Степень окисления титана. Соединения титана, циркония и гафния Запасы и добыча

Вечный, загадочный, космический, - все эти и многие другие эпитеты присваиваются в различных источниках титану. История открытия этого металла не была тривиальной: одновременно над выделением элемента в чистом виде трудились несколько ученых. Процесс изучения физических, химических свойств и определение областей его применения на сегодняшний день. Титан - металл будущего, место его в жизни человека еще окончательно не определено, что дает современным исследователям огромный простор для творчества и научных изысканий.

Характеристика

Химический элемент обозначается в периодической таблице Д. И. Менделеева символом Ti. Располагается в побочной подгруппе IV группы четвертого периода и имеет порядковый номер 22. титан - металл бело-серебристого цвета, легкий и прочный. Электронная конфигурация атома имеет следующую структуру: +22)2)8)10)2, 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 2 4S 2 . Соответственно, титан имеет несколько возможных степеней окисления: 2, 3, 4, в наиболее устойчивых соединениях он четырехвалентен.

Титан - сплав или металл?

Этот вопрос интересует многих. В 1910 году американский химик Хантер получил впервые чистый титан. Металл содержал всего 1 % примесей, но при этом его количество оказалось ничтожно мало и не давало возможности дальнейшего исследования его свойств. Пластичность полученного вещества достигалась толькопод воздействием высоких температур, при нормальных условиях (комнатной температуре) образец был слишком хрупок. Фактически этот элемент не заинтересовал ученых, так как перспективы его использования казались слишком неопределенными. Сложность получения и исследования еще больше снизили потенциал его применения. Только в 1925 году ученые-химики из Нидерландов И. де Бур и А. Ван-Аркел получили металл титан, свойства которого привлекли внимание инженеров и конструкторов всего мира. История исследования этого элемента начинается с 1790 года, именно в это время параллельно, независимо друг от друга, двое ученых открывают титан как химический элемент. Каждый из них получает соединение (оксид) вещества, не сумев выделить металл в чистом виде. Первооткрывателем титана считается английский минеролог монах Уильям Грегор. На территории своего прихода, расположенного в юго-западной части Англии, молодой ученый начал изучение черного песка долины Менакэна. Результатом стало выделение блестящих крупиц, которые являлись соединением титана. В это же время в Германии химик Мартин Генрих Клапрот выделил новое вещество из минерала рутиле. В 1797 году он же доказал, что открытые параллельно элементы являются аналогичными. Двуокись титана более века являлась загадкой для многих химиков, получить чистый металл оказалось не по силам даже Берцелиусу. Новейшие технологии XX века значительно ускорили процесс изучения упомянутого элемента и определили начальные направления его использования. При этом сфера применения расширяется постоянно. Ограничить её рамки может только сложность процесса получения такого вещества, как чистый титан. Цена сплавов и металла достаточно высока, поэтому на сегодняшний день он не может вытеснить традиционное железо и алюминий.

Происхождение названия

Менакин - первое название титана, которое применялось до 1795 года. Именно так, по территориальной принадлежности, назвал новый элемент У. Грегор. Мартин Клапрот присваивает элементу в 1797 году наименование «титан». В это время его французские коллеги во главе с достаточно авторитетным химиком А. Л. Лавуазье предлагают именовать вновь открытые вещества в соответствии с их основными свойствами. Немецкий ученый не был согласен с таким подходом, он вполне обоснованно считал, что на стадии открытия достаточно сложно определить все характеристики, свойственные веществу, и отразить их в названии. Однако следует признать, что интуитивно выбранный Клапротом термин в полной мере соответствует металлу - это неоднократно подчеркивали современные ученые. Существуют две основные теории возникновения названия титан. Металл мог быть обозначен так в честь эльфийской царицы Титании (персонаж германской мифологии). Такое название символизирует одновременно легкость и прочность вещества. Большинство ученых склоняются к версии использования древнегреческой мифологии, в которой титанами называли могучих сыновей богини земли Геи. В пользу этой версии говорит и название открытого ранее элемента - урана.

Нахождение в природе

Из металлов, которые в техническом отношении представляют ценность для человека, титан занимает четвертое место по степени распространенности в земной коре. Большим процентным содержанием в природе характеризуются только железо, магний и алюминий. Наибольшее содержание титана отмечено в базальтовой оболочке, чуть меньше его в гранитном слое. В морской воде содержание данного вещества невысокое - приблизительно 0,001 мг/л. Химический элемент титан достаточно активен, поэтому в чистом виде его встретить невозможно. Чаще всего он присутствует в соединениях с кислородом, при этом имеет валентность, равную четырем. Количество титаносодержащих минералов варьируется от 63 до 75 (в различных источниках), при этом на современном этапе исследований ученые продолжают открывать новые формы его соединений. Для практического использования наибольшее значение имеют следующие минералы:

  1. Ильменит (FeTiO 3).
  2. Рутил (TiO 2).
  3. Титанит (CaTiSiO 5).
  4. Перовскит (CaTiO 3).
  5. Титаномагнетит (FeTiO 3 +Fe 3 O 4) и т. д.

