Astronet > Populyarnaya biblioteka himicheskih elementov

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Populyarnaya biblioteka himicheskih elementov

<< Skandii | Oglavlenie | Vanadii >>

Monument v chest' pokoritelei kosmosa vozdvignut v Moskve v 1964 g. Pochti sem' let (1958...1964) ushlo na proektirovanie i sooruzhenie etogo obeliska. Avtoram prishlos' reshat' ne tol'ko arhitekturno-hudozhestvennye, no i tehnicheskie zadachi. Pervoi iz nih byl vybor materialov, v tom chisle i oblicovochnyh. Posle dolgih eksperimentov ostanovilis' na otpolirovannyh do bleska titanovyh listah.

Deistvitel'no, po mnogim harakteristikam, i prezhde vsego po korrozionnoi stoikosti, titan prevoshodit podavlyayushee bol'shinstvo metallov i splavov. Inogda (osobenno v populyarnoi literature) titan nazyvayut vechnym metallom. No rasskazhem snachala ob istorii etogo elementa.

Okisel ili ne okisel?

Do 1795 g. element N 22 nazyvalsya "menakinom". Tak nazval ego v 1791 g. angliiskii himik i mineralog Uil'yam Gregor, otkryvshii novyi element v minerale menakanite (ne ishite eto nazvanie v sovremennyh mineralogicheskih spravochnikah - menakanit tozhe pereimenovan, seichas on nazyvaetsya il'menitom).

Spustya chetyre goda posle otkrytiya Gregora nemeckii himik Martin Klaprot obnaruzhil novyi himicheskii element v drugom minerale - rutile - i v chest' caricy el'fov Titanii (germanskaya mifologiya) nazval ego titanom.

Po drugoi versii nazvanie elementa proishodit ot titanov, moguchih synovei bogini zemli - Gei (grecheskaya mifologiya).

V 1797 g. vyyasnilos', chto Gregor i Klaprot otkryli odin i tot zhe element, i hotya Gregor sdelal eto ran'she, za novym elementom utverdilos' imya, dannoe emu Klaprotom.

No ni Gregoru, ni Klaprotu ne udalos' poluchit' elementarnyi titan. Vydelennyi imi belyi kristallicheskii poroshok byl dvuokis'yu titana TiO₂. Vosstanovit' etot okisel, vydelit' iz nego chistyi metall dolgoe vremya ne udavalos' nikomu iz himikov.

V 1823 g. angliiskii uchenyi U.Vollaston soobshil, chto kristally, obnaruzhennye im v metallurgicheskih shlakah zavoda "Mertir-Tidvil'", - ne chto inoe, kak chistyi titan. A spustya 33 goda izvestnyi nemeckii himik F.Veler dokazal, chto i eti kristally byli opyat'-taki soedineniem titana, na etot raz - metallopodobnym karbonitridom.

Mnogo let schitalos', chto metallicheskii titan vpervye byl poluchen Berceliusom v 1825 g. pri vosstanovlenii ftortitanata kaliya metallicheskim natriem. Odnako segodnya, sravnivaya svoistva titana i produkta, poluchennogo Berceliusom, mozhno utverzhdat', chto prezident Shvedskoi akademii nauk oshibalsya, ibo chistyi titan bystro rastvoryaetsya v plavikovoi kislote (v otlichie ot mnogih drugih kislot), a metallicheskii titan Berceliusa uspeshno soprotivlyalsya ee deistviyu.

V deistvitel'nosti titan byl vpervye poluchen lish' v 1875 g. russkim uchenym D.K.Kirillovym. Rezul'taty etoi raboty opublikovany v ego broshyure "Issledovaniya nad titanom". No rabota maloizvestnogo russkogo uchenogo ostalas' nezamechennoi. Eshe cherez 12 let dovol'no chistyi produkt - okolo 95% titana - poluchili sootechestvenniki Berceliusa, izvestnye himiki L.Nil'son i O.Peterson, vosstanavlivavshie chetyrehhloristyi titan metallicheskim natriem v stal'noi germeticheskoi bombe.

