Zgodovina odkrivanja kovin
Vse se je začelo leta 1791, ko sta W. Gregor (Anglija) in MG Klaproth (Nemčija), neodvisno drug od drugega, prejela titanov dioksid, vendar iz njega nista izločila čiste snovi. Mlinar in istočasno vaški župnik Gregor sta preučevala črni železni pesek, ki ga najdemo v bližini svoje župnije. Posledica tega je bila ekstrakcija zmesi titana - briljantna zrna, ki so z imenom "menakin" (iz mineralnega menakanita) ohranila avtohtone Angleže.
Približno v istem času je kemik Klaproth, ki je preučevala rdeči pesek, pripeljan iz Madžarske, v mineralnem rutilu našel novo snov in jo imenoval »titan«. Nekaj let kasneje je dokazal, da sta rutilna in menačna zemlja enake spojine. Leta 1825 je švedski kemik Berzelius dobil prvi kemični vzorec kovinskega titana, vendar to ni omogočilo napredka pri preučevanju lastnosti, saj so nečistoče vzorec krhke in neprimerne za obdelavo.
Šele leta 1925 so nizozemski kemiki van Arkel in de Boer z uporabo toplotne razgradnje titanovega jodida, ki niso našli široke uporabe, pridobili snov s čistostjo 99, 9%. Takšna kovina je imela plastičnost, lahko je bila zavita v liste, žico in folijo. To je omogočilo začetek celovite študije o fizikalnih in kemijskih lastnostih, da bi pritegnili pozornost inženirjev in graditeljev, da bi opisali področje uporabe. In že leta 1940 se je pojavil Krollowov proces za pridobivanje titanovega tetraklorida z magnezijem, ki se je uspešno uporabljal do danes.
Teorije o izvoru imena
Obstajata dve teoriji o izvoru imen:
Prvi, s poudarkom na osnovnih lastnostih kovine iz titana - lahkotnost in trajnost, je povezana z imenom znaka nemške legende - elvenske kraljice Titanije.- Druga teorija se nanaša na starogrško mitologijo, kjer so titani imenovali mogočne brate - božanstva druge generacije, otroke bogov Uran in Gaia. Odmevi tega se slišijo v imenu elementa urana.
Iskanje titana v naravi
Titan zaseda četrto častno mesto glede na vsebino v zemeljski skorji med najpomembnejšimi kovinami za človeka, takoj za železom, magnezijem in aluminijem. Njegova največja količina je koncentrirana v spodnjem, bazaltnem sloju, malo manj - v granitu. Ob upoštevanju visoke kemijske aktivnosti ni mogoče najti titana v čisti obliki. Najpogostejši tetravalentni oksidi, ki so koncentrirani v rudah skorje in v morski glini.
Danes je do 75 titanovih mineralov in znanstveniki redno objavljajo odkritje vseh novih oblik in spojin. Za industrijsko predelavo so najpomembnejši:
Ilmenit.- Leucoxen (produkt spreminjanja ilmenita).
- Rutil
- Titanit (sphene).
- Perovskit.
- Anataza.
- Titanomagnetite.
- Brookit
Titan je šibek migrant, lahko ga prevažamo le v obliki mehanskih drobcev kamenja ali med gibanjem koloidnih muljevnih slojev vodnih teles. Za biosfero je značilna vsebnost največjih količin te kovine v algah, pri živalih pa je prisotna v volni in rožnem tkivu, ki je prisotna v človeškem telesu v ščitnici, vranici, nadledvičnih žlezah in posteljici.
Depoziti vesoljskega materiala
Najpogostejše usedline ilmenita so okoli 800 milijonov ton. Rezerve rutilnih rud so precej manjše, vendar pa z ohranjanjem rasti proizvodnje lahko vse človeštvo zagotovi še 100 let. Glede na rezerve titana je Rusija na drugem mestu le na Kitajskem in ima 20 raziskanih nahajališč. Večina jih je kompleksnih, kjer se tudi kopljejo železo, fosfor, vanadij in cirkonij. Danes se rusko metalurško podjetje VSMPO-AVISMA šteje za največjega proizvajalca titana na svetu .