Все существующие титаносодержащие руды делят на россыпные и основные. Данный элемент является слабым мигрантом, он может путешествовать только в виде обломов камней или перемещения илистых придонных пород. В биосфере наибольшее количество титана содержится в водорослях. У представителей наземной фауны элемент накапливается в роговых тканях, волосе. Для человеческого организма характерно присутствие титана в селезенке, надпочечниках, плаценте, щитовидной железе.

Физические свойства

Титан - цветной металл, имеющий серебристо-белую окраску, внешне напоминает сталь. При температуре 0 0 С его плотность составляет 4,517 г/см 3 . Вещество имеет низкую удельную массу, что характерно для щелочных металлов (кадмий, натрий, литий, цезий). По плотности титан занимает промежуточную позицию между железом и алюминием, при этом его эксплуатационные характеристики выше, чем у обоих элементов. Основными свойствами металлов, которые учитываются при определении сферы их применения, являются и твердость. Титан прочнее алюминия в 12 раз, железа и меди - в 4 раза, при этом он значительно легче. Пластичность и предел его текучести позволяют производить обработку при низких и высоких температурных значениях, как и в случае с остальными металлами, т. е. методами клепки, ковки, сварки, проката. Отличительная характеристика титана - его низкая тепло- и электропроводность, при этом данные свойства сохраняются при повышенных температурах, вплоть до 500 0 С. В магнитном поле титан является парамагнитным элементом, он не притягивается, как железо, и не выталкивается, как медь. Очень высокие антикоррозийные показатели в агрессивных средах и при механических воздействиях уникальны. Более 10 лет нахождения в морской воде не изменили внешнего вида и состава пластины из титана. Железо в этом случае было бы уничтожено коррозией полностью.

Термодинамические свойства титана

  1. Плотность (при нормальных условиях) составляет 4,54 г/см 3 .
  2. Атомный номер - 22.
  3. Группа металлов - тугоплавкий, легкий.
  4. Атомная масса титана - 47,0.
  5. Температура кипения (0 С) - 3260.
  6. Молярный объем см 3 /моль - 10,6.
  7. Температура плавления титана (0 С) - 1668.
  8. Удельная теплота испарения (кДж/моль) - 422,6.
  9. Электросопротивление (при 20 0 С) Ом*см*10 -6 - 45.

Химические свойства

Повышенная коррозийная устойчивость элемента объясняется образованием на поверхности небольшой оксидной пленки. Она предотвращает (при нормальных условиях) с газами (кислород, водород), находящимися в окружающей атмосфере такого элемента, как металл титан. Свойства его изменяются под воздействием температуры. При ее повышении до 600 0 С происходит реакция взаимодействия с кислородом, в результате образуется оксид титана (TiO 2). В случае поглощения атмосферных газов образуются хрупкие соединения, которые не имеют никакого практического применения, именно поэтому сварка и плавка титана производятся в условиях вакуума. Обратимой реакцией является процесс растворения водорода в металле, он более активно происходит при повышении температуры (от 400 0 С и выше). Титан, особенно его мелкие частицы (тонкая пластина или проволока), сгорает в атмосфере азота. Химическая реакция взаимодействия возможна только при температуре 700 0 С, в результате образуется нитрид TiN. Со многими металлами формирует высокотвердые сплавы, часто является легирующим элементом. В реакцию с галогенами (хром, бром, йод) вступает только при наличии катализатора (высокой температуры) и при условии взаимодействия с сухим веществом. При этом образуются очень твердые тугоплавкие сплавы. С растворами большинства щелочей и кислот титан химически не активен, исключением является концентрированная серная (при длительном кипячении), плавиковая, горячие органические (муравьиная, щавелевая).

Месторождения

Наиболее распространены в природе ильменитовые руды - их запасы оцениваются в 800 млн тонн. Залежи рутиловых месторождений гораздо скромнее, но общий объем - при сохранении роста добычи - должен обеспечить человечество на ближайшие 120 лет таким металлом, как титан. Цена готового продукта будет зависеть от спроса и повышения уровня технологичности производства, но в среднем варьируется в диапазоне от 1200 до 1800 руб./кг. В условиях постоянного технического совершенствования значительно понижается себестоимость всех производственных процессов при их своевременной модернизации. Наибольшими запасами обладают Китай и Россия, также минерально-сырьевую базу имеют Япония, ЮАР, Австралия, Казахстан, Индия, Южная Корея, Украина, Цейлон. Месторождения отличаются объемами добычи и процентным содержанием титана в руде, геологические изыскания продолжаются постоянно, что дает возможность предполагать снижение рыночной стоимости металла и его более широкое применение. Россия на сегодняшний день является наиболее крупным производителем титана.

Получение

Для производства титана чаще всего используется его диоксид, содержащий минимальное количество примесей. Его получают путем обогащения ильменитовых концентратов или рутиловых руд. В электродуговой печи происходит термическая обработка руды, которая сопровождается отделением железа и образованием шлака, содержащего оксид титана. Сернокислый или хлоридный метод применяется для обработки свободной от железа фракции. Оксид титана является порошком серого цвета (см. фото). Металл титан получается при его поэтапной обработке.