V 1895 g. francuzskii himik A.Muassan, vosstanavlivaya dvuokis' titana uglerodom v dugovoi pechi i podvergaya poluchennyi material dvukratnomu rafinirovaniyu, poluchil titan, soderzhavshii vsego 2% primesei, v osnovnom ugleroda. Nakonec, v 1910 g. amerikanskii himik M.Hanter. usovershenstvovav sposob Nil'sona i Petersona, sumel poluchit' neskol'ko grammov titana chistotoi okolo 99%. Imenno poetomu v bol'shinstve knig prioritet polucheniya metallicheskogo titana pripisyvaetsya Hanteru, a ne Kirillovu. Nil'sonu ili Muassanu.

Odnako ni Hanter, ni ego sovremenniki ne predskazyvali titanu bol'shogo budushego. Vsego neskol'ko desyatyh procenta primesei soderzhalos' v metalle, no eti primesi delali titan hrupkim, neprochnym, neprigodnym k mehanicheskoi obrabotke. Poetomu nekotorye soedineniya titana nashli primenenie ran'she, chem sam metall. Chetyrehhloristyi titan, naprimer, shiroko ispol'zovali v pervuyu mirovuyu voinu dlya sozdaniya dymovyh zaves.

Professii dvuokisi

V 1908 g. v SShA i Norvegii nachalos' izgotovlenie belil ne iz soedinenii svinca i cinka, kak delalos' prezhde, a iz dvuokisi titana. Takimi belilami mozhno okrasit' v neskol'ko raz bol'shuyu poverhnost', chem tem zhe kolichestvom svincovyh ili cinkovyh belil. K tomu zhe u titanovyh belil bol'she otrazhatel'naya sposobnost', oni ne yadovity i ne temneyut pod deistviem serovodoroda. V medicinskoi literature opisan sluchai, kogda chelovek za odin raz "prinyal" 460 g dvuokisi titana! (Interesno, s chem on ee sputal?) "Lyubitel'" dvuokisi titana ne ispytal pri etom nikakih boleznennyh oshushenii. Dvuokis' titana vhodit v sostav nekotoryh medicinskih preparatov, v chastnosti mazei protiv kozhnyh boleznei.

Odnako ne medicina, a lakokrasochnaya promyshlennost' potreblyaet naibol'shie kolichestva TiO₂. Mirovoe proizvodstvo etogo soedineniya namnogo prevysilo polmilliona tonn v god. Emali na osnove dvuokisi titana shiroko ispol'zuyut v kachestve zashitnyh i dekorativnyh pokrytii po metallu i derevu v sudostroenii, stroitel'stve i mashinostroenii. Srok sluzhby sooruzhenii i detalei pri etom znachitel'no povyshaetsya. Titanovymi belilami okrashivayut tkani, kozhu i drugie materialy.

Dvuokis' titana vhodit v sostav farforovyh mass, tugoplavkih stekol, keramicheskih materialov s vysokoi dielektricheskoi pronicaemost'yu. Kak napolnitel', povyshayushii prochnost' i termostoikost', ee vvodyat v rezinovye smesi. Odnako vse dostoinstva soedinenii titana kazhutsya nesushestvennymi na fone unikal'nyh svoistv chistogo metallicheskogo titana.

Elementarnyi titan

V 1925 g. gollandskie uchenye van Arkel' i de Bur iodidnym sposobom (o nem - nizhe) poluchili titan vysokoi stepeni chistoty - 99,9%. V otlichie ot titana, poluchennogo Hanterom, on obladal plastichnost'yu: ego mozhno bylo kovat' na holode, prokatyvat' v listy, lentu, provoloku i dazhe tonchaishuyu fol'gu. No dazhe ne eto glavnoe. Issledovaniya fiziko-himicheskih svoistv metallicheskogo titana privodili k pochti fantasticheskim rezul'tatam. Okazalos', naprimer, chto titan, buduchi pochti vdvoe legche zheleza (plotnost' titana 4,5g/sm³), po prochnosti prevoshodit mnogie stali. Sravnenie s alyuminiem tozhe okazalos' v pol'zu titana: titan vsego v poltora raza tyazhelee alyuminiya, no zato v shest' raz prochnee i, chto osobenno vazhno, on sohranyaet svoyu prochnost' pri temperaturah do 500^oC (a pri dobavke legiruyushih elementov - do 650^oC), v to vremya kak prochnost' alyuminievyh i magnievyh splavov rezko padaet uzhe pri 300^oC.

