Надо Знать

добавить знаний



Титан (химический элемент)



План:


Введение

Титан ( лат. Titanium , символ Ti), химический элемент с порядковым номером 22, атомная масса 47,88. Твердый серебристый металл, точка плавления 1675 C, точка кипения 3262 C, плотность 4540 кг / м 3.


1. История

В 1791 г. английский химик и минералог Уильям Грегор открыл новый элемент в минерале "менакканити" и назвал его "менаканумом". Немецкий химик Мартин Клапрот 1795 года повторно открыл его в минерале "рутил" и предоставил ему красивое название "титан". За 2 года выяснилось, что Грегор и Клапрот открыли один и тот же элемент, который с тех пор носит величественное имя - титан. Впервые металлический титан добыл Берцелиус в 1825 году, но это был очень загрязненный металл. Многие ученые пытались получить титан в чистом виде и только в 1875 г. русский ученый Д.К. Кириллов впервые смог получить металлический титан, содержавший несколько процентов смеси. В 1910 г. американский химик Хантер смог произвести несколько граммов чистого титана, который содержал несколько десятых долей процента смесей, которые делают его практически непригодным для обработки. И хотя соли титана уже находили применение, лишь в 1925 году получен голландскими учеными Ван Аркелем и где Буре титан высокой чистоты продемонстрировал свои уникальные свойства.


2. Происхождение названия

Это название заимствовано из древнегреческой мифологии: Титаны - дети богини Земли ( Геи) и бога Неба ( Урана).

3. Распространение

Сер. содержание Т. в земной коре ( Кларк) 0,45% (по другим данным - 0,61% до глубины 16 км). Только три других важных металлы - алюминий, железо и магний - распространены в природе больше чем титан.

Гл. минералы титановых руд: ильменит (43,7-52,8% ТиО2) рутил, анатаз и брукит (94,2-99,5) лейкоксена (61,9-97,6) лопарит (38,3-41); сфен (33,7-40,8) перовскит (38,7-57,8).


4. Получение

Кристаллический титан

Лишь три технически важных металла - алюминий, железо и магний - распространены в природе больше чем титан. Количество титана в земной коре в несколько раз превышает запасы меди, цинка, свинца, золота, серебра, платины, хрома, вольфрама, ртути, молибдена, висмута, сурьмы, никеля и олова, вместе взятых. Кларк титана в основных изверженных породах составляет 20,46 атомных%. Однако промышленный способ добычи титана был разработан только в 40-х гг ХХ века.
Процесс добычи титана (Кролль-процесс) был разработан Уильямом Джасти Кроллем - люксембургским металлургом в 1940 году. К этому времени он мало чем изменился. Исходя из руд титана рутила или ильменит при воздействии высокой температуры и уголь переводят в оксид с выплавкой железа:

\ Mathrm {FeTiO_3 + C \ \ longrightarrow \ Fe + TiO_2 + \ CO}

Затем при температуре 750 - 1000 C действием кокса и хлора переводят оксид титана в хлорид:

\ Mathrm {TiO_2 \ + 2 \ C + 2 \ Cl_2 \ \ longrightarrow \ TiCl_4 + \ 2 \ CO}

В третьей стадии процесса восстанавливают тетрахлорид титана действием жидкого магния до металлического титана при 800-900 C под защитной атмосферой аргона :

\ Mathrm {TiCl_4 \ + 2 \ Mg \ \ longrightarrow \ Ti + \ 2 \ MgCl_2}

Полученную титановую губку переплавляют в дуговых вакуумных печах. Для производства чистого титана используют газотранспортные реакции.

Благодаря прогрессу в области самолето-и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как: малая плотность, высокая прочность, коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, холодостойкость, немагнитнисть и другие ценные физико-механические характеристики.

Изготовленные в нашей стране сплавы титана можно разделить на три группы.

Сплавы с α-структурой ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ОТ4-0, ОТ4-1 Эта группа сплавов отличается хорошей свариваемостью и термической стабильностью, т.е. отсутствием хрупкости при совместном длительном воздействии высоких температур и напряжений.
Сплавы с α-+ β-структурой ВТ14, ВТ9, ВТ8, ВТ6, ВТ6С, ВТ3-1, ВТ22, ВТ23 Благодаря более пластичной бета фазе эти сплавы более технологичны и лучше обрабатываются давлением, чем альфа сплавы.
Сплавы с β-структурой Это некоторые исследовательские сплавы ВТ15, ТС6 с высоким содержанием хрома и молибдена. Эти сплавы сочетают хорошую технологическую пластичность с очень высокой прочностью и хорошей свариваемостью.

Полуфабрикаты из титана и титановых сплавов производятся различных форм и видов: титановые слитки, титановые слябы, заготовки, титановые листы и титановые плиты, титановые ленты, полосы, титановые прутки (или титановые круги), титановый провод, титановые трубы.


5. Применение

Титан является одним из немногих металлов с высокой коррозионной стойкостью: он устойчив в атмосферном воздухе, морской воде и морской атмосфере, во влажном хлоре, горячих и холодных растворах хлоридов, в различных технологических растворах и реагентах, применяемых в химической, нефтяной, бумажной и других отраслях промышленности, а также в гидрометаллургии.

