Die Struktur des Titanatoms. Titan ist Metall. Eigenschaften von Titan. Anwendung von Titan. Marken und chemische Zusammensetzung von Titan Aus welchen Elementen besteht Titan?

DEFINITION

Titan- das zweiundzwanzigste Element des Periodensystems. Bezeichnung - Ti vom lateinischen „Titan“. Befindet sich in der vierten Periode, IVB-Gruppe. Bezieht sich auf Metalle. Die Atomladung beträgt 22.

Titan kommt in der Natur sehr häufig vor; Titangehalt in Erdkruste beträgt 0,6 % (Masse), d.h. höher als der Gehalt an in der Technik weit verbreiteten Metallen wie Kupfer, Blei und Zink.

Als einfacher Stoff ist Titan ein silberweißes Metall (Abb. 1). Bezieht sich auf Leichtmetalle. Feuerfest. Dichte – 4,50 g/cm 3 . Der Schmelz- und Siedepunkt liegen bei 1668 °C bzw. 3330 °C. Korrosionsbeständig, wenn es Luft bei normaler Temperatur ausgesetzt wird, was durch das Vorhandensein eines Schutzfilms aus TiO 2 -Zusammensetzung auf seiner Oberfläche erklärt wird.

Reis. 1. Titan. Aussehen.

Atom- und Molekulargewicht von Titan

Relatives Molekulargewicht einer Substanz(M r) ist eine Zahl, die angibt, wie oft die Masse eines bestimmten Moleküls größer als 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms ist, und relative Atommasse eines Elements(A r) – wie oft die durchschnittliche Masse der Atome eines chemischen Elements größer als 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms ist.

Da Titan im freien Zustand in Form einatomiger Ti-Moleküle vorliegt, stimmen die Werte seiner Atom- und Molekülmassen überein. Sie betragen 47,867.

Isotope von Titan

Es ist bekannt, dass Titan in der Natur in Form der fünf stabilen Isotope 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti und 50Ti vorkommen kann. Ihre Massenzahlen betragen 46, 47, 48, 49 bzw. 50. Der Atomkern des Titanisotops 46 Ti enthält zweiundzwanzig Protonen und vierundzwanzig Neutronen, die übrigen Isotope unterscheiden sich davon nur durch die Anzahl der Neutronen.

Es gibt künstliche Titanisotope mit Massenzahlen von 38 bis 64, von denen 44 Ti mit einer Halbwertszeit von 60 Jahren das stabilste ist, sowie zwei Kernisotope.

Titanionen

Auf dem äußeren Energieniveau des Titanatoms befinden sich vier Valenzelektronen:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 .

Durch chemische Wechselwirkung gibt Titan seine Valenzelektronen ab, d.h. ist ihr Donor und verwandelt sich in ein positiv geladenes Ion:

Ti 0 -2e → Ti 2+;

Ti 0 -3e → Ti 3+;

Ti 0 -4e → Ti 4+ .

Titanmolekül und -atom

Im freien Zustand liegt Titan in Form einatomiger Ti-Moleküle vor. Hier sind einige Eigenschaften, die das Atom und Molekül von Titan charakterisieren:

Titanlegierungen

Die Haupteigenschaft von Titan, die zu seiner weiten Verbreitung in der modernen Technik beiträgt, ist die hohe Hitzebeständigkeit sowohl des Titans selbst als auch seiner Legierungen mit Aluminium und anderen Metallen. Darüber hinaus zeichnen sich diese Legierungen durch ihre Hitzebeständigkeit aus – eine Beständigkeit zur Aufrechterhaltung hoher mechanischer Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen. All dies macht Titanlegierungen zu sehr wertvollen Materialien für den Flugzeug- und Raketenbau.

Bei hohe Temperaturen Titan verbindet sich mit Halogenen, Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff und anderen Elementen. Dies ist die Grundlage für den Einsatz von Titanlegierungen mit Eisen (Ferrotittan) als Zusatz zu Stahl.

Beispiele für Problemlösungen

BEISPIEL 1

BEISPIEL 2

Titan wurde ursprünglich vom britischen Chemiker Reverend William Gregor „Gregorit“ genannt, der es 1791 entdeckte. Titan wurde dann 1793 unabhängig vom deutschen Chemiker M. H. Klaproth entdeckt. Er nannte ihn einen Titanen zu Ehren der Titanen aus der griechischen Mythologie – „die Verkörperung natürlicher Stärke“. Erst 1797 entdeckte Klaproth, dass es sich bei seinem Titan um ein zuvor von Gregor entdecktes Element handelte.

Eigenschaften und Eigenschaften

Titan ist ein chemisches Element mit dem Symbol Ti und der Ordnungszahl 22. Es ist ein glänzendes Metall mit silbriger Farbe, geringer Dichte und hoher Festigkeit. Es ist korrosionsbeständig Meerwasser und Chlor.

Element trifft in einer Reihe von Mineralvorkommen, hauptsächlich Rutil und Ilmenit, die in der Erdkruste und Lithosphäre weit verbreitet sind.

Titan wird zur Herstellung starker Leichtmetalllegierungen verwendet. Die beiden nützlichsten Eigenschaften eines Metalls sind Korrosionsbeständigkeit und ein Verhältnis von Härte zu Dichte, das höchste aller metallischen Elemente. Im unlegierten Zustand ist dieses Metall genauso fest wie manche Stähle, aber weniger dicht.

Physikalische Eigenschaften von Metall

Es ist ein starkes Metall mit geringer Dichte, eher duktil (besonders in anoxischer Umgebung), brillantes und metalloides Weiß. Sein relativ hoher Schmelzpunkt von über 1650 °C (oder 3000 °F) macht es zu einem nützlichen feuerfesten Metall. Es ist paramagnetisch und hat eine eher geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit.

Auf der Mohs-Skala beträgt die Härte von Titan 6. Nach diesem Indikator ist es gehärtetem Stahl und Wolfram etwas unterlegen.

Handelsüblich reines (99,2 %) Titan hat eine Zugfestigkeit von etwa 434 MPa, was mit herkömmlichen minderwertigen Stahllegierungen übereinstimmt, Titan ist jedoch viel leichter.

Chemische Eigenschaften von Titan

Titan und seine Legierungen oxidieren wie Aluminium und Magnesium sofort, wenn sie Luft ausgesetzt werden. Bei bestimmten Temperaturen reagiert es langsam mit Wasser und Luft Umfeld, weil es eine passive Oxidschicht bildet Dies schützt das Metall vor weiterer Oxidation.

Die atmosphärische Passivierung verleiht Titan eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, die fast der von Platin entspricht. Titan widersteht dem Angriff verdünnter Schwefel- und Salzsäure, Chloridlösungen und den meisten organischen Säuren.

Titan ist eines der wenigen Elemente, das in reinem Stickstoff verbrennt und bei 800 °C (1470 °F) zu Titannitrid reagiert. Aufgrund ihrer hohen Reaktivität mit Sauerstoff, Stickstoff und einigen anderen Gasen werden Titanfilamente in Titansublimationspumpen als Absorber für diese Gase verwendet. Diese Pumpen sind kostengünstig und erzeugen zuverlässig extrem niedrige Drücke in UHV-Systemen.

Übliche titanhaltige Mineralien sind Anatas, Brookit, Ilmenit, Perowskit, Rutil und Titanit (Sphen). Von diesen Mineralien ist nur Rutil und Ilmenit haben wirtschaftliche Bedeutung, aber selbst diese sind in hohen Konzentrationen schwer zu finden.

Titan kommt in Meteoriten vor und wurde in der Sonne und in Sternen vom Typ M mit einer Oberflächentemperatur von 3200 °C (5790 °F) gefunden.

Die derzeit bekannten Methoden zur Gewinnung von Titan aus verschiedenen Erzen sind aufwendig und teuer.

Produktion und Fertigung

Derzeit sind etwa 50 Sorten Titan und Titanlegierungen entwickelt und werden verwendet. Bisher sind 31 Klassen von Titanmetallen und -legierungen anerkannt, von denen die Klassen 1–4 kommerziell rein (unlegiert) sind. Ihre Zugfestigkeit variiert je nach Sauerstoffgehalt, wobei Klasse 1 die duktilste ist (geringste Zugfestigkeit bei 0,18 % Sauerstoff) und Klasse 4 die am wenigsten duktile (höchste Zugfestigkeit bei 0,40 % Sauerstoff).

Die übrigen Klassen sind Legierungen, von denen jede spezifische Eigenschaften aufweist:

• Plastik;
• Stärke;
• Härte;
• elektrischer Wiederstand;
• spezifische Korrosionsbeständigkeit und deren Kombinationen.

Zusätzlich zu diesen Spezifikationen werden Titanlegierungen auch hergestellt, um Anforderungen der Luft- und Raumfahrt und des Militärs (SAE-AMS, MIL-T), ISO-Standards und länderspezifischen Spezifikationen sowie Endbenutzeranforderungen für Luft- und Raumfahrt-, Militär-, Medizin- und Industrieanwendungen zu erfüllen.

Ein technisch reines Flachprodukt (Blech, Platte) lässt sich leicht umformen, bei der Verarbeitung muss jedoch berücksichtigt werden, dass das Metall ein „Gedächtnis“ und eine Tendenz zur Rückkehr aufweist. Dies gilt insbesondere für einige hochfeste Legierungen.

Titan wird häufig zur Herstellung von Legierungen verwendet:

• mit Aluminium;
• mit Vanadium;
• mit Kupfer (zum Härten);
• mit Eisen;
• mit Mangan;
• mit Molybdän und anderen Metallen.

Einsatzgebiete

Titanlegierungen in Form von Blechen, Platten, Stäben, Drähten und Gussstücken finden Anwendung in der Industrie, in der Luft- und Raumfahrt, im Freizeitbereich und in Schwellenländern. Pulverisiertes Titan wird in der Pyrotechnik als Quelle hell brennender Partikel verwendet.

Da Titanlegierungen ein hohes Verhältnis von Zugfestigkeit zu Dichte, eine hohe Korrosionsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, eine hohe Rissbeständigkeit und die Fähigkeit aufweisen, mäßig hohen Temperaturen standzuhalten, werden sie in Flugzeugen, Panzerungen, Schiffen, Raumfahrzeugen und Raketen verwendet.

Für diese Anwendungen wird Titan mit Aluminium, Zirkonium, Nickel, Vanadium und anderen Elementen legiert, um eine Vielzahl von Komponenten herzustellen, darunter kritische Strukturelemente, Brandschutzwände, Fahrwerke, Auspuffrohre (Hubschrauber) und Hydrauliksysteme. Tatsächlich werden etwa zwei Drittel des produzierten Titanmetalls in Flugzeugtriebwerken und -rahmen verwendet.

Da Titanlegierungen korrosionsbeständig sind Meerwasser Sie werden zur Herstellung von Propellerwellen, Wärmetauscherarmaturen usw. verwendet. Diese Legierungen werden in Gehäusen und Komponenten von Meeresbeobachtungs- und Überwachungsgeräten für Wissenschaft und Militär verwendet.

Spezielle Legierungen werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit in Bohrlöchern und Ölquellen sowie in der Nickel-Hydrometallurgie eingesetzt. Die Zellstoff- und Papierindustrie verwendet Titan in Prozessanlagen, die rauen Umgebungen wie Natriumhypochlorit oder feuchtem Chlorgas (beim Bleichen) ausgesetzt sind. Weitere Anwendungen sind Ultraschallschweißen und Wellenlöten.

Darüber hinaus werden diese Legierungen in Automobilen eingesetzt, insbesondere im Auto- und Motorradrennsport, wo es auf geringes Gewicht, hohe Festigkeit und Steifigkeit ankommt.

Titan wird in vielen Sportartikeln verwendet: Tennisschläger, Golfschläger, Lacrosse-Rollen; Cricket-, Hockey-, Lacrosse- und Football-Helme sowie Fahrradrahmen und -komponenten.

Aufgrund seiner Haltbarkeit ist Titan für Designerschmuck (insbesondere Titanringe) immer beliebter geworden. Aufgrund seiner Trägheit ist es eine gute Wahl für Menschen mit Allergien oder diejenigen, die Schmuck in Umgebungen wie Schwimmbädern tragen. Titan wird auch mit Gold legiert, um eine Legierung herzustellen, die als 24-Karat-Gold verkauft werden kann, da 1 % legiertes Ti nicht ausreicht, um einen niedrigeren Grad zu erfordern. Die resultierende Legierung hat etwa die Härte von 14 Karat Gold und ist fester als reines 24 Karat Gold.

Vorsichtsmaßnahmen

Titan ist selbst in hohen Dosen ungiftig. In Pulverform oder als Metallspäne stellt es eine ernsthafte Brandgefahr und, wenn es an der Luft erhitzt wird, eine Explosionsgefahr dar.

