Historia odkrywania metalu
Wszystko zaczęło się w 1791 roku, kiedy niezależnie od siebie W. Gregor (Anglia) i MG Klaproth (Niemcy) otrzymali dwutlenek tytanu, ale nie udało im się wydobyć z niego czystej substancji. Mineralog i równocześnie ksiądz Gregor studiował czarny żelazny piasek znaleziony w pobliżu jego parafii. Rezultatem było wydobycie związku tytanu - brylantowych ziaren, które pod nazwą „menakin” (z mineralnego menacanitu) utrwaliło miejsca ojczyste Anglika.
Mniej więcej w tym samym czasie chemik Klaproth, badając czerwone piaski przywiezione z Węgier, znalazł nową substancję w rutylu mineralnym i nazwał ją „tytanem”. Kilka lat później udowodnił, że rutylowa i zbita ziemia są identycznymi związkami. W 1825 r. Szwedzki chemik Berzelius otrzymał pierwszą próbkę metalicznego tytanu od chemika, ale nie pozwoliło to na postęp w badaniu właściwości, ponieważ zanieczyszczenia spowodowały, że próbka stała się krucha i nieodpowiednia do obróbki.
Dopiero w 1925 roku holenderscy chemicy van Arkel i de Boer, stosując termiczny rozkład jodku tytanu, który nie znalazł szerokiego zastosowania, uzyskali substancję o czystości 99, 9%. Taki metal miał plastyczność, mógł być zwinięty w arkusze, drut i folię. Pozwoliło to na rozpoczęcie pełnego badania właściwości fizycznych i chemicznych, aby przyciągnąć uwagę inżynierów i budowniczych, aby określić zakres zastosowania. I już w 1940 r. Pojawił się proces Krollow do odzyskiwania czterochlorku tytanu z magnezem, który z powodzeniem stosuje się do dziś.
Teorie pochodzenia nazwy
Istnieją dwie teorie pochodzenia nazw:
Pierwszy, podkreślający podstawowe właściwości tytanu metalicznego - lekkość i trwałość, związany jest z nazwą postaci niemieckiej legendy - elfiej królowej Tytanii.- Inna teoria odnosi się do mitologii starożytnej Grecji, gdzie tytani nazywali potężnych braci - bóstwa drugiego pokolenia, dzieci bogów Urana i Gai. Echa tego słychać w imię pierwiastka uranu.
Znalezienie tytanu w naturze
Tytan zajmuje czwarte miejsce honorowe pod względem zawartości w skorupie ziemskiej wśród najważniejszych metali dla człowieka, ustępując tylko żelazu, magnezowi i aluminium. Jego maksymalna ilość jest skoncentrowana w dolnej, bazaltowej warstwie, trochę mniej - w granicie. Biorąc pod uwagę wysoką aktywność chemiczną, nie można znaleźć tytanu w jego czystej postaci. Najczęstsze tlenki czterowartościowe, które koncentrują się w rudach wietrzącej skorupy i glinie morskiej.
Obecnie istnieje aż 75 minerałów tytanowych, a naukowcy okresowo deklarują odkrycie wszystkich nowych form i związków. Do przetwarzania przemysłowego najważniejsze są:
Ilmenit.- Leucoxen (produkt zmian ilmenitu).
- Rutile
- Titanite (sphene).
- Perovskit.
- Anataz.
- Titanomagnetite.
- Brookit
Tytan jest słabym migrantem, może być transportowany tylko w postaci mechanicznych fragmentów skały lub podczas ruchu koloidalnych warstw mułu w zbiornikach wodnych. Biosfera charakteryzuje się zawartością maksymalnych ilości tego metalu w glonach, u zwierząt występuje w wełnie i tkankach rogowych, obecnych w organizmie człowieka w tarczycy, śledzionie, nadnerczach i łożysku.
Depozyty materiału kosmicznego
Najczęstsze złoża ilmenitu wynoszą około 800 milionów ton. Zasoby rud rutylu są znacznie mniejsze, ale dzięki zachowaniu wzrostu produkcji mogą one zapewnić ludzkości kolejne 100 lat. Jeśli chodzi o rezerwy tytanu, Rosja zajmuje drugie miejsce po Chinach i ma 20 zbadanych złóż. Większość z nich jest złożona, gdzie wydobywane są również żelazo, fosfor, wanad i cyrkon. Dziś rosyjska firma metalurgiczna VSMPO-AVISMA jest uważana za największego na świecie producenta tytanu.