Obsežne vloge se nahajajo v Južni Afriki, Ukrajini, Kanadi, ZDA, Braziliji, Avstraliji, Švedski, Norveški, Egiptu, Kazahstanu, Indiji in Južni Koreji. Razlikujejo se po vsebnosti kovin v rudah in obsegu proizvodnje, geološke raziskave se ne ustavljajo. Tudi na Luni so bile odkrite zaloge rud, ki vsebujejo titan, nekatere od njih so desetkrat bogatejše od velikih nahajališč na Zemlji. To nam omogoča, da upamo na znižanje tržnih cen kovine in širitev področja uporabe.
Fizikalne lastnosti elementa
Titan je kemijski element periodnega sistema, v četrti skupini četrtega obdobja. Ima atomsko število 22, molsko maso 47, 867, označeno s simbolom Ti in ima oksidacijska stanja od 2 do 4, njegove tetravalentne spojine so najbolj stabilne. Pod normalnim tlakom je tališče titana 1670 ± 2 ° C, nanaša se na neželezne kovine in je podoben jeklu.
Trdota, plastičnost in meja tečenja so pomembni parametri za vsako kovino, ki določa njen obseg. Titan je 12-krat močnejši od aluminija, štirikrat več bakra in železa. Prav tako je veliko lažji od vseh (gostota titana je le 4, 54 g / cm 3) in se prosto obdeluje z metodami varjenja, kovičenja, kovanja in valjanja. Pomembne značilnosti vključujejo nizko toplotno prevodnost in električno prevodnost, ki ostanejo nespremenjene tudi pri visokih temperaturah.
Titan ima paramagnetne lastnosti: ne magnetizira v magnetnem polju, kot je nikelj in železo, in ni izrinjen kot srebro in zlato. Slabe lastnosti proti trenja so posledica lepljenja na veliko materialov. Obstajajo edinstveni kazalniki odpornosti proti koroziji in odpornosti na mehanske obremenitve: plošče iz titana, ki so deset let ležale na morskem dnu, se ne bodo spremenile po videzu in sestavi, železo pa se bo v tem času popolnoma razgradilo.
Kemijske lastnosti
Visoka odpornost proti koroziji zaradi dejstva, da je v normalnih pogojih na površini filma kovinski oksid prisoten. Vendar pa se v obliki prahu, drobnih ostružkov ali žice lahko vname in eksplodira. Titan je odporen na vodne raztopine klora in številne razredčene alkalije in kisline, razen fluoridne, ortofosforne in žveplene. Varjenje in taljenje poteka v vakuumu, saj se pri rahlem segrevanju pokaže ena od glavnih lastnosti titana - aktivna absorpcija plinov iz okolice.
Reakcija z vodikom, ki se začne pri 60 ° C, je reverzibilna, dobljeni hidridi pa se pri segrevanju razgradijo. V zraku pri temperaturi 1200 ° C, titan žari z svetlo belim plamenom in le da lahko izgori v dušikovi atmosferi pri temperaturah nad 400 ° C, da nastane nitrid. Za interakcijo s halogeni so potrebni pogoji odsotnost vlage in prisotnost katalizatorja - visoka temperatura. Reakcija z ogljikom povzroči superhitrov karbid. Pri večini kovin titan tvori visoko trdne strukturne ali toplotno odporne zlitine in intermetalne spojine, ki se pogosto uporabljajo kot pomembna komponenta za legiranje.
Metoda pridobivanja iz surovin
Surovina je titanov dioksid, ki vsebuje malo nečistoč. To zahteva rutilni koncentrat, pridobljen z obogatitvijo rude. Vendar so njegove svetovne zaloge majhne in pogosteje uporabljajo titanovo žlindro (sintetični rutil), ki jo pridobimo s toplotno obdelavo - obogatitvijo ilmenitnih koncentratov v elektroobločni peči. Kot rezultat, železo v obliki litega železa se zbere na dnu posebne kopeli, in sive ostanke prahu - žlindra, ki vsebuje titanov oksid. Zmečka se z mešanico premoga, briketiranega in kloriranega v pečeh, kjer se pri 800 ° C v prisotnosti ogljika tvori par titanovih tetrakloridov.
