrzují elektrochemické studie elektrodových potenciálů titanu v roztocích kyselin a zásad ve smíšené vodě. -organická média [12] .

Při zahřátí na vzduchu na 1200°C se Ti vznítí jasně bílým plamenem za vzniku oxidových fází různého složení TiO x . Hydroxid TiO(OH) 2 ·xH 2 O se vysráží z roztoků solí titanu, jejichž pečlivou kalcinací se získá oxid TiO 2 . Hydroxid TiO(OH) 2 xH20 a oxid Ti02 jsou amfoterní .

TiO 2 interaguje s kyselinou sírovou během prodlouženého varu. Při tavení se sodou Na 2 CO 3 nebo potašem K 2 CO 3 tvoří oxid TiO2 titaničitany :

Při zahřátí Ti interaguje s halogeny (například s chlórem při 550 °C [2] ). Chlorid titaničitý TiCl 4 je za normálních podmínek bezbarvá kapalina, silně dýmající na vzduchu, což se vysvětluje hydrolýzou TiCl 4 , vodní páry obsažené ve vzduchu a tvorbou drobných kapiček HCl a suspenze hydroxidu titaničitého .

Redukcí TiCl 4 vodíkem , hliníkem , křemíkem a dalšími silnými redukčními činidly se získá chlorid a dichlorid titaničitý TiCl 3 a TiCl 2  - pevné látky se silnými redukčními vlastnostmi. Ti interaguje s Br2 a I2 .

S dusíkem N 2 nad 400 °C tvoří titan nitrid TiN x (x = 0,58–1,00). Titan je jediný prvek, který hoří v dusíkové atmosféře [2] .

Při interakci titanu s uhlíkem vzniká karbid titanu TiC x (x = 0,49–1,00).

Při zahřívání Ti absorbuje H 2 za vzniku sloučeniny různého složení TiH x (x = 2,00–2,98). Při zahřívání se tyto hydridy rozkládají za uvolňování H 2 .

Titan tvoří slitiny a intermetalické sloučeniny s mnoha kovy.

Získání

Výchozí surovinou pro výrobu titanu a jeho sloučenin je zpravidla oxid titaničitý s relativně malým množstvím nečistot. Zejména se může jednat o rutilový koncentrát získaný při těžbě titanových rud. Zásoby rutilu jsou však ve světě velmi omezené a častěji se používá tzv. syntetický rutil nebo titanová struska , získaná při zpracování koncentrátů ilmenitu . Pro získání titanové strusky je koncentrát ilmenitu redukován v elektrické obloukové peci, zatímco železo je separováno na kovovou fázi ( litinu ) a neredukované oxidy titanu a nečistoty tvoří struskovou fázi. Bohatá struska se zpracovává chloridovou nebo kyselinou sírovou metodou.

Koncentrát titanových rud je podroben kyselině sírové nebo pyrometalurgickému zpracování. Produktem zpracování kyselinou sírovou je práškový oxid titaničitý TiO 2 . Pomocí pyrometalurgické metody se ruda slinuje s koksem a zpracovává se chlorem , čímž se získá dvojice chloridu titaničitého TiCl 4 :

Páry TiCl 4 vznikající při 850 °C se redukují hořčíkem :

Kromě toho si nyní začíná získávat na popularitě takzvaný proces FFC Cambridge, pojmenovaný po svých vývojářích Dereku Freyovi, Tomu Farthingovi a George Chenovi z University of Cambridge , kde byl vytvořen . Tento elektrochemický proces umožňuje přímou kontinuální redukci titanu z oxidu v tavené směsi chloridu vápenatého a nehašeného vápna (oxid vápenatý). Tento proces využívá elektrolytickou lázeň naplněnou směsí chloridu vápenatého a vápna, s grafitovou obětní (nebo neutrální) anodou a katodou vyrobenou z oxidu, který má být redukován. Při průchodu proudu lázní teplota rychle dosáhne ~1000–1100 °C a tavenina oxidu vápenatého se na anodě rozloží na kyslík a kovový vápník :

Výsledný kyslík oxiduje anodu (v případě použití grafitu) a vápník migruje v tavenině ke katodě, kde obnovuje titan z jeho oxidu:

Vzniklý oxid vápenatý opět disociuje na kyslík a kovový vápník a proces se opakuje až do úplné přeměny katody na titanovou houbu nebo vyčerpání oxidu vápenatého. Chlorid vápenatý se v tomto procesu používá jako elektrolyt k zajištění elektrické vodivosti taveniny a pohyblivosti aktivních iontů vápníku a kyslíku. Při použití inertní anody (například oxidu cíničitého ) se na anodě uvolňuje místo oxidu uhličitého molekulární kyslík, který sice méně znečišťuje prostředí, ale proces se v tomto případě stává méně stabilní, a navíc za určitých podmínek Rozklad chloridu se stává energeticky výhodnějším než oxid vápenatý, což vede k uvolňování molekulárního chlóru .

Výsledná titanová "houba" se taví a čistí. Titan se rafinuje jodidovou metodou nebo elektrolýzou , přičemž se odděluje Ti od TiCl 4 . K získání titanových ingotů se používá obloukové, elektronové nebo plazmové zpracování.

