Основное ТитанТекст на темуЗаголовок вкладкки
ТИТАН (Titanium; по имени древне-греч. богов Титанов), Ti — хим. элемент IV группы периодической системы элементов; ат. н. 22, ат. м. 47,90. В соединениях проявляет степень окисления преим. +4, реже +3 и +2. Металл светло-серого цвета. Природный Т.— смесь стабильных изотопов с массовыми числами 46 (7,99%), 47 (7,32%), 48 (73,99%), 49 (5,46%) и 50 (5,25%). Обнаружены также радиоактивные изотопы с массовыми числами 43—45, количество к-рых не превышает тысячных долей процента. Искусственно получены радиоактивные изотопы с массовыми числами 41, 42, 51 и 52, их периоды полураспада — минуты и менее. Впервые Т. в виде двуокиси обнаружил (1789) англ. любитель-минералог У. Дж. Грегор, назвав его меначином. В 1795 нем. химик М. Г. Клапрот нашел, что минерал рутил представляет собой окисел нового элемента, названного им титаном, а в 1797 установил идентичность Т. и меначина.
 
Металлический Т., но с большим количеством примесей, впервые выделил (1825) швед, химик и минералог Й. Я. Берцелиус. Т.— довольно распространенный элемент. Содержание его в земной коре 0,63%. Образует свыше 100 минералов, из них важнейшие — рутил, ильменит FeTiOg, титаномагнетит FeTiOs х Fe304, перовскит и титанит (сфен) CaOTi02Si02. Атомный радиус титана 1,46 А, ионный радиус Ti4+ составляет 0,64 А. Энергия ионизации     Ti°  Ti  Ti²⁺  Ti³⁺ Ti⁴⁺ соответственно 6,83, 13,57; 28,14 и 43,24 эв. Т. существует в двух кристаллических модификациях. Низкотемпературная альфа-модификация имеет гексагональную плотноупакованвую решетку с периодами а = 2,9504 Аве = 4,6833 А (т-ра 25° С), высокотемпературная бета-модификация — кубическую объемноцентрированную с периодом а = 3,3065А    (т-ра   900° С).   Т-ра полиморфного альфа ^± бета-превращения 882,5° С. Закалкой бета-титан не сохраняется, в процессе охлаждения происходит бездиффузионное р а’-превращение. Примеси сильно изменяют св-ва металлического титан а. Приводимые ниже величины относятся к Т. высокой чистоты: tпл 1668° С;   tкип 3260° С;   теплота плавления, испарения и полиморфного превращения соответственно 5,0; 112,5 и 0,813 ккал/г-атом. Плотность (т-ра 25° С) 4,51 г/см3; удельная теплоемкость (т-ра 25° С) 0,125 кал/г- град; коэфф. теплопроводности 0,04 кал/см сек — град (в интервале т-р 0—200° C; коэфф. линейного расширения 8,5• 10-6 град-1 (в интервале т-р 0—100° С); удельное электрическое сопротивление (т-ра 0° С) 42 мком см; температурный коэфф. электр.   сопротивления 0,0055 град-1 ; критическая т-ра перехода в сверхпроводящее состояние ниже 0,53 К. 
 
Металл парамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость (т-ра 20° С) 3,16-10-6. Давление насыщенного пара (т-ра 1490° С) 2 • 10 4 мм рт. ст. Т. обладает высокими мех. характеристиками. Е го св-ва мало изменяются в широком интервале т-р, но сильно зависят от .чистоты металла и предшествующей мех. и термической обработки. У Т. высокой чистоты (йодидного), отожженного в вакууме при т-ре 800° С, предел прочности на растяжение 25—27 кгс/мм2, предел текучести 14—17 кгс/мм2, относительное удлинение 55—70%, модуль норм, упругости 9850—10 900 кгс/мм2, HB = 73. У магниетермического Т., плавленного в дуговой печи, а затем отожженного, эти величины соответственно 30—55; 41—48; 25—45; И 200— 14 500 и 90—150. На мех. характеристики Т. особенно резко влияют примеси водорода, азота, кислорода и углерода. Водород (0,01—0,005%) снижает ударную вязкость, обусловливая водородную хрупкость. Эффективный способ борьбы с такой хрупкостью — вакуумирование сплавов. Азот, кислород и углерод (до 1%) увеличивают твердость и прочность, значительна снижая пластичность. Так, напр., Т., содержащий более 0,5% N, становится хрупким и не может быть прокатан. Холодное деформирование заметно упрочняет металл. Так, предел прочности на растяжение йодидного Т., отожженного в вакууме при т-ре 800° С, после обжатия на 50% возрастает до 68— 75 кгс/мм2, относительное удлинение снижается до 5—11%. Т. обладает высокой   коррозионной   стойкостью при низких и умеренных т-рах. При высокой т-ре его хим. активность резко возрастает. 
 
