Vật chất vĩnh cửu, bí ẩn, vũ trụ, của tương lai - tất cả những thứ này và nhiều biểu tượng khác được gán cho titan ở nhiều nguồn khác nhau. Lịch sử phát hiện ra kim loại này không hề nhỏ: đồng thời, một số nhà khoa học đã nghiên cứu cô lập nguyên tố ở dạng tinh khiết của nó. Cho đến nay, quá trình nghiên cứu các đặc tính vật lý, hóa học và xác định các lĩnh vực ứng dụng của nó vẫn chưa được hoàn thành. Titan là kim loại của tương lai, vị trí của nó trong cuộc sống con người cuối cùng vẫn chưa được xác định, điều này mang lại cho các nhà nghiên cứu hiện đại một phạm vi rộng lớn để sáng tạo và nghiên cứu khoa học.
Đặc
Nguyên tố hóa học titan (Titan) được chỉ ra trong bảng tuần hoàn của D. I. Mendeleev bằng ký hiệu Ti. Nó nằm ở phân nhóm thứ cấp nhóm IV của kì 4 và có số thứ tự 22. Chất đơn giản titan là kim loại màu trắng bạc, nhẹ và bền. Cấu hình điện tử của nguyên tử có cấu trúc như sau: +22) 2) 8) 10) 2, 1S22S22P 63S23P63d24S2. Do đó, titan có một số trạng thái oxy hóa có thể xảy ra: 2,3, 4, trong các hợp chất bền nhất, nó là hóa trị bốn.
Titanium - hợp kim hay kim loại?
Câu hỏi này được nhiều người quan tâm. Năm 1910, nhà hóa học người Mỹ Hunter đã thu được titan tinh khiết đầu tiên. Kim loại này chỉ chứa 1% tạp chất, nhưng đồng thời, lượng của nó không đáng kể và không thể nghiên cứu sâu hơn về tính chất của nó. Độ dẻo của chất thu được chỉ đạt được dưới tác động của nhiệt độ cao; ở điều kiện bình thường (nhiệt độ phòng), mẫu quá dễ vỡ. Trên thực tế, nguyên tố này không khiến các nhà khoa học quan tâm, vì triển vọng sử dụng nó dường như quá không chắc chắn. Khó khăn trong việc thu thập và nghiên cứu càng làm giảm tiềm năng ứng dụng của nó. Chỉ vào năm 1925, các nhà hóa học người Hà Lan I. de Boer và A. Van Arkel đã nhận được kim loại titan, các đặc tính của nó đã thu hút sự chú ý của các kỹ sư và nhà thiết kế trên khắp thế giới. Lịch sử nghiên cứu về nguyên tố này bắt đầu từ năm 1790, chính xác vào thời điểm này, song song, độc lập với nhau, hai nhà khoa học phát hiện ra titan như một nguyên tố hóa học. Mỗi người trong số họ nhận được một hợp chất (oxit) của một chất, không phân lập được kim loại ở dạng nguyên chất. Người phát hiện ra titan là nhà khoáng vật học người Anh William Gregor. Trên lãnh thổ của giáo xứ của mình, nằm ở miền Tây Nam nước Anh, nhà khoa học trẻ bắt đầu nghiên cứu về cát đen của thung lũng Menaken. Kết quả của các thí nghiệm với nam châm là giải phóng các hạt sáng bóng, đó là một hợp chất titan. Đồng thời tại Đức, nhà hóa học Martin Heinrich Klaproth đã phân lập được một chất mới từ khoáng chấtvô ích. Năm 1797, ông cũng chứng minh rằng các nguyên tố mở song song là tương tự nhau. Titanium dioxide đã là một bí ẩn đối với nhiều nhà hóa học trong hơn một thế kỷ, và ngay cả Berzelius cũng không thể có được kim loại nguyên chất. Các công nghệ mới nhất của thế kỷ 20 đã thúc đẩy đáng kể quá trình nghiên cứu nguyên tố được đề cập và xác định các hướng ban đầu cho việc sử dụng nó. Đồng thời, phạm vi ứng dụng không ngừng được mở rộng. Chỉ có sự phức tạp của quá trình thu được một chất như titan nguyên chất mới có thể giới hạn phạm vi của nó. Giá của hợp kim và kim loại khá cao, vì vậy ngày nay nó không thể thay thế sắt và nhôm truyền thống.