Rozległe złoża znajdują się w RPA, na Ukrainie, w Kanadzie, USA, Brazylii, Australii, Szwecji, Norwegii, Egipcie, Kazachstanie, Indiach i Korei Południowej. Różnią się zawartością metali w rudach i wielkościach produkcji, badania geologiczne nie kończą się. Nawet na Księżycu odkryto rezerwy rud zawierających tytan, niektóre z nich są dziesięć razy bogatsze niż duże złoża Ziemi. Pozwala nam to mieć nadzieję na spadek cen rynkowych metalu i rozszerzenie zakresu użytkowania.
Właściwości fizyczne elementu
Tytan jest pierwiastkiem chemicznym układu okresowego, znajduje się w grupie IV czwartego okresu. Ma liczbę atomową 22, masę molową 47, 867, oznaczono symbolem Ti i wykazuje stany utleniania od 2 do 4, a związki czterowartościowe są najbardziej stabilne. Pod normalnym ciśnieniem temperatura topnienia tytanu wynosi 1670 ± 2 ° C, odnosi się do metali nieżelaznych ogniotrwałych i przypomina wyglądem stal.
Twardość, plastyczność i granica plastyczności są ważnymi parametrami dla każdego metalu, który określa jego zakres. Tytan jest 12 razy silniejszy niż aluminium, 4 razy miedź i żelazo. Jest również dużo lżejszy od nich wszystkich (gęstość tytanu wynosi tylko 4, 54 g / cm 3) i jest swobodnie przetwarzany metodami spawania, nitowania, kucia i walcowania. Ważne cechy to niska przewodność cieplna i przewodność elektryczna, które pozostają niezmienione nawet w wysokich temperaturach.
Tytan wykazuje właściwości paramagnetyczne: nie magnesuje w polu magnetycznym, jak nikiel i żelazo, i nie jest wypychany jak srebro i złoto. Jego słabe właściwości przeciwcierne wynikają z przywierania do wielu materiałów. Istnieją unikalne wskaźniki odporności na korozję i odporności na naprężenia mechaniczne: płyty wykonane z tytanu, które leżą na dnie morskim przez dziesięć lat, nie ulegną zmianom w wyglądzie i składzie, a żelazo ulegnie całkowitemu rozkładowi w tym czasie.
Właściwości chemiczne
Wysoka odporność na korozję dzięki temu, że w normalnych warunkach na powierzchni warstwy tlenku metalu występuje. Jednak w postaci proszku, drobnych wiórów lub drutu może zapalić się i eksplodować. Tytan jest odporny na wodne roztwory chloru i wielu rozcieńczonych zasad i kwasów, z wyjątkiem fluorowodoru, ortofosforowego i siarkowego. Spawanie i topienie odbywa się w próżni, ponieważ nawet przy niewielkim nagrzewaniu objawia się jedna z głównych właściwości tytanu - aktywna absorpcja gazów otaczającej atmosfery.
Reakcja z wodorem, która rozpoczyna się w temperaturze 60 ° C, jest odwracalna, otrzymane wodorki rozkładają się po podgrzaniu. W powietrzu o temperaturze 1200 ° C tytan świeci jasnym białym płomieniem i tylko on może spalać się w atmosferze azotu w temperaturze powyżej 400 ° C, tworząc azotki. Aby oddziaływać z halogenami, niezbędne warunki to brak wilgoci i obecność katalizatora - wysoka temperatura. W reakcji z węglem powstaje super twardy węglik. W przypadku większości metali tytan tworzy wysokowytrzymałe stopy strukturalne lub żaroodporne i związki międzymetaliczne, często stosowane jako ważny składnik stopowy.
Metoda pozyskiwania z surowców
Surowiec jest dwutlenkiem tytanu zawierającym niewiele zanieczyszczeń. Wymaga to koncentratu rutylu, otrzymanego przez wzbogacenie rudy. Jednak jego światowe rezerwy są małe i częściej używają żużla tytanowego (syntetycznego rutylu), który otrzymuje się przez obróbkę cieplną - wzbogacenie koncentratów ilmenitu w elektrycznym piecu łukowym. W rezultacie żelazo w postaci żeliwa jest zbierane na dnie specjalnej kąpieli, a szary proszek pozostaje - żużel zawierający tlenek tytanu. Jest kruszony, mieszany z węglem, brykietowany i chlorowany w piecach, w których w temperaturze 800 ° C powstają pary czterochlorku tytanu w obecności węgla.
