Titan | ||||
---|---|---|---|---|
← Scandium | Vanadin → | ||||
| ||||
Utseendet av en enkel substans | ||||
Stång sammansatt av titankristaller av hög renhet | ||||
Atomegenskaper | ||||
Namn, symbol, nummer | Titan / Titan (Ti), 22 | |||
Grupp , punkt , block |
14 (föråldrad 4), 4, d-element |
|||
Atommassa ( molmassa ) |
47.867(1) [1] a. e. m. ( g / mol ) | |||
Elektronisk konfiguration |
[Ar] 3d 2 4s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 |
|||
Atomradie | 147 pm | |||
Kemiska egenskaper | ||||
kovalent radie | 132 pm | |||
Jonradie | (+4e)68 (+2e)94 pm | |||
Elektronnegativitet | 1,54 (Pauling-skala) | |||
Elektrodpotential | −1,63 | |||
Oxidationstillstånd | +2, +3, +4 | |||
Joniseringsenergi (första elektron) |
657,8 (6,8281 [2] ) kJ / mol ( eV ) | |||
Termodynamiska egenskaper hos ett enkelt ämne | ||||
Densitet (vid ej ) | 4,54 g/cm³ | |||
Smält temperatur |
1670 °C 1943 K |
|||
Koktemperatur | 3560K _ | |||
Oud. fusionsvärme | 18,8 kJ/mol | |||
Oud. avdunstningsvärme | 422,6 kJ/mol | |||
Molär värmekapacitet | 25,1 [3] J/(K mol) | |||
Molar volym | 10,6 cm³ / mol | |||
Kristallgittret av en enkel substans | ||||
Gallerstruktur |
sexkantig tätpackad (α-Ti) |
|||
Gitterparametrar | a=2,951 c=4,697 (a-Ti) | |||
c / a -förhållande | 1,587 | |||
Debye temperatur | 380K _ | |||
Andra egenskaper | ||||
Värmeledningsförmåga | (300 K) 21,9 W/(m K) | |||
CAS-nummer | 7440-32-6 |
22 | Titan |
Ti47,867 | |
3d 2 4s 2 |
Titan ( kemisk symbol - Ti , från lat. Ti tan ) - ett kemiskt element i den 14:e gruppen (enligt den föråldrade klassificeringen - en sidoundergrupp av den fjärde gruppen, IVB), den fjärde perioden av det periodiska systemet av kemiska element av D. I. Mendeleev , med atomnummer 22.
Det enkla ämnet titan är en lätt , silvervit övergångsmetall . Har hög korrosionsbeständighet .
Upptäckten av titandioxid (TiO 2 ) gjordes nästan samtidigt och oberoende av engelsmannen W. Gregor och den tyske kemisten M. G. Klaproth . W. Gregor, som studerade sammansättningen av magnetisk järnhaltig sand (Creed, Cornwall, England, 1791 ), isolerade en ny "jord" ( oxid ) av en okänd metall, som han kallade menaken. 1795 upptäckte den tyske kemisten Klaproth ett nytt grundämne i mineralet rutil och gav det namnet titan. Två år senare slog Klaproth fast att rutil och menakenjord är oxider av samma grundämne, bakom vilket namnet "titan" som Klaproth föreslagit fanns kvar. Efter 10 år skedde upptäckten av titan för tredje gången: den franske vetenskapsmannen L. Vauquelin upptäckte titan i anatas och bevisade att rutil och anatas är identiska titanoxider.
Det första provet av metalliskt titan erhölls 1825 av svensken J. Ya Berzelius . På grund av den höga kemiska aktiviteten hos titan och komplexiteten i dess rening, erhöll holländarna A. van Arkel och I. de Boer ett rent Ti-prov 1925 genom termisk nedbrytning av titanjodid TiI 4 -ånga .
Titan hittade inte industriell användning förrän luxemburgaren Wilhelm Kroll patenterade en enkel magnesium-termisk metod 1940 för att reducera metalliskt titan från tetraklorid ; denna metod ( Kroll process) är fortfarande en av de viktigaste inom industriell produktion av titan.
