Titán | ||||
---|---|---|---|---|
← Scandium | Vanádium → | ||||
| ||||
Egy egyszerű anyag megjelenése | ||||
Nagy tisztaságú titán kristályokból álló rúd | ||||
Az atom tulajdonságai | ||||
Név, szimbólum, szám | Titán / Titán (Ti), 22 | |||
Csoport , időszak , blokk |
14 (elavult 4), 4, d-elem |
|||
Atomtömeg ( moláris tömeg ) |
47.867. (1) bekezdés [1] a. e.m. ( g / mol ) | |||
Elektronikus konfiguráció |
[Ar] 3d 2 4s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 |
|||
Atom sugara | 147 óra | |||
Kémiai tulajdonságok | ||||
kovalens sugár | 132 óra | |||
Ion sugara | (+4e)68 (+2e)94 pm | |||
Elektronegativitás | 1,54 (Pauling skála) | |||
Elektróda potenciál | −1,63 | |||
Oxidációs állapotok | +2, +3, +4 | |||
Ionizációs energia (első elektron) |
657,8 (6,8281 [2] ) kJ / mol ( eV ) | |||
Egy egyszerű anyag termodinamikai tulajdonságai | ||||
Sűrűség ( n.a. ) | 4,54 g/cm³ | |||
Olvadási hőmérséklet |
1670 °C 1943 K |
|||
Forráshőmérséklet | 3560 ezer _ | |||
Oud. fúzió hője | 18,8 kJ/mol | |||
Oud. párolgási hő | 422,6 kJ/mol | |||
Moláris hőkapacitás | 25,1 [3] J/(K mol) | |||
Moláris térfogat | 10,6 cm³ / mol | |||
Egy egyszerű anyag kristályrácsa | ||||
Rácsszerkezet |
hatszögletű zárt (α-Ti) |
|||
Rács paraméterei | a=2,951 c=4,697 (α-Ti) | |||
c / arány _ | 1.587 | |||
Debye hőmérséklet | 380 ezer _ | |||
Egyéb jellemzők | ||||
Hővezető | (300 K) 21,9 W/(m K) | |||
CAS szám | 7440-32-6 |
22 | Titán |
Ti47.867 | |
3d 2 4s 2 |
Titán ( vegyjele - Ti , lat. Ti tánium ) - a 14. csoport kémiai eleme (az elavult besorolás szerint - a negyedik csoport, IVB oldalsó alcsoportja), a kémiai elemek periódusos rendszerének negyedik periódusa . D. I. Mengyelejev , 22-es rendszámmal .
Az egyszerű anyag , a titán egy könnyű , ezüstös-fehér átmenetifém . Magas korrózióállósággal rendelkezik .
A titán-dioxidot (TiO 2 ) szinte egyszerre és egymástól függetlenül fedezte fel az angol W. Gregor és a német kémikus, M. G. Klaproth . W. Gregor a mágneses vastartalmú homok összetételét tanulmányozva (Creed, Cornwall, Anglia, 1791 ) izolált egy új "földet" ( oxid ) egy ismeretlen fémből, amelyet menakennek nevezett. 1795-ben Klaproth német kémikus új elemet fedezett fel a rutil ásványában , és titánnak nevezte el. Két évvel később Klaproth megállapította, hogy a rutil és a menaken föld ugyanazon elem oxidjai, amelyek mögött a Klaproth által javasolt "titán" név maradt. 10 év után a titán felfedezésére harmadik alkalommal került sor: L. Vauquelin francia tudós felfedezte a titánt az anatázban , és bebizonyította, hogy a rutil és az anatáz azonos titán-oxidok.
Az első fémes titánmintát a svéd J. Ya. Berzelius szerezte 1825 -ben . A titán magas kémiai aktivitása és tisztításának bonyolultsága miatt a holland A. van Arkel és I. de Boer 1925 -ben titán-jodid TiI 4 gőzének hőbontásával tiszta Ti mintát kapott .
A titán nem talált ipari felhasználásra, amíg a luxemburgi Wilhelm Kroll 1940-ben szabadalmaztatott egy egyszerű magnézium-termikus módszert a fémes titán tetrakloridból való redukálására ; ez a módszer ( Kroll folyamat) továbbra is a titán ipari gyártásában az egyik fő.
A fém nevét a titánok , az ókori görög mitológia szereplői, Gaia gyermekei tiszteletére kapta . Az elem nevét Martin Klaproth adta a kémiai nómenklatúráról alkotott nézeteinek megfelelően, szemben a francia kémiai iskolával, ahol kémiai tulajdonságai alapján próbálták elnevezni az elemet. Mivel a német kutató maga is megállapította, hogy egy új elem tulajdonságait nem lehet csak oxidja alapján meghatározni, a mitológiából választott neki nevet, az általa korábban felfedezett uránnal analógia alapján .
