História objavovania kovov
Všetko to začalo v roku 1791, keď nezávisle od seba súčasne W. Gregor (Anglicko) a MG Klaproth (Nemecko) dostali oxid titaničitý, ale nedokázali z neho extrahovať čistú látku. Mineralog a zároveň obecný kňaz Gregor študovali čierny železný piesok nachádzajúci sa v blízkosti jeho farnosti. Výsledkom bola extrakcia zlúčeniny titánu - brilantných zŕn, ktoré podľa názvu "menakin" (z minerálneho menacanitu) zachovali pôvodné miesta Angličanov.
Približne v tom istom čase chemik Klaproth, ktorý študoval červené piesky z Maďarska, našiel novú látku v minerálnom rutile a nazval ju „titánom“. O niekoľko rokov neskôr dokázal, že rutil a menštruovaná zem sú identické zlúčeniny. V roku 1825 získal prvý chemický vzor kovového titánu švédsky chemik Berzelius, čo však neumožnilo pokrok v štúdiu vlastností, pretože nečistoty spôsobili, že vzorka bola krehká a nevhodná na obrábanie.
Až v roku 1925 holandskí chemici van Arkel a de Boer, ktorí použili tepelný rozklad jodidu titaničitého, ktorý nenašiel široké využitie, získali látku s čistotou 99, 9%. Takýto kov mal plastickosť, mohol byť zvinutý do plechov, drôtov a fólií. To umožnilo začať komplexnú štúdiu fyzikálnych a chemických vlastností, pritiahnuť pozornosť inžinierov a staviteľov, načrtnúť rozsah použitia. Už v roku 1940 sa objavil Krollowov proces regenerácie chloridu titaničitého s horčíkom, ktorý sa úspešne používal dodnes.
Teórie pôvodu mena
Existujú dve teórie pôvodu mien:
Prvá, zdôrazňujúca základné vlastnosti titánového kovu - ľahkosť a trvanlivosť, je spojená s názvom postavy nemeckej legendy - elfskej kráľovnej Titánie.- Ďalšia teória sa týka starovekej gréckej mytológie, kde titáni nazývali mocných bratov - bohov druhej generácie, detí bohov Urana a Gaiu. Ozývajú sa ozveny v názve prvku urán.
Nájdenie titánu v prírode
Titán zaujíma štvrté čestné miesto, pokiaľ ide o jeho obsah v zemskej kôre, medzi najdôležitejšími kovmi pre človeka, po druhé len pre železo, horčík a hliník. Jeho maximálne množstvo sa koncentruje v spodnej, čadičovej vrstve, o niečo menej - v žule. Vzhľadom na vysokú chemickú aktivitu nie je možné nájsť titán v jeho čistej forme. Najčastejšie tetravalentné oxidy, ktoré sú koncentrované v rudách zvetrávanej kôry a v morskej hline.
V súčasnosti existuje až 75 titánových minerálov a vedci pravidelne vyhlasujú objav všetkých nových foriem a zlúčenín. Pre priemyselné spracovanie sú najdôležitejšie:
Ilmenit.- Leucoxen (produkt zmeny ilmenitu).
- Rutil.
- Titanit (sphene).
- Perovskia.
- Anatas.
- Titanomagnetite.
- Brooke.
Titan je slabý migrant, môže sa prepravovať iba vo forme mechanických fragmentov hornín alebo pri pohybe vrstiev koloidných nánosov vodných útvarov. Biosféra sa vyznačuje obsahom maximálnych množstiev tohto kovu v riasach, u zvierat sa nachádza vo vlnách a nadržaných tkanivách prítomných v ľudskom tele v štítnej žľaze, slezine, nadobličkách a placente.
Vklady vesmírneho materiálu
Najčastejšie ložiská ilmenitu sú asi 800 miliónov ton. Zásoby rutilových rúd sú oveľa menšie, ale so zachovaním rastu produkcie môžu všetci poskytovať ľudstvu ďalších 100 rokov. Pokiaľ ide o zásoby titánu, Rusko je druhé miesto v Číne a má 20 preskúmaných vkladov. Väčšina z nich je zložitá, kde sa ťaží aj železo, fosfor, vanád a zirkón. Dnes je ruská hutnícka spoločnosť VSMPO-AVISMA považovaná za najväčšieho svetového výrobcu titánu.