Następnie są czyszczone i redukowane w specjalnych reaktorach z magnezem w temperaturze 950 ° C. Na ścianach tworzy się spiekana porowata masa, tytanowa gąbka, która jest kalcynowana w próżni w celu oddzielenia od związków magnezu. Aby wykonać wlewki tytanowe, otrzymaną gąbkę topi się w próżniowych piecach łukowych. Chroni to metal przed utlenianiem i przyczynia się do ostatecznego uwolnienia z zanieczyszczeń. Gotowe wlewki o czystości do 99, 7% są używane do obróbki ciśnieniowej (walcowanie, tłoczenie, kucie).
Główne aplikacje
Trudno jest opisać wszystkie obszary życia, w których tytan znalazł miejsce, ale wśród głównych obszarów można wymienić:
Głównymi konsumentami są nauka o lotnictwie i kosmonautyce. Wysokie temperatury topnienia i lekkość to nieocenione zalety tytanu, gdy jest stosowany jako „latający” materiał budowlany. Na przykład w przypadku samolotów są to lotki i drzewce, obrotowe skrzydła, rurociągi i ramy. Głęboko symboliczne jest to, że w 1980 r. Pomnik Yu A. Gagarina wzniesiony w Moskwie został wykonany z tego kosmicznego metalu.- Przemysł stoczniowy wymaga również lekkich i odpornych na korozję materiałów. Pod koniec lat 70. XX wieku prawie cały roczny wolumen produkcji tytanu w Związku Radzieckim przypadł na stworzenie atomowej łodzi podwodnej, gdzie służył jako główny materiał strukturalny. Rezultatem było zmniejszenie o jedną trzecią ciężaru łodzi podwodnej, jej paramagnetyzmu, maksymalnych wskaźników głębokości zanurzenia i prędkości pod wodą.
- Tytanowe płyty są używane w kamizelkach kuloodpornych. Lekki pancerz - 4 kg, ciężki - 10, 5 kg. Nawet jeden taki pasek o grubości zaledwie 5 mm niezawodnie chroni przed pociskami z pistoletu i karabinu.
- Metal jest niezbędny dla potrzeb przemysłu chemicznego ze względu na jego odporność na korozję w większości agresywnych mediów iw wysokich temperaturach: instrumenty i rurociągi, zbiorniki do przechowywania i destylacji, filtry i zawory odcinające.
- Aby nadać stali twardość i odporność na ciepło, stosuje się ją jako dodatek stopowy.
- Stopy tytanu są używane do produkcji narzędzi tnących i chirurgicznych, biżuterii. Metal nie jest odrzucany przez organizm ludzki, dlatego jest stosowany w medycynie do tworzenia implantów.
Dawno temu budynki w miastach europejskich były pokryte blachami cynkowymi. W XX wieku stworzono przyjazny dla środowiska i trwały materiał cynkowo-tytanowy dla tych potrzeb. Jego doskonała plastyczność pomaga wykonać dach prawie wszystkich obwodów i stworzyć dowolny niestandardowy projekt elewacji.- Trudno wyobrazić sobie produkcję materiałów budowlanych, farb, gumy, tworzyw sztucznych, papieru i dodatków do żywności bez związków tytanu. Są one poszukiwane w elektrotechnice, można je znaleźć w składzie ogniotrwałych szkieł i części ceramicznych, w podporach platform wiertniczych pracujących w ekstremalnych warunkach morskich, a także w komputerach domowych.
Zakres stosowania tytanu stale się powiększa, ogranicza go złożoność i energochłonność procesu otrzymywania czystej substancji. Częściowo dlatego tradycyjne żelazo i aluminium nadal mocno zajmują swoje pozycje. Titan to kosztowna uczta. Cena metalu w postaci koncentratu jest setki razy mniejsza niż koszt gotowych produktów, takich jak blacha. Dzisiaj takie koszty nie są dostępne dla wszystkich, więc użycie tytanu decyduje o poziomie rozwoju gospodarczego i zdolności obronnych państwa.