Первой фазой является процесс спекания шлака с коксом и воздействия парами хлора. Полученный TiCl 4 восстанавливают магнием или натрием при воздействии температуры 850 0 С. Титановая губка (пористая сплавленная масса), полученная в результате химической реакции, очищается или переплавляется в слитки. В зависимости от дальнейшего направления использования, формируется сплав или металл в чистом виде (примеси удаляются путем нагрева до 1000 0 С). Для производства вещества с долей примесей 0,01 % используется йодидный метод. Он основан на процессе выпаривания из титановой губки, предварительно обработанной галогеном, его паров.

Сферы применения

Температура плавления титана является достаточно высокой, что при легкости металла является неоценимым преимуществом использования его в качестве конструкционного материала. Поэтому наибольшее применение он находит в судостроении, авиационной промышленности, изготовлении ракет, химических производствах. Титан достаточно часто используют в качестве легирующей добавки в различных сплавах, которые обладают повышенными характеристиками твердости и жаропрочности. Высокие антикоррозийные свойства и способность выдерживать большинство агрессивных сред делают этот металл незаменимым для химической промышленности. Из титана (его сплавов) изготавливают трубопроводы, емкости, запорную арматуру, фильтры, используемые при перегонке и транспортировке кислот и других химически активных веществ. Он востребован при создании приборов, работающих в условиях повышенных температурных показателях. Соединения титана используются для изготовления прочного режущего инструмента, красок, пластика и бумаги, хирургических инструментов, имплантатов, ювелирных изделий, отделочных материалов, применяется в пищевой промышленности. Все направления сложно описать. Современная медицина из-за полной биологической безопасности часто использует металл титан. Цена - это единственный фактор, который пока влияет на широту применения данного элемента. Справедливым является утверждение, что титан - материал будущего, изучая который, человечество перейдет на новый этап развития.

1941 Температура кипения 3560 Уд. теплота плавления 18,8 кДж/моль Уд. теплота испарения 422,6 кДж/моль Молярная теплоёмкость 25,1 Дж/(K·моль) Молярный объём 10,6 см ³/моль Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки гексагональная
плотноупакованная (α-Ti) Параметры решётки a=2,951 с=4,697 (α-Ti) Отношение c /a 1,587 Температура Дебая 380 Прочие характеристики Теплопроводность (300 K) 21,9 Вт/(м·К) Номер CAS 7440-32-6

Энциклопедичный YouTube

    1 / 5

    ✪ Титан / Titanium. Химия – просто

    ✪ Титан - САМЫЙ ПРОЧНЫЙ МЕТАЛЛ НА ЗЕМЛЕ!

    ✪ Химия 57. Элемент титан. Элемент ртуть - Академия занимательных наук

    ✪ Производство титана. Титан один из самых прочных металлов в мире!

    ✪ Иридий - Самый РЕДКИЙ металл на Земле!

