Титан (элемент)

Для термина «Титан» см. такжедругие значения.

Запрос «Ti» перенаправляется сюда; см. такжедругие значения.

Титан
←Скандий|Ванадий→
22 Ti ↓ Zr Периодическая система элементов 22Ti
Внешний вид простого вещества
Стержень, состоящий из титановых кристаллов высокой чистоты
Свойства атома
Название, символ, номер	Тита́н / Titanium (Ti), 22
Группа,период,блок	14 (устар. 4), 4, d-элемент
Атомная масса (молярная масса)	47,867(1)а. е. м.(г/моль)
Электронная конфигурация	[Ar] 3d24s2 1s22s22p63s23p63d24s2
Радиус атома	147пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	132пм
Радиус иона	(+4e)68 (+2e)94пм
Электроотрицательность	1,54 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	−1,63
Степени окисления	+2, +3, +4
Энергия ионизации (первый электрон)	657,8 (6,8281)кДж/моль(эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность(прин. у.)	4,54 г/см³
Температура плавления	1670 °C 1943K
Температура кипения	3286,85 С 3560K
Мол. теплота плавления	18,8 кДж/моль
Мол. теплота испарения	422,6 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	25,1Дж/(K·моль)
Молярный объём	10,6см³/моль
Кристаллическая решёткапростого вещества
Структура решётки	гексагональная плотноупакованная (α-Ti)
Параметры решётки	a=2,951 с=4,697 (α-Ti)
Отношениеc/a	1,587
Температура Дебая	380K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 21,9 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-32-6

22	Титан
Ti 47,867
3d24s2

Тита́н(химический символ— Ti, отлат.Titanium) —химический элемент4-й группы(поустаревшей классификации— побочной подгруппы четвёртой группы, IVB)четвёртого периодапериодической системы химических элементовД. И. Менделеева,сатомным номером22. Относится кпереходным металлам.

Простое веществотитанв нормальных условиях — это лёгкийметаллсеребристо-белого цвета. Обладает высокойкоррозионной стойкостьюв растворах щелочей и большинства кислот.

История

Открытиедиоксида титана (TiO₂)сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанинУ. Грегори немецкий химикМ. Г. Клапрот.У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия,1791), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 году немецкий химик Клапрот открыл в минералерутиленовый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля — оксиды одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз: французский учёныйЛ. Вокленобнаружил титан ванатазеи доказал, чторутилианатаз— идентичные оксиды титана.

Первый образец металлического титана получил в1825 годушведЙ. Я. Берцелиус.Получение чистого титана осложнялось его химической активностью и было сделано значительно позднее голландскими химикамиА. ван АркелемиЯ. де Буромв1925 годутермическимразложением паровиодида титана(IV)TiI₄.

Титан не находил промышленного применения, покалюксембуржецВильгельм Кроллв1940 годуне запатентовал простой магниетермический метод восстановления металлического титана изтетрахлорида;этот метод (процесс Кролла) до настоящего времени остаётся одним из основных в промышленном получении титана.

Происхождение названия

Металл получил своё название в честьтитанов,персонажей древнегреческой мифологии, детейГеи.Название элементу далМартин Клапротв соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру в противовес французской химической школе, где элемент старались называть по его химическим свойствам. Поскольку немецкий исследователь сам отметил невозможность определения свойств нового элемента только по его оксиду, он подобрал для него имя из мифологии, по аналогии с открытым им ранееураном.

Нахождение в природе

Титан находится на 9-м месте по распространённости в природе. Содержание вземной коре— 0,57 % по массе, вморской воде— 0,001 мг/л.Вультраосновных породах300 г/т, восновных— 9 кг/т, вкислых2,3 кг/т, вглинахисланцах4,5 кг/т. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство сAl₂O₃.Он концентрируется вбокситахкоры выветриванияи в морских глинистых осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в видеколлоидов.До 30 % TiO₂по массе накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них:рутилTiO₂,ильменитFeTiO₃,титаномагнетитFeTiO₃+ Fe₃O₄,перовскитCaTiO₃,титанит(сфен) CaTiSiO₅.Различают коренныерудытитана — ильменит-титаномагнетитовые и россыпные — рутил-ильменит-цирконовые.

