Eterno, misterioso, cosmico, materiale del futuro - tutti questi e molti altri epiteti sono assegnati al titanio in varie fonti. La storia della scoperta di questo metallo non è stata banale: allo stesso tempo, diversi scienziati hanno lavorato per isolare l'elemento nella sua forma pura. Il processo di studio delle proprietà fisiche, chimiche e di determinazione delle aree di applicazione non è stato completato fino ad oggi. Il titanio è il metallo del futuro, il suo posto nella vita umana non è stato ancora determinato, il che offre ai ricercatori moderni un ampio spazio per la creatività e la ricerca scientifica.
Caratteristica
L'elemento chimico titanio (Titanio) è indicato nella tavola periodica di D. I. Mendeleev dal simbolo Ti. Si trova nel sottogruppo secondario del gruppo IV del quarto periodo e ha il numero di serie 22. La sostanza semplice il titanio è un metallo bianco-argento, leggero e resistente. La configurazione elettronica di un atomo ha la seguente struttura: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Di conseguenza, il titanio ha diversi possibili stati di ossidazione: 2,3, 4, nei composti più stabili è tetravalente.
Titanio: lega o metallo?
Questa domanda interessa a molti. Nel 1910 il chimico americano Hunter ottenne il primo titanio puro. Il metallo conteneva solo l'1% di impurità, ma allo stesso tempo la sua quantità si è rivelata trascurabile e non ha permesso di studiarne ulteriormente le proprietà. La plasticità della sostanza ottenuta è stata raggiunta solo sotto l'influenza di temperature elevate; in condizioni normali (temperatura ambiente), il campione era troppo fragile. In re altà, questo elemento non interessava gli scienziati, poiché le prospettive per il suo utilizzo sembravano troppo incerte. La difficoltà di reperimento e ricerca ha ulteriormente ridotto il potenziale per la sua applicazione. Solo nel 1925, i chimici olandesi I. de Boer e A. Van Arkel ricevettero il titanio, le cui proprietà attirarono l'attenzione di ingegneri e designer di tutto il mondo. La storia dello studio di questo elemento inizia nel 1790, esattamente in questo momento, in parallelo, indipendentemente l'uno dall' altro, due scienziati scoprono il titanio come elemento chimico. Ognuno di loro riceve un composto (ossido) di una sostanza, non riuscendo a isolare il metallo nella sua forma pura. Lo scopritore del titanio è il monaco mineralogista inglese William Gregor. Nel territorio della sua parrocchia, situata nella parte sud-occidentale dell'Inghilterra, il giovane scienziato iniziò a studiare la sabbia nera della Menaken Valley. Il risultato degli esperimenti con un magnete è stato il rilascio di grani lucidi, che erano un composto di titanio. Allo stesso tempo in Germania, il chimico Martin Heinrich Klaproth isolò una nuova sostanza dal mineralerutilo. Nel 1797 dimostrò anche che gli elementi aperti in parallelo sono simili. Il biossido di titanio è stato un mistero per molti chimici per più di un secolo e nemmeno Berzelius è stato in grado di ottenere metallo puro. Le ultime tecnologie del 20° secolo hanno notevolmente accelerato il processo di studio dell'elemento menzionato e determinato le indicazioni iniziali per il suo utilizzo. Allo stesso tempo, l'ambito di applicazione è in continua espansione. Solo la complessità del processo per ottenere una sostanza come il titanio puro può limitarne la portata. Il prezzo delle leghe e del metallo è piuttosto alto, quindi oggi non può sostituire il ferro e l'alluminio tradizionali.
Origine del nome
Menakin - il primo nome per il titanio, utilizzato fino al 1795. Così, per appartenenza territoriale, W. Gregor chiamava l'elemento nuovo. Martin Klaproth dà all'elemento il nome di "titanio" nel 1797. In questo momento, i suoi colleghi francesi, guidati da un chimico abbastanza rispettabile A. L. Lavoisier, proposero di nominare le sostanze appena scoperte in base alle loro proprietà di base. Lo scienziato tedesco non era d'accordo con questo approccio, credeva abbastanza ragionevolmente che nella fase della scoperta fosse piuttosto difficile determinare tutte le caratteristiche inerenti a una sostanza e rifletterle nel nome. Tuttavia, va riconosciuto che il termine scelto intuitivamente da Klaproth corrisponde pienamente al metallo - questo è stato ripetutamente sottolineato dagli scienziati moderni. Ci sono due teorie principali sull'origine del nome titanio. Il metallo potrebbe essere designato così in onore della regina degli elfi Titania(personaggio della mitologia germanica). Questo nome simboleggia sia la leggerezza che la forza della sostanza. La maggior parte degli scienziati è incline a utilizzare la versione dell'uso dell'antica mitologia greca, in cui i potenti figli della dea della terra Gaia erano chiamati titani. Anche il nome dell'elemento scoperto in precedenza, l'uranio, parla a favore di questa versione.
Essere nella natura
Dei metalli tecnicamente preziosi per l'uomo, il titanio è il quarto più abbondante nella crosta terrestre. Solo ferro, magnesio e alluminio sono caratterizzati da una grande percentuale in natura. Il contenuto più alto di titanio si nota nella conchiglia di bas alto, leggermente inferiore nello strato di granito. Nell'acqua di mare, il contenuto di questa sostanza è basso - circa 0,001 mg / l. L'elemento chimico titanio è abbastanza attivo, quindi non può essere trovato nella sua forma pura. Molto spesso, è presente nei composti con ossigeno, mentre ha una valenza di quattro. Il numero di minerali contenenti titanio varia da 63 a 75 (in varie fonti), mentre allo stato attuale della ricerca, gli scienziati continuano a scoprire nuove forme dei suoi composti. Per l'uso pratico, i seguenti minerali sono della massima importanza:
- Ilmenite (FeTiO3).
- Rutile (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskite (CaTiO3).
- Titanomagnetite (FeTiO3+Fe3O4) ecc.
Tutti i minerali esistenti contenenti titanio sono suddivisi inalluvionale e basilare. Questo elemento è un migratore debole, può viaggiare solo sotto forma di frammenti rocciosi o rocce di fondo limose in movimento. Nella biosfera, la maggior quantità di titanio si trova nelle alghe. Nei rappresentanti della fauna terrestre, l'elemento si accumula nei tessuti cornei, i capelli. Il corpo umano è caratterizzato dalla presenza di titanio nella milza, nelle ghiandole surrenali, nella placenta, nella tiroide.
Proprietà fisiche
Il titanio è un metallo non ferroso con un colore bianco argenteo che sembra acciaio. Ad una temperatura di 0 0C, la sua densità è 4,517 g/cm3. La sostanza ha un basso peso specifico, tipico dei metalli alcalini (cadmio, sodio, litio, cesio). In termini di densità, il titanio occupa una posizione intermedia tra ferro e alluminio, mentre le sue prestazioni sono superiori a quelle di entrambi gli elementi. Le principali proprietà dei metalli che vengono prese in considerazione quando si determina l'ambito della loro applicazione sono la resistenza allo snervamento e la durezza. Il titanio è 12 volte più resistente dell'alluminio, 4 volte più resistente del ferro e del rame, pur essendo molto più leggero. La plasticità di una sostanza pura e il suo limite di snervamento consentono di lavorare a basse e alte temperature, come nel caso di altri metalli, cioè per rivettatura, forgiatura, saldatura, rullatura. Una caratteristica distintiva del titanio è la sua bassa conduttività termica ed elettrica, mentre queste proprietà sono conservate a temperature elevate, fino a 500 0С. In un campo magnetico, il titanio è un elemento paramagnetico, non lo èè attratto come il ferro e non è espulso come il rame. Le prestazioni anticorrosione molto elevate in ambienti aggressivi e sotto stress meccanico sono uniche. Più di 10 anni di permanenza in acqua di mare non hanno cambiato l'aspetto e la composizione della placca in titanio. Il ferro in questo caso verrebbe completamente distrutto dalla corrosione.
Proprietà termodinamiche del titanio
- La densità (in condizioni normali) è 4,54 g/cm3.
- Il numero atomico è 22.
- Gruppo metallico - refrattario, leggero.
- La massa atomica del titanio è 47.0.
- Punto di ebollizione (0С) – 3260.
- Volume molare cm3/mol – 10, 6.
- Punto di fusione del titanio (0С) – 1668.
- Calore specifico di vaporizzazione (kJ/mol) – 422, 6.
- Resistenza elettrica (a 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Proprietà chimiche
La maggiore resistenza alla corrosione dell'elemento è dovuta alla formazione di un piccolo film di ossido sulla superficie. Impedisce (in condizioni normali) reazioni chimiche con i gas (ossigeno, idrogeno) nell'atmosfera circostante di un elemento come il metallo titanio. Le sue proprietà cambiano sotto l'influenza della temperatura. Quando sale a 600 0С, si verifica una reazione di interazione con l'ossigeno, che porta alla formazione di ossido di titanio (TiO2). Nel caso di assorbimento dei gas atmosferici si formano composti fragili che non hanno alcuna applicazione pratica, motivo per cui la saldatura e la fusione del titanio vengono eseguite in condizioni di vuoto. reazione reversibileè il processo di dissoluzione dell'idrogeno nel metallo, avviene più attivamente con un aumento della temperatura (da 400 0С e oltre). Il titanio, in particolare le sue piccole particelle (piastra sottile o filo), brucia in atmosfera di azoto. Una reazione chimica di interazione è possibile solo a una temperatura di 700 0С, con conseguente formazione di nitruro di TiN. Forma leghe altamente dure con molti metalli, spesso come elemento di lega. Reagisce con gli alogeni (cromo, bromo, iodio) solo in presenza di un catalizzatore (alta temperatura) e soggetto ad interazione con una sostanza secca. In questo caso si formano leghe refrattarie molto dure. Con le soluzioni della maggior parte degli alcali e degli acidi, il titanio è chimicamente inattivo, ad eccezione del solforico concentrato (con ebollizione prolungata), fluoridrico, organico caldo (formico, ossalico).
Depositi
I minerali di ilmenite sono i più comuni in natura: le loro riserve sono stimate in 800 milioni di tonnellate. I depositi di rutilo sono molto più modesti, ma il volume totale - pur mantenendo la crescita della produzione - dovrebbe fornire all'umanità per i prossimi 120 anni un metallo come il titanio. Il prezzo del prodotto finito dipenderà dalla domanda e dall'aumento del livello di producibilità, ma in media varia da 1200 a 1800 rubli/kg. In condizioni di costante miglioramento tecnico, il costo di tutti i processi produttivi viene notevolmente ridotto con il loro tempestivo ammodernamento. La Cina e la Russia hanno le maggiori riserve di minerali di titanio, oltre che di mineraliGiappone, Sud Africa, Australia, Kazakistan, India, Corea del Sud, Ucraina, Ceylon hanno una base di materie prime. I giacimenti differiscono per il volume di produzione e la percentuale di titanio nel minerale, sono in corso indagini geologiche, il che consente di ipotizzare una diminuzione del valore di mercato del metallo e un suo più ampio utilizzo. La Russia è di gran lunga il più grande produttore di titanio.
Ricevi
Per la produzione del titanio, viene spesso utilizzato il biossido di titanio, contenente una quantità minima di impurità. Si ottiene per arricchimento di concentrati di ilmenite o minerali di rutilo. Nel forno elettrico ad arco avviene il trattamento termico del minerale, che è accompagnato dalla separazione del ferro e dalla formazione di scorie contenenti ossido di titanio. Il metodo del solfato o del cloruro viene utilizzato per elaborare la frazione priva di ferro. L'ossido di titanio è una polvere grigia (vedi foto). Il titanio metallico è ottenuto dalla sua lavorazione a fasi.
La prima fase è il processo di sinterizzazione delle scorie con coke e l'esposizione ai vapori di cloro. Il risultante TiCl4 viene ridotto con magnesio o sodio se esposto a una temperatura di 850 0C. La spugna di titanio (massa fusa porosa), ottenuta a seguito di una reazione chimica, viene raffinata o fusa in lingotti. A seconda dell'ulteriore direzione di utilizzo, si forma una lega o un metallo puro (le impurità vengono rimosse riscaldando a 1000 0С). Per la produzione di una sostanza con un contenuto di impurità dello 0,01%, viene utilizzato il metodo dello ioduro. Si basa sul processoevaporazione da spugna di titanio pretrattata con alogeno, suoi vapori.
Aree di applicazione
Il punto di fusione del titanio è piuttosto elevato, il che, data la leggerezza del metallo, è un vantaggio inestimabile nell'utilizzarlo come materiale strutturale. Pertanto, trova la più grande applicazione nella costruzione navale, nell'industria aeronautica, nella produzione di razzi e nelle industrie chimiche. Il titanio è abbastanza spesso usato come additivo legante in varie leghe, che hanno caratteristiche di durezza e resistenza al calore aumentate. Le elevate proprietà anticorrosive e la capacità di resistere agli ambienti più aggressivi rendono questo metallo indispensabile per l'industria chimica. Il titanio (le sue leghe) viene utilizzato per realizzare condutture, serbatoi, valvole, filtri utilizzati nella distillazione e nel trasporto di acidi e altre sostanze chimicamente attive. È richiesto durante la creazione di dispositivi che funzionano in condizioni di indicatori di temperatura elevata. I composti di titanio vengono utilizzati per realizzare utensili da taglio durevoli, vernici, plastica e carta, strumenti chirurgici, impianti, gioielli, materiali di finitura e vengono utilizzati nell'industria alimentare. Tutte le direzioni sono difficili da descrivere. La medicina moderna, a causa della completa sicurezza biologica, utilizza spesso il metallo di titanio. Il prezzo è l'unico fattore che finora incide sull'ampiezza di applicazione di questo elemento. È giusto dire che il titanio è il materiale del futuro, studiando quale umanità passeràa una nuova fase di sviluppo.