    Субтитры

    Всем привет! С вами Александр Иванов и это проект «Химия – просто» И сейчас мы немного зажжем с титаном! Вот так выглядят несколько грамм чистого титана, которые были получены давным давно в манчестерском университете, когда он ещё даже не был университетом Этот образец из того самого музея А вот так выглядит основной минерал, из которого добывают титан Это Рутил Всего известно более 100 минералов, которые содержат титан В 1867 году, все что было известно людям о титане, умещалось в учебнике на 1 странице К началу 20 века, ничего особо не изменилось В 1791 году английский химик и минеролог Уильям Грегор в минерале менакините открыл новый элемент и назвал его «менакином» Чуть позже, в 1795 году немецкий химик Мартин Клапрот, открыл новый химический элемент в другом минерале – рутиле Своё название титан получил от Клапрота, который назвал его в честь царицы эльфов Титании Однако по другой версии название элемента происходит от титанов, могучих сыновей богини земли – Геи Однако, в 1797 году выяснилось, что Грегор и Клапрот открыли один и тот же химический элемент Но название осталось то, которое дал Клапрот Но, ни Грегор, ни Клапрот не смогли получить металлический титан Они получили белый кристаллический порошок, который был двуокисью титана Впервые металлический титан был получен русским ученым Д.К. Кириловым в 1875 году Но как это бывает без должного освещения, его работа была не замечена После этого чистый титан получали шведы Л. Нильсон и О. Петерсон, а также француз Муассан И лишь в 1910 году американский химик М. Хантер усовершенствовал предыдущие способы получения титана и получил несколько граммов чистого 99% титана Именно поэтому в большинстве книг именно Хантер указывается, как ученый, получивший металлический титан Большого будущего титану никто не пророчил, так как малейшие примеси в его составе, делали его очень хрупким и непрочным, что не позволяло проводить механическую обработку Поэтому некоторые соединения титана нашли свое широкое применение раньше, чем сам металл Четыреххлористый титан использовался в первую мировую войну для создания дымовых завес На открытом воздухе тетрахлорид титана гидролизуется с образование оксихлоридов титана и оксида титана Белый дым, который мы видим – это и есть частицы оксихлоридов и оксида титана То что это именно частицы можно подтвердить, если мы капнем несколько капель тетрахлорида титана в воду Тетрахлорид титана в настоящее время используется для получения металлического титана Метод получения чистого титана за сто лет не изменился Сначала двуокись титана с помощью хлора переводят в четыреххлористый титан, о котором мы говорили ранее Затем, при помощи магнийтермии, из четыреххлористого титана получают металлический титан, который образуется в виде губки Данный процесс проводится при температуре 900°С в стальных ретортах Из-за жестких условий проведения реакции, у нас к сожалению нет возможности показать данный процесс В итоге получается титановая губка, которую переплавляют в компактный металл Для получения сверхчистого титана используют метод иодидного рафинирования, о котором мы подробно расскажем в видео о цирконии Как вы уже заметили, тетрахлорид титана – это прозрачная бесцветная жидкость при нормальных условиях Но если мы возьмем трихлорид титана, то это твердое фиолетовое вещество Всего на один атом хлора меньше в молекуле, и уже другое состояние Трихлорид титана гигроскопичен. Поэтому работать с ним можно только в инертной атмосфере Трихлорид титана хорошо растворяется в соляной кислоте Этот процесс вы сейчас и наблюдаете В растворе образуется комплексный ион 3– Что такое комплексные ионы, расскажу как-нибудь в следующий раз. А пока просто ужасайтесь:) Если к полученному раствору добавить немного азотной кислоты, то происходит образование нитрата титана и выделение бурого газа, что мы собственно и видим Существует качественная реакция на ионы титана Капнем пероксид водорода Как видите, происходит реакция с образованием ярко-окрашенного соединения Это надтитановая кислота В 1908 году в США стали использовать Двуокись титана для производства белил, которые пришли на смену белилам, в основе которых лежали свинец и цинк Титановый белила сильно превосходили по качеству свинцовые и цинковые аналоги Также оксид титана применяли для производства эмали, которые использовали для покрытия металла и дерева в судостроении В настоящее время диоксид титана применяют в пищевой промышленности как белый краситель – это добавка Е171, которую можно встретить в крабовых палочках, сухих завтраках, майонезе, жевательной резинке, молочных продуктах и т.п Также диоксид титана используют в косметике – он входит в состав крема для защиты от загара «Не все то золото, что блестит» – эту поговорку мы знаем с детства И по отношению к современной церкви и титану она работает в буквальном смысле И вроде бы, что общего может быть между церковью и титаном? А вот что: все современные купола церквей, которые переливаются золотом, на самом деле к золоту не имеют никакого отношения В действительности все купола покрыты нитридом титана Также нитридом титана покрывают сверла по металлу Только в 1925 году был получен титан высокой чистоты, что позволило изучить его физико-химические свойства И они оказались фантастическими Оказалось, что титан, будучи почти вдвое легче железа, по прочности превосходит многие стали Также, титан хотя в полтора раза тяжелее алюминия, но зато в шесть раз прочнее его и сохраняет свою прочность до 500°С Из-за своей высокой электропроводности и немагнитности, титан имеет высокий интерес в электротехнике Титан имеет высокую устойчивость к коррозии Благодаря своим свойствам титан стал материалом космических технологий В России в Верхней Салде находится корпорация ВСМПО-АВИСМА, которая производит титан для мировой авиакосмической промышленности Из Верхне Салдинского титана делают боинги, аэрбасы, роллс-ройсы, различное химическое оборудование и множество другого дорогостоящего барахла Однако, каждый из вас может приобрести лопату или ломик из чистого титана! И это не шутка! А вот так реагирует мелкодисперсный порошок титана с кислородом воздуха Благодаря такому красочному горению, титан нашел применение в пиротехнике А на этом все, подписывайтесь, ставьте палец вверх, не забывайте поддерживать проект и рассказывать друзьям! Пока!

История

Открытие TiO 2 сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор ?! и немецкий химик М. Г. Клапрот . У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, ), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 г. немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля - оксиды одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз. Французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз - идентичные оксиды титана.

Первый образец металлического титана получил в 1825 году Й. Я. Берцелиус . Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров иодида титана TiI 4 .

Происхождение названия

Металл получил своё название в честь титанов , персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи . Название элементу дал Мартин Клапрот в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру в противовес французской химической школе, где элемент старались называть по его химическим свойствам. Поскольку немецкий исследователь сам отметил невозможность определения свойств нового элемента только по его оксиду, он подобрал для него имя из мифологии, по аналогии с открытым им ранее ураном .

Нахождение в природе

Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре - 0,57 % по массе, в морской воде - 0,001 мг/л . В ультраосновных породах 300 г/т, в основных - 9 кг/т, в кислых 2,3 кг/т, в глинах и сланцах 4,5 кг/т. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство с Al 2 O 3 . Он концентрируется в бокситах коры выветривания и в морских глинистых осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов . До 30 % TiO 2 по весу накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO 2 , ильменит FeTiO 3 , титаномагнетит FeTiO 3 + Fe 3 O 4 , перовскит CaTiO 3 , титанит CaTiSiO 5 . Различают коренные руды титана - ильменит-титаномагнетитовые и россыпные - рутил-ильменит-цирконовые.

Месторождения

Месторождения титана находятся на территории ЮАР, России, Украины, Китая, Японии, Австралии, Индии, Цейлона, Бразилии, Южной Кореи, Казахстана . В странах СНГ ведущее место по разведанным запасам титановых руд занимает РФ (58,5 %) и Украина (40,2 %) . Крупнейшее месторождение в России - Ярегское .

