Etern, misteriós, còsmic, material del futur: tots aquests i molts altres epítets s'assignen al titani en diverses fonts. La història del descobriment d'aquest metall no va ser trivial: al mateix temps, diversos científics van treballar per aïllar l'element en la seva forma pura. El procés d'estudi de les propietats físiques, químiques i de determinació dels àmbits d'aplicació no s'ha completat fins ara. El titani és el metall del futur, encara no s'ha determinat el seu lloc a la vida humana, cosa que ofereix als investigadors moderns un gran marge per a la creativitat i la investigació científica.
Característica
L'element químic titani (titani) s'indica a la taula periòdica de D. I. Mendeleiev amb el símbol Ti. Es troba al subgrup secundari del grup IV del quart període i té el número de sèrie 22. La substància simple titani és un metall blanc-platejat, lleuger i durador. La configuració electrònica d'un àtom té l'estructura següent: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. En conseqüència, el titani té diversos estats d'oxidació possibles: 2,3, 4, en els compostos més estables és tetravalent.
Titani: aliatge o metall?
Aquesta pregunta interessa a molts. El 1910, el químic nord-americà Hunter va obtenir el primer titani pur. El metall contenia només un 1% d'impureses, però al mateix temps, la seva quantitat va resultar ser insignificant i no va permetre estudiar més les seves propietats. La plasticitat de la substància obtinguda només es va aconseguir sota la influència de les altes temperatures; en condicions normals (temperatura ambient), la mostra era massa fràgil. De fet, aquest element no interessava als científics, ja que les perspectives del seu ús semblaven massa incertes. La dificultat d'obtenir i investigar va reduir encara més el potencial de la seva aplicació. Només el 1925, els químics dels Països Baixos I. de Boer i A. Van Arkel van rebre metall de titani, les propietats del qual van cridar l'atenció d'enginyers i dissenyadors de tot el món. La història de l'estudi d'aquest element comença l'any 1790, exactament en aquest moment, en paral·lel, independentment l'un de l' altre, dos científics descobreixen el titani com a element químic. Cadascun d'ells rep un compost (òxid) d'una substància, sense aïllar el metall en la seva forma pura. El descobridor del titani és el monjo mineralogista anglès William Gregor. Al territori de la seva parròquia, situada a la part sud-oest d'Anglaterra, el jove científic va començar a estudiar la sorra negra de la vall de Menaken. El resultat dels experiments amb un imant va ser l'alliberament de grans brillants, que eren un compost de titani. Al mateix temps, a Alemanya, el químic Martin Heinrich Klaproth va aïllar una nova substància del mineralrutil. El 1797 també va demostrar que els elements oberts en paral·lel són semblants. El diòxid de titani ha estat un misteri per a molts químics durant més d'un segle, i fins i tot Berzelius no va poder obtenir metall pur. Les últimes tecnologies del segle XX van accelerar significativament el procés d'estudi de l'element esmentat i van determinar les direccions inicials per al seu ús. Al mateix temps, l'àmbit d'aplicació està en constant expansió. Només la complexitat del procés d'obtenció d'una substància com el titani pur pot limitar el seu abast. El preu dels aliatges i del metall és força elevat, per la qual cosa avui no pot substituir el ferro i l'alumini tradicionals.
Origen del nom
Menakin - el primer nom del titani, que es va utilitzar fins al 1795. Així és com, per filiació territorial, W. Gregor va anomenar el nou element. Martin Klaproth va donar a l'element el nom de "titani" el 1797. En aquest moment, els seus col·legues francesos, dirigits per un químic bastant reputat A. L. Lavoisier, van proposar anomenar les substàncies recentment descobertes d'acord amb les seves propietats bàsiques. El científic alemany no estava d'acord amb aquest enfocament, va creure raonablement que en l'etapa de descobriment és bastant difícil determinar totes les característiques inherents a una substància i reflectir-les en el nom. Tanmateix, cal reconèixer que el terme escollit intuïtivament per Klaproth es correspon completament amb el metall; això ha estat subratllat repetidament pels científics moderns. Hi ha dues teories principals sobre l'origen del nom de titani. El metall es podria designar així en honor a la reina elfa Titania(personatge de la mitologia germànica). Aquest nom simbolitza tant la lleugeresa com la força de la substància. La majoria dels científics s'inclinen a utilitzar la versió de l'ús de la mitologia grega antiga, en què els poderosos fills de la deessa de la terra Gaia eren anomenats titans. El nom de l'element descobert anteriorment, l'urani, també parla a favor d'aquesta versió.