На воздухе при обычной т-ре Т. устойчив. При нагревании до т-ры 400—600° С покрывается  защитной   окиснонитридной пленкой, при более высоких т-рах защитные   св-ва   окалины   быстро ухудшаются. Т. стоек в воде, в т. ч. морской, растворах большинства хлоридов, разбавленных растворах щелочей, соляной и серной к-т. С повышением концентрации к-ты и т-ры скорость коррозии Т. в соляной и серной к-тах увеличивается, особенно при наличии растворимых фторидов или окислителей. В азотной к-те Т. пассивируется. Растворяется в плавиковой к-те (особенно хорошо в смеси ее с азотной к-той) и в расплавленных щелочах и перекисях, сильно корродирует в расплавленных хлоридах щелочных металлов при наличии воздуха.   Характерным   св-вом  Т. является способность активно поглощать газы — водород, азот и кислород
 
При поглощении водорода сперва образуются твердые растворы, а затем гидриды TiH и TiH2. Нагреванием в вакууме (т-ра 800—900° С) поглощенный водород может быть полностью удален. При нагревании Т. в значительной степени растворяет азот и кислород, образуя с ними твердые растворы внедрения. С увеличением содержания азота и кислорода образуются нитриды и окислы титана. Окислы TiO, Ti203 и ТiO2 отвечают  степеням  окисления  металла.    Известны    промежуточные окислы. В отличие от водорода поглощенные азот и кислород вакуумиро-ванием удалить нельзя. При т-ре более 1000° С Т. взаимодействует с углеродом   и   углеродсодержащими газами (СО, СH4 и др.) с образованием карбида TiC. Нитрид TiN и карбид TiC — твердые, тугоплавкие, химически   стойкие   металлоподобные соединения с кристаллической струк-турой типа NaCl, относятся к внедрения фазам. С галогенами Т. взаимодействует при сравнительно низких т-рах (100—200° С) с образованием легколетучих    высших    галогенидов TiX4   (известны  также  галогениды TiX3 и TiX2). 
 
С халькогенами, фосфором, кремнием, бором и др. неметаллами реагирует при более высоких т-рах с образованием многочисленных соединений  различной стехиометрии (напр., Ti3Si, Ti5Si3, Ti6Si4, TiSi, TiSi2) и кристаллической структуры (типов FeB, Mn5Si3, NiAs и др.). Практически наиболее важными соединениями  Т.  являются   двуокись ТiO2, четыреххлористый TiCl4 и че-тырехйодистый титан Til4, карбид TiC,   нитрид   TiN,   фторотитанаты K2TiF6 и Na2TiF6 и др. Т. сплавляется со всеми металлами, кроме щелочных и щелочноземельных. В тройной системе с медью и серебром наблюдается его частичная    несмешиваемость в жидком состоянии. С переходными металлами Т. образует широкие области бета-твердых растворов (со скандием и металлами IV— VI групп — неограниченные твердые растворы) и сравнительно узкие — альфа-твердых растворов.  Исключение составляют скандий, цирконий и гафний, с к-рыми Т. образует неограниченные ряды как бета-, так и альфа-твердых растворов, и редкоземельные  металлы,   растворимость к-рых в бета- и альфа-титане мала. Растворимость непереходных металлов в альфа- и бета-титане изменяется в довольно широких пределах. Она очень мала в системах с цинком и кадмием и велика в системах с алюминием и оловом. 
 
Большинство металлов, в т. ч. все переходные, понижают т-р у   полиморфного   альфа ± бета-превращения,   стабилизируя бета-твердый раствор  (бета-стабилизаторы). Алюминий, галлий, кислород, азот, углерод и некоторые др. элемент ьг, повышая эту т-ру, стабилизируют альфа-твердый раствор (альфа-стабилизаторы). Известны также мета стабильные со-, а’-и а*-фазы, образующиеся в процессе охлаждения сплавов из ^-области и существенно влияющие на технологические св-ва титановых сплавов. Со мн. металлами непереходными и VII—VIII групп) титан образует промежуточные фазы с кристаллической   структурой типов CsCI,   СuАи,   Cr3Si,   MoSi2,   Ti2Ni и   др.   Исходным   продуктом   для произ-ва металлического Т. служат гл. обр. не содержащие кислорода вещества, получаемые из титановых руд. Основное вещество — четыреххлористый титан TiCl4. В процессе произ-ва   очищенный  TiCl4  восстанавливают чистым магнием в среде аргона (магниетермический   метод). Затем   образовавшуюся   титановую губку подвергают вакуумно-термиче-ской обработке, чтобы удалить избыточный магний и MgCl2. Содержание осн. примесей в  магниетермическом титане  (%):   0,01 — 0,03 С; 0,05 — 0,015 О; 0,01—0,05 N;  0,03—0,2 Fe; 0,04—0,12 Mg. По   натриетермиче-скому методу восстановление TiCl4 ведут   металлическим   натрием.   
 