Запасы и добыча

На 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO 2 . Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтверждённые запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603-673 млн т., а рутиловых - 49,7-52,7 млн т . Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта России) хватит более, чем на 150 лет.

Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), достаточно равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений (Ярегское) находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн руды со средним содержанием диоксида титана около 10 % .

Крупнейший в мире производитель титана - российская компания «ВСМПО-АВИСМА » .

Получение

Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак , получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а не восстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.

Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки - порошок диоксида титана TiO 2 . Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором , получая пары тетрахлорида титана TiCl 4:

T i O 2 + 2 C + 2 C l 2 → T i C l 4 + 2 C O {\displaystyle {\mathsf {TiO_{2}+2C+2Cl_{2}\rightarrow TiCl_{4}+2CO}}}

Образующиеся пары TiCl 4 при 850 °C восстанавливают магнием :

T i C l 4 + 2 M g → 2 M g C l 2 + T i {\displaystyle {\mathsf {TiCl_{4}+2Mg\rightarrow 2MgCl_{2}+Ti}}}

Кроме этого в настоящее время начинает получать популярность так называемый процесс FFC Cambridge, названный по именам его разработчиков Дерека Фрэя, Тома Фартинга и Джорджа Чена и Кембриджского университета , где он был создан. Этот электрохимический процесс позволяет осуществлять прямое непрерывное восстановление титана из оксида в расплаве смеси хлорида кальция и негашёной извести . В этом процессе используется электролитическая ванна, наполненная смесью хлорида кальция и извести, с графитовым расходуемым (либо нейтральным) анодом и катодом, изготовленным из подлежащего восстановлению оксида. При пропускании через ванну тока температура быстро достигает ~1000-1100°C, и расплав оксида кальция разлагается на аноде на кислород и металлический кальций:

2 C a O → 2 C a + O 2 {\displaystyle {\mathsf {2CaO\rightarrow 2Ca+O_{2}}}}

Полученный кислород окисляет анод (в случае использования графита), а кальций мигрирует в расплаве к катоду, где и восстанавливает из оксида титан:

O 2 + C → C O 2 {\displaystyle {\mathsf {O_{2}+C\rightarrow CO_{2}}}} T i O 2 + 2 C a → T i + 2 C a O {\displaystyle {\mathsf {TiO_{2}+2Ca\rightarrow Ti+2CaO}}}

Образующийся оксид кальция вновь диссоциирует на кислород и металлический кальций и процесс повторяется вплоть до полного преобразования катода в титановую губку, либо исчерпания оксида кальция. Хлорид кальция в данном процессе используется как электролит для придания электропроводности расплаву и подвижности активным ионам кальция и кислорода. При использовании инертного анода (например, оксида олова), вместо углекислого газа на аноде выделяется молекулярный кислород, что меньше загрязняет окружающую среду, однако процесс в таком случае становится менее стабильным, и, кроме того, в некоторых условиях более энергетически выгодным становится разложение хлорида, а не оксида кальция, что приводит к высвобождению молекулярного хлора .

Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом , выделяя Ti из TiCl 4 . Для получения титановых слитков применяют дуговую, электроннолучевую или плазменную переработку.

Физические свойства

Титан - легкий серебристо-белый металл . Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (a=2,951 Å; с=4,679 Å ; z=2; пространственная группа C6mmc ), β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой (a=3,269 Å; z=2; пространственная группа Im3m ), температура перехода α↔β 883 °C, ΔH перехода 3,8 кДж/моль. Точка плавления 1660±20 °C, точка кипения 3260 °C, плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 (20 °C) и 4,32 (900 °C) г/см³ , атомная плотность 5,71⋅10 22 ат/см³ [ ] . Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Удельное сопротивление 0,42 мкОм·м при 20 °C

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок .

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO 2 , благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки - 400 °C. Титановая стружка пожароопасна.

Титан, наряду с сталью, вольфрамом и платиной обладает высокой устойчивостью в вакууме, что, наряду с его лёгкостью делает его очень перспективным при конструировании космических кораблей .

Химические свойства

Титан устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме , H 3 PO 4 и концентрированной H 2 SO 4).

Легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой он взаимодействует благодаря образованию комплексного аниона 2− . Титан наиболее подвержен коррозии в органических средах, так как, в присутствии воды на поверхности титанового изделия образуется плотная пассивная пленка из оксидов и гидрида титана. Наиболее заметное повышение коррозионной стойкости титана заметно при повышении содержания воды в агрессивной среде с 0,5 до 8,0%, что подтверждается электрохимическими исследованиями электродных потенциалов титана в растворах кислот и щелочей в смешанных водно-органических средах.

При нагревании на воздухе до 1200 °C Ti загорается ярким белым пламенем с образованием оксидных фаз переменного состава TiO x . Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH) 2 ·xH 2 O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO 2 . Гидроксид TiO(OH) 2 ·xH 2 O и диоксид TiO 2 амфотерны .