Estar a la natura
Dels metalls que són tècnicament valuosos per als humans, el titani és el quart més abundant a l'escorça terrestre. Només el ferro, el magnesi i l'alumini es caracteritzen per un gran percentatge a la natura. El contingut més alt de titani s'observa a la closca de bas alt, una mica menys a la capa de granit. A l'aigua de mar, el contingut d'aquesta substància és baix: aproximadament 0,001 mg / l. L'element químic titani és força actiu, de manera que no es pot trobar en la seva forma pura. Molt sovint, està present en compostos amb oxigen, mentre que té una valència de quatre. El nombre de minerals que contenen titani varia de 63 a 75 (en diverses fonts), mentre que en l'etapa actual d'investigació, els científics continuen descobrint noves formes dels seus compostos. Per a un ús pràctic, els minerals següents són de gran importància:
- Ilmenita (FeTiO3).
- Rutil (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskita (CaTiO3).
- Titanomagnetita (FeTiO3+Fe3O4) etc.
Tots els minerals existents que contenen titani es divideixen enal·luvial i bàsica. Aquest element és un migrant feble, només pot viatjar en forma de fragments de roca o en moviment de roques de fons llimós. A la biosfera, la major quantitat de titani es troba a les algues. En els representants de la fauna terrestre, l'element s'acumula als teixits còrnies, cabells. El cos humà es caracteritza per la presència de titani a la melsa, les glàndules suprarenals, la placenta i la glàndula tiroide.
Propietats físiques
El titani és un metall no fèrric amb un color blanc platejat que sembla l'acer. A una temperatura de 0 0C, la seva densitat és de 4,517 g/cm3. La substància té una gravetat específica baixa, típica dels metalls alcalins (cadmi, sodi, liti, cesi). Pel que fa a la densitat, el titani ocupa una posició intermèdia entre el ferro i l'alumini, mentre que el seu rendiment és superior al d'ambdós elements. Les principals propietats dels metalls que es tenen en compte a l'hora de determinar l'abast de la seva aplicació són el límit elàstic i la duresa. El titani és 12 vegades més fort que l'alumini, 4 vegades més fort que el ferro i el coure, tot i que és molt més lleuger. La plasticitat d'una substància pura i el seu límit elàstic permeten processar a baixes i altes temperatures, com en el cas d' altres metalls, és a dir, per reblat, forja, soldadura, laminació. Una característica distintiva del titani és la seva baixa conductivitat tèrmica i elèctrica, mentre que aquestes propietats es conserven a temperatures elevades, fins a 500 0С. En un camp magnètic, el titani és un element paramagnètic, no ho éss'atreu com el ferro, i no és expulsat com el coure. El rendiment anticorrosió molt elevat en entorns agressius i sota estrès mecànic és únic. Més de 10 anys d'estar a l'aigua de mar no van canviar l'aspecte i la composició de la placa de titani. En aquest cas, el ferro es destruiria completament per la corrosió.
Propietats termodinàmiques del titani
- La densitat (en condicions normals) és de 4,54 g/cm3.
- El nombre atòmic és 22.
- Grup metàl·lic - refractari, lleuger.
- La massa atòmica del titani és 47,0.
- Punt d'ebullició (0С) – 3260.
- Volum molar cm3/mol – 10, 6.
- Punt de fusió del titani (0С) – 1668.
- Calor de vaporització específic (kJ/mol) – 422, 6.
- Resistència elèctrica (a 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Propietats químiques
L'augment de la resistència a la corrosió de l'element es deu a la formació d'una petita pel·lícula d'òxid a la superfície. Evita (en condicions normals) reaccions químiques amb gasos (oxigen, hidrogen) a l'atmosfera circumdant d'un element com el titani metall. Les seves propietats canvien sota la influència de la temperatura. Quan puja a 600 0С, es produeix una reacció d'interacció amb l'oxigen, donant lloc a la formació d'òxid de titani (TiO2). En el cas de l'absorció de gasos atmosfèrics, es formen compostos trencadissos que no tenen aplicació pràctica, per això la soldadura i la fusió del titani es duen a terme en condicions de buit. reacció reversibleés el procés de dissolució de l'hidrogen en el metall, es produeix més activament amb un augment de la temperatura (a partir de 400 0С i més). El titani, especialment les seves petites partícules (placa prima o filferro), es crema en una atmosfera de nitrogen. Una reacció química d'interacció només és possible a una temperatura de 700 0С, donant lloc a la formació de nitrur de TiN. Forma aliatges molt durs amb molts metalls, sovint com a element d'aliatge. Reacciona amb halògens (crom, brom, iode) només en presència d'un catalitzador (alta temperatura) i subjecte a interacció amb una substància seca. En aquest cas, es formen aliatges refractaris molt durs. Amb les solucions de la majoria d'àlcalis i àcids, el titani és químicament inactiu, a excepció del sulfúric concentrat (amb ebullició prolongada), fluorhídric i orgànic calent (fòrmic, oxàlic).