Месторождения

Крупные коренные месторождения титана находятся на территорииЮАР,России,Украины,Канады,США,Китая,Норвегии,Швеции,Египта,Австралии,Индии,Южной Кореи,Казахстана,Туркменистана;россыпные месторождения имеются вБразилии,Индии, США,Сьерра-Леоне,Австралии.В странах СНГ ведущее место по разведанным запасам титановых руд занимает РФ (58,5 %) и Украина (40,2 %). Крупнейшее месторождение в России расположено в республике Коми — Пижемское.

Запасы и добыча

Основныеруды:ильменит(FeTiO₃),рутил(TiO₂),титанит(CaTiSiO₅).

По данным на 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производстводиоксида титанаTiO₂.Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т в год. Подтверждённые запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603—673 млн т, а рутиловых — 49,7—52,7 млн т.Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта России) хватит более чем на 150 лет.

Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), достаточно равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений (Ярегское) находится в 25 км от городаУхта(Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 млрд т руды со средним содержанием диоксида титана около 10 %.

Крупнейший в мире производитель титана — российская компания «ВСМПО-Ависма».

Физические свойства

Титан — лёгкий серебристо-белыйметалл.При нормальном давлении существует в двух кристаллических модификациях: низкотемпературныйα-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (гексагональная сингония,пространственная группаC6mmc,параметры ячейкиa= 0,2953 нм,c= 0,4729 нм,Z= 2) и высокотемпературныйβ-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой (кубическая сингония,пространственная группаIm3m,параметры ячейкиa= 0,3269 нм,Z= 2), температура переходаα↔β883 °C, теплота переходаΔH= 3,8 кДж/моль(87,4 кДж/кг). Большинство металлов при растворении в титане стабилизируютβ-фазу и снижают температуру переходаα↔β.При давлении выше 9 ГПа и температуре выше 900 °C титан переходит в гексагональную фазу (ω-Ti).Плотностьα-Ti иβ-Ti соответственно равна 4,505 г/см³ (при 20 °C) и 4,32 г/см³ (при 900 °C).Атомная плотностьα-титана 5,67⋅10²²ат/см³.

Температура плавления титана при нормальном давлении равна 1670 ± 2 °C, или 1943 ± 2 К (принята в качестве одной из вторичных калибровочных точек температурной шкалыITS-90).Температура кипения 3287 °C.При температуре ниже –80 °С титан становится довольно хрупким.Молярнаятеплоёмкостьпри нормальных условияхC_p= 25,060 кДж/(моль·K), что соответствует удельной теплоёмкости 0,523 кДж/(кг·K).Теплота плавления 15 кДж/моль,теплота испарения 410 кДж/моль.Характеристическаядебаевская температура430 К.Теплопроводность 21,9 Вт/(м·К) при 20 °C.Температурный коэффициент линейного расширения9,2·10⁻⁶К⁻¹в интервале от −120 до +860 °C.Молярная энтропияα-титанаS⁰= 30,7 кДж/(моль·К).Для титана в газовой фазеэнтальпия образованияΔH0
f= 473,0 кДж/моль,энергия ГиббсаΔG0
f= 428,4 кДж/моль, молярная энтропияS⁰= 180,3 кДж/(моль·К), теплоёмкость при постоянном давленииC_p= 24,4 кДж/(моль·K)

Удельное электрическое сопротивлениепри 20 °C составляет 0,58 мкОм·м(по другим данным 0,42 мкОм·м), при 800 °C 1,80 мкОм·м.Температурный коэффициент сопротивления0,003 К⁻¹в диапазоне 0—20 °C.

Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Прочностные характеристики мало зависят от температуры, однако сильно зависят от чистоты и предварительной обработки.Для технического титанатвёрдость по Виккерсусоставляет 790—800 МПа,модуль нормальной упругости103 ГПа,модуль сдвига39,2 ГПа.У высокочистого предварительно отожжённого в вакууме титанапредел текучести140—170 МПа,относительное удлинение55—70 %,твёрдость по Бринеллю175 МПа.