Т. получают   также    восстановлением двуокиси титана металлическим кальцием или гидридом кальция (каль-циетермический  метод и его  разновидность — гидриднокальциевый). Полученный Т. отличается более высокой твердостью и меньшей пластичностью, чем металл, восстановленный из TiCl4, что обусловливается повышенным содержанием азота и кислорода — соответственно 0,03—0,15 и 0,2—0,25%. Металл высокой чистоты получают йодидным методом, к-рый основан на способности Т. образовывать с парами йода при сравнительно низких т-рах йодид Til4, диссоциирующий при более высоких т-рах на металлический титан и йод. Разложение Til4 происходит на раскаленной   титановой   проволоке,   на которой и осаждается Т., образуя компактный   металл. Й одидный Т. отличается  от   магниетермического меньшим   содержанием   кислорода, азота, железа, магния и др. примесей (0,005-0,01% О; 0,001—0,004% N; 0,0035—0,025%  Fe; 0,0015—0,002% Mg и т. д.). Более глубокой очистки достигают зонной плавкой йодидного Т., напр. электроннолучевым нагре-в ом,    п о л уча я    металл    чистотой 99,999 — 99,9999%.  
 
Электролитический метод применяют гл. обр. для рафинирования Т. (напр., некачественной губки, отходов плавки металла) и сплавов на его основе. Электролит — расплав хлоридов щелочных металлов (NaCl или смеси NaCl и КС1), в к-ром растворены низшие хлориды титана (TiCl2, TiCl3), анод — загрязненный примесями титан. Метод перспективен для переработки титанового скрапа, к-рый используют в качестве растворимого анода. Компактные заготовки пластичного Т. из титановой губки или титанового порошка изготовляют вакуумной дуговой плавкой или методами порошковой металлургии. Для выплавки Т. и его сплавов используют дуговые печи   с   медным   водоохлаждаемым тиглем-кристаллизатором и нерасхо-дуемым вольфрамовым электродом, либо расходуемым электродом, спрессованным из титанового порошка или соответствующей   шихты.    Созданы вакуумные дуговые печи для гарни-сажной плавки титана. Применяют прессование порошка на холоду с последующим спеканием в вакууме, горячее прессование в вакууме, горячую ковку спеченных заготовок в штампах. 
 
Компактный металл, полученный любым из этих методов, поддается обработке давлением в холодном и горячем состоянии: его можно ковать,   прокатывать,    штамповать и т. д. Перерабатывают Т. и его сплавы в прутки, полосы, профили проката,  бесшовные  трубы,   проволоку, жесть и фольгу. При обработке Т. резанием материалом для инструмента служат быстрорежущие стали и твердые сплавы. Высокое сопротивление коррозии в сочетании с большой удельной прочностью, сохраняющейся до т-р 150—430° С, обусловили применение Т. и сплавов на его основе (легированных алюминием, хромом, ванадием, молибденом, оловом) в качестве конструкционного материала в авиа-, ракето- и судостроении, хим. машиностроении (см. Титана сплавы). Чистый Т. применяют в электровакуумной технике для изготовления анодов, сеток и др. деталей, в виде порошка — в качестве геттера. 
 
Для защиты от коррозии титаном    покрывают    поверхности стальных изделий. Ферротитан применяют для  раскисления  стали  и очистки от растворенных в ней кислорода, азота и серы (предотвращает красноломкость стали). Присадки Т. вводят в марганцовистые, хромистые, хромомолибденовые и хромоникеле-вые стали, медные и алюминиевые сплавы. Карбид Т. используют в произ-ве титановольфрамовых твердых сплавов для режущих инструментов, жаростойких и жаропрочных сплавов, применяемых для изготовления деталей газовых турбин реактивных двигателей. Двуокись титана используют для приготовления титановых белил, в произ-ве эмалей и глазурей, при изготовлении сегнетоди-электриков. Рутил, или техническую двуокись титана, вводят в состав обмазки сварочных электродов. Гидрид титана служит источником чистого водорода.
 