A titán a 9. legelterjedtebb a természetben. Tartalom a földkéregben - 0,57 tömeg%, a tengervízben - 0,001 mg / l [4] . Ultrabázikus kőzetekben 300 g/t, bázikus kőzetekben 9 kg/t, savas kőzetekben 2,3 kg/t, agyagokban és palákban 4,5 kg/t. A földkéregben a titán szinte mindig négyértékű, és csak oxigénvegyületekben van jelen. Szabad formában nem fordul elő. A titán időjárási és csapadékos körülmények között geokémiai affinitást mutat az Al 2 O 3 iránt . A mállási kéreg bauxitjaiban és a tengeri agyagos üledékekben koncentrálódik. A titán átvitele mechanikus ásványi töredékek és kolloidok formájában történik . Egyes agyagokban akár 30 tömeg% TiO 2 halmozódik fel. A titán ásványok ellenállnak az időjárás viszontagságainak, és nagy koncentrációt képeznek a hordozókban. Több mint 100 titánt tartalmazó ásvány ismert. Ezek közül a legfontosabbak: rutil TiO 2 , ilmenit FeTiO 3 , titanomagnetit FeTiO 3 + Fe 3 O 4 , perovszkit CaTiO 3 , titanit (szfén) CaTiSiO 5 . Léteznek elsődleges titánércek - ilmenit -titanomagnetit és placer - rutil-ilmenit-cirkon [3] .
A titán nagy elsődleges lelőhelyei Dél-Afrika , Oroszország , Ukrajna , Kanada , USA , Kína , Norvégia , Svédország , Egyiptom , Ausztrália , India , Dél-Korea és Kazahsztán területén találhatók ; hordaléklerakódások Brazíliában , Indiában, az USA-ban, Sierra Leonéban , Ausztráliában [3] [5] találhatók . A FÁK-országokban a feltárt titánérckészletek tekintetében a vezető helyet az Orosz Föderáció (58,5%) és Ukrajna (40,2%) foglalja el [6] . Oroszország legnagyobb lelőhelye a Jaregszkoje .
Alapércek : ilmenit (FeTiO 3 ) , rutil (TiO 2 ), titanit (CaTiSiO 5 ).
2002-től a bányászott titán 90%-át titán-dioxid TiO 2 előállítására használták fel . A világ titán-dioxid-termelése évi 4,5 millió tonna volt. A titán-dioxid megerősített készlete (Oroszország nélkül) körülbelül 800 millió tonna. 2006-ban az US Geological Survey szerint a titán-dioxidot tekintve és Oroszországot nem számítva az ilmenit érckészletek 603-673 millió tonnát tesznek ki, a rutil - 49,7-52,7 millió tonna [7] . Így a jelenlegi termelési ütem mellett a világ bizonyított titánkészletei (Oroszország kivételével) több mint 150 évre elegendőek.
Oroszország rendelkezik Kína után a világ második legnagyobb titánkészletével. Az oroszországi titán ásványkincs bázisa 20 lelőhelyből áll (ebből 11 elsődleges és 9 hordalék), amelyek meglehetősen egyenletesen oszlanak el az egész országban. A feltárt lelőhelyek közül a legnagyobb (Jaregszkoje) Ukhta (Komi Köztársaság) városától 25 km-re található . A lelőhely tartalékait 2 milliárd tonna ércre becsülik, amelynek átlagos titán-dioxid-tartalma körülbelül 10% [8] .
A világ legnagyobb titángyártója az orosz VSMPO-Avisma cég .
A titán könnyű, ezüstös-fehér fém . Normál nyomáson két kristálymódosulatban létezik: alacsony hőmérsékletű α - Ti hatszögletű, szorosan egymásra épülő ráccsal ( hexagonális szingónia , C 6 mmc tércsoport , cellaparaméterek a = 0,2953 nm , c = 0,4729 nm , Z = 2 ) és magas hőmérsékletű β -Ti köbös testközpontú töltettel ( köbös szingónia , Im 3 m tércsoport , cella paraméterek a = 0,3269 nm , Z = 2 ), átmeneti hőmérséklet α↔β 883 °C, átmeneti hő Δ H = 3,8 kJ/mol [3] (87,4 kJ/kg [9] ). A legtöbb fém titánban oldva stabilizálja a β -fázist és csökkenti az α↔β átmeneti hőmérsékletet [3] . 9 GPa feletti nyomáson és 900 °C feletti hőmérsékleten a titán átmegy a hatszögletű fázisba ( ω -Ti) [9] . Az α-Ti és β-Ti sűrűsége 4,505 g / cm³ (20 °C-on), illetve 4,32 g/cm³ (900 °C-on) [3] . Az α-titán atomsűrűsége 5,67⋅10 22 at/cm³ [10] [11] .