Eigenschaften und Anwendungen von Titanlegierungen

Nachfolgend finden Sie eine Übersicht über die am häufigsten vorkommenden Titanlegierungen, unterteilt in Klassen, ihre Eigenschaften, Vorteile und industriellen Anwendungen.

7. Klasse

Grad 7 entspricht mechanisch und physikalisch dem reinen Titan Grad 2, mit Ausnahme der Zugabe eines Zwischenelements aus Palladium, wodurch es zu einer Legierung wird. Es verfügt über eine hervorragende Schweißbarkeit und Elastizität und bietet die höchste Korrosionsbeständigkeit aller Legierungen dieser Art.

Klasse 7 wird verwendet in Chemische Prozesse und Komponenten von Produktionsanlagen.

Klasse 11

Grad 11 ist Grad 1 sehr ähnlich, mit Ausnahme der Zugabe von Palladium zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit, was es zu einer Legierung macht.

Weitere nützliche Eigenschaften Dazu gehören optimale Duktilität, Festigkeit, Zähigkeit und hervorragende Schweißbarkeit. Diese Legierung kann insbesondere dort eingesetzt werden, wo Korrosion ein Problem darstellt:

• chemische Verarbeitung;
• Produktion von Chloraten;
• Entsalzung;
• Marineanwendungen.

Ti 6Al-4V Klasse 5

Am häufigsten wird die Legierung Ti 6Al-4V oder Titan der Güteklasse 5 verwendet. Es macht 50 % des gesamten Titanverbrauchs weltweit aus.

Die Benutzerfreundlichkeit liegt in den vielen Vorteilen. Ti 6Al-4V kann zur Erhöhung seiner Festigkeit wärmebehandelt werden. Diese Legierung weist eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht auf.

Dies ist die beste Legierung in mehreren Branchen wie die Luft- und Raumfahrt-, Medizin-, Schifffahrts- und chemische Verarbeitungsindustrie. Es kann verwendet werden, um Folgendes zu erstellen:

• Luftfahrtturbinen;
• Motorkomponenten;
• Strukturelemente für Flugzeuge;
• Befestigungselemente für die Luft- und Raumfahrt;
• Hochleistungs-Automatikteile;
• Sportausrüstung.

Ti 6AL-4V ELI Klasse 23

Grad 23 – chirurgisches Titan. Ti 6AL-4V ELI oder Grade 23 ist eine Version von Ti 6Al-4V mit höherer Reinheit. Es kann aus Rollen, Litzen, Drähten oder Flachdrähten hergestellt werden. Das die beste Wahl für alle Situationen, in denen eine Kombination aus hoher Festigkeit, geringem Gewicht, guter Korrosionsbeständigkeit und hoher Zähigkeit erforderlich ist. Es verfügt über eine ausgezeichnete Schadensresistenz.

Aufgrund seiner Biokompatibilität und guten Ermüdungsfestigkeit kann es in biomedizinischen Anwendungen wie implantierbaren Komponenten eingesetzt werden. Es kann auch bei chirurgischen Eingriffen zur Herstellung dieser Konstrukte verwendet werden:

• orthopädische Stifte und Schrauben;
• Klemmen für Ligaturen;
• Chirurgische Klammern;
• Federn;
• Kieferorthopädische Geräte;
• Kryobehälter;
• Knochenfixierungsgeräte.

12. Klasse

Titan der Güteklasse 12 weist eine ausgezeichnete Schweißbarkeit von hoher Qualität auf. Es handelt sich um eine hochfeste Legierung, die bei hohen Temperaturen eine gute Festigkeit bietet. Titan der Güteklasse 12 weist ähnliche Eigenschaften wie rostfreie Stähle der Serie 300 auf.

Seine Fähigkeit, sich auf vielfältige Weise zu formen, macht es für viele Anwendungen nützlich. Die hohe Korrosionsbeständigkeit dieser Legierung macht sie auch für Fertigungsanlagen von unschätzbarem Wert. Klasse 12 kann in folgenden Branchen eingesetzt werden:

• Wärmetauscher;
• hydrometallurgische Anwendungen;
• chemische Produktion bei erhöhter Temperatur;
• See- und Luftkomponenten.

Ti5Al-2,5Sn

Ti 5Al-2,5Sn ist eine Legierung, die eine gute Schweißbarkeit und Stabilität bietet. Es verfügt außerdem über eine hohe Temperaturstabilität und hohe Festigkeit.