Характеристика элемента. Химия первых элементов побочных подгрупп существенно отличается от последующих, так как на них еще не сказывается ни d-сжатие, ни лантаноидное. В подгруппе IVB это в полной мере относится к титану. У нейтрального атома энергия 3d — и 4s-орбиталей очень близки между собой, поэтому более устойчивым состоянием является +4, хотя ионы Ti реально не существуют, так как отрыв всех четырех электронов требует большой энергии. 
Соединения титана (IV) обычно включают ковалентные связи. Из других степеней окисления — 1, +2 и +3 титан легко окисляется до Ti (IV) воздухом, водой и другими реагентами. В водных растворах на воздухе устойчивы лишь соединения с максимальной степенью окисления титана. В комплексах для титана характерно координационное число 6 и реже 4
 
Свойства простого вещества и соединений. Титан—один из немногих металлов с высокой коррозионной устойчивостью, которую он сообщает и сплавам на его основе. Поэтому так велик интерес к этому тугоплавкому     (tпл = 1688° С,   tкип= 3260°С), сравнительно легкому (d = 4,5 г/см³) и серебристому металлу. Значение его и надежды, возлагаемые на него, подобны тем, что проявлялись когда-то в отношении алюминия. Качества титана   в своем сочетании уникальны: он парамагнитен, отличается высокой прочностью, высокой вязкостью и легко поддается обработке, сохраняет свои механические свойства неизменными в широком интервале температур от —180 до +500°С. Он стоек в атмосфере воздуха, в холодной и кипящей воде, в растворах многих солей и морской воде, в неорганических и органических кислотах. С кислородом титан реагирует при температуре красного каления, а с азотом несколько выше (при 800°С), поэтому при его нагревании на воздухе образуется смесь оксида и нитрида. Легче всего он соединяется с галогенами: при 150°С со фтором, а при 300°С с хлором.
Соли титана гидролизуются в воде, образуя   разнообразные соли титанила — группы TiO², ведущей себя как двузарядный ион. Диоксид титана TiO2— прочное белое вещество, существует в нескольких модификациях (рутил, анатаз), плавится при 1855°С и проявляет очень слабые кислотные свойства. Гидролизом солей титана получают кислоты: ортотитановую H4TIO4 и метатитановую, Н2TiO3
Обе они малоактивны н слабы (слабее кремниевой). Из соединении   титана   особого упоминания   заслуживает  титанат бария ВаТiOз—родоначальник одного из семейств сегнетоэлектриков — соединений, меняющих свои свойства (размеры, диэлектрическую
проницаемость и др.) в переменном электрическом поле. Они способны превращать механическую энергию сжатия кристалла в электрическую.
 
Получение и использование. Титан по распространенности занимает четвертое место среди технически важных металлов после алюминия, железа и меди. Выделение его из минералов связано с трудностями, обусловленными реакцией титана при нагревании с углем, кислородом и металлами. Получают чистый титан иодидным методом, термически разлагая его иодид. Роль металла как конструкционного материала быстро возрастает особенно в авиации, технике, в металлургии сплавов.
Титан играет определенную роль в жизнедеятельности организмов: он непременный участник процессов иммуногенеза. Содержится в плазме крови, селезенке, надпочечниках и щитовидной железе.
Из растений титаном особенно богата водоросль кладофора: содержание титана в ней составляет 0,03%.
 
Лит.: Еременко В. Н. Титан и его сплавы.
Также читают на тему Титан.
Главная- ТИТАН (Titanium; по имени древне-греч. богов Титанов), Ti — хим. элемент
История- В 1791 г. английский химик и минералог Уильям Грегор, открывший новый элемент
Применение- Титановые сплавы входят очень многие элементы, вплоть до платины и палладия
Сплавы- Сплавы на основе титана. В пром. масштабах используются с 1948
Титанирование- Нанесение на поверхность металлических и неметаллических титана
Порошок- Мелкие частицы титана различной формы
Соли, минералы.
Ильменит- Представляет собой минеральный вид переменного состава — (Fe, Mg)TiO3
Рутил- Рутил, брукит, анатаз — ТiO2. Наиболее устойчивой модификацией является рутил
ТитанатыСоли титановых кислот. Различают метатитанаты M2TiO3; МТiO3 и ортотитанаты
Тиалит-[от ти(тан) и ал(юми-ний)]9 Al2Ti06 — искусственное соединение окиси алюминия
Тикональ- [от ти(тан) ко-(бальт), н(икель) и ал(юминий)] — магнитно-твердые сплавы
С этим часто ищут.
Титан-Цирконий-Гафний-Резерфо́рдий