A titán olvadáspontja normál nyomáson 1670 ± 2 °C vagy 1943 ± 2 K (az ITS-90 hőmérsékleti skála egyik másodlagos kalibrációs pontjaként).) [2] . Forráspont 3287 °C [2] . Kellően alacsony hőmérsékleten (-80 °C) [2] a titán meglehetősen törékennyé válik. Moláris hőkapacitás normál körülmények között C p = 25,060 kJ/(mol·K), ami 0,523 kJ/(kg·K) fajlagos hőkapacitásnak felel meg [2] . Az olvadáshő 15 kJ/mol [9] , a párolgási hő 410 kJ/mol [9] . A jellemző Debye hőmérséklet 430 K [9] . Hővezetőképesség 21,9 W/(m K) 20 °C-on [9] . A lineáris tágulás hőmérsékleti együtthatója 9,2·10 −6 K −1 a −120 és +860 °C közötti tartományban [9] . Az α -titán moláris entrópiája S 0 = 30,7 kJ/(mol·K) [2] . A gázfázisú titán esetében a képződés entalpiája ΔH
0f _= 473,0 kJ/mol, Gibbs-energia Δ G
0f _= 428,4 kJ/mol, moláris entrópia S 0 = 180,3 kJ/(mol K), hőkapacitás állandó nyomáson C p = 24,4 kJ/(mol K) [2]
A fajlagos elektromos ellenállás 20 °C-on 0,58 μ Ohm m [9] (más források szerint 0,42 μ Ohm m [3] ), 800 °C-on 1,80 μ Ohm m [3] . Az ellenállás hőmérsékleti együtthatója 0,003 K −1 a 0-20 °C tartományban [9] .
Műanyag, inert atmoszférában hegesztett. A szilárdsági jellemzők kevéssé függenek a hőmérséklettől, de nagymértékben függenek a tisztaságtól és az előkezeléstől [3] . Műszaki titánnál a Vickers-keménység 790-800 MPa, a normál rugalmassági modulusa 103 GPa, a nyírási modulus pedig 39,2 GPa [9] . A nagy tisztaságú, vákuumban előmelegített titán folyáshatára 140-170 MPa, relatív nyúlása 55-70%, Brinell keménysége 175 MPa [3] .
Magas viszkozitású, megmunkáláskor hajlamos a forgácsolószerszámhoz tapadni, ezért speciális bevonattal, különböző kenőanyagokkal kell felvinni a szerszámot .
Normál hőmérsékleten TiO 2 oxid védőpassziváló fóliával van bevonva, aminek köszönhetően a legtöbb környezetben (kivéve a lúgost) korrózióálló .
A szupravezető állapotba való átmenet hőmérséklete 0,387 K. 73 K feletti hőmérsékleten a titán paramágneses . A mágneses szuszceptibilitás 20 °C-on 3,2·10 −6 [3] . Az α -titán Hall-állandója +1,82·10 −13 [3] .
A titán izotópjai 38-tól 63-ig terjedő tömegszámmal (a protonok száma 22, a neutronok száma 16-tól 41-ig) és 2 nukleáris izomerrel ismertek .
A természetes titán öt stabil izotóp keverékéből áll: 46 Ti ( izotóp-bőség 7,95%), 47 Ti (7,75%), 48 Ti (73,45%), 49 Ti (5,51%), 50 Ti (5,34%).
A mesterséges izotópok közül a leghosszabb élettartamú a 44 Ti ( felezési idő 60 év) és a 45 Ti (felezési idő 184 perc).
Az oxidfilm miatt ellenáll a korróziónak , de porrá törve, valamint vékony forgácsban vagy huzalban a titán piroforos [3] . A titánpor hajlamos felrobbanni. Lobbanáspont - 400 °C. A titánforgács gyúlékony.
A titán ellenáll számos sav és lúg híg oldatának (kivéve a HF , H 3 PO 4 és tömény H 2 SO 4 ). A titán ellenáll a nedves klórnak és a vizes klóroldatoknak [2] .