Применение

В чистом виде и в виде сплавов

  • Титан в виде сплавов является важнейшим конструкционным материалом в авиа- и ракетостроении, в кораблестроении.
  • Металл применяется в: химической промышленности (реакторы , трубопроводы , насосы , трубопроводная арматура), военной промышленности (бронежилеты, броня и противопожарные перегородки в авиации, корпуса подводных лодок), промышленных процессах (опреснительных установках, процессах целлюлозы и бумаги), автомобильной промышленности, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, украшениях для пирсинга , медицинской промышленности (протезы, остеопротезы), стоматологических и эндодонтических инструментах, зубных имплантатах , спортивных товарах, ювелирных изделиях, мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д.
  • Титановое литьё выполняют в вакуумных печах в графитовые формы. Также используется вакуумное литьё по выплавляемым моделям. Из-за технологических трудностей в художественном литье используется ограниченно. Первой в мировой практике монументальной литой скульптурой из титана является памятник Юрию Гагарину на площади его имени в Москве .
  • Титан является легирующей добавкой во многих легированных сталях и большинстве спецсплавов [каких? ] .
  • Нитинол (никель-титан) - сплав, обладающий памятью формы, применяемый в медицине и технике.
  • Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что, в свою очередь, определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов.
  • Титан является одним из наиболее распространённых геттерных материалов , используемых в высоковакуумных насосах .

В виде соединений

  • Белый диоксид титана (TiO 2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Пищевая добавка E171 .
  • Титанорганические соединения (например, тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности.
  • Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки или покрытий.
  • Карбид титана, диборид титана, карбонитрид титана - важные компоненты сверхтвёрдых материалов для обработки металлов.
  • Нитрид титана применяется для покрытия инструментов, куполов церквей и при производстве бижутерии, так как имеет цвет, похожий на золото.
  • Титанат бария BaTiO 3 , титанат свинца PbTiO 3 и ряд других титанатов - сегнетоэлектрики .

Существует множество титановых сплавов с различными металлами. Легирующие элементы разделяют на три группы, в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения: на бета-стабилизаторы, альфа-стабилизаторы и нейтральные упрочнители. Первые понижают температуру превращения, вторые повышают, третьи не влияют на неё, но приводят к растворному упрочнению матрицы. Примеры альфа-стабилизаторов: алюминий, кислород, углерод, азот. Бета-стабилизаторы: молибден, ванадий, железо, хром, никель. Нейтральные упрочнители: цирконий, олово, кремний. Бета-стабилизаторы, в свою очередь, делятся на бета-изоморфные и бета-эвтектоидообразующие.

Самым распространённым титановым сплавом является сплав Ti-6Al-4V (в российской классификации - ВТ6).

Анализ рынков потребления

Чистота и марка чернового титана (титановой губки) обычно определяется по его твёрдости, которая зависит от содержания примесей. Наиболее распространены марки ТГ100 и ТГ110 [ ] .

Физиологическое действие

Как было сказано выше, титан применяется также в стоматологии. Отличительная черта применения титана заключается не только в прочности, но и способности самого металла сращиваться с костью , что даёт возможность обеспечить квазимонолитность основы зуба.

Изотопы

Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов: 46 Ti (7,95%), 47 Ti (7,75%), 48 Ti (73,45%), 49 Ti (5,51%), 50 Ti (5,34%).

Известны искусственные радиоактивные изотопы 45 Ti (T ½ = 3,09 ч), 51 Ti (Т ½ = 5,79 мин) и другие.

Примечания

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry . - 2013. - Vol. 85 , no. 5 . - P. 1047-1078 . - DOI :10.1351/PAC-REP-13-03-02 .
  2. Редкол.:Зефиров Н. С. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. - Москва: Советская энциклопедия, 1995. - Т. 4. - С. 590-592. - 639 с. - 20 000 экз. - ISBN 5-85270-039-8.
  3. Титан - статья из Физической энциклопедии
  4. J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
  5. Месторождение титана .
  6. Месторождение титана .
  7. Ильменит, рутил, титаномагнетит - 2006 г.
  8. Титан (неопр.) . Информационно-аналитический центр "Минерал". Дата обращения 19 ноября 2010. Архивировано 21 августа 2011 года.
  9. Корпорация ВСМПО-АВИСМА
  10. Koncz, St; Szanto, St.; Waldhauser, H., Der Sauerstoffgehalt von Titan-jodidstäben, Naturwiss. 42 (1955) pp.368-369
  11. Титан - металл будущего (рус.) .
  12. Титан - статья из Химической энциклопедии
  13. Влияние воды на процесс пассивации титана - 26 Февраля 2015 - Химия и химическая технология в жизни (неопр.) . www.chemfive.ru. Дата обращения 21 октября 2015.
  14. Искусство литья в ХХ веке
  15. На мировом рынке титана за последние два месяца цены стабилизировались (обзор)

Ссылки

  • Титан в Популярной библиотеке химических элементов
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S

Цирконий и гафний образуют соединения в степени окисления +4, титан кроме этого способен образовывать соединения в степени окисления +3.