Nguồn gốc của tên
Menakin - tên gọi đầu tiên của titan, được sử dụng cho đến năm 1795. Đó là cách, bằng cách liên kết lãnh thổ, W. Gregor gọi nguyên tố mới. Martin Klaproth đặt tên cho nguyên tố này là "titan" vào năm 1797. Lúc này, các đồng nghiệp người Pháp của ông, đứng đầu là nhà hóa học khá uy tín A. L. Lavoisier, đã đề xuất đặt tên cho các chất mới tìm ra phù hợp với tính chất cơ bản của chúng. Nhà khoa học người Đức không đồng ý với cách tiếp cận này, ông hoàn toàn tin rằng ở giai đoạn khám phá, rất khó để xác định tất cả các đặc tính vốn có của một chất và phản ánh chúng trong tên gọi. Tuy nhiên, cần phải công nhận rằng thuật ngữ được Klaproth lựa chọn bằng trực giác hoàn toàn tương ứng với kim loại - điều này đã được các nhà khoa học hiện đại nhiều lần nhấn mạnh. Có hai giả thuyết chính về nguồn gốc của cái tên titan. Kim loại có thể được chỉ định như vậy để vinh danh nữ hoàng thần tiên Titania(nhân vật trong thần thoại Đức). Tên này tượng trưng cho cả sự nhẹ nhàng và sức mạnh của chất. Hầu hết các nhà khoa học đều có xu hướng sử dụng phiên bản sử dụng thần thoại Hy Lạp cổ đại, trong đó những người con trai quyền năng của nữ thần mặt đất Gaia được gọi là người khổng lồ. Tên của nguyên tố được phát hiện trước đây, uranium, cũng nói lên sự ủng hộ của phiên bản này.
Mang tính chất
Trong số các kim loại có giá trị về mặt kỹ thuật đối với con người, titan có nhiều thứ tư trong vỏ trái đất. Chỉ có sắt, magiê và nhôm được đặc trưng bởi một tỷ lệ lớn trong tự nhiên. Hàm lượng titan cao nhất được ghi nhận trong lớp vỏ bazan, ít hơn một chút trong lớp đá granit. Trong nước biển, hàm lượng chất này thấp - khoảng 0,001 mg / l. Nguyên tố hóa học titan khá hoạt động, vì vậy nó không thể được tìm thấy ở dạng nguyên chất. Thông thường, nó có trong các hợp chất với oxy, trong khi nó có hóa trị 4. Số lượng khoáng chất chứa titan thay đổi từ 63 đến 75 (ở nhiều nguồn khác nhau), trong khi ở giai đoạn nghiên cứu hiện tại, các nhà khoa học tiếp tục phát hiện ra các dạng hợp chất mới của nó. Để sử dụng trong thực tế, các khoáng chất sau có tầm quan trọng lớn nhất:
- Ilmenite (FeTiO3).
- Rutile (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskite (CaTiO3).
- Titanomagnetite (FeTiO3+ Fe3O4) v.v.
Tất cả các quặng chứa titan hiện có được chia thànhphù sa và bazơ. Đây là yếu tố di cư yếu, nó chỉ có thể di chuyển dưới dạng các mảnh đá hoặc các tảng đá đáy bùn chuyển động. Trong sinh quyển, lượng titan lớn nhất được tìm thấy trong tảo. Ở các đại diện của hệ động vật trên cạn, nguyên tố tích lũy trong các mô sừng, lông. Cơ thể con người được đặc trưng bởi sự hiện diện của titan trong lá lách, tuyến thượng thận, nhau thai, tuyến giáp.