Nato se očistijo in reducirajo v posebnih reaktorjih z magnezijem pri 950 ° C. Na stenah se tvori sintrana porozna masa, titanska gobica, ki se žari v vakuumu za ločevanje od magnezijevih spojin. Za izdelavo ingotov titana se pridobljena goba stopi v vakuumsko-obločnih pečeh. To ščiti kovino pred oksidacijo in prispeva k končnemu sproščanju iz nečistoč. Končni ingoti s čistoto do 99, 7% se uporabljajo za obdelavo pod tlakom (valjanje, žigosanje, kovanje).
Glavne aplikacije
Težko je opisati vsa področja življenja, kjer je Titan našel svoje mesto, med glavnimi področji pa lahko omenimo:
Glavni potrošniki so vesoljska in raketna znanost. Visoke točke taljenja in lahkotnost so neprecenljive prednosti titana, kadar se uporabljajo kot "leteči" gradbeni material. Za letala, na primer, so to krilca in podporniki, vrtljivi krili, cevovodi in okvirji. Globoko simbolično je, da je bil leta 1980 spomenik Yu A. Gagarinu, ki je bil postavljen v Moskvi, izdelan iz te kozmične kovine.- Ladjedelništvo potrebuje tudi lahke in korozijsko odporne materiale. V poznih 70. letih dvajsetega stoletja se je skoraj celotna letna količina proizvodnje titana v Sovjetski zvezi odpravila na oblikovanje jedrske podmornice, kjer je služila kot glavni konstrukcijski material. Rezultat je bil zmanjšanje za tretjino teže podmornice, njen paramagnetizem, največji kazalci globine potopitve in hitrost pod vodo.
- Titanove plošče se uporabljajo v neprebojnih jopičih. Lahka zaščitna jopica - 4 kg, težka - 10, 5 kg. Tudi takšen trak debeline samo 5 mm zanesljivo ščiti pred pištolami in puškami.
- Kovina je nepogrešljiva za potrebe kemične industrije zaradi odpornosti proti koroziji v najbolj agresivnih medijih in pri visokih temperaturah: instrumenti in cevovodi, rezervoarji za shranjevanje in destilacijo, filtri in zaporni ventili.
- Za izdelavo jekel trdote in toplotne odpornosti se uporablja kot legirni dodatek.
- Titanove zlitine se uporabljajo za izdelavo rezalnih in kirurških instrumentov, nakita. Človeško telo ne zavrača kovine, zato se v medicini uporablja za ustvarjanje vsadkov.
Že dolgo, ko so bile stavbe v evropskih mestih prekrite s cinkom. V dvajsetem stoletju je bil za te potrebe ustvarjen okolju prijazen in trajen cink-titanov material. Njegova odlična plastičnost pomaga narediti streho skoraj vseh vezij in oblikovati kakršno koli nestandardno oblikovanje fasad.- Proizvodnja gradbenih materialov, barv, gume, plastike, papirja in aditivov za živila je težko predstavljati brez titanovih spojin. Zahtevajo jih elektrotehnika, najdemo jih v sestavi ognjevzdržnih stekel in keramičnih delov, v nosilcih vrtalnih ploščadi, ki delujejo v skrajnih morskih pogojih, in v primerih domačih računalnikov.
Obseg uporabe titana se nenehno širi, omejuje ga kompleksnost in energetska intenzivnost postopka pridobivanja čistih snovi. To je deloma razlog, da tradicionalno železo in aluminij še danes trdno držita svoja stališča. Titan je draga poslastica. Cena kovine v obliki koncentrata je na stotine krat manjša od cene končnih izdelkov, kot je pločevina. Danes takšni stroški niso na voljo vsem, zato uporaba titana določa raven gospodarskega razvoja in obrambne zmogljivosti države.