Jedinečné vlastnosti kovového titanu: hustota a teplota tání

Historie objevu kovu

Všechno začalo v roce 1791, kdy nezávisle na sobě William Gregor (Anglie) a MG Klaprot (Německo) získal oxid titaničitý, ale nemohli od sebe oddělit čistou látku. Mineralogista a v kombinaci vesnice kněz Gregor studoval černý železný písek nacházející se v blízkosti své farnosti. Výsledkem byla extrakce titanové sloučeniny - brilantní zrna, která, se jménem "menakin" (z minerálního menacanitu), zvěčnila rodná místa Angličana.

Přibližně ve stejnou dobu, chemik Klaproth, studovat červený písek, který dovážíme z Maďarska, který se nachází v minerální rutilu nové látky a označil to za „Titan“. A o několik let později prokázal, že rutil a měďanské půdy jsou totožné. V roce 1825 přijal švédský chemik Berzelius první vzorku kovového titanu, ale to neumožňovalo pokrok ve studiu vlastností, protože nečistoty způsobily, že vzorek byl křehký a nevhodný pro obrábění.

Teprve v roce 1925 dostali holandští chemici van Arkel a de Boer za použití tepelného rozkladu titaniumjodidu, který nebyl široce používán, látku s 99,9% čistotou. Takový kov byl z plastu, mohl by být válcovaný do plechů, drátů a fólií. To nám umožnilo zahájit rozsáhlou studii fyzikálních a chemických vlastností, upoutat pozornost inženýrů a stavitelů a nastínit rozsah použití. A již v roce 1940 proběhl Crollův proces pro obnovu chloridu hořečnatého s titanem, který byl až dosud úspěšně používán.

Teorie původu jména

Existují dvě teorie o původu jména:

• První, zdůrazňující základní vlastnosti titanového kovu - lehkost a síla, je spojena se jménem charakteru německé legendy - elitní královny Titania.
• Další teorie se odkazuje na řecké mytologie, kde titáni byli povoláni mocné bratry - druhé generace božstev, bohů děti Urana a Gaia. Echoes tohoto jsou slyšeny ve jménu prvku uranu.

Hledání titanu v přírodě

Titan má čestné čtvrté místo podle obsahu v zemské kůře mezi kovy, které jsou důležité pro lidi, za druhé pouze na železo, hořčík a hliník. Jeho maximální množství je koncentrováno ve spodní, čedičové vrstvě, o něco méně v žulové vrstvě. Vzhledem k vysoké chemické aktivitě není možné najít titan v čisté formě. Nejběžnějšími jsou čtyřmocné oxidy, které jsou koncentrovány v rudách povětrnostní kůry a mořské hlíny.

Dnes je až 75 titanových minerálů a vědci pravidelně prohlašují objev nových forem a sloučenin. Pro průmyslové zpracování jsou nejdůležitější:

• Ilmenite.
• Leukoxen (produkt změny ilmenitu).
• Rutil.
• Titanit (sféna).
• Perovskite.
• Anatase.
• Titanomagnetit.
• Brookyt.

Titan - slabý migrant, může být přenášen pouze ve formě mechanických nečistot ze skály nebo při pohybu koloidní silty vrstvy nádrží. Pro typický obsah maximální biosféry množství tohoto kovu v řas, je zjištěno u zvířat v vlny a nadržené tkáně v lidském těle, je přítomna ve štítné žláze, slezině, nadledvinkách a placenty.

Vklady vesmírného materiálu

Nejběžnější jsou ložiska ilmenitu, jsou asi 800 milionů tun. Zásoby rutilových rud jsou mnohem menší, ale s růstem produkce mohou všechny poskytnout lidstvo dalších 100 let. Podle rezerv titanu je Rusko druhým pouze Čínou a má 20 průzkumných ložisek. Většina z nich je složitá, kde také produkují železo, fosfor, vanad a zirkon. Dnes je největším světovým producentem titan je ruská metalurgická společnost VSMPO-AVISMA.