Metallen fick sitt namn för att hedra titanerna , karaktärerna i den antika grekiska mytologin, Gaias barn . Namnet på grundämnet gavs av Martin Klaproth i enlighet med hans syn på kemisk nomenklatur, till skillnad från den franska kemiskolan, där man försökte namnge grundämnet efter dess kemiska egenskaper. Eftersom den tyska forskaren själv noterade omöjligheten att bestämma egenskaperna hos ett nytt element endast genom dess oxid, valde han ett namn för det från mytologin, i analogi med uran som upptäcktes av honom tidigare .
Titan är den nionde vanligaste i naturen. Innehåll i jordskorpan - 0,57 viktprocent, i havsvatten - 0,001 mg/l [4] . I ultrabasiska bergarter 300 g/t, i basiska bergarter 9 kg/t, i sura bergarter 2,3 kg/t, i leror och skiffer 4,5 kg/t. I jordskorpan är titan nästan alltid fyrvärt och finns bara i syreföreningar. Det förekommer inte i fri form. Titan under väderförhållanden och nederbörd har en geokemisk affinitet för Al 2 O 3 . Det är koncentrerat i bauxiter av vittringsskorpan och i marina leriga sediment. Överföringen av titan sker i form av mekaniska fragment av mineraler och i form av kolloider . Upp till 30 viktprocent TiO 2 ackumuleras i vissa leror. Titanmineraler är resistenta mot väderpåverkan och bildar stora koncentrationer i placers. Mer än 100 mineraler som innehåller titan är kända. De viktigaste av dem är: rutil TiO 2 , ilmenit FeTiO 3 , titanomagnetit FeTiO 3 + Fe 3 O 4 , perovskit CaTiO 3 , titanit (sfen) CaTiSiO 5 . Det finns primära titanmalmer - ilmenit-titanmagnetit och placer - rutil-ilmenit-zirkon [3] .
Stora primära fyndigheter av titan finns på territoriet i Sydafrika , Ryssland , Ukraina , Kanada , USA , Kina , Norge , Sverige , Egypten , Australien , Indien , Sydkorea , Kazakstan ; alluvialavlagringar finns i Brasilien , Indien, USA, Sierra Leone , Australien [3] [5] . I OSS-länderna är den ledande platsen när det gäller utforskade reserver av titanmalm ockuperat av Ryska federationen (58,5 %) och Ukraina (40,2 %) [6] . Den största fyndigheten i Ryssland är Yaregskoye .
Grundläggande malmer : ilmenit (FeTiO 3 ), rutil (TiO 2 ), titanit (CaTiSiO 5 ).
Från och med 2002 användes 90 % av utvunnet titan för produktion av titandioxid TiO 2 . Världsproduktionen av titandioxid var 4,5 miljoner ton per år. Bekräftade reserver av titandioxid (utan Ryssland) är cirka 800 miljoner ton. År 2006, enligt US Geological Survey, när det gäller titandioxid och exklusive Ryssland, uppgår reserverna av ilmenitmalmer till 603-673 miljoner ton, och rutil - 49,7- 52,7 miljoner ton [7] . Således, med nuvarande produktionstakt, kommer världens bevisade reserver av titan (exklusive Ryssland) att räcka i mer än 150 år.
Ryssland har världens näst största reserver av titan efter Kina. Mineraltillgångsbasen av titan i Ryssland består av 20 fyndigheter (varav 11 är primära och 9 är alluviala), ganska jämnt spridda över hela landet. Den största av de utforskade fyndigheterna (Yaregskoye) ligger 25 km från staden Ukhta (Komirepubliken). Reserverna i fyndigheten uppskattas till 2 miljarder ton malm med en genomsnittlig titandioxidhalt på cirka 10 % [8] .
Världens största titanproducent är det ryska företaget VSMPO-Avisma .