Rozsiahle vklady sa nachádzajú v Južnej Afrike, Ukrajine, Kanade, USA, Brazílii, Austrálii, Švédsku, Nórsku, Egypte, Kazachstane, Indii a Južnej Kórei. Líšia sa v obsahu kovov v rudách a objemoch výroby, geologické prieskumy nekončia. Dokonca aj na mesiaci boli objavené zásoby rúd obsahujúcich titán, niektoré z nich sú desaťkrát bohatšie ako veľké ložiská Zeme. To nám umožňuje dúfať v pokles trhových cien kovu a rozšírenie sféry používania.
Fyzikálne vlastnosti prvku
Titán je chemický prvok periodickej tabuľky, ktorý je v skupine IV štvrtého obdobia. Má atómové číslo 22, molárna hmotnosť 47, 867, je označená symbolom Ti a vykazuje oxidačné stavy od 2 do 4, jeho štvormocné zlúčeniny sú najstabilnejšie. Za normálneho tlaku je teplota topenia titánu 1670 ± 2 ° C, týka sa neželezných žiaruvzdorných kovov a pripomína vzhľad ocele.
Tvrdosť, plasticita a medza klzu sú dôležité parametre pre každý kov, ktorý určuje jeho rozsah. Titán je 12-krát silnejší ako hliník, 4-násobok medi a železa. Je tiež oveľa ľahší ako všetky (hustota titánu je len 4, 54 g / cm 3) a je voľne spracovávaná metódami zvárania, nitovania, kovania a valcovania. Medzi dôležité vlastnosti patrí nízka tepelná vodivosť a elektrická vodivosť, ktoré sa nezmenili ani pri vysokých teplotách.
Titán vykazuje paramagnetické vlastnosti: nemagnetizuje sa v magnetickom poli, ako je nikel a železo, a nie je vytlačený ako striebro a zlato. Jeho zlé vlastnosti proti treniu sú dôsledkom lepenia mnohých materiálov. Existujú jedinečné indikátory odolnosti voči korózii a odolnosti voči mechanickému namáhaniu: dosky vyrobené z titánu, ktoré ležia na morskom dne desať rokov, nebudú podliehať zmenám vzhľadu a zloženia a železo sa počas tejto doby úplne rozloží.
Chemické vlastnosti
Vysoká odolnosť proti korózii v dôsledku skutočnosti, že za normálnych podmienok na povrchu filmu oxidu kovu je prítomný. Avšak vo forme prášku, jemných triesok alebo drôtu je schopný vznietiť a explodovať. Titán je odolný voči vodným roztokom chlóru a mnohým zriedeným zásadám a kyselinám, s výnimkou kyseliny fluorovodíkovej, ortofosforečnej a sírovej. Zváranie a tavenie sa vykonáva vo vákuu, pretože pri miernom zahriatí sa prejavuje jedna z hlavných vlastností titánu - aktívna absorpcia plynov okolitej atmosféry.
Reakcia s vodíkom, ktorá začína pri 60 ° C, je reverzibilná, získané hydridy sa pri zahrievaní rozkladajú. Vo vzduchu s teplotou 1200 ° C svieti titán žiarivým bielym plameňom a len v atmosfére dusíka môže horieť pri teplotách nad 400 ° C za vzniku nitridov. Na interakciu s halogénmi sú nevyhnutnými podmienkami absencia vlhkosti a prítomnosť katalyzátora - vysoká teplota. Reakcia s uhlíkom vytvára supertvrdý karbid. S väčšinou kovov, titán tvorí vysoko pevné konštrukčné alebo tepelne odolné zliatiny a intermetalické zlúčeniny, často používané ako dôležitá legujúca zložka.
Spôsob získavania zo surovín
Vstupnou surovinou je oxid titaničitý, ktorý obsahuje málo nečistôt. To vyžaduje koncentrát rutilu, získaný obohatením rudy. Ale jeho svetové rezervy sú malé a častejšie používajú titánovú trosku (syntetický rutil), ktorá sa získava tepelným spracovaním - obohatenie koncentrátov ilmenitu v elektrickej oblúkovej peci. V dôsledku toho sa železo vo forme liatiny zhromažďuje na dne špeciálneho kúpeľa a zvyšky šedého prášku - troska obsahujúca oxid titaničitý. Je rozdrvený, zmiešaný s uhlím, briketovaný a chlórovaný v peciach, kde pri 800 ° C vznikajú v prítomnosti uhlíka výpary chloridu titaničitého.