Rozsáhlé ložiska jsou umístěny v Jižní Africe, na Ukrajině, v Kanadě, USA, Brazílii, Austrálii, Švédsku, Norsku, Egyptě, Kazachstánu, Indii a Jižní Koreji. Odlišují se v obsahu kovu v rudách a objemech těžby, geologický průzkum nekončí. Dokonce i na Měsíci byly nalezeny zásoby rud obsahujících titan, některé z nich desítky krát větší než velké usazeniny Země. To nám umožňuje doufat v snížení tržní ceny kovu a rozšíření rozsahu použití.

Fyzikální vlastnosti prvku

Titan - chemický prvek periodické tabulky Mendelejeva, je ve čtvrté skupině čtvrtého období. Má atomové číslo 22, molární hmotnost 47,867, je označen symbolem Ti a vykazuje oxidační stavy od 2 do 4, její čtyřmocné sloučeniny jsou nejstabilnější. Při normálním tlaku je teplota tání titanu 1670 ± 2 ° C, vztahuje se na barevné žárovzdorné kovy a připomíná vzhled oceli.

Tvrdost, tažnost a mez kluzu - důležité parametry pro každý kov, které určují rozsah použití. Titan je 12krát silnější než hliník, 4krát měď a železo. A přesto, že je mnohem jednodušší na nich (celková hustota titanu 4,54 g / cm 3) a volně manipulovat způsoby svařování, hmoždinky, kování a válcování. Důležitými vlastnostmi jsou nízká tepelná vodivost a elektrická vodivost, které zůstávají nezměněny ani při vysokých teplotách.

Titan ukazuje paramagnetické vlastnosti: není magnetizován v magnetickém poli, jako je nikl a železo, a se nevysune, jako stříbro a zlato. Jeho špatné antifrikční vlastnosti jsou způsobeny přilnavostí k mnoha materiálům. Jedinečný výkon odolnost proti korozi a odolnost vůči mechanickému namáhání: titanové destičky, deset let ležely na dně moře, nebude podstoupí změny ve vzhledu a složení, a železo v průběhu této doby se zcela rozloží.

Chemické vlastnosti

Vysoká odolnost proti korozi je způsobena skutečností, že za normálních podmínek je na povrchu kovu přítomna oxidová vrstva. Nicméně, ve formě prášku, jemných hoblin nebo drátů, je schopné samovznícení a výbuchu. Titan je odolný vůči vodným roztokům chloru a mnoha zředěným alkaliím a kyselinám, s výjimkou fluorovodíku, ortofosforečné kyseliny a kyseliny sírové. Svařování a tavení se provádí ve vakuu, protože když i mírného zahřívání je znázorněn jeden z hlavních vlastností titanu - aktivní absorpce okolních atmosférických plynů.

Reakce s vodíkem, která začíná při 60 ° C, je reverzibilní, výsledné hydridy se opět rozloží při zahřívání. Ve vzduchu při teplotě 1200 ° C titan září s jasným bílým plamenem a pouze je schopen hořet v atmosféře dusíku při teplotě nad 400 ° C s tvorbou nitridů. Pro interakci s halogeny jsou nezbytnými podmínkami nepřítomnost vlhkosti a přítomnost katalyzátoru - vysoká teplota. Reakce s uhlíkem vytváří superhrdlý karbid. U většiny kovů vytváří titan vysokopevnostní konstrukční nebo žáruvzdorné slitiny a intermetalické sloučeniny, které se často používají jako důležitá legovací složka.

Způsob výroby surovin

Výchozím materiálem je oxid titaničitý, který obsahuje malé cizí nečistoty. To vyžaduje rutilový koncentrát, získaný obohacením rudy. Ale jeho světové zásoby jsou malé a často používá titan struska (syntetický rutil), který se získá tepelným zpracováním - obohacený ilmenitu koncentrátu v elektrické peci. Výsledkem je, že železo je železo se shromažďuje na dně speciálních lázní, a zůstává šedý prášek - struska obsahující oxid titaničitý. Je to země, ve směsi s uhlím, a briketovaná chlorované v peci, kde se při teplotě 800 ° C v přítomnosti chloridu uhličitého se tvoří dvojici titanu.