Könnyen reagál még gyenge savakkal is komplexképző szerek jelenlétében, például a HF hidrogén- fluoriddal a komplex anion képződése miatt [ TiF 6 ] 2− . A titán a leginkább érzékeny a korrózióra szerves közegben, mivel víz jelenlétében oxidokból és titán-hidridből sűrű passzív film képződik a titántermék felületén. A titán korrózióállóságának legszembetűnőbb növekedése a víztartalom agresszív környezetben történő 0,5-8,0% -os növekedésével figyelhető meg, amelyet a titán elektródpotenciáljának elektrokémiai vizsgálatai igazolnak vegyes vízben lévő savak és lúgok oldataiban. -organikus közeg [12] .
Levegőn 1200°C-ra hevítve a Ti fényes fehér lánggal meggyullad, változó összetételű TiO x oxidfázisok képződésével . A TiO(OH) 2 ·xH 2 O hidroxid titánsók oldatából válik ki, amelynek gondos kalcinálásával TiO 2 oxidot kapnak . A TiO(OH) 2 - hidroxid xH2O és a TiO2- dioxid amfoterek .
A TiO 2 kölcsönhatásba lép a kénsavval hosszan tartó forralás során. Ha szódával Na 2 CO 3 vagy hamuzsír K 2 CO 3 olvad , a TiO 2 oxid titanátokat képez:
Hevítéskor a Ti kölcsönhatásba lép halogénekkel (például klórral 550 °C-on [2] ). Titán-tetraklorid A TiCl4 normál körülmények között színtelen, levegőben erősen füstölgő folyadék, ami a TiCl 4 , a levegőben lévő vízgőz hidrolízisével , valamint apró sósavcseppek és titán-hidroxid szuszpenzió képződésével magyarázható .
A TiCl 4 hidrogénnel , alumíniummal , szilíciummal és más erős redukálószerekkel történő redukálásával titán- triklorid és diklorid TiCl 3 és TiCl 2 - erős redukáló tulajdonságokkal rendelkező szilárd anyagokat kapunk. Ti kölcsönhatásba lép a Br 2 - vel és az I2 - vel .
400 °C feletti nitrogén N 2 esetén a titán a TiN x nitridet (x = 0,58–1,00) képezi. A titán az egyetlen elem, amely nitrogén atmoszférában ég [2] .
Amikor a titán kölcsönhatásba lép a szénnel , titán- karbid TiC x (x = 0,49–1,00) keletkezik.
Hevítéskor a Ti a H 2 -t elnyeli, és változó összetételű TiH x (x = 2,00–2,98) vegyületet képez. Melegítéskor ezek a hidridek H 2 felszabadulásával bomlanak .
A titán számos fémmel ötvözeteket és intermetallikus vegyületeket képez.
A titán és vegyületei előállításának kiindulási anyaga általában titán-dioxid , viszonylag kis mennyiségű szennyeződéssel. Ez különösen a titánércek dúsítása során nyert rutilkoncentrátum lehet . A világ rutilkészletei azonban nagyon korlátozottak, és gyakrabban használják az ilmenit koncentrátumok feldolgozása során nyert úgynevezett szintetikus rutil vagy titán salakot . A titánsalak előállításához az ilmenit koncentrátumot elektromos ívkemencében redukálják, míg a vasat fémfázisra ( öntöttvas ) választják szét, és a redukálatlan titán-oxidok és szennyeződések salakfázisot képeznek. A gazdag salakot kloridos vagy kénsavas módszerrel dolgozzák fel.
A titánércek koncentrátumát kénsavas vagy pirometallurgiai feldolgozásnak vetik alá. A kénsavas kezelés terméke a TiO 2 titán-dioxid por . Pirometallurgiai módszerrel az ércet koksszal szinterelik és klórral kezelik , így kapnak egy pár titán-tetraklorid TiCl 4 -et :
A 850 °C-on képződő TiCl4 gőzöket magnéziummal redukálják :
Emellett az úgynevezett FFC Cambridge-folyamat, amelyet fejlesztőiről, Derek Freyről, Tom Farthingról és George Chenről neveztek el a Cambridge -i Egyetemről , ahol létrehozták , most kezd egyre népszerűbb lenni . Ez az elektrokémiai eljárás lehetővé teszi a titán közvetlen folyamatos redukcióját oxidból kalcium-klorid és égetett mész (kalcium-oxid) olvadékkeverékében . Ez az eljárás kalcium-klorid és mész keverékével töltött elektrolitikus fürdőt használ, grafit feláldozó (vagy semleges) anóddal és redukálandó oxidból készült katóddal. Amikor áramot vezetünk át a fürdőn, a hőmérséklet gyorsan eléri a ~1000-1100 °C-ot, és a kalcium-oxid olvadék az anódon oxigénre és fém kalciumra bomlik :
A keletkező oxigén oxidálja az anódot (grafit alkalmazása esetén), a kalcium pedig az olvadékban a katódra vándorol, ahol visszaállítja a titánt az oxidjából:
A keletkező kalcium-oxid ismét oxigénné és fémkalciummá disszociál, és a folyamatot addig ismételjük, amíg a katód titánszivacská teljesen átalakul, vagy a kalcium-oxid kimerül. Ebben a folyamatban a kalcium-kloridot elektrolitként használják fel az olvadék elektromos vezetőképességének és az aktív kalcium- és oxigénionok mozgékonyságának biztosítására. Inert anód (például ón-dioxid ) használatakor szén-dioxid helyett molekuláris oxigén szabadul fel az anódon, ami kevésbé szennyezi a környezetet, de a folyamat ebben az esetben kevésbé stabil lesz, ráadásul bizonyos körülmények között. , a klorid bomlása energetikailag kedvezőbbé válik, mint a kalcium-oxidé, ami molekuláris klór felszabadulását eredményezi .
A kapott titán "szivacsot" megolvasztják és megtisztítják. A titánt jodid módszerrel vagy elektrolízissel finomítják , elválasztva a Tit a TiCl 4 - től . A titán bugák előállításához ív-, elektronsugaras vagy plazmafeldolgozást alkalmaznak.
A fémes titán felhasználása számos iparágban annak köszönhető, hogy szilárdsága megközelítőleg megegyezik az acéléval, annak ellenére, hogy 45%-kal könnyebb. A titán 60%-kal nehezebb, mint az alumínium, de körülbelül kétszer erősebb. [2] .
Számos titánötvözet létezik különböző fémekkel. Az ötvözőelemek a polimorf átalakulás hőmérsékletére gyakorolt hatásuk függvényében három csoportra oszthatók: béta-stabilizátorok, alfa-stabilizátorok és semleges keményítők. Az előbbiek csökkentik az átalakulási hőmérsékletet, az utóbbiak növelik, az utóbbiak pedig nem befolyásolják, hanem a mátrix oldatos keményedéséhez vezetnek. Példák alfa stabilizátorokra: alumínium , oxigén , szén , nitrogén . Béta stabilizátorok: molibdén , vanádium, vas , króm , nikkel . Semleges keményítők: cirkónium, ón, szilícium. A béta-stabilizátorok pedig béta-izomorf és béta-eutektoidképzőkre oszlanak.
A leggyakoribb titánötvözet a Ti-6Al-4V ötvözet (az orosz besorolásban - VT6), amely körülbelül 6% alumíniumot és körülbelül 4% vanádiumot tartalmaz . A kristályos fázisok aránya szerint (α + β) ötvözetnek minősül . Előállítása a megtermelt titán akár 50%-át teszi ki [3] .
A ferrotitánt (18-25% titánt tartalmazó titán-vas ötvözet) a vaskohászatban használják az acél deoxidálására és a benne oldott nemkívánatos szennyeződések (kén, nitrogén, oxigén) eltávolítására [3] .
Az 1980-as években a világon megtermelt titán mintegy 60-65%-át repülőgép- és rakétagyártásban használták fel, 15%-át - vegyiparban, 10%-át - az energiaszektorban, 8%-át - hajó-, ill. vízsótalanításhoz [3] .
2005 -ben a Titanium Corporation közzétette a következő becslést a globális titánfogyasztásról:
A titán ára kilogrammonként 5,9-6,0 dollár, a tisztaságtól függően [15] .
A durva titán ( titánszivacs ) tisztaságát és minőségét általában a keménysége határozza meg, amely a szennyeződések tartalmától függ.
A titánt fiziológiailag közömbösnek tekintik, ezért a protézisekben a testszövetekkel közvetlenül érintkező fémként használják. A titánpor azonban rákkeltő lehet [2] . Mint fentebb említettük, a titánt a fogászatban is használják. A titán használatának megkülönböztető jellemzője nemcsak az erősségben rejlik, hanem magának a fémnek a csonttal való összeolvadási képességében is , ami lehetővé teszi a fogalap kvázi szilárdságának biztosítását.
Szótárak és enciklopédiák |
| |||
---|---|---|---|---|
|
D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek periodikus rendszere | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Fémek elektrokémiai tevékenységsorai | |
---|---|
Eu , Sm , Li , Cs , Rb , K , Ra , Ba , Sr , Ca , Na , Ac , La , Ce , Pr , Nd , Pm , Gd , Tb , Mg , Y , Dy , Am , Ho , Er , Tm , Lu , Sc , Pu , |