Ti 5Al-2,5Sn wird hauptsächlich in der Luftfahrtindustrie sowie in kryogenen Anlagen eingesetzt.

Der Großteil des Titans wird für den Bedarf der Luft- und Raketentechnik sowie des Schiffbaus ausgegeben. Es wird wie Ferrotitan als Legierungszusatz für hochwertige Stähle und als Desoxidationsmittel verwendet. Technisches Titan wird zur Herstellung von Tanks, chemischen Reaktoren, Rohrleitungen, Armaturen, Pumpen, Ventilen und anderen Produkten verwendet, die in aggressiven Umgebungen eingesetzt werden. Gitter und andere Teile von Elektrovakuumgeräten, die bei hohen Temperaturen betrieben werden, bestehen aus kompaktem Titan.

Bei der Verwendung als Strukturwerkstoff liegt Ti an vierter Stelle, gleich hinter Al, Fe und Mg. Titanaluminide sind sehr oxidationsbeständig und hitzebeständig, was wiederum ihre Verwendung in der Luftfahrt- und Automobilindustrie als Strukturwerkstoffe bestimmte. Die biologische Sicherheit dieses Metalls macht es zu einem hervorragenden Material für die Lebensmittelindustrie und die rekonstruktive Chirurgie.

Titan und seine Legierungen werden aufgrund ihrer hohen mechanischen Festigkeit, die auch bei hohen Temperaturen erhalten bleibt, Korrosionsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit, spezifischer Festigkeit, geringer Dichte usw. häufig in der Technik eingesetzt. nützliche Eigenschaften. Die hohen Kosten dieses Metalls und der darauf basierenden Materialien werden in vielen Fällen durch ihre höhere Effizienz ausgeglichen, und in einigen Fällen sind sie der einzige Rohstoff, aus dem Geräte oder Strukturen hergestellt werden können, die unter bestimmten spezifischen Bedingungen funktionieren.

Titanlegierungen spielen eine Rolle große Rolle in der Luftfahrttechnik, wo es um möglichst leichte Bauweise bei gleichzeitig erforderlicher Festigkeit geht. Ti ist im Vergleich zu anderen Metallen leicht, kann aber gleichzeitig bei hohen Temperaturen arbeiten. Ti-basierte Materialien werden zur Herstellung von Haut, Befestigungsteilen, Netzteilen, Fahrgestellteilen und verschiedenen Einheiten verwendet. Diese Materialien werden auch beim Bau von Flugzeugtriebwerken verwendet. Dadurch können Sie ihr Gewicht um 10–25 % reduzieren. Titanlegierungen werden zur Herstellung von Scheiben und Schaufeln von Kompressoren, Teilen von Lufteinlässen und Führungen in Motoren sowie verschiedenen Befestigungselementen verwendet.

Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Raketenwissenschaft. Aufgrund des kurzfristigen Betriebs der Triebwerke und des schnellen Durchgangs dichter Schichten der Atmosphäre werden in der Raketenwissenschaft die Probleme der Dauerfestigkeit, der statischen Lebensdauer und teilweise auch des Kriechens beseitigt.

Für den Einsatz in der Luftfahrt ist technisches Titan aufgrund seiner nicht ausreichend hohen thermischen Festigkeit nicht geeignet, in der chemischen Industrie und im Schiffbau ist es jedoch aufgrund seiner außergewöhnlich hohen Korrosionsbeständigkeit teilweise unverzichtbar. So wird es bei der Herstellung von Kompressoren und Pumpen zur Förderung aggressiver Medien wie Schwefel- und Salzsäure und deren Salze, Rohrleitungen, Absperrventile, Autoklav, verschiedene Behälter, Filter usw. Nur Ti weist Korrosionsbeständigkeit in Umgebungen wie feuchtem Chlor, wässrigen und sauren Chlorlösungen auf, daher werden Geräte für die Chlorindustrie aus diesem Metall hergestellt. Es wird auch zur Herstellung von Wärmetauschern verwendet, die in korrosiven Umgebungen arbeiten, beispielsweise in Salpetersäure (nicht rauchend). Im Schiffbau wird Titan zur Herstellung von Propellern, Schiffspanzern, U-Booten, Torpedos usw. verwendet. An diesem Material haften die Muscheln nicht, was den Widerstand des Gefäßes während seiner Bewegung stark erhöht.

Titanlegierungen sind für den Einsatz in vielen anderen Anwendungen vielversprechend, ihr