Titan är en lätt, silvervit metall . Vid normalt tryck existerar den i två kristallina modifikationer: lågtemperatur α - Ti med ett hexagonalt tätpackat gitter ( hexagonal syngoni , rymdgrupp C 6 mmc , cellparametrar a = 0,2953 nm , c = 0,4729 nm , Z = 2 ) och högtemperatur- β - Ti med kubisk kroppscentrerad packning ( kubisk syngoni , rymdgrupp Im 3 m , cellparametrar a = 0,3269 nm , Z = 2 ), övergångstemperatur α↔β 883 °C, övergångsvärme Δ H = 3,8 kJ/mol [3] (87,4 kJ/kg [9] ). De flesta metaller, när de är lösta i titan, stabiliserar β -fasen och minskar övergångstemperaturen α↔β [3] . Vid tryck över 9 GPa och temperaturer över 900 °C går titan över i den hexagonala fasen ( ω -Ti) [9] . Densiteten för α -Ti och β -Ti är 4,505 g/cm³ (vid 20°C) respektive 4,32 g/cm³ (vid 900°C) [3] . Atomdensiteten för α-titan är 5,67⋅10 22 at/cm³ [10] [11] .
Smältpunkten för titan vid normalt tryck är 1670 ± 2 °C, eller 1943 ± 2 K (tagen som en av de sekundära kalibreringspunkterna på ITS-90 temperaturskalan) [2] . Kokpunkt 3287 °C [2] . Vid en tillräckligt låg temperatur (-80 °C) [2] blir titan ganska skört. Molär värmekapacitet under normala förhållanden C p = 25,060 kJ/(mol·K), vilket motsvarar en specifik värmekapacitet på 0,523 kJ/(kg·K) [2] . Smältvärmen är 15 kJ/mol [9] , förångningsvärmen är 410 kJ/mol [9] . Den karakteristiska Debye-temperaturen är 430 K [9] . Värmeledningsförmåga 21,9 W/(m K) vid 20 °C [9] . Temperaturkoefficienten för linjär expansion är 9,2·10 −6 K −1 i intervallet från −120 till +860 °C [9] . Molär entropi av α -titan S 0 = 30,7 kJ/(mol·K) [2] . För titan i gasfasen är bildningsentalpin Δ H
0f _= 473,0 kJ/mol, Gibbs energi Δ G
0f _= 428,4 kJ/mol, molär entropi S 0 = 180,3 kJ/(mol K), värmekapacitet vid konstant tryck C p = 24,4 kJ/(mol K) [2]
Det specifika elektriska motståndet vid 20 °C är 0,58 μ Ohm m [9] (enligt andra källor, 0,42 μ Ohm m [3] ), vid 800 °C 1,80 μ Ohm m [3] . Temperaturkoefficienten för motstånd är 0,003 K −1 i intervallet 0–20 °C [9] .
Plast, svetsad i en inert atmosfär. Styrkeegenskaper är lite beroende av temperatur, men är mycket beroende av renhet och förbehandling [3] . För teknisk titan är Vickers hårdhet 790–800 MPa, normal elasticitetsmodulen är 103 GPa och skjuvmodulen är 39,2 GPa [9] . Högrent titan förglödgat i vakuum har en sträckgräns på 140–170 MPa, en relativ töjning på 55–70 % och en Brinell-hårdhet på 175 MPa [3] .
Den har en hög viskositet, under bearbetning är den benägen att fastna på skärverktyget, och därför är det nödvändigt att applicera speciella beläggningar på verktyget, olika smörjmedel .
Vid normal temperatur är den täckt med en skyddande passiverande film av TiO 2 oxid , på grund av vilken den är korrosionsbeständig i de flesta miljöer (förutom alkaliska).
Övergångstemperaturen till supraledande tillstånd är 0,387 K. Vid temperaturer över 73 K är titan paramagnetiskt . Den magnetiska känsligheten vid 20 °C är 3,2·10 −6 [3] . Hallkonstanten för α -titan är lika med +1,82·10 −13 [3] .
Titanisotoper är kända med masstal från 38 till 63 (antalet protoner är 22, neutroner från 16 till 41) och 2 kärnisomerer .
Naturligt titan består av en blandning av fem stabila isotoper: 46 Ti ( isotopmängd 7,95%), 47 Ti (7,75%), 48 Ti (73,45%), 49 Ti (5,51%), 50 Ti (5,34%).
Bland artificiella isotoper är den längsta livslängden 44 Ti ( halveringstid 60 år) och 45 Ti (halveringstid 184 minuter).
Motståndskraftig mot korrosion på grund av oxidfilmen , men när den krossas till pulver, såväl som i tunna spån eller tråd, är titan pyrofor [3] . Titandamm tenderar att explodera. Flampunkt - 400 °C. Titanspån är brandfarligt.