Potom sa čistia a redukujú v špeciálnych reaktoroch s horčíkom pri teplote 950 ° C. Na stenách je vytvorená sintrovaná porézna hmota, titánová špongia, ktorá je kalcinovaná vo vákuu na separáciu zo zlúčenín horčíka. Na výrobu ingotov z titánu sa získaná špongia roztaví vo vákuových oblúkových peciach. To chráni kov pred oxidáciou a prispieva ku konečnému uvoľneniu z nečistôt. Na tlakové spracovanie (valcovanie, razenie, kovanie) sa používajú hotové ingoty s čistotou do 99, 7%.
Hlavné aplikácie
Je ťažké opísať všetky oblasti života, kde titán našiel miesto, ale medzi hlavné oblasti možno spomenúť:
Hlavnými spotrebiteľmi sú letecký a raketový priemysel. Vysoké teploty topenia a ľahkosť sú neoceniteľnými výhodami titánu pri použití ako „lietajúci“ stavebný materiál. Pre lietadlá sú to napríklad krídelká a nosníky, otočné krídla, potrubia a rámy. Je hlboko symbolické, že v roku 1980 bol pamätník Yu A. Gagarina postavený v Moskve z tohto kozmického kovu.- Stavba lodí tiež potrebuje ľahké a korózii odolné materiály. Koncom 70. rokov dvadsiateho storočia, takmer celý ročný objem výroby titánu v Sovietskom zväze išiel k vytvoreniu jadrovej ponorky, kde slúžil ako hlavný konštrukčný materiál. Výsledkom bolo zníženie jednej tretiny hmotnosti ponorky, jej paramagnetizmu, maximálnych ukazovateľov hĺbky a rýchlosti pod vodou.
- Titanové platne sa používajú v pancieroch. Ľahká pancierová karoséria - 4 kg, ťažká - 10, 5 kg. Aj jeden taký pás s hrúbkou iba 5 mm spoľahlivo chráni pred pištoľami a puškami.
- Kov je nevyhnutný pre potreby chemického priemyslu vďaka svojej odolnosti voči korózii vo väčšine agresívnych médií a pri vysokých teplotách: nástroje a potrubia, skladovacie a destilačné nádrže, filtre a uzatváracie ventily.
- Na dodanie ocelí s tvrdosťou a tepelnou odolnosťou sa používa ako legovacia prísada.
- Zliatiny titánu sa používajú na výrobu rezných a chirurgických nástrojov, šperkov. Kov sa neodmieta ľudským telom, preto sa v medicíne používa na vytváranie implantátov.
Dlhé, pretože budovy v európskych mestách boli pokryté zinkovými plechmi. V dvadsiatom storočí bol pre tieto potreby vytvorený ekologický a trvanlivý zinok-titánový materiál. Jeho vynikajúca plasticita pomáha vytvoriť strechu takmer všetkých okruhov a vytvoriť akýkoľvek neštandardný dizajn fasád.- Výroba stavebných materiálov, farieb, gumy, plastov, papiera a potravinárskych prísad je ťažké predstaviť bez zlúčenín titánu. Vyžadujú sa v elektrotechnike, nachádzajú sa v zložení žiaruvzdorných skiel a keramických častí, v podperách vrtných plošín pracujúcich v extrémnych morských podmienkach av prípadoch domácich počítačov.
Rozsah použitia titánu sa neustále rozširuje, obmedzuje ho komplexnosť a energetická náročnosť procesu získavania čistej látky. To je čiastočne dôvod, prečo tradičné železo a hliník stále pevne drží svoje pozície dnes. Titan je drahá liečba. Cena kovu vo forme koncentrátu je stokrát nižšia ako cena hotových výrobkov, ako sú plechy. Dnes nie sú takéto náklady dostupné pre každého, takže použitie titánu určuje úroveň hospodárskeho rozvoja a obranných schopností štátu.