Tính chất vật lý
Titanium là kim loại màu có màu trắng bạc trông giống như thép. Ở nhiệt độ 00C, khối lượng riêng của nó là 4,517 g / cm3. Chất có trọng lượng riêng thấp, đặc trưng cho các kim loại kiềm (cadimi, natri, liti, xêzi). Về tỷ trọng, titan chiếm vị trí trung gian giữa sắt và nhôm, đồng thời hiệu suất của nó cao hơn cả hai nguyên tố. Các thuộc tính chính của kim loại được tính đến khi xác định phạm vi ứng dụng của chúng là độ bền chảy và độ cứng. Titan bền hơn nhôm 12 lần, mạnh hơn sắt và đồng 4 lần, đồng thời nhẹ hơn rất nhiều. Tính dẻo của một chất tinh khiết và độ bền chảy của nó giúp nó có thể xử lý ở nhiệt độ thấp và cao, như trong trường hợp của các kim loại khác, tức là bằng cách tán, rèn, hàn, cán. Một đặc tính khác biệt của titan là độ dẫn nhiệt và điện thấp, trong khi những đặc tính này được bảo toàn ở nhiệt độ cao, lên đến 5000С. Trong từ trường, titan là một nguyên tố thuận từ, nó khôngbị hút như sắt, và không bị đẩy ra ngoài như đồng. Hiệu suất chống ăn mòn rất cao trong môi trường khắc nghiệt và chịu áp lực cơ học là duy nhất. Hơn 10 năm ở trong nước biển không làm thay đổi hình thức và thành phần của tấm titan. Sắt trong trường hợp này sẽ bị ăn mòn hoàn toàn.
Tính chất nhiệt động của titan
- Mật độ (trong điều kiện bình thường) là 4,54g / cm3.
- Số hiệu nguyên tử là 22.
- Nhóm kim loại - chịu lửa, nhẹ.
- Khối lượng nguyên tử của titan là 47,0.
- Điểm sôi (0С) - 3260.
- Thể tích mol cm3/ mol - 10, 6.
- Điểm nóng chảy titan (0С) - 1668.
- Nhiệt hóa hơi riêng (kJ / mol) - 422, 6.
- Điện trở (ở 200С) Ohmcm10-6- 45.
Tính chất hóa học
Khả năng chống ăn mòn của phần tử tăng lên là do sự hình thành của một lớp màng oxit nhỏ trên bề mặt. Nó ngăn cản (trong điều kiện bình thường) các phản ứng hóa học với khí (oxy, hydro) trong bầu khí quyển xung quanh của một nguyên tố như kim loại titan. Các đặc tính của nó thay đổi dưới ảnh hưởng của nhiệt độ. Khi nó tăng lên đến 6000С, phản ứng tương tác với oxy xảy ra, dẫn đến sự hình thành oxit titan (TiO2). Trong trường hợp hấp thụ khí trong khí quyển, các hợp chất giòn được hình thành không có ứng dụng thực tế, đó là lý do tại sao hàn và nấu chảy titan được thực hiện trong điều kiện chân không. hồi phục lạilà quá trình hòa tan hiđro trong kim loại, nó xảy ra tích cực hơn khi nhiệt độ tăng lên (từ 4000С trở lên). Titan, đặc biệt là các hạt nhỏ (bản mỏng hoặc dây), cháy trong môi trường nitơ. Phản ứng tương tác hóa học chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ 7000С, dẫn đến sự hình thành nitrua TiN. Tạo thành hợp kim có độ cứng cao với nhiều kim loại, thường là một nguyên tố hợp kim. Nó phản ứng với các halogen (crom, brom, iot) chỉ khi có mặt chất xúc tác (nhiệt độ cao) và tương tác với chất khô. Trong trường hợp này, các hợp kim chịu lửa rất cứng được hình thành. Với các dung dịch của hầu hết các chất kiềm và axit, titan không hoạt động về mặt hóa học, ngoại trừ sulfuric đậm đặc (đun sôi kéo dài), hydrofluoric, hữu cơ nóng (formic, oxalic).