Titan obladaet i znachitel'noi tverdost'yu: on v 12 raz tverzhe alyuminiya, v 4 raza - zheleza i medi. Eshe odna vazhnaya harakteristika metalla - predel tekuchesti. Chem on vyshe, tem luchshe detali iz etogo metalla soprotivlyayutsya ekspluatacionnym nagruzkam, tem dol'she oni sohranyayut svoi formy i razmery. Predel tekuchesti u titana pochti v 18 raz vyshe, chem u alyuminiya.

V otlichie ot bol'shinstva metallov titan obladaet znachitel'nym elektrosoprotivleniem: esli elektroprovodnost' serebra prinyat' za 100, to elektroprovodnost' medi ravna 94, alyuminiya - 60, zheleza i platiny - 15, a titana - vsego 3,8. Vryad li nuzhno ob'yasnyat', chto eto svoistvo, kak i nemagnitnost' titana, predstavlyaet interes dlya radioelektroniki i elektrotehniki.

Zamechatel'na ustoichivost' titana protiv korrozii. Na plastinke iz etogo metalla za 10 let prebyvaniya v morskoi vode ne poyavilos' i sledov korrozii. Za takoi srok ot zheleznoi plastinki ostalis' by odni vospominaniya. Poetomu ne sluchaen interes k titanu aviakonstruktorov, sudostroitelei i gidrostroitelei.

V konce 1968 g. podnyalsya v vozduh pervyi v mire sverhzvukovoi passazhirskii lainer Tu-144. Ruli povorota, elerony i nekotorye drugie detali etogo gigantskogo samoleta, nagrevayushiesya vo vremya poleta do vysokoi temperatury, vypolneny iz titana.

Kak poluchayut titan

Cena - vot chto segodnya eshe tormozit proizvodstvo i potreblenie titana. Sobstvenno, vysokaya stoimost' - ne vrozhdennyi porok titana. V zemnoi kore ego mnogo - 0,63%. Dorogaya cena - sledstvie chrezvychainoi slozhnosti izvlecheniya titana iz rud. Esli prinyat' stoimost' titana v koncentrate za edinicu, to stoimost' gotovoi produkcii - titanovogo lista v sotni raz bol'she. Ob'yasnyaetsya eto vysokim srodstvom titana ko mnogim elementam i prochnost'yu himicheskih svyazei v ego prirodnyh soedineniyah. Otsyuda - slozhnosti tehnologii. Vot kak vyglyadit magnietermicheskii sposob proizvodstva titana, razrabotannyi v 1940 g. amerikanskim uchenym U.Krolem.

Dvuokis' titana s pomosh'yu hlora (v prisutstvii ugleroda) perevodyat v chetyrehhloristyi titan: TiO₂+S+2Sl₂ $\to$ TiCl₄+CO₂.

Process idet v shahtnyh elektropechah pri 800...1250^oC. Drugoi variant - hlorirovanie v rasplave solei shelochnyh metallov NaCl i KCl.

Sleduyushaya operaciya (v odinakovoi mere vazhnaya i trudoemkaya) - ochistka TiCl₄ ot primesei - provoditsya raznymi sposobami i veshestvami. Chetyrehhloristyi titan v obychnyh usloviyah predstavlyaet soboi zhidkost' s temperaturoi kipeniya 136^oC.

Razorvat' svyaz' titana s hlorom legche, chem s kislorodom. Eto mozhno sdelat' s pomosh'yu magniya po reakcii TiCl₄+2Mg $\to$ Ti+2MgCl₂.

Eta reakciya idet v stal'nyh reaktorah pri 900^oC. V rezul'tate obrazuetsya tak nazyvaemaya titanovaya gubka, propitannaya magniem i hloridom magniya. Ih isparyayut v germetichnom vakuumnom apparate pri 950^oC, a titanovuyu gubku zatem spekayut ili pereplavlyayut v kompaktnyi metall.

Natrietermicheskii metod polucheniya metallicheskogo titana v principe malo chem otlichaetsya ot magnietermicheskogo. Eti dva metoda naibolee shiroko primenyayutsya v promyshlennosti.

Dlya polucheniya bolee chistogo titana i ponyne ispol'zuetsya iodidnyi metod, predlozhennyi vanArkelem i deBurom. Metallotermicheskii gubchatyi titan prevrashayut v iodid TiI₄, kotoryi zatem vozgonyayut v vakuume. Na svoem puti pary iodida titana vstrechayut raskalennuyu do 1400^oC titanovuyu provoloku. Pri etom iodid razlagaetsya, i na provoloke narastaet sloi chistogo titana. Etot metod proizvodstva titana maloproizvoditelen i dorog, poetomu v promyshlennosti on primenyaetsya kraine ogranichenno.