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различныхсмазок.

При обычной температуре покрывается защитнойпассивирующейплёнкой оксида TiO₂,благодаря этомукоррозионностоекв большинстве сред (кроме щелочной).

Температура перехода всверхпроводящее состояние0,387 К. При температурах выше 73 К титанпарамагнитен.Магнитная восприимчивостьпри 20 °C составляет 3,2·10⁻⁶.Постоянная Холлаα-титана равна +1,82·10⁻¹³.

Изотопы

Основная статья:Изотопы титана

Известныизотопытитана смассовыми числамиот 38 до 63 (количествопротонов22,нейтроновот 16 до 41), и 2ядерных изомера.

Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов со следующейизотопной распространенностью:⁴⁶Ti (7,95 %),⁴⁷Ti (7,75 %),⁴⁸Ti (73,45 %),⁴⁹Ti (5,51 %),⁵⁰Ti (5,34 %).

Среди искусственных изотопов самые долгоживущие⁴⁴Ti (период полураспада60 лет) и⁴⁵Ti (период полураспада 184 минуты).

Химические свойства

Устойчив ккоррозииблагодаряоксидной плёнке,но при измельчении в порошок, а также в тонкой стружке или проволоке титанпирофорен.Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки — 400 °C. Титановая стружка пожароопасна.

Титан устойчив к разбавленным растворам многихкислотищелочей(кромеHF,H₃PO₄и концентрированнойH₂SO₄). Титан устойчив к влажному хлору и водным растворам хлора.

Легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотойHFон взаимодействует благодаря образованию комплексногоаниона[TiF₆]²⁻.Титан наиболее подвержен коррозии в органических средах, так как в присутствии воды на поверхности титанового изделия образуется плотнаяпассивная плёнкаиз оксидов и гидрида титана. Наиболее заметное повышение коррозионной стойкости титана заметно при повышении содержания воды в агрессивной среде с 0,5 до 8,0 %, что подтверждается электрохимическими исследованиями электродных потенциалов титана в растворах кислот и щелочей в смешанных водно-органических средах.

При нагревании на воздухе до 1200 °C Ti загорается ярким белым пламенем с образованием оксидных фаз переменного состава TiO_x.Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH)₂·xH₂O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO₂.Гидроксид TiO(OH)₂·xH₂O и диоксид TiO₂амфотерны.

TiO₂взаимодействует ссерной кислотойпри длительном кипячении. При сплавлении ссодойNa₂CO₃илипоташомK₂CO₃оксид TiO₂образует титанаты:

${\mathsf {TiO_{2}+K_{2}CO_{3}\rightarrow K_{2}TiO_{3}+CO_{2}}}$

При нагревании Ti взаимодействует сгалогенами(например, с хлором — при 550 °C).Тетрахлорид титанаTiCl₄при обычных условиях — бесцветная жидкость, сильно дымящая на воздухе, что объясняетсягидролизомTiCl₄,содержащимися в воздухе парами воды и образованием мельчайших капелекHClивзвесигидроксида титана.

Восстановлением TiCl₄водородом,алюминием,кремнием,другими сильными восстановителями, получентрихлоридидихлоридтитана TiCl₃и TiCl₂— твёрдые вещества, обладающие сильными восстановительными свойствами. Ti взаимодействует сBr₂иI₂.

Сазотом N₂выше 400 °C титан образуетнитридTiN_x(x = 0,58—1,00). Титан — один из немногих элементов, которые горят в атмосфере азота.

При взаимодействии титана суглеродомобразуетсякарбид титанаTiC_x(x = 0,49—1,00).

При нагревании Ti поглощаетH₂с образованием соединения переменного состава TiH_x(x = 2,00—2,98). При нагревании эти гидриды разлагаются с выделением H₂.

Титан образуетсплавыиинтерметаллические соединениясо многими металлами.

Получение

Брусок кристаллического титана (чистота 99,995 %, вес 283 г, длина 14 см, диаметр 25 мм), изготовленный на заводе «Уралредмет»иодидным методомван Аркеляиде Бура.

Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служитдиоксид титанасо сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может бытьрутиловыйконцентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановыйшлак,получаемые при переработкеильменитовыхконцентратов.

Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают вэлектродуговой печи(ильменитовый концентрат+уголь-антрацит), при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а невосстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.

Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки — порошок диоксида титана TiO₂.Пирометаллургическим методом руду спекают скоксоми обрабатываютхлором,получая парытетрахлорида титанаTiCl₄:

${\mathsf {TiO_{2}+2C+2Cl_{2}\rightarrow TiCl_{4}+2CO}}$

Образующиеся пары TiCl₄при 850 °Cвосстанавливаютмагнием:

${\mathsf {TiCl_{4}+2Mg\rightarrow 2MgCl_{2}+Ti}}$

Кроме этого, в настоящее время начинает получать популярность так называемый процесс FFC Cambridge, названный по именам его разработчиков Дерека Фрэя, Тома Фартинга и Джорджа Чена изКембриджского университета,где он был создан. Этот электрохимический процесс позволяет осуществлять прямое непрерывное восстановление титана из оксида в расплаве смесихлорида кальцияинегашёной извести(оксида кальция). В этом процессе используется электролитическая ванна, наполненная смесью хлорида кальция и извести, с графитовым расходуемым (либо нейтральным) анодом и катодом, изготовленным из подлежащего восстановлению оксида. При пропускании через ванну тока температура быстро достигает ~1000—1100 °C, и расплав оксида кальция разлагается на аноде накислороди металлическийкальций:

${\mathsf {2CaO\rightarrow 2Ca+O_{2}}}$

Полученный кислород окисляет анод (в случае использования графита), а кальций мигрирует в расплаве к катоду, где и восстанавливает титан из его оксида:

${\mathsf {O_{2}+C\rightarrow CO_{2}}}$

${\mathsf {TiO_{2}+2Ca\rightarrow Ti+2CaO}}$

Образующийся оксид кальция вновь диссоциирует на кислород и металлический кальций, и процесс повторяется вплоть до полного преобразования катода в титановую губку либо исчерпания оксида кальция. Хлорид кальция в данном процессе используется как электролит для придания электропроводности расплаву и подвижности активным ионам кальция и кислорода. При использовании инертного анода (например,диоксида олова), вместо углекислого газа на аноде выделяется молекулярный кислород, что меньше загрязняет окружающую среду, однако процесс в таком случае становится менее стабильным, и, кроме того, в некоторых условиях более энергетически выгодным становится разложение хлорида, а не оксида кальция, что приводит к высвобождению молекулярногохлора.

Полученнуютитановую «губку»переплавляют и очищают. Рафинируют титан иодидным способом илиэлектролизом,выделяя Ti из TiCl₄.Для получения титановых слитков применяют дуговую, электронно-лучевую или плазменную переработку.

Применение

В чистом виде и в виде сплавов

Основная статья:Сплавы титана

Часы из титанового сплава

Заготовка титановогошпангоутаистребителяF-15до и после прессования на штамповочном прессе компанииAlcoaусилием 45 тыс. тонн, май 1985

Использование металлического титана во многих отраслях промышленности обусловлено тем, что его прочность примерно равна прочности стали при том, что он на 45 % легче. Титан на 60 % тяжелее алюминия, но прочность его примерно вдвое больше.

