Տիտանը մետաղ է։ տիտանի հատկությունները. Տիտանի կիրառում. Տիտանի դասակարգերը և քիմիական կազմը

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-17 05:30

Հավերժական, առեղծվածային, տիեզերական, ապագայի նյութ. այս բոլոր և շատ այլ էպիտետներ տարբեր աղբյուրներում վերագրված են տիտանին: Այս մետաղի հայտնաբերման պատմությունը տրիվիալ չէր. միևնույն ժամանակ մի քանի գիտնականներ աշխատել են տարրն իր մաքուր ձևով մեկուսացնելու վրա: Ֆիզիկական, քիմիական հատկությունների ուսումնասիրման և կիրառման ոլորտների որոշման գործընթացը առ այսօր ավարտված չէ։ Տիտանը ապագայի մետաղն է, նրա տեղը մարդկային կյանքում դեռ վերջնականապես որոշված չէ, ինչը ժամանակակից հետազոտողներին հսկայական հնարավորություն է տալիս ստեղծագործելու և գիտական հետազոտությունների համար։

Բնութագիր

Տիտանի (Titanium) քիմիական տարրը Դ. Ի. Մենդելեևի պարբերական աղյուսակում նշվում է Ti նշանով։ Այն գտնվում է չորրորդ շրջանի IV խմբի երկրորդական ենթախմբի մեջ և ունի 22 սերիական համար: Պարզ նյութը տիտանը սպիտակ-արծաթագույն մետաղ է, թեթև և դիմացկուն: Ատոմի էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիան ունի հետևյալ կառուցվածքը՝ +22)2)8)10)2, 1S²2S²2P 6 ^3S2^3P6^3d2^4S 2. Համապատասխանաբար, տիտանն ունի մի քանի հնարավոր օքսիդացման վիճակներ.3, 4, ամենակայուն միացություններում այն քառավալենտ է։

Տիտանի համաձուլվածք, թե՞ մետաղ:

Այս հարցը շատերին է հետաքրքրում։ 1910 թվականին ամերիկացի քիմիկոս Հանթերը ստացավ առաջին մաքուր տիտանը։ Մետաղը պարունակում էր ընդամենը 1% կեղտ, բայց միևնույն ժամանակ պարզվեց, որ դրա քանակությունը չնչին է և հնարավորություն չի տվել հետագա ուսումնասիրել դրա հատկությունները։ Ստացված նյութի պլաստիկությունը ձեռք է բերվել միայն բարձր ջերմաստիճանի ազդեցությամբ, նորմալ պայմաններում (սենյակային ջերմաստիճան) նմուշը չափազանց փխրուն է եղել։ Փաստորեն, այս տարրը չէր հետաքրքրում գիտնականներին, քանի որ դրա օգտագործման հեռանկարները չափազանց անորոշ էին թվում: Ձեռք բերելու և հետազոտելու դժվարությունը հետագայում նվազեցրեց դրա կիրառման ներուժը: Միայն 1925 թվականին Նիդեռլանդներից քիմիկոսներ Ի. դե Բուրը և Ա. Վան Արկելը ստացան տիտան մետաղ, որի հատկությունները գրավեցին ամբողջ աշխարհի ինժեներների և դիզայներների ուշադրությունը: Այս տարրի ուսումնասիրության պատմությունը սկսվում է 1790 թվականին, հենց այս ժամանակ, զուգահեռաբար, միմյանցից անկախ, երկու գիտնական հայտնաբերում են տիտանը որպես քիմիական տարր։ Նրանցից յուրաքանչյուրը ստանում է նյութի միացություն (օքսիդ)՝ չկարողանալով մեկուսացնել մետաղը մաքուր տեսքով։ Տիտանի հայտնաբերողը անգլիացի հանքաբան վանական Ուիլյամ Գրեգորն է: Անգլիայի հարավ-արևմտյան մասում գտնվող իր ծխական համայնքի տարածքում երիտասարդ գիտնականը սկսել է ուսումնասիրել Մենակենի հովտի սև ավազը։ Մագնիսով փորձերի արդյունքը փայլուն հատիկների արձակումն էր, որոնք տիտանի միացություն էին։ Միևնույն ժամանակ Գերմանիայում քիմիկոս Մարտին Հայնրիխ Կլապրոտը հանքանյութից մեկուսացրեց նոր նյութ.ռուտիլ. 1797 թվականին նա նաև ապացուցեց, որ զուգահեռ բացված տարրերը նման են։ Տիտանի երկօքսիդը շատ քիմիկոսների համար առեղծված էր ավելի քան մեկ դար, և նույնիսկ Բերզելիուսը չէր կարողանում մաքուր մետաղ ստանալ: 20-րդ դարի նորագույն տեխնոլոգիաները զգալիորեն արագացրել են նշված տարրի ուսումնասիրման գործընթացը և որոշել դրա կիրառման սկզբնական ուղղությունները։ Միաժամանակ կիրառման շրջանակը մշտապես ընդլայնվում է։ Միայն տիտանի նման նյութի ստացման գործընթացի բարդությունը կարող է սահմանափակել դրա շրջանակը: Համաձուլվածքների և մետաղի գինը բավականին բարձր է, ուստի այսօր այն չի կարող փոխարինել ավանդական երկաթին և ալյումինին։

Անվան ծագումը

Menakin - տիտանի առաջին անվանումը, որն օգտագործվել է մինչև 1795 թվականը։ Այդպես տարածքային պատկանելությամբ Վ. Գրեգորն անվանեց նոր տարրը։ Մարտին Կլապրոտը տարերքին տալիս է «տիտան» անվանումը 1797 թվականին։ Այդ ժամանակ նրա ֆրանսիացի գործընկերները՝ բավականին հեղինակավոր քիմիկոս Ա. Լ. Լավուազեի գլխավորությամբ, առաջարկեցին նոր հայտնաբերված նյութերն անվանել իրենց հիմնական հատկություններին համապատասխան։ Գերմանացի գիտնականը համաձայն չէր այս մոտեցման հետ, նա միանգամայն ողջամտորեն կարծում էր, որ հայտնաբերման փուլում բավականին դժվար է որոշել նյութին բնորոշ բոլոր բնութագրերը և դրանք արտացոլել անվանման մեջ: Այնուամենայնիվ, պետք է ընդունել, որ Կլապրոտի կողմից ինտուիտիվ կերպով ընտրված տերմինը լիովին համապատասխանում է մետաղին, դա բազմիցս շեշտվել է ժամանակակից գիտնականների կողմից: Տիտանի անվան ծագման երկու հիմնական տեսություն կա. Մետաղը կարելի էր այդպես անվանել ի պատիվ էլֆերի թագուհի Տիտանիայի(գերմանական դիցաբանության կերպար): Այս անունը խորհրդանշում է նյութի և՛ թեթևությունը, և՛ ուժը: Գիտնականների մեծ մասը հակված է օգտագործել հին հունական դիցաբանության կիրառման տարբերակը, որում տիտաններ էին կոչվում երկրի աստվածուհի Գայայի հզոր որդիները: Այս վարկածի օգտին է խոսում նաև նախկինում հայտնաբերված տարրի՝ ուրան անվանումը։

Լինելով բնության մեջ

Մարդկանց համար տեխնիկապես արժեքավոր մետաղներից տիտանը չորրորդն է երկրակեղևում իր առատությամբ: Բնության մեջ մեծ տոկոսով բնութագրվում են միայն երկաթը, մագնեզիումը և ալյումինը։ Տիտանի ամենաբարձր պարունակությունը նշվում է բազալտի թաղանթում, մի փոքր ավելի քիչ՝ գրանիտե շերտում։ Ծովի ջրում այս նյութի պարունակությունը ցածր է` մոտավորապես 0,001 մգ/լ: Տիտանի քիմիական տարրը բավականին ակտիվ է, ուստի այն չի կարելի գտնել իր մաքուր տեսքով: Ամենից հաճախ այն առկա է թթվածնով միացություններում, մինչդեռ ունի չորս վալենտություն: Տիտանի պարունակող միներալների թիվը տատանվում է 63-ից մինչև 75 (տարբեր աղբյուրներում), մինչդեռ հետազոտության ներկա փուլում գիտնականները շարունակում են հայտնաբերել դրա միացությունների նոր ձևեր։ Գործնական օգտագործման համար կարևորագույն նշանակություն ունեն հետևյալ հանքանյութերը՝

1. Իլմենիտ (FeTiO₃).
2. ռուտիլ (TiO₂).
3. Titanit (CaTiSiO₅).
4. Պերովսկիտ (CaTiO₃).
5. Titanomagnetite (FeTiO₃+Fe₃O₄) և այլն:

Տիտանի պարունակող բոլոր հանքաքարերը բաժանված ենալյուվիալ և հիմնային։ Այս տարրը թույլ միգրանտ է, այն կարող է ճանապարհորդել միայն ժայռի բեկորների կամ շարժվող տիղմային հատակի ժայռերի տեսքով: Կենսոլորտում տիտանի ամենամեծ քանակությունը հանդիպում է ջրիմուռներում։ Ցամաքային կենդանական աշխարհի ներկայացուցիչների մոտ տարրը կուտակվում է եղջյուրավոր հյուսվածքներում, մազերում։ Մարդու մարմնին բնորոշ է փայծաղի, մակերիկամների, պլասենցայի, վահանաձև գեղձի տիտանի առկայությունը։

Ֆիզիկական հատկություններ

Տիտանը գունավոր մետաղ է՝ արծաթափայլ սպիտակ գույնով, որը նման է պողպատի: 0 ⁰C ջերմաստիճանի դեպքում նրա խտությունը 4,517 գ/սմ³ է։ Նյութը ունի ցածր տեսակարար կշիռ, որը բնորոշ է ալկալային մետաղներին (կադմիում, նատրիում, լիթիում, ցեզիում)։ Խտության առումով տիտանը միջանկյալ դիրք է զբաղեցնում երկաթի և ալյումինի միջև, մինչդեռ դրա կատարողականությունը ավելի բարձր է, քան երկու տարրերի: Մետաղների հիմնական հատկությունները, որոնք հաշվի են առնվում դրանց կիրառման շրջանակը որոշելիս, զիջման ուժն ու կարծրությունն են։ Տիտանը 12 անգամ ավելի ամուր է, քան ալյումինը, 4 անգամ ավելի ամուր, քան երկաթը և պղնձը, մինչդեռ շատ ավելի թեթև է: Մաքուր նյութի պլաստիկությունը և դրա զիջման ուժը հնարավորություն են տալիս մշակել ցածր և բարձր ջերմաստիճաններում, ինչպես մյուս մետաղների դեպքում, այսինքն՝ գամելով, դարբնելով, եռակցելով, գլորելով: Տիտանի տարբերակիչ բնութագիրը նրա ցածր ջերմային և էլեկտրական հաղորդունակությունն է, մինչդեռ այդ հատկությունները պահպանվում են բարձր ջերմաստիճաններում՝ մինչև 500 ⁰С: Մագնիսական դաշտում տիտանը պարամագնիսական տարր է, դա այդպես չէձգվում է երկաթի պես, և պղնձի պես դուրս չի մղվում։ Ագրեսիվ միջավայրում և մեխանիկական սթրեսի պայմաններում հակակոռոզիոն բարձր արդյունավետությունը եզակի է: Ավելի քան 10 տարի ծովի ջրի մեջ լինելը չի փոխել տիտանի ափսեի տեսքն ու բաղադրությունը։ Երկաթը այս դեպքում կոռոզիայից ամբողջությամբ կկործանվի։

Տիտանի թերմոդինամիկական հատկություններ

1. Խտությունը (նորմալ պայմաններում) 4,54 գ/սմ է³.
2. Ատոմային թիվը 22 է։
3. Մետաղական խումբ՝ հրակայուն, թեթև.
4. Տիտանի ատոմային զանգվածը 47,0 է։
5. Եռման կետ (⁰С) – 3260.
6. Մոլային ծավալ սմ³/մոլ – 10, 6.
7. Տիտանի հալման կետ (⁰С) – 1668.
8. Գոլորշացման հատուկ ջերմություն (կՋ/մոլ) – 422, 6.
9. Էլեկտրական դիմադրություն (20 ⁰С) Օհմսմ10^-6 – 45.

Քիմիական հատկություններ

Տարրի կոռոզիոն դիմադրության բարձրացումը պայմանավորված է մակերեսի վրա փոքր օքսիդ թաղանթով: Այն կանխում է (նորմալ պայմաններում) քիմիական ռեակցիաները գազերի հետ (թթվածին, ջրածին) այնպիսի տարրի շրջակա միջավայրում, ինչպիսին է տիտանի մետաղը: Նրա հատկությունները փոխվում են ջերմաստիճանի ազդեցության տակ։ Երբ այն բարձրանում է մինչև 600 ⁰С, տեղի է ունենում թթվածնի հետ փոխազդեցության ռեակցիա, որի արդյունքում առաջանում է տիտանի օքսիդ (TiO₂): Մթնոլորտային գազերի կլանման դեպքում առաջանում են փխրուն միացություններ, որոնք գործնական կիրառություն չունեն, այդ իսկ պատճառով տիտանի եռակցումն ու հալումն իրականացվում է վակուումային պայմաններում։ շրջելի ռեակցիամետաղի մեջ ջրածնի տարրալուծման գործընթացն է, այն ավելի ակտիվ է տեղի ունենում ջերմաստիճանի բարձրացմամբ (400 ⁰С և բարձրից): Տիտանը, հատկապես նրա փոքր մասնիկները (բարակ ափսե կամ մետաղալար), այրվում են ազոտի մթնոլորտում: Փոխազդեցության քիմիական ռեակցիա հնարավոր է միայն 700 ⁰С ջերմաստիճանում, որի արդյունքում առաջանում է TiN նիտրիդ։ Շատ մետաղների հետ ձևավորում է բարձր կոշտ համաձուլվածքներ, հաճախ որպես համաձուլվածքային տարր: Հալոգենների (քրոմ, բրոմ, յոդ) հետ փոխազդում է միայն կատալիզատորի առկայության դեպքում (բարձր ջերմաստիճան) և ենթակա է փոխազդեցության չոր նյութի հետ։ Այս դեպքում առաջանում են շատ կոշտ հրակայուն համաձուլվածքներ։ Ալկալիների և թթուների մեծ մասի լուծույթներով տիտանը քիմիապես անգործուն է, բացառությամբ խտացված ծծմբի (երկարատև եռման), հիդրոֆտորային, տաք օրգանական (մակնագույն, օքսալային):

Ավանդներ

Իլմենիտի հանքաքարերը բնության մեջ ամենատարածվածն են. դրանց պաշարները գնահատվում են 800 միլիոն տոննա: Ռուտիլային հանքավայրերի հանքավայրերը շատ ավելի համեստ են, բայց ընդհանուր ծավալը, պահպանելով արտադրության աճը, պետք է մարդկությանը հաջորդ 120 տարիների համար ապահովի այնպիսի մետաղ, ինչպիսին է տիտանը: Պատրաստի արտադրանքի գինը կախված կլինի պահանջարկից և արտադրելիության մակարդակի բարձրացումից, բայց միջինում այն տատանվում է 1200-ից մինչև 1800 ռուբլի/կգ միջակայքում: Մշտական տեխնիկական բարելավման պայմաններում բոլոր արտադրական գործընթացների արժեքը զգալիորեն նվազում է դրանց ժամանակին արդիականացմամբ։ Տիտանի հանքաքարերի, ինչպես նաև հանքանյութի ամենամեծ պաշարներն ունեն Չինաստանը և ՌուսաստանըՀումքային բազա ունեն Ճապոնիան, Հարավային Աֆրիկան, Ավստրալիան, Ղազախստանը, Հնդկաստանը, Հարավային Կորեան, Ուկրաինան, Ցեյլոնը։ Հանքավայրերը տարբերվում են արդյունահանման ծավալով և հանքաքարում տիտանի տոկոսային հարաբերակցությամբ, շարունակվում են երկրաբանական հետազոտությունները, ինչը թույլ է տալիս ենթադրել մետաղի շուկայական արժեքի նվազում և դրա ավելի լայն կիրառում։ Ռուսաստանը տիտանի ամենախոշոր արտադրողն է։

Ստանալ

Տիտանի արտադրության համար առավել հաճախ օգտագործվում է տիտանի երկօքսիդը, որը պարունակում է նվազագույն քանակությամբ կեղտեր։ Ստացվում է իլմենիտային խտանյութերի կամ ռուտիլային հանքաքարերի հարստացման արդյունքում։ Էլեկտրական աղեղային վառարանում տեղի է ունենում հանքաքարի ջերմային մշակումը, որն ուղեկցվում է երկաթի տարանջատմամբ և տիտանի օքսիդ պարունակող խարամի առաջացմամբ։ Սուլֆատ կամ քլորիդ մեթոդը օգտագործվում է երկաթից ազատ ֆրակցիայի մշակման համար: Տիտանի օքսիդը մոխրագույն փոշի է (տես լուսանկարը): Տիտանի մետաղը ստացվում է դրա փուլային մշակմամբ։

Առաջին փուլը կոքսով խարամ սինթեզելու և քլորի գոլորշիների ազդեցության գործընթացն է: Ստացված TiCl₄ նվազեցվում է մագնեզիումով կամ նատրիումով, երբ ենթարկվում է 850 ⁰C ջերմաստիճանի: Տիտանի սպունգը (ծակոտկեն միաձուլված զանգված), որը ստացվում է քիմիական ռեակցիայի արդյունքում, զտվում կամ հալեցնում են ձուլակտորների։ Կախված օգտագործման հետագա ուղղությունից՝ առաջանում է համաձուլվածք կամ մաքուր մետաղ (կեղտերը հանվում են տաքացնելով մինչև 1000 ⁰С): 0,01% անմաքրության պարունակությամբ նյութի արտադրության համար օգտագործվում է յոդիդի մեթոդը։ Այն հիմնված է գործընթացի վրագոլորշիացում հալոգենով նախապես մշակված տիտանի սպունգից, նրա գոլորշիներով:

Կիրառման ոլորտներ

Տիտանի հալման ջերմաստիճանը բավականին բարձր է, ինչը, հաշվի առնելով մետաղի թեթևությունը, այն որպես կառուցվածքային նյութ օգտագործելու անգնահատելի առավելություն է։ Հետևաբար, այն ամենամեծ կիրառությունն է գտնում նավաշինության, ավիացիոն արդյունաբերության, հրթիռների արտադրության և քիմիական արդյունաբերության մեջ: Տիտանը բավականին հաճախ օգտագործվում է որպես համաձուլվածքային հավելում տարբեր համաձուլվածքների մեջ, որոնք ունեն բարձր կարծրություն և ջերմակայուն հատկություններ: Բարձր հակակոռոզիոն հատկությունները և առավել ագրեսիվ միջավայրերին դիմակայելու ունակությունը այս մետաղը դարձնում են անփոխարինելի քիմիական արդյունաբերության համար: Տիտանը (դրա համաձուլվածքները) օգտագործվում է խողովակաշարերի, տանկերի, փականների, ֆիլտրերի պատրաստման համար, որոնք օգտագործվում են թթուների և այլ քիմիապես ակտիվ նյութերի թորման և փոխադրման համար: Այն պահանջարկ ունի բարձր ջերմաստիճանի ցուցանիշների պայմաններում աշխատող սարքեր ստեղծելիս։ Տիտանի միացություններն օգտագործվում են դիմացկուն կտրող գործիքներ, ներկեր, պլաստմասսա և թուղթ, վիրաբուժական գործիքներ, իմպլանտներ, ոսկերչական իրեր, հարդարման նյութեր պատրաստելու համար և օգտագործվում են սննդի արդյունաբերության մեջ: Բոլոր ուղղությունները դժվար է նկարագրել: Ժամանակակից բժշկությունը, լիարժեք կենսաբանական անվտանգության շնորհիվ, հաճախ օգտագործում է տիտանի մետաղ: Գինը միակ գործոնն է, որն առայժմ ազդում է այս տարրի կիրառման լայնության վրա: Արդար է ասել, որ տիտանն ապագայի նյութն է, որն ուսումնասիրելով մարդկությունը կանցնիդեպի զարգացման նոր փուլ։