Titan är resistent mot utspädda lösningar av många syror och alkalier (förutom HF , H 3 PO 4 och koncentrerad H 2 SO 4 ). Titan är resistent mot vått klor och vattenhaltiga klorlösningar [2] .
Reagerar lätt även med svaga syror i närvaro av komplexbildare, till exempel interagerar den med fluorvätesyra HF på grund av bildningen av den komplexa anjonen [TiF 6 ] 2− . Titan är mest känsligt för korrosion i organiska medier, eftersom i närvaro av vatten bildas en tät passiv film av oxider och titanhydrid på ytan av en titanprodukt. Den mest märkbara ökningen av korrosionsbeständigheten hos titan är märkbar med en ökning av vattenhalten i en aggressiv miljö från 0,5 till 8,0%, vilket bekräftas av elektrokemiska studier av elektrodpotentialerna hos titan i lösningar av syror och alkalier i blandat vatten -organiska medier [12] .
När Ti upphettas i luft till 1200°C, antänds Ti med en klar vit låga med bildning av oxidfaser med variabel sammansättning TiO x . Hydroxid TiO(OH) 2 ·xH2O fälls ut från lösningar av titansalter, genom noggrann kalcinering av vilken oxid TiO2 erhålls . TiO(OH) 2 -hydroxid xH2O och TiO2 - dioxid är amfotera .
TiO 2 interagerar med svavelsyra under långvarig kokning. När den smälts samman med soda Na 2 CO 3 eller kaliumklorid K 2 CO 3 , bildar TiO 2 -oxid titanater:
Vid upphettning interagerar Ti med halogener (till exempel med klor vid 550 °C [2] ). Titantetraklorid TiCl 4 är under normala förhållanden en färglös vätska, starkt rykande i luften, vilket förklaras av hydrolysen av TiCl 4 , vattenånga som finns i luften och bildandet av små droppar HCl och en suspension av titanhydroxid .
Genom att reducera TiCl 4 med väte , aluminium , kisel och andra starka reduktionsmedel erhålls titantriklorid och diklorid TiCl 3 och TiCl 2 - fasta ämnen med starkt reducerande egenskaper. Ti interagerar med Br 2 och I 2 .
Med kväve N 2 över 400 °C bildar titan nitriden TiN x (x = 0,58–1,00). Titan är det enda grundämnet som brinner i en kväveatmosfär [2] .
När titan interagerar med kol bildas titankarbid TiC x ( x = 0,49–1,00).
Vid upphettning absorberar Ti H 2 för att bilda en förening med variabel sammansättning TiH x (x = 2,00–2,98). Vid upphettning sönderdelas dessa hydrider med frigöring av H 2 .
Titan bildar legeringar och intermetalliska föreningar med många metaller.
Som regel är utgångsmaterialet för framställning av titan och dess föreningar titandioxid med en relativt liten mängd föroreningar. I synnerhet kan det vara ett rutilkoncentrat som erhålls under anrikningen av titanmalmer. Rutilreserverna i världen är dock mycket begränsade, och den så kallade syntetiska rutilen eller titanslaggen , som erhålls under bearbetningen av ilmenitkoncentrat , används oftare. För att erhålla titanslagg reduceras ilmenitkoncentrat i en ljusbågsugn, medan järn separeras i en metallfas ( gjutjärn ), och oreducerade titanoxider och föroreningar bildar en slaggfas. Rik slagg bearbetas med klorid- eller svavelsyrametoden.