Nesmotrya na trudoemkost' i energoemkost' proizvodstva titana, ono uzhe seichas stanovitsya odnoi iz vazhneishih otraslei metallurgii. Esli v 1947 g. v SShA bylo polucheno vsego 2t etogo metalla, to cherez 15 let - bolee 350tys.t. A v 1975 g. potreblenie titana v slitkah sostavilo v SShA bolee 12mlnt.

Kazhetsya, eshe nedavno titan nazyvali redkim metallom - seichas on vazhneishii konstrukcionnyi material. Ob'yasnyaetsya eto tol'ko odnim: redkim sochetaniem poleznyh svoistv elementa N 22. I, estestvenno, potrebnostyami tehniki.

Titan rabotaet

Rol' titana kak konstrukcionnogo materiala, osnovy vysokoprochnyh splavov dlya aviacii, sudostroeniya i raketnoi tehniki, bystro vozrastaet. Imenno v splavy idet bol'shaya chast' vyplavlyaemogo v mire titana. Shiroko izvesten splav dlya aviacionnoi promyshlennosti, sostoyashii iz 90% titana, 6% alyuminiya i 4% vanadiya. V 1976 g. v amerikanskoi pechati poyavilis' soobsheniya o novom splave togo zhe naznacheniya: 85% titana, 10% vanadiya, 3% alyuminiya i 2% zheleza. Utverzhdayut, chto etot splav ne tol'ko luchshe, no i ekonomichnee.

A voobshe v titanovye splavy vhodyat ochen' mnogie elementy, vplot' do platiny i palladiya. Poslednie (v kolichestve 0,1...0,2%) povyshayut i bez togo vysokuyu himicheskuyu stoikost' titanovyh splavov.

Prochnost' titana povyshayut i takie "legiruyushie dobavki", kak azot i kislorod. No vmeste s prochnost'yu oni povyshayut tverdost' i, glavnoe, hrupkost' titana, poetomu ih soderzhanie strozhaishe reglamentiruetsya: v splav dopuskaetsya ne bolee 0,15% kisloroda i 0,05% azota.

Nesmotrya na to, chto titan dorog, zamena im bolee deshevyh materialov vo mnogih sluchayah okazyvaetsya ekonomicheski vygodnoi. Vot harakternyi primer. Korpus himicheskogo apparata, izgotovlennyi iz nerzhaveyushei stali, stoit 150 rublei, a iz titanovogo splava - 600 rublei. No pri etom stal'noi reaktor sluzhit lish' 6 mesyacev, a titanovyi - 10 let. Pribav'te zatraty na zamenu stal'nyh reaktorov, vynuzhdennye prostoi oborudovaniya - i stanet ochevidno, chto primenyat' dorogostoyashii titan byvaet vygodnee, chem stal'.

Znachitel'nye kolichestva titana ispol'zuet metallurgiya. Sushestvuyut sotni marok stalei i drugih splavov, v sostav kotoryh titan vhodit kak legiruyushaya dobavka. Ego vvodyat dlya uluchsheniya struktury metallov, uvelicheniya prochnosti i korroziinoi stoikosti.

Nekotorye yadernye reakcii dolzhny sovershat'sya v pochti absolyutnoi pustote. Rtutnymi nasosami razrezhenie mozhet byt' dovedeno do neskol'kih milliardnyh dolei atmosfery. No etogo nedostatochno, a rtutnye nasosy na bol'shee nesposobny. Dal'neishaya otkachka vozduha osushestvlyaetsya uzhe osobymi titanovymi nasosami. Krome togo, dlya dostizheniya eshe bol'shego razrezheniya po vnutrennei poverhnosti kamery, gde protekayut reakcii, raspylyayut melkodispersnyi titan.

Titan chasto nazyvayut metallom budushego. Fakty, kotorymi uzhe seichas raspolagayut nauka i tehnika, ubezhdayut, chto eto ne sovsem tak - titan uzhe stal metallom nastoyashego.

Vse poznaetsya v sravnenii...

Lish' tri tehnicheski vazhnyh metalla - alyuminii, zhelezo i magnii - rasprostraneny v prirode bol'she, chem titan. Kolichestvo titana v zemnoi kore v neskol'ko raz prevyshaet zapasy medi, cinka, svinca, zolota, serebra, platiny, hroma, vol'frama, rtuti, molibdena, vismuta, sur'my, nikelya i olova, vmeste vzyatyh.

Mineraly titana

Izvestno okolo 70 mineralov titana, v kotoryh on nahoditsya v vide dvuokisi ili solei titanovoi kisloty. Naibol'shee prakticheskoe znachenie imeyut il'menit, rutil, perovskit i sfen.

Il'menit - metatitanat zheleza FeTiO₃ - soderzhit 52,65% TiO₂. Nazvanie etogo minerala svyazano s tem, chto on byl naiden na Urale v Il'menskih gorah. Krupneishie rossypi il'menitovyh peskov imeyutsya v Indii. Drugoi vazhneishii mineral - rutil predstavlyaet soboi dvuokis' titana. Promyshlennoe znachenie imeyut takzhe titanomagnetity - prirodnaya smes' il'menita s mineralami zheleza. Bogatye mestorozhdeniya titanovyh rud est' v SSSR. SShA, Indii, Norvegii. Kanade, Avstralii i drugih stranah.

Ne tak davno geologi otkryli v Severnom Pribaikal'e novyi titansoderzhashii mineral, kotoryi byl nazvan landauitom v chest' sovetskogo fizika akademika L.D.Landau.

Vsego na zemnom share izvestno bolee 150 znachitel'nyh rudnyh i rossypnyh mestorozhdenii titana.

V zhivyh organizmah

V chelovecheskom organizme soderzhitsya do 20 mg titana. Bol'she vsego titana v selezenke, nadpochechnikah i shitovidnoi zheleze. V etih organah soderzhanie elementa N 22 s vozrastom ne izmenyaetsya, no v legkih za 65 let zhizni ono vozrastaet bolee chem v 100 raz.

Iz predstavitelei flory bogata titanom vodorosl' kladofora: soderzhanie v nei etogo elementa prevyshaet 0,03%.

...I na solnce

Spektral'nym analizom titan obnaruzhen na Solnce i v sostave nekotoryh zvezdnyh atmosfer, gde on, kstati, preobladaet nad bol'shinstvom elementov. No esli na Zemle titan sushestvuet glavnym obrazom v vide dvuokisi TiO₂, to v kosmose, ochevidno, v vide monookisi TiO.

P'ezoelektrik

Titanat bariya, buduchi naelektrizovan, proyavlyaet vysokie p'ezoelektricheskie svoistva, t.e. mozhet prevrashat' mehanicheskuyu energiyu szhatiya ili rasshireniya kristalla v elektricheskuyu. P'ezokristally titanata bariya po mnogim harakteristikam prevoshodyat takie rasprostranennye p'ezoelektriki, kak kvarc i segnetova sol'. Podrobnee o nem - v stat'e "Barii".

Neobychainoe svoistvo

Razrabotany materialy, kotorye buduchi, sil'no deformirovannymi na holode, pri nagrevanii vnov' prinimayut pervonachal'nuyu formu. Odin iz takih "pamyatlivyh" materialov predstavlyaet soboi intermetallicheskoe soedinenie titana i nikelya, otlichayusheesya vysokoi prochnost'yu, plastichnost'yu i korrozionnoi stoikost'yu.

Provoloke iz etogo materiala mozhno pridat' formu radioantenny i szhat' ee v nebol'shoi shar. Posle nagrevaniya etot shar snova prevratitsya v antennu.

Titan, rakety i gazy

Titan ispol'zuetsya dlya proizvodstva ballonov, v kotoryh gazy mogut hranit'sya dlitel'noe vremya pod bol'shim davleniem. V amerikanskih raketah tipa "Atlas" sfericheskie rezervuary dlya hraneniya szhatogo geliya sdelany iz titana.

Iz titanovyh splavov izgotovlyayut baki dlya zhidkogo kisloroda, primenyaemye v raketnyh dvigatelyah.

Titan i MARS

Na Ust'-Kamenogorskom titano-magnievom kombinate dlya upravleniya tehnologicheskimi processami vpervye v etoi otrasli byli primeneny schetno-reshayushie mashiny "Mars-200". S ih pomosh'yu reguliruyut temperaturu, davlenie i drugie parametry tehnologicheskogo progressa polucheniya titanovoi gubki.