• Титан в видесплавовявляется важнейшим конструкционным материалом в авиа- и ракетостроении, в кораблестроении.
• Металл применяется в химической промышленности (реакторы,трубопроводы,насосы,трубопроводная арматура), военной промышленности (бронежилеты, броня и противопожарные перегородки в авиации, корпуса подводных лодок), промышленных процессах (опреснительных установках, процессах целлюлозы и бумаги), автомобильной промышленности, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, спортивных товарах, ювелирных изделиях, мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д.
• Титан является физиологически инертным,благодаря чему применяется в медицине (протезы,остеопротезы,зубные имплантаты), в стоматологических и эндодонтических инструментах, украшениях дляпирсинга.
• Титановое литьё выполняют ввакуумныхпечах в графитовые формы. Также используется вакуумное литьё по выплавляемым моделям. Из-за технологических трудностей в художественном литье используется ограниченно. Первой в мировой практике монументальной литой скульптурой из титана являетсяпамятник Юрию Гагаринунаплощадиего имени в Москве.
• Титан являетсялегирующейдобавкой во многих легированныхсталяхи большинстве спецсплавов, например, рельсы и оси вагонных колес могут делаться из сплавов: К76Т, М76Т, Э76Т.
• Нитинол(никель-титан) — сплав, обладающийпамятью формы,применяемый в медицине и технике.
• Алюминидытитана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что, в свою очередь, определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов.
• Титан является одним из наиболее распространённыхгеттерных материалов,используемых ввысоковакуумных насосах.

Существует множествотитановых сплавовс различными металлами. Легирующие элементы разделяют на три группы, в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения: на бета-стабилизаторы, альфа-стабилизаторы и нейтральные упрочнители. Первые понижают температуру превращения, вторые повышают, третьи не влияют на неё, но приводят к растворному упрочнению матрицы. Примеры альфа-стабилизаторов:алюминий,кислород,углерод,азот.Бета-стабилизаторы:молибден,ванадий,железо,хром,никель.Нейтральные упрочнители: цирконий, олово, кремний. Бета-стабилизаторы, в свою очередь, делятся на бета-изоморфные и бета-эвтектоидообразующие.

Самым распространённым титановым сплавом является сплавTi-6Al-4V(в российской классификации — ВТ6), содержащий около 6 % алюминия и около 4 %ванадия.По соотношению кристаллических фаз он классифицируется как(α+β)-сплав. На его производство приходится до 50 % производимого титана.

Ферротитан(сплав титана с железом, содержащий 18—25 % титана) используют вчёрной металлургиидля раскисления стали и удаления растворённых в ней нежелательных примесей (сера, азот, кислород).

В 1980-х годах около 60—65 % производимого в мире титана использовалось в строительстве летательных аппаратов и ракет, 15 % — в химическом машиностроении, 10 % — в энергетике, 8 % — в строительстве судов и для опреснителей воды.

В виде соединений

• Белыйдиоксид титана(TiO₂) используется вкрасках(например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Применяется в фотокаталитических устройствах очистки воздуха. Пищевая добавкаE171.
• Титанорганические соединения(например,тетрабутоксититан) применяются в качествекатализатораиотвердителяв химической и лакокрасочной промышленности.
• Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки или покрытий.
• Карбид титана,диборид титана,карбонитрид титана— важные компоненты сверхтвёрдых материалов для обработки металлов.
• Нитрид титанаприменяется для покрытия инструментов, куполов церквей и при производстве бижутерии, так как является износостойким и жаропрочным, имеет цвет похожий на золото.
• Титанат барияBaTiO₃,титанат свинцаPbTiO₃и ряд других титанатов —сегнетоэлектрики.
• Тетрахлорид титанаиспользуется для иридизации стекла и для создания дымовых завес.

Анализ рынков потребления

В2005 годукомпания «Titanium Corporation» опубликовала следующую оценку потребления титана в мире:

• 60 % — краска;
• 20 % — пластик;
• 13 % — бумага;
• 7 % — машиностроение.

Цены

Цена титана на 2015 год составляла 5,9—6,0 $ за килограмм, в зависимости от чистоты.

Чистота и марка чернового титана (титановой губки) обычно определяется по его твёрдости, которая зависит от содержания примесей.

Физиологическое действие

Титан считается физиологически инертным, благодаря чему применяется впротезированиикак металл, непосредственно контактирующий с тканями организма. Однако титановая пыль может бытьканцерогенной.Как было сказано выше, титан применяется также в стоматологии. Отличительная черта применения титана заключается не только в прочности, но испособности самого металла сращиваться с костью,что даёт возможность обеспечить квазимонолитность основы зуба.

Примечания

Комментарии

Источники

Ссылки

• Титан на Webelements
• Титан в Популярной библиотеке химических элементов
• Титан и его сплавы