Соединения со степенью окисления +3. Соединения титана(III) получают восстановлением соединений титана(IV). Например:

1200 ºС 650 ºС

2TiО 2 + H 2 ¾® Ti 2 O 3 + H 2 О; 2TiCl 4 + H 2 ¾® 2TiCl 3 + 2HCl

Соединения титана(III) имеют фиолетовый цвет. Оксид титана в воде практически не растворяется, проявляет основные свойства. Оксид, хлорид, соли Ti 3+ - сильные восстановители:

4Ti +3 Cl 3 + O 2 + 2H 2 O = 4Ti +4 OCl 2 + 4HCl

Для соединений титана(III) возможны реакции диспропорционирования:

2Ti +3 Cl 3 (т) ¾® Ti +4 Cl 4 (г) + Тi +2 Cl 2 (т)

При дальнейшем нагревании хлорид титана(II) также диспропорционирует:

2Ti +2 Cl 2 (т) = Ti 0 (т) + Тi +4 Cl 4 (г)

Соединения со степенью окисления +4. Оксиды титана(IV), циркония(IV) и гафния(IV) тугоплавкие, химически довольно инертные вещества. Проявляют свойства амфотерных оксидов: медленно реагируют с кислотами при длительном кипячении и взаимодействуют со щелочами при сплавлении:

TiO 2 + 2H 2 SO 4 = Ti(SO 4) 2 + 2H 2 O;

TiO 2 + 2NaOH = Na 2 TiO 3 + H 2 O

Наиболее широкое применение находит оксид титана TiO 2 , его используют в качестве наполнителя при производстве красок, резины, пластмасс. Оксид циркония ZrO 2 используют для изготовления огнеупорных тиглей и плит.

Гидроксиды титана(IV), циркония(IV) и гафния(IV) - аморфные соединения переменного состава - ЭО 2 ×nН 2 О. Свежеполученные вещества довольно реакционноспособны и растворяются в кислотах, гидроксид титана растворим и в щелочах. Состарившиеся осадки крайне инертны.

Галогениды (хлориды, бромиды и иодиды) Ti(IV), Zr(IV) и Hf(IV) имеют молекулярное строение, летучи и реакционоспособны, легко гидролизуются. Иодиды при нагревании разлагаются с образованием металлов, что используется при получении металлов высокой степени чистоты. Например:

TiI 4 = Ti + 2I 2

Фториды титана, циркония и гафния полимерны и малореакционноспособны.

Соли элементов подгруппы титана в степени окисления +4 немногочисленны и гидролитически неустойчивы. Обычно при взаимодействии оксидов или гидроксидов с кислотами образуются не средние соли, а оксо- или гидроксопроизводные. Например:

TiO 2 + 2H 2 SO 4 = TiОSO 4 + H 2 O; Ti(OH) 4 + 2HCl = TiOСl 2 + H 2 O

Описано большое число анионных комплексов титана, циркония и гафния. Наиболее устойчивы в растворах и легко образуются фторидные соединения:

ЭO 2 + 6HF = H 2 [ЭF 6 ] + 2H 2 O; ЭF 4 + 2KF = K 2 [ЭF 6 ]

Для титана и его аналогов характерны координационные соединения, в которых роль лиганда выполняет пероксид-анион:

Э(SO 4) 2 + H 2 O 2 = H 2 [Э(О 2)(SO 4) 2 ]

При этом растворы соединений титана(IV) приобретают желто-оранжевую окраску, что позволяет аналитически обнаружить катионы титана(IV) и перекись водорода.

Гидриды (ЭН 2), карбиды (ЭС), нитриды (ЭN), силициды (ЭSi 2) и бориды (ЭВ, ЭВ 2) - соединения переменного состава, металлоподобные. Бинарные соединения обладают ценными свойствами, что позволяет их использовать в технике. Например, сплав из 20 % HfC и 80 % TiC один из самых тугоплавких, т.пл. 4400 ºС.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Титан расположен в четвертом периоде IV группы побочной (B) подгруппы Периодической таблицы. Обозначение – Ti. В Виде простого вещества титан представляет собой серебристо-белый металл.

Относится к легким металлам. Тугоплавок. Плотность - 4,50 г/см 3 . Температуры плавления и кипения равны 1668 o С и 3330 o С, соответственно.

Титан коррозионно-устойчив при на воздухе при обычной температуре, что объясняется наличием на его поверхности защитной пленки состава TiO 2 . Химически устойчив во многих агрессивных средах (растворы сульфатов, хлоридов, морской воды и т.д.).

Степень окисления титана в соединениях

Титан может существовать в виде простого вещества - металла, а степень окисления металлов в элементарном состоянии равна нулю , так как распределение электронной плотности в них равномерно.

В своих соединениях титан способен проявлять степени окисления (+2) (Ti +2 H 2 , Ti +2 O, Ti +2 (OH) 2 , Ti +2 F 2 , Ti +2 Cl 2 , Ti +2 Br 2), (+3) (Ti +3 2 O 3 , Ti +3 (OH) 3 , Ti +3 F 3 , Ti +3 Cl 3 , Ti +3 2 S 3) и (+4) (Ti +4 F 4 , Ti +4 H 4 , Ti +4 Cl 4 , Ti +4 Br 4).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание Валентность III и степень окисления (-3) азот проявляет в соединении: а) N 2 H 4 ; б) NH 3 ; в) NH 4 Cl; г) N 2 O 5
Решение Для того, чтобы дать верный ответ на поставленный вопрос будем поочередно определять валентность и степень окисления азота в предложенных соединениях.

