Abadi, misteri, kosmik, bahan masa depan - semua ini dan banyak julukan lain diberikan kepada titanium dalam pelbagai sumber. Sejarah penemuan logam ini tidak remeh: pada masa yang sama, beberapa saintis berusaha untuk mengasingkan unsur dalam bentuk tulennya. Proses mengkaji sifat fizik, kimia dan menentukan kawasan penggunaannya masih belum selesai sehingga kini. Titanium ialah logam masa depan, tempatnya dalam kehidupan manusia masih belum ditentukan, yang memberikan penyelidik moden skop yang besar untuk kreativiti dan penyelidikan saintifik.
Ciri
Unsur kimia titanium (Titanium) ditunjukkan dalam jadual berkala D. I. Mendeleev dengan simbol Ti. Ia terletak dalam subkumpulan sekunder kumpulan IV tempoh keempat dan mempunyai nombor siri 22. Bahan ringkas titanium ialah logam perak putih, ringan dan tahan lama. Konfigurasi elektronik atom mempunyai struktur berikut: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Sehubungan itu, titanium mempunyai beberapa keadaan pengoksidaan yang mungkin: 2,3, 4, dalam sebatian yang paling stabil ia adalah tetravalen.
Titanium - aloi atau logam?
Soalan ini menarik minat ramai. Pada tahun 1910, ahli kimia Amerika Hunter memperoleh titanium tulen pertama. Logam itu mengandungi hanya 1% daripada kekotoran, tetapi pada masa yang sama, jumlahnya ternyata boleh diabaikan dan tidak memungkinkan untuk mengkaji lebih lanjut sifatnya. Keplastikan bahan yang diperolehi dicapai hanya di bawah pengaruh suhu tinggi; dalam keadaan normal (suhu bilik), sampel terlalu rapuh. Malah, unsur ini tidak menarik minat saintis, kerana prospek penggunaannya kelihatan terlalu tidak pasti. Kesukaran mendapatkan dan penyelidikan mengurangkan lagi potensi untuk aplikasinya. Hanya pada tahun 1925, ahli kimia dari Belanda I. de Boer dan A. Van Arkel menerima logam titanium, sifat-sifat yang menarik perhatian jurutera dan pereka di seluruh dunia. Sejarah kajian unsur ini bermula pada tahun 1790, tepat pada masa ini, secara selari, secara bebas antara satu sama lain, dua saintis menemui titanium sebagai unsur kimia. Setiap daripada mereka menerima sebatian (oksida) bahan, gagal mengasingkan logam dalam bentuk tulennya. Penemu titanium ialah ahli mineralogi Inggeris William Gregor. Di wilayah parokinya, yang terletak di bahagian barat daya England, saintis muda itu mula mengkaji pasir hitam Lembah Menaken. Hasil eksperimen dengan magnet ialah pembebasan bijirin berkilat, yang merupakan sebatian titanium. Pada masa yang sama di Jerman, ahli kimia Martin Heinrich Klaproth mengasingkan bahan baru daripada mineralrutil. Pada tahun 1797, beliau juga membuktikan bahawa unsur-unsur yang dibuka secara selari adalah serupa. Titanium dioksida telah menjadi misteri kepada ramai ahli kimia selama lebih daripada satu abad, malah Berzelius tidak dapat memperoleh logam tulen. Teknologi terkini abad ke-20 telah mempercepatkan proses mengkaji unsur yang disebutkan dan menentukan arah awal penggunaannya. Pada masa yang sama, skop aplikasi sentiasa berkembang. Hanya kerumitan proses mendapatkan bahan seperti titanium tulen boleh mengehadkan skopnya. Harga aloi dan logam agak tinggi, jadi hari ini ia tidak dapat menggantikan besi dan aluminium tradisional.
Asal usul nama
Menakin - nama pertama untuk titanium, yang digunakan sehingga 1795. Begitulah, dengan gabungan wilayah, W. Gregor memanggil elemen baru. Martin Klaproth memberi nama unsur "titanium" pada tahun 1797. Pada masa ini, rakan-rakan Perancisnya, yang diketuai oleh ahli kimia yang agak terkenal A. L. Lavoisier, mencadangkan untuk menamakan bahan yang baru ditemui mengikut sifat asasnya. Saintis Jerman tidak bersetuju dengan pendekatan ini, dia agak munasabah percaya bahawa pada peringkat penemuan agak sukar untuk menentukan semua ciri yang wujud dalam bahan dan mencerminkannya dalam nama. Walau bagaimanapun, harus diakui bahawa istilah yang dipilih secara intuitif oleh Klaproth sepenuhnya sepadan dengan logam - ini telah berulang kali ditekankan oleh saintis moden. Terdapat dua teori utama untuk asal usul nama titanium. Logam itu boleh ditetapkan demikian sebagai penghormatan kepada ratu bunian Titania(watak mitologi Jerman). Nama ini melambangkan ringan dan kekuatan bahan. Kebanyakan saintis cenderung menggunakan versi penggunaan mitologi Yunani kuno, di mana anak-anak dewi bumi Gaia yang berkuasa dipanggil titans. Nama unsur yang ditemui sebelum ini, uranium, juga menyokong versi ini.