Aplikace

V čisté formě a ve formě slitin

Použití kovového titanu v mnoha průmyslových odvětvích je způsobeno tím, že jeho pevnost je přibližně stejná jako u oceli, přestože je o 45 % lehčí. Titan je o 60 % těžší než hliník, ale asi dvakrát tak pevný. [2] .

Existuje mnoho slitin titanu s různými kovy. Legující prvky se v závislosti na jejich vlivu na teplotu polymorfní přeměny dělí do tří skupin: beta stabilizátory, alfa stabilizátory a neutrální tužidla. První snižují transformační teplotu, druhé ji zvyšují a druhé ji neovlivňují, ale vedou k vytvrzování matrice v roztoku. Příklady alfa stabilizátorů: hliník , kyslík , uhlík , dusík . Beta stabilizátory: molybden , vanad, železo , chrom , nikl . Neutrální tužidla: zirkon, cín, křemík. Stabilizátory beta se zase dělí na beta-izomorfní a beta-eutektoid tvořící.

Nejběžnější slitinou titanu je slitina Ti-6Al-4V (v ruské klasifikaci - VT6), obsahující asi 6 % hliníku a asi 4 % vanadu . Podle poměru krystalických fází se řadí mezi slitiny (α + β) . Jeho produkce tvoří až 50 % vyrobeného titanu [3] .

Ferrotitan (slitina titan-železo obsahující 18-25 % titanu) se používá v metalurgii železa k dezoxidaci oceli a odstranění nežádoucích nečistot (síra, dusík, kyslík) v ní rozpuštěných [3] .

V 80. letech 20. století bylo asi 60–65 % titanu vyrobeného ve světě použito při konstrukci letadel a raket, 15 % – v chemickém inženýrství, 10 % – v energetice, 8 % – při stavbě lodí a pro odsolování vody [3] .

Ve formě spojení

Analýza spotřebitelských trhů

V roce 2005 Titanium Corporation zveřejnila následující odhad celosvětové spotřeby titanu:

Ceny

Cena titanu je 5,9-6,0 $ za kilogram v závislosti na čistotě [15] .

Čistota a kvalita hrubého titanu ( titanová houba ) je obvykle dána jeho tvrdostí, která závisí na obsahu nečistot.

Fyziologické působení

Titan je považován za fyziologicky inertní, a proto se používá v protetice jako kov v přímém kontaktu s tělesnými tkáněmi. Titanový prach však může být karcinogenní [2] . Jak bylo uvedeno výše, titan se používá i ve stomatologii. Charakteristický rys použití titanu spočívá nejen v pevnosti, ale také ve schopnosti kovu samotného fúzovat s kostí , což umožňuje zajistit kvazipevnost základny zubu.

Poznámky

  1. Meija J. a kol. Atomové hmotnosti prvků 2013 (IUPAC Technical Report  )  // Pure and Applied Chemistry . - 2016. - Sv. 88 , č. 3 . - str. 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.). — 90. vydání. — CRC Press; Taylor a Francis, 2009. - 2828 s. — ISBN 1420090844 .
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Rakov I. E. Titan // Chemická encyklopedie  : v 5 dílech / Ch. vyd. N. S. Žefirov . - M . : Velká ruská encyklopedie , 1995. - T. 4: Polymer - Trypsin. - S. 590-592. — 639 s. - 40 000 výtisků.  — ISBN 5-85270-039-8 .
  4. Riley JP, Skirrow G. Chemická oceánografie V. 1, 1965.
  5. Titanium deposit Archivováno 28. března 2015 na Wayback Machine .
  6. Titanium deposit Archivováno 21. února 2015 na Wayback Machine .
  7. Ilmenit, rutil, titanomagnetit - 2006 (nepřístupný odkaz) . Získáno 17. listopadu 2007. Archivováno z originálu 28. prosince 2007. 
  8. Titan . Informační a analytické centrum "Minerál". Získáno 19. listopadu 2010. Archivováno z originálu 7. října 2011.
  9. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Berdonosov S. S. Titan // Fyzická encyklopedie  : [v 5 svazcích] / Kap. vyd. A. M. Prochorov . - M . : Velká ruská encyklopedie , 1994. - V. 4: Poynting - Robertson - Streamers. - S. 116. - 704 s. - 40 000 výtisků.  - ISBN 5-85270-087-8 .
  10. Strelchenko S.S., Lebedev V.V. Compounds A 3 B 5 : Handbook. - M.: Hutnictví, 1984. 144 s.
  11. Vlastnosti prvků: Po 2 hodinách Část 1. Fyzikální vlastnosti: Příručka. Ed. G. V. Samsonová. - M.: Hutnictví, 1976. 600 s.
  12. Vliv vody na proces pasivace titanu (nepřístupný odkaz) . www.chemfive.ru Získáno 21. října 2015. Archivováno z originálu 14. srpna 2016. 
  13. Bolshina E.P. Vysoké technologie v metalurgii. Výroba neželezných kovů . - Novotroitsk: NF MISiS, 2008. - S. 67. - 68 s. — ISBN 73.
  14. Umění odlévání ve 20. století . Získáno 18. listopadu 2010. Archivováno z originálu 5. května 2012.
  15. Na světovém trhu s titanem se ceny za poslední dva měsíce stabilizovaly (recenze) . Staženo 2. 5. 2015. Archivováno z originálu 11. 9. 2015.

Odkazy