Dipòsits
Els minerals d'ilmenita són els més comuns a la natura: les seves reserves s'estimen en 800 milions de tones. Els jaciments de rutils són molt més modestos, però el volum total -tot i que es manté el creixement de la producció- hauria de proporcionar a la humanitat durant els propers 120 anys un metall com el titani. El preu del producte acabat dependrà de la demanda i de l'augment del nivell de fabricació, però de mitjana varia entre 1200 i 1800 rubles/kg. En condicions de millora tècnica constant, el cost de tots els processos de producció es redueix significativament amb la seva modernització oportuna. La Xina i Rússia tenen les majors reserves de minerals de titani, així com mineralsJapó, Sud-àfrica, Austràlia, Kazakhstan, Índia, Corea del Sud, Ucraïna, Ceilan tenen una base de matèries primeres. Els jaciments difereixen en el volum de producció i el percentatge de titani en el mineral, les prospeccions geològiques estan en curs, fet que permet suposar una disminució del valor de mercat del metall i el seu ús més ampli. Rússia és, amb diferència, el major productor de titani.
Rebre
Per a la producció de titani, s'utilitza més sovint el diòxid de titani, que conté una quantitat mínima d'impureses. S'obté per enriquiment de concentrats d'ilmenita o minerals de rutil. Al forn d'arc elèctric té lloc el tractament tèrmic del mineral, que s'acompanya de la separació del ferro i la formació d'escòries que contenen òxid de titani. Per processar la fracció lliure de ferro s'utilitza el mètode del sulfat o del clorur. L'òxid de titani és una pols grisa (vegeu la foto). El titani metall s'obté mitjançant el seu processament per fases.
La primera fase és el procés de sinterització d'escòries amb coc i exposició al vapor de clor. El TiCl4 resultant es redueix amb magnesi o sodi quan s'exposa a una temperatura de 850 0C. L'esponja de titani (massa fusionada porosa), obtinguda com a resultat d'una reacció química, es refina o es fon en lingots. Depenent de la direcció d'ús posterior, es forma un aliatge o metall pur (les impureses s'eliminen escalfant a 1000 0С). Per a la producció d'una substància amb un contingut d'impureses del 0,01%, s'utilitza el mètode del iodur. Es basa en el procésevaporació d'una esponja de titani pretractada amb halògens, els seus vapors.
Àrees d'aplicació
El punt de fusió del titani és força elevat, fet que, donada la lleugeresa del metall, és un avantatge inestimable d'utilitzar-lo com a material estructural. Per tant, troba la major aplicació en la construcció naval, la indústria aeronàutica, la fabricació de coets i les indústries químiques. El titani s'utilitza sovint com a additiu d'aliatge en diversos aliatges, que tenen característiques de duresa i resistència a la calor augmentades. Les altes propietats anticorrosives i la capacitat de suportar els ambients més agressius fan que aquest metall sigui indispensable per a la indústria química. El titani (els seus aliatges) s'utilitza per fabricar canonades, dipòsits, vàlvules, filtres utilitzats en la destil·lació i transport d'àcids i altres substàncies químicament actives. Es demanda quan es creen dispositius que funcionen en condicions d'indicadors de temperatura elevats. Els compostos de titani s'utilitzen per fabricar eines de tall duradores, pintures, plàstics i paper, instruments quirúrgics, implants, joies, materials d'acabat i s'utilitzen a la indústria alimentària. Totes les direccions són difícils de descriure. La medicina moderna, a causa de la total seguretat biològica, sovint utilitza titani metall. El preu és l'únic factor que fins ara afecta l'amplitud d'aplicació d'aquest element. És just dir que el titani és el material del futur, estudiant quina humanitat passaràa una nova etapa de desenvolupament.