Berada dalam alam semula jadi
Daripada logam yang secara teknikalnya bernilai kepada manusia, titanium adalah yang keempat paling banyak terdapat di kerak bumi. Hanya besi, magnesium dan aluminium yang dicirikan oleh peratusan yang besar dalam alam semula jadi. Kandungan tertinggi titanium dicatatkan dalam cangkang bas alt, sedikit kurang dalam lapisan granit. Di dalam air laut, kandungan bahan ini rendah - kira-kira 0.001 mg / l. Unsur kimia titanium agak aktif, jadi ia tidak boleh ditemui dalam bentuk tulennya. Selalunya, ia terdapat dalam sebatian dengan oksigen, manakala ia mempunyai valensi empat. Bilangan mineral yang mengandungi titanium berbeza dari 63 hingga 75 (dalam pelbagai sumber), manakala pada peringkat penyelidikan sekarang, saintis terus menemui bentuk baharu sebatiannya. Untuk kegunaan praktikal, mineral berikut adalah yang paling penting:
- Ilmenit (FeTiO3).
- Rutile (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskite (CaTiO3).
- Titanomagnetite (FeTiO3+Fe3O4) dsb.
Semua bijih titanium sedia ada dibahagikan kepadaaluvium dan asas. Unsur ini adalah migran yang lemah, ia boleh bergerak hanya dalam bentuk serpihan batu atau batuan dasar berkelodak yang bergerak. Dalam biosfera, jumlah terbesar titanium ditemui dalam alga. Dalam wakil fauna daratan, unsur terkumpul dalam tisu tanduk, rambut. Tubuh manusia dicirikan oleh kehadiran titanium dalam limpa, kelenjar adrenal, plasenta, kelenjar tiroid.
Sifat fizikal
Titanium ialah logam bukan ferus dengan warna putih keperakan yang kelihatan seperti keluli. Pada suhu 0 0C, ketumpatannya ialah 4.517 g/cm3. Bahan ini mempunyai graviti tentu yang rendah, yang tipikal untuk logam alkali (kadmium, natrium, litium, cesium). Dari segi ketumpatan, titanium menduduki kedudukan pertengahan antara besi dan aluminium, manakala prestasinya lebih tinggi daripada kedua-dua elemen. Sifat utama logam yang diambil kira semasa menentukan skop penggunaannya ialah kekuatan dan kekerasan hasil. Titanium adalah 12 kali lebih kuat daripada aluminium, 4 kali lebih kuat daripada besi dan tembaga, manakala jauh lebih ringan. Keplastikan bahan tulen dan kekuatan hasilnya memungkinkan untuk diproses pada suhu rendah dan tinggi, seperti dalam kes logam lain, iaitu, dengan memukau, menempa, mengimpal, menggulung. Ciri khas titanium ialah kekonduksian haba dan elektriknya yang rendah, manakala sifat ini dikekalkan pada suhu tinggi, sehingga 500 0С. Dalam medan magnet, titanium adalah unsur paramagnet, ia tidakditarik seperti besi, dan tidak ditolak seperti tembaga. Prestasi anti-karat yang sangat tinggi dalam persekitaran yang agresif dan di bawah tekanan mekanikal adalah unik. Lebih 10 tahun berada di dalam air laut tidak mengubah rupa dan komposisi plat titanium. Besi dalam kes ini akan musnah sepenuhnya oleh kakisan.
Sifat termodinamik titanium
- Ketumpatan (dalam keadaan biasa) ialah 4.54g/cm3.
- Nombor atom ialah 22.
- Kumpulan logam - refraktori, ringan.
- Jisim atom titanium ialah 47.0.
- Takat didih (0С) – 3260.
- Isipadu molar cm3/mol – 10, 6.
- Takat lebur Titanium (0С) – 1668.
- Haba tentu pengewapan (kJ/mol) – 422, 6.
- Rintangan elektrik (pada 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Sifat kimia
Peningkatan rintangan kakisan unsur adalah disebabkan oleh pembentukan filem oksida kecil di permukaan. Ia menghalang (dalam keadaan biasa) tindak balas kimia dengan gas (oksigen, hidrogen) dalam atmosfera sekeliling unsur seperti logam titanium. Sifatnya berubah di bawah pengaruh suhu. Apabila ia meningkat kepada 600 0С, tindak balas interaksi dengan oksigen berlaku, mengakibatkan pembentukan titanium oksida (TiO2). Dalam kes penyerapan gas atmosfera, sebatian rapuh terbentuk yang tidak mempunyai aplikasi praktikal, itulah sebabnya kimpalan dan peleburan titanium dilakukan di bawah keadaan vakum. tindak balas boleh balikialah proses pembubaran hidrogen dalam logam, ia berlaku lebih aktif dengan peningkatan suhu (dari 400 0С dan lebih tinggi). Titanium, terutamanya zarah kecilnya (plat nipis atau wayar), terbakar dalam suasana nitrogen. Tindak balas kimia interaksi hanya boleh dilakukan pada suhu 700 0С, mengakibatkan pembentukan TiN nitrida. Membentuk aloi yang sangat keras dengan banyak logam, selalunya sebagai unsur mengaloi. Ia bertindak balas dengan halogen (kromium, bromin, iodin) hanya dengan kehadiran pemangkin (suhu tinggi) dan tertakluk kepada interaksi dengan bahan kering. Dalam kes ini, aloi refraktori yang sangat keras terbentuk. Dengan larutan kebanyakan alkali dan asid, titanium tidak aktif secara kimia, kecuali sulfurik pekat (dengan pendidihan berpanjangan), hidrofluorik, organik panas (formik, oksalik).
Deposit
Bijih ilmenit adalah yang paling biasa di alam semula jadi - rizabnya dianggarkan sebanyak 800 juta tan. Deposit deposit rutil adalah lebih sederhana, tetapi jumlah volum - sambil mengekalkan pertumbuhan pengeluaran - harus menyediakan manusia untuk 120 tahun akan datang dengan logam seperti titanium. Harga produk siap akan bergantung pada permintaan dan peningkatan dalam tahap kebolehkilangan, tetapi secara purata ia berbeza dalam julat dari 1200 hingga 1800 rubel/kg. Dalam keadaan peningkatan teknikal yang berterusan, kos semua proses pengeluaran dikurangkan dengan ketara dengan pemodenan tepat pada masanya. China dan Rusia mempunyai rizab terbesar bijih titanium, serta mineralJepun, Afrika Selatan, Australia, Kazakhstan, India, Korea Selatan, Ukraine, Ceylon mempunyai asas bahan mentah. Deposit berbeza dalam jumlah pengeluaran dan peratusan titanium dalam bijih, tinjauan geologi sedang berjalan, yang memungkinkan untuk mengandaikan penurunan dalam nilai pasaran logam dan penggunaannya yang lebih luas. Rusia setakat ini merupakan pengeluar terbesar titanium.
Terima
Untuk penghasilan titanium, titanium dioksida paling kerap digunakan, mengandungi jumlah minimum kekotoran. Ia diperoleh dengan pengayaan pekat ilmenit atau bijih rutil. Dalam relau arka elektrik, rawatan haba bijih berlaku, yang disertai dengan pemisahan besi dan pembentukan sanga yang mengandungi titanium oksida. Kaedah sulfat atau klorida digunakan untuk memproses pecahan bebas besi. Titanium oksida ialah serbuk kelabu (lihat foto). Logam titanium diperoleh melalui pemprosesan berperingkat.
Fasa pertama ialah proses pensinteran sanga dengan kok dan pendedahan kepada wap klorin. TiCl4 yang terhasil dikurangkan dengan magnesium atau natrium apabila terdedah kepada suhu 850 0C. Span titanium (jisim bercantum berliang), yang diperoleh hasil daripada tindak balas kimia, ditapis atau dicairkan menjadi jongkong. Bergantung pada arah penggunaan selanjutnya, aloi atau logam tulen terbentuk (kekotoran dikeluarkan dengan memanaskan hingga 1000 0С). Untuk penghasilan bahan dengan kandungan kekotoran 0.01%, kaedah iodida digunakan. Ia berdasarkan prosespenyejatan daripada span titanium yang telah dirawat terlebih dahulu dengan halogen, wapnya.
Kawasan permohonan
Takat lebur titanium agak tinggi, yang, memandangkan ringan logam, merupakan kelebihan yang tidak ternilai untuk menggunakannya sebagai bahan struktur. Oleh itu, ia mendapati aplikasi terbesar dalam pembinaan kapal, industri penerbangan, pembuatan roket, dan industri kimia. Titanium agak kerap digunakan sebagai bahan tambahan mengaloi dalam pelbagai aloi, yang telah meningkatkan kekerasan dan ciri rintangan haba. Sifat anti-karat yang tinggi dan keupayaan untuk menahan persekitaran yang paling agresif menjadikan logam ini amat diperlukan untuk industri kimia. Titanium (aloinya) digunakan untuk membuat saluran paip, tangki, injap, penapis yang digunakan dalam penyulingan dan pengangkutan asid dan bahan aktif kimia lain. Ia adalah dalam permintaan apabila mencipta peranti yang beroperasi dalam keadaan penunjuk suhu tinggi. Sebatian titanium digunakan untuk membuat alat pemotong tahan lama, cat, plastik dan kertas, instrumen pembedahan, implan, perhiasan, bahan kemasan, dan digunakan dalam industri makanan. Semua arah sukar untuk diterangkan. Perubatan moden, kerana keselamatan biologi yang lengkap, sering menggunakan logam titanium. Harga adalah satu-satunya faktor yang setakat ini mempengaruhi keluasan penggunaan elemen ini. Adalah adil untuk mengatakan bahawa titanium adalah bahan masa depan, dengan mengkaji mana manusia akan luluske peringkat pembangunan baharu.