а) валентность водорода всегда равна I. Общее число единиц валентности водорода равно 4-м (1×4 = 4). Разделим полученное значение на число атомов азота в молекуле: 4/2 = 2, следовательно, валентность азота равна II. Этот вариант ответа неверный.

б) валентность водорода всегда равна I. Общее число единиц валентности водорода равно 3-м (1×3 = 3). Разделим полученное значение на число атомов азота в молекуле: 3/1 = 2, следовательно, валентность азота равна III. Степень окисления азота в аммиаке равна (-3):

Это верный ответ.
Ответ Вариант (б).

ПРИМЕР 2

Задание Одинаковую степень окисления хлор имеет в каждом из двух соединений:

а) FeCl 3 и Cl 2 O 5 ;

б) KClO 3 и Cl 2 O 5 ;

в) NaClи HClO;

г) KClO 2 и CaCl 2 .
Решение Для того, чтобы дать верный ответ на поставленный вопрос будем поочередно определять степень окисления хлора в каждой паре предложенных соединений.

а) Степень окисления железа равна (+3), а кислорода - (-2). Примем значение степени окисления хлора за «х» и «у» в хлориде железа (III) и оксиде хлора, соответственно:

у ×2 + (-2)×5 = 0;

Ответ неверный.

б) Степени окисления калия и кислорода равны (+1) и (-2), соответственно. Примем значение степени окисления хлора за «х» и «у» в предложенных соединениях:

1 + х + (-2)×3 = 0;

y ×2 + (-2)×5 = 0;

Ответ верный.
Ответ Вариант (б).

Открытие TiO 2 сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, 1789), выделил новую "землю" (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 г. немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном, позднее установил, что рутил и менакеновая земля - оксиды одного и того же элемента. Первый образец металлического титана получил в 1825 году Й. Я. Берцелиус. Чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 термическим разложением паров иодида титана TiI 4

Физические свойства:

Титан - легкий серебристо-белый металл. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере.
Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

Химические свойства:

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей пленкой оксида, коррозионностоек, но при измельчении в порошок горит на воздухе. Титановая пыль может взрываться (температура вспышки 400°С). При нагревании на воздухе до 1200°C титан сгорает с образованием оксидных фаз переменного состава TiO x .
Титан устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме HF, H 3 PO 4 и концентрированной H 2 SO 4), однако легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой HF образует комплексный анион 2- .
При нагревании титан взаимодействует с галогенами. С азотом выше 400°C титан образует нитрид TiN x (x=0,58-1,00). При взаимодействии титана с углеродом образуется карбид титана TiC x (x=0,49-1,00).
Титан поглощает водород, образуя соединения переменного состава TiH x . При нагревании эти гидриды разлагаются с выделением H 2 .
Титан образует сплавы со многими металлами.
В соединениях титан проявляет степени окисления +2, +3 и +4. Наиболее устойчива степень окисления +4.

Важнейшие соединения:

Диоксид титана , ТiO 2 . Белый порошок, желтый в нагретом состоянии, плотностъ 3,9-4,25 г/см 3 . Амфотерен. В концентрированной Н 2 SO 4 растворяется лишь при длительном нагревании. При сплавлении с содой Na 2 CO 3 или поташом K 2 CO 3 оксид TiO 2 образует титанаты:
TiO 2 + K 2 CO 3 = K 2 TiO 3 + CO 2
Гидроксид титана(IV) , TiO(OH) 2 *xH 2 O, осаждается из растворов солей титана, его осторожным прокаливанием получают оксид TiO 2 . Гидроксид титана(IV) амфотерен.
Тетрахлорид титана , TiCl 4 , при обычных условиях - желтоватая, сильно дымящая на воздухе жидкость, что объясняется сильным гидролизом TiCl 4 парами воды и образованием мельчайших капелек HCl и взвеси гидроксида титана. Кипящей водой гидролизуется до титановой кислоты(??). Для хлорида титана(IV) характерно образование продуктов присоединения, например TiCl 4 *6NH 3 , TiCl 4 *8NH 3 , TiCl 4 *PCl 3 и т.д. При растворении хлорида титана(IV) в НСl образуется комплексная кислота H 2 , неизвестная в свободном состоянии; её соли Me 2 хорошо кристаллизуются и устойчивы на воздухе.
Восстановлением TiCl 4 водородом, алюминием, кремнием, другими сильными восстановителями, получены трихлорид и дихлорид титана TiCl 3 и TiCl 2 - твердые вещества с сильными восстановительными свойствами.
Нитрид титана - представляет собой фазу внедрения с широкой областью гомогенности, кристаллы с кубической гранецентрированной решеткой. Получение - азотированием титана при 1200 °C или другими способами. Применяется как жаропрочный материал, для создания износостойких покрытий.

Применение:

В виде сплавов. Металл применяется в химической промышленности (реакторы, трубопроводы, насосы), лёгких сплавах, остеопротезах. Является важнейшим конструкционным материалом в авиа-, ракето-, кораблестроении.
Титан является легирующей добавкой в некоторых марках стали.
Нитинол (никель-титан) - сплав, обладающий памятью формы, применяется в медицине и технике.
Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов.
В виде соединений Белый диоксид титана используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги, пластиков. Пищевая добавка E171.
Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности.
Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки.

Матигоров А.В.
ХФ ТюмГУ