По своей коррозионной стойкостью в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благородных - золота, платины, и др.., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие сплавы. Дело в том, что реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакцию. Это связано с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, хорошо срастается с металлом, тончайшая (в несколько ангстрем (1А = 10 -10 мм) пленка диоксида титана ( пассивация), которая предохраняет его от дальнейшего окисления. Если даже эту пленку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка появляется вновь, и металл, как говорят, его "пассивирует", т.е. защищает сам себя от дальнейшего разрушения.


5.1. Прочность

При удельной прочности титан не имеет соперников среди промышленных металлов. Даже такой металл, как алюминий, уступил ряду позиций титана, который лишь в 1,7 раза тяжелее алюминия, но в шесть раз прочнее. И что особенно важно, титан сохраняет свою прочность при высоких температурах (до 500 C, а при добавлении легирующих элементов - 650 C), в то время как прочность большинства алюминиевых сплавов резко падает уже при 300 C.

Титан - очень твердый металл: он в 12 раз тверже алюминий, в 4 раза - за железо и медь. Чем выше предел текучести металла, тем лучше детали из него сопротивляются эксплуатационным нагрузкам, тем дольше они сохраняют свои формы и размеры. Предел текучести титана в 18 раз выше, чем у алюминия, и в 2,5 раза - чем у железа.


5.2. Свариваемость

Титан и его сплавы имеют удовлетворительную свариваемость всеми видами сварки применяется для титана - электронно-лучевая, лазерная, контактная, электросварки, дуговая сварка и др.. Хорошо сваривается чистый титан (ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1-1), а также сплавы (ВТ5-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14). При этом пластичность сварного соединения очень близка к пластичности основного металла.

6. Титан - антикоррозионная металл

6.1. Поведение титана и его сплавов в различных агрессивных средах.

Реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакции. Связано это с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, такая, что хорошо срастается с металлом тончайшая (в несколько ангстрем (1А = 10-10м) пленка диоксида титана, предохраняет его от дальнейшего окисления. Если даже эту пленку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка появляется вновь, и металл, как говорят, ней "пассивируется", т. е. защищает сам себя от дальнейшего разрушения.


6.2. Влияние легирующих элементов в титане на коррозионную стойкость

Все присутствующие в титане легирующие элементы по коррозионной стойкости можно разделить на четыре группы. К первой группе относятся элементы, легко пассивируются, повышают коррозионную стойкость титана за счет торможения анодного процесса (в разной степени и в зависимости от природы среды). К этой группе относятся те, что такие важнейшие легирующие: Может, Но Nb, Zr, V (расположены в порядке убывания благоприятного воздействия на коррозионную стойкость).

Ко второй группе металлов, оказывающих похож влияние на коррозионную стойкость титана, относятся Cr, Ni, Mn, Fe. Эти элементы, некоторые из которых сами являются коррозионно ( Cr, Ni), хотя и не сильно, но снижают коррозионную стойкость титана, особенно в неокислительный кислотах по мере повышения легирования титана.

К третьей группе легирующих элементов, имеющих общие черты влияния на коррозионную стойкость титана, относятся Al, Sn, О N, С. Установлено, что добавки алюминия снижают коррозионную стойкость титана в активном и пассивном состояниях. В нейтральных средах алюминий (до 5% Al) хотя и оказывает негативное влияние, но он невелик. Понижение коррозионной стойкости при легировании алюминием связано с облегчением анодного и катодного процессов вследствие изменения химической природы пассивных пленок.

К четвертой группе легирующих элементов, однотипно влияющих на коррозионную стойкость титана, относятся металлы с низким сопротивлением катодной процесса. По возрастанию эффективности воздействия на титан эти элементы располагаются в следующий ряд: Си W, Мо Ni, Re, Ru, Pd, Pt.

Доказано, что введение в титановые сплавы таких элементов, как молибден, ниобий, цирконий, тантал не лимитируется по количеству. Они повышают коррозионную стойкость, способствуют увеличению прочности. Доказано, что введение в титановые сплавы таких элементов, как молибден, ниобий, цирконий, тантал не лимитируется по количеству. Они повышают коррозионную стойкость, способствуют увеличению прочности. Особенности взаимодействия титана с воздухом.

Воздух, который является смесью различных газов, является сложной газовой фазой, воздействие которой на титан может быть весьма многообразным. При этом взаимодействие титана с кислородом воздуха отличается от взаимодействия титана с чистым кислородом, поскольку на это взаимодействие оказывает влияние азот и другие составные части воздуха. В то же время следует иметь в виду, что при всей сложности газовой фазы (воздух) действие ее на титан следует рассматривать прежде всего как реакцию взаимодействия с ним активной и довольно значительной по количеству составляющей - кислорода.


7. Биологическая роль

См.. также

Литература

  • Глоссарий терминов по химии / / Й.Опейда, О.Швайка. Ин-т физико-органической химии и углехимии им .. Л.М.Литвиненка НАН Украины, Донецкий национальный университет - М.: "Вебер", 2008. - 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
  • Горный энциклопедический словарь: в 3 т. / Под ред. В. С. Белецкого. - Донецк: Восточный издательский дом, 2001-2004. ISBN 966-7804-19-4


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам