Космический металл, материал будущего, превращающий мечту в реальность — всё это о титане, серебристо-белом, прочном и лёгком. Занимая девятое место по распространённости в природе, он отлично зарекомендовал себя в аэрокосмической и нефтехимической промышленности, машиностроении и медицине. Чудо-металл даже открыт был необычно, а изучение его свойств помогло человечеству выйти на новый уровень развития.
История открытия металла
Всё началось в 1791 году, когда, независимо друг от друга, одновременно У. Грегор (Англия) и М. Г. Клапрот (Германия) получили двуокись титана, но не сумели выделить из неё чистое вещество. Минералог и, по совместительству, сельский священник Грегор изучал чёрный железистый песок, найденный в окрестностях своего прихода. Результатом стало извлечение соединения титана — блестящих крупиц, которые названием «менакин» (от минерала менаканит) увековечили родные места англичанина.
Примерно в это же время химик Клапрот, изучая красные пески, привезённые из Венгрии, нашёл в минерале рутиле новое вещество и назвал его «титан». А, спустя несколько лет, доказал, что рутил и менакеновая земля — одинаковые соединения. В 1825 году шведским химиком Берцелиусом был получен первый образец металлического титана, но это не позволило продвинуться в исследовании свойств, так как примеси делали образец хрупким и неподходящим для механической обработки.
Только в 1925 году голландские химики ван Аркел и де Бур, применив термическое разложение иодида титана, не нашедшее широкого использования, получили вещество с 99,9% чистотой. Такой металл обладал пластичностью, его можно было раскатывать в листы, проволоку и фольгу. Это позволило начать полномасштабное изучение физических и химических свойств, привлечь внимание инженеров и строителей, наметить сферы применения. А уже в 1940 году появился кролловский процесс восстановления четырёххлористого титана магнием, успешно используемый и до сих пор.
Теории происхождения названия
Существует две теории возникновения наименования:
Первая, подчёркивающая основные свойства металла титана — лёгкость и прочность, связана с именем персонажа германской легенды — эльфийской царицы Титании.- Другая теория отсылает к древнегреческой мифологии, где титанами называли могучих братьев — божеств второго поколения, детей богов Урана и Геи. Отголоски этого слышатся и в названии элемента урана.
Нахождение титана в природе
Титан занимает почётное четвёртое место по содержанию в земной коре среди важных для человека металлов, уступая только железу, магнию и алюминию. Максимальное его количество сосредоточено в нижнем, базальтовом слое, немного меньше — в гранитном. Принимая во внимание высокую химическую активность, найти титан в чистом виде не представляется возможным. Наиболее распространены четырёхвалентные оксиды, которые концентрируются в рудах коры выветривания и в морской глине.
Сегодня насчитывают до 75 титановых минералов, а учёные периодически заявляют об открытии всё новых форм и соединений. Для промышленной переработки наибольшее значение имеют:
Ильменит.- Лейкоксен (продукт изменения ильменита).
- Рутил.
- Титанит (сфен).
- Перовскит.
- Анатаз.
- Титаномагнетит.
- Брукит.
Титан — слабый мигрант, он может переноситься только в виде механических обломков каменной породы или при перемещениях коллоидных илистых слоёв водоёмов. Для биосферы характерно содержание максимальных количеств этого металла в морских водорослях, у животных он обнаружен в шерсти и роговых тканях, в организме человека присутствует в щитовидной железе, селезёнке, надпочечниках и плаценте.
Месторождения космического материала
Самыми распространёнными являются залежи ильменита, они составляют порядка 800 млн тонн. Запасы рутиловых руд значительно меньше, но при сохранении роста добычи все они могут обеспечить человечество ещё на 100 лет. По запасам титана Россия уступает только Китаю и насчитывает 20 разведанных месторождений. Большинство из них — комплексные, где добывают также железо, фосфор, ванадий и цирконий. Сегодня крупнейшим мировым производителем титана считается российская металлургическая компания «ВСМПО-АВИСМА».
Обширные залежи располагаются на территории ЮАР, Украины, Канады, США, Бразилии, Австралии, Швеции, Норвегии, Египта, Казахстана, Индии и Южной Кореи. Они различаются содержанием металла в рудах и объёмами добычи, геологические изыскания не прекращаются. Даже на Луне были обнаружены запасы титаносодержащих руд, некоторые из них в десятки раз богаче крупных месторождений Земли. Это позволяет надеяться на снижение рыночных цен металла и расширение сферы использования.
Физические свойства элемента
Titanium — химический элемент периодической таблицы Менделеева, находится в IV группе четвёртого периода. Имеет атомный номер 22, молярную массу 47,867, обозначается символом Ti и проявляет степени окисления от 2 до 4, наиболее устойчивы его четырёхвалентные соединения. При нормальном давлении температура плавления титана равна 1670 ± 2 °C, он относится к цветным тугоплавким металлам и по внешнему виду напоминает сталь.
Твёрдость, пластичность и предел текучести — важные параметры для любого металла, которые определяют сферу применения. Титан в 12 раз прочнее алюминия, в 4 раза меди и железа. А ещё он гораздо легче их всех (плотность титана всего 4,54 г/см 3) и свободно обрабатывается методами сварки, клёпки, ковки и проката. К важным особенностям относятся низкие показатели теплопроводности и электропроводности, которые остаются неизменными даже при высоких температурах.
Титан проявляет парамагнитные свойства: не намагничивается в магнитном поле, подобно никелю и железу, и не выталкивается, как серебро и золото. Его плохие антифрикционные свойства обусловлены налипанием на многие материалы. Уникальны показатели коррозионной стойкости и сопротивления механическому воздействию: пластины из титана, десять лет пролежавшие на дне моря, не претерпят изменений внешнего вида и состава, а железо за это время разложится полностью.
Химические свойства
Высокая коррозийная стойкость объясняется тем, что в нормальных условиях на поверхности металла присутствует оксидная плёнка. Однако в виде порошка, тонкой стружки или проволоки он способен самовоспламеняться и взрываться. Титан устойчив к водным растворам хлора и многим разбавленным щелочам и кислотам, кроме плавиковой, ортофосфорной и серной. Сварку и плавку производят в вакууме, потому что при даже незначительном нагреве проявляется одно из главных свойств титана — активное поглощение газов окружающей атмосферы.
Реакция с водородом, которая начинается при 60 °C, обратима, полученные гидриды при нагревании снова разлагаются. На воздухе при температуре 1200 °C титан пылает ярким белым пламенем, и только он способен гореть в атмосфере азота при температуре выше 400 °C с образованием нитридов. Для взаимодействия с галогенами необходимыми условиями являются отсутствие влаги и наличие катализатора — высокой температуры. При реакции с углеродом получается сверхтвёрдый карбид. С большинством металлов титан образует высокопрочные конструкционные или жаростойкие сплавы и интерметаллические соединения, часто применяется в качестве важного легирующего компонента.
Способ получения из сырья
Исходное сырьё — двуокись титана, содержащая мало посторонних примесей. Для этого нужен рутиловый концентрат, получаемый обогащением руды. Но его мировые запасы невелики, и чаще применяют титановый шлак (синтетический рутил), который получают термической обработкой — обогащением ильменитовых концентратов в электродуговой печи. В результате железо в виде чугуна собирается на дне специальной ванны, и остаётся порошок серого цвета — шлак, содержащий оксид титана. Его измельчают, смешивают с углём, брикетируют и хлорируют в печах, где при 800 °C в присутствии углерода образуются пары четырёххлористого титана.
Потом их очищают и в специальных реакторах восстанавливают магнием при 950 °C. На стенках образуется спёкшаяся пористая масса, титановая губка, которую для сепарации от соединений магния прокаливают в вакууме. Чтобы изготовить слитки титана используют плавку полученной губки в вакуумно-дуговых печах. Это предохраняет металл от окисления и способствует окончательному освобождению от примесей. Готовые слитки с чистотой до 99,7% используют для обработки давлением (прокатка, штамповка, ковка).
Основные сферы применения
Сложно описать все области жизни, где нашлось место титану, но среди основных направлений можно отметить:
Главные потребители — аэрокосмическая отрасль и ракетостроение. Высокая температура плавления и лёгкость являются неоценимыми преимуществами титана при использовании в качестве «летающего» конструкционного материала. Для самолёта, например, это элероны и лонжероны, поворотные узлы крыльев, трубопроводы и шпангоуты. Глубоко символично, что в 1980 году установленный в Москве памятник Ю. А. Гагарину сделан из этого космического металла.- Судостроение тоже нуждается в лёгких и коррозионно-стойких материалах. В конце 70-х годов ХХ века практически весь годовой объем выпуска титана в Советском Союзе пошёл на создание ядерной подводной лодки, где он служил основным конструкционным материалом. Результатом стали снижение на одну треть веса субмарины, её парамагнетизм, максимальные показатели глубины погружения и скорости под водой.
- Титановые пластины применяют в бронежилетах. Вес лёгкого бронежилета — 4 кг, тяжёлого — 10,5 кг. Даже одна такая полоса толщиной всего 5 мм надёжно защищает от пистолетных и ружейных пуль.
- Металл незаменим для нужд химической промышленности ввиду антикоррозийной стойкости в большинстве агрессивных сред и при высоких температурах: приборы и трубопроводы, ёмкости хранения и перегонки, фильтры и запорная арматура.
- Для придания сталям твёрдости и жаропрочности его используют как легирующую добавку.
- Сплавы титана служат для изготовления режущих и хирургических инструментов, ювелирных изделий. Металл не отторгается человеческим телом, поэтому его применяют в медицине для создания имплантатов.
Издавна здания в европейских городах покрывались цинковыми листами. В ХХ веке для этих нужд был создан экологически чистый и долговечный материал цинк-титан. Его отличная пластичность помогает изготавливать кровли практически всех контуров и формировать любые нестандартные конструкции фасадов.- Производство стройматериалов, красок, резины, пластмасс, бумаги и пищевых добавок трудно представить без соединений титана. Они востребованы в электротехнике, их можно найти в составе тугоплавких стёкол и керамических деталей, в опорах буровых платформ, работающих в экстремальных морских условиях, и корпусах домашних компьютеров.
Сфера применения титана постоянно расширяется, её сдерживают сложность и энергоёмкость процесса получения чистого вещества. Отчасти поэтому традиционные железо и алюминий сегодня ещё прочно удерживают позиции. Титан — дорогое удовольствие. Цена металла в виде концентрата в сотни раз меньше стоимости готовой продукции, например, листового проката. Сегодня такие расходы доступны далеко не всем, поэтому применение титана определяет уровень экономического развития и обороноспособности государства.