Đặt cọc
Quặng Ilmenite phổ biến nhất trong tự nhiên - trữ lượng ước tính khoảng 800 triệu tấn. Trữ lượng mỏ rutil khiêm tốn hơn nhiều, nhưng tổng khối lượng - trong khi vẫn duy trì sự tăng trưởng của sản xuất - sẽ cung cấp cho nhân loại trong 120 năm tới một kim loại như titan. Giá của thành phẩm sẽ phụ thuộc vào nhu cầu và mức độ gia tăng của khả năng sản xuất, nhưng trung bình nó dao động trong khoảng từ 1200 đến 1800 rúp / kg. Trong điều kiện cải tiến kỹ thuật liên tục, chi phí của tất cả các quá trình sản xuất được giảm đáng kể với việc hiện đại hóa kịp thời. Trung Quốc và Nga có trữ lượng quặng titan và khoáng sản lớn nhấtNhật Bản, Nam Phi, Australia, Kazakhstan, Ấn Độ, Hàn Quốc, Ukraine, Ceylon có cơ sở nguyên liệu thô. Các mỏ khai thác khác nhau về khối lượng sản xuất và tỷ lệ titan trong quặng, các cuộc khảo sát địa chất đang diễn ra, điều này có thể cho rằng giá trị thị trường của kim loại này giảm đi và việc sử dụng nó rộng rãi hơn. Cho đến nay, Nga là nhà sản xuất titan lớn nhất.
Nhận
Để sản xuất titan, titan đioxit thường được sử dụng nhất, chứa một lượng tạp chất tối thiểu. Nó thu được bằng cách làm giàu tinh quặng ilmenit hoặc quặng rutil. Trong lò điện hồ quang, quá trình nhiệt luyện quặng diễn ra, kèm theo đó là quá trình tách sắt và tạo thành xỉ có chứa oxit titan. Phương pháp sunfat hoặc clorua được sử dụng để xử lý phần không chứa sắt. Titan oxit là một chất bột màu xám (xem ảnh). Kim loại titan thu được bằng cách xử lý theo từng giai đoạn.
Giai đoạn đầu là quá trình thiêu kết xỉ với than cốc và tiếp xúc với hơi clo. TiCl4tạo thành bị khử bằng magiê hoặc natri khi tiếp xúc với nhiệt độ 8500C. Bọt biển titan (khối nóng chảy xốp), thu được từ phản ứng hóa học, được tinh chế hoặc nấu chảy thành thỏi. Tùy thuộc vào hướng sử dụng tiếp theo, một hợp kim hoặc kim loại nguyên chất được hình thành (tạp chất được loại bỏ bằng cách nung nóng đến 10000С). Để sản xuất một chất có hàm lượng tạp chất là 0,01%, phương pháp iodua được sử dụng. Nó dựa trên quy trìnhbay hơi từ miếng bọt biển titan được xử lý trước bằng halogen, hơi của nó.
Khu vực ứng dụng
Điểm nóng chảy của titan khá cao, do độ nhẹ của kim loại, là một lợi thế vô giá của việc sử dụng nó làm vật liệu cấu trúc. Do đó, nó được ứng dụng lớn nhất trong đóng tàu, công nghiệp hàng không, sản xuất tên lửa và các ngành công nghiệp hóa chất. Titan thường được sử dụng như một chất phụ gia tạo hợp kim trong các hợp kim khác nhau, có đặc tính tăng độ cứng và khả năng chịu nhiệt. Đặc tính chống ăn mòn cao và khả năng chịu được hầu hết các môi trường xâm thực làm cho kim loại này không thể thiếu trong ngành công nghiệp hóa chất. Titan (hợp kim của nó) được sử dụng để chế tạo đường ống, bồn chứa, van, bộ lọc được sử dụng trong quá trình chưng cất và vận chuyển axit và các chất hoạt động hóa học khác. Đó là nhu cầu khi tạo ra các thiết bị hoạt động trong điều kiện nhiệt độ tăng cao. Các hợp chất titan được sử dụng để chế tạo các dụng cụ cắt bền, sơn, nhựa và giấy, dụng cụ phẫu thuật, cấy ghép, đồ trang sức, vật liệu hoàn thiện và được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm. Tất cả các hướng đều khó diễn tả. Y học hiện đại, do hoàn toàn an toàn sinh học, thường sử dụng kim loại titan. Giá cả là yếu tố duy nhất cho đến nay ảnh hưởng đến phạm vi ứng dụng của yếu tố này. Công bằng mà nói titan là vật liệu của tương lai, bằng cách nghiên cứu nhân loại sẽ vượt quasang một giai đoạn phát triển mới.