Pak jsou vyčištěny a ve speciálních reaktorech se redukuje hořčíkem při teplotě 950 ° C. Na stěnách se vytvoří hrotová porézní hmota, titanová houba, která je kalcinována ve vakuu pro separaci od sloučenin hořčíku. Pro výrobu ingotů z titanu použijte tavení získané houby ve vakuových obloukových pecích. To zabraňuje oxidaci kovu a podporuje konečné uvolňování nečistot. Připravené ingoty s čistotou až 99,7% se používají k úpravě tlaku (válcování, lisování, kování).

Hlavní aplikace

Je obtížné popsat všechny oblasti života tam, kde je místo pro titan, ale mezi hlavními oblastmi lze poznamenat:

• Mezi hlavní spotřebitele patří letecký a raketový průmysl. Vysoký bod tání a lehkost jsou neocenitelné výhody titanu při použití jako "létající" konstrukční materiál. Pro letadla jsou například křidélka a ramena, otočné křídla, potrubí a rámy. Je hluboce symbolické, že v roce 1980 byl v kosmickém kovu vytvořen památník Yu. A. Gagarina, založený v Moskvě.
• Stavba lodí vyžaduje také materiály odolné proti korozi a korozi. V pozdních sedmdesátých letech dvacátého století téměř celá roční produkce titanu v Sovětském svazu šla k vytvoření jaderné ponorky, kde sloužila jako hlavní stavební materiál. Výsledkem bylo snížení jedné třetiny hmotnosti ponorky, jejího paramagnetismu, maximálních hodnot hloubky ponoření a rychlosti pod vodou.
• Titanové desky se používají v neprůstřelných vestách. Hmotnost lehké neprůstřelné vesty je 4 kg, těžká váha - 10,5 kg. Dokonce i jeden takový pás o tloušťce pouhých 5 mm spolehlivě chrání proti pistolím a střelám z pušek.
• Metal je nezbytný pro potřeby chemického průmyslu s ohledem na odolnost proti korozi ve většině agresivních prostředích a při vysokých teplotách: zařízení a potrubí, zásobníků a destilace, filtrů a ventilů.
• Pro získání tvrdosti a tepelné odolnosti ocelí se používá jako přísada k legování.
• Slitiny titanu slouží k výrobě řezných a chirurgických nástrojů, šperků. Kov není odmítnut lidským tělem, takže se používá v medicíně k vytváření implantátů.
• Od starověku byly budovy v evropských městech zakryty plechy zinku. Ve dvacátém století byl pro tyto potřeby vytvořen ekologicky čistý a odolný materiál zinko-titanu. Jeho vynikající plasticita pomáhá vytvářet střechy téměř všech obrysů a vytvářet případné nestandardní konstrukce fasád.
• Produkce stavebních materiálů, nátěrových hmot, pryže, plastů, papíru a potravinových přísad je obtížné si představit bez sloučenin titanu. Jsou požadovány v elektrotechnice, lze je nalézt v kompozici žáruvzdorných skel a keramických dílů, v podpěrách vrtných plošin působících v extrémních mořských podmínkách a v pouzdrech domácích počítačů.

Rozsah titanu se neustále rozšiřuje, je omezen složitostí a energetickou náročností procesu získávání čisté látky. Částečně kvůli tomu tradiční železo a hliník stále drží pozice dnes. Titan je drahé léčení. Cena kovu ve formě koncentrátu je stokrát nižší než cena hotových výrobků, například plechu. Dnes takové výdaje nejsou dostupné všem, a proto použití titanu určuje úroveň hospodářského rozvoje a obranné kapacity státu.