Koncentratet av titanmalmer utsätts för svavelsyra eller pyrometallurgisk bearbetning. Produkten av svavelsyrabehandling är titandioxidpulver TiO 2 . Med den pyrometallurgiska metoden sintras malmen med koks och behandlas med klor , vilket ger ett par titantetraklorid TiCl 4 :
TiCl 4 -ångor som bildas vid 850 ° C reduceras med magnesium :
Dessutom börjar den så kallade FFC Cambridge-processen, uppkallad efter dess utvecklare Derek Frey, Tom Farthing och George Chen från University of Cambridge , där den skapades , nu vinna popularitet . Denna elektrokemiska process möjliggör direkt kontinuerlig reduktion av titan från oxid i en smältblandning av kalciumklorid och bränd kalk (kalciumoxid). Denna process använder ett elektrolytiskt bad fyllt med en blandning av kalciumklorid och kalk, med en grafitofferanod (eller neutral) och en katod gjord av en oxid som ska reduceras. När en ström passerar genom badet når temperaturen snabbt ~1000–1100 °C, och kalciumoxidsmältan sönderdelas vid anoden till syre och metalliskt kalcium :
Det resulterande syret oxiderar anoden (vid användning av grafit) och kalcium migrerar i smältan till katoden, där det återställer titan från dess oxid:
Den resulterande kalciumoxiden dissocierar igen till syre och metalliskt kalcium, och processen upprepas tills den fullständiga omvandlingen av katoden till en titansvamp eller uttömning av kalciumoxid. Kalciumklorid i denna process används som en elektrolyt för att ge elektrisk ledningsförmåga till smältan och rörligheten av aktiva kalcium- och syrejoner. När man använder en inert anod (till exempel tenndioxid ) i stället för koldioxid frigörs molekylärt syre vid anoden, vilket förorenar miljön mindre, men processen blir i detta fall mindre stabil, och dessutom under vissa förhållanden , blir nedbrytningen av klorid mer energimässigt gynnsam, snarare än kalciumoxid, vilket resulterar i frisättning av molekylärt klor .
Den resulterande titan "svampen" smälts ner och renas. Titan raffineras med jodidmetoden eller genom elektrolys , som separerar Ti från TiCl 4 . För att erhålla titangöt används ljusbåge, elektronstråle eller plasmabehandling.
Användningen av metalliskt titan i många industrier beror på att dess hållfasthet är ungefär lika med stålets, trots att den är 45 % lättare. Titan är 60 % tyngre än aluminium, men ungefär dubbelt så starkt. [2] .
Det finns många titanlegeringar med olika metaller. Legeringselement är indelade i tre grupper, beroende på deras effekt på temperaturen vid polymorf omvandling: betastabilisatorer, alfastabilisatorer och neutrala härdare. Den förra sänker omvandlingstemperaturen, den senare ökar den, och den senare påverkar den inte, utan leder till lösningshärdning av matrisen. Exempel på alfastabilisatorer: aluminium , syre , kol , kväve . Betastabilisatorer: molybden , vanadin, järn , krom , nickel . Neutrala härdare: zirkonium, tenn, kisel. Betastabilisatorer är i sin tur uppdelade i beta-isomorfa och beta-eutektoidbildande.
Den vanligaste titanlegeringen är Ti-6Al-4V- legeringen (i den ryska klassificeringen - VT6), som innehåller cirka 6% aluminium och cirka 4% vanadin . Enligt förhållandet mellan kristallina faser klassificeras den som en (α + β) legering. Dess produktion står för upp till 50 % av titan som produceras [3] .
Ferrotitanium (titan-järnlegering som innehåller 18-25 % titan) används i järnmetallurgi för att deoxidera stål och avlägsna oönskade föroreningar (svavel, kväve, syre) löst i det [3] .
På 1980-talet användes cirka 60-65 % av det titan som producerades i världen för konstruktion av flygplan och raketer, 15 % - inom kemiteknik, 10 % - i energisektorn, 8% - i konstruktion av fartyg och för avsaltning av vatten [3] .
2005 publicerade Titanium Corporation följande uppskattning av global titanförbrukning:
Priset på titan är 5,9-6,0 dollar per kilo, beroende på renheten [15] .
Renheten och graden av grovt titan ( titansvamp ) bestäms vanligtvis av dess hårdhet, vilket beror på innehållet av föroreningar.
Titan anses vara fysiologiskt inert, varför det används i proteser som en metall i direkt kontakt med kroppsvävnader. Titandamm kan dock vara cancerframkallande [2] . Som nämnts ovan används titan även inom tandvården. Ett utmärkande drag för användningen av titan ligger inte bara i styrkan, utan också i metallens förmåga att smälta samman med ben , vilket gör det möjligt att säkerställa tandbasens kvasi-soliditet.
Ordböcker och uppslagsverk |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Periodiskt system av kemiska element av D. I. Mendeleev | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Elektrokemisk aktivitet serie av metaller | |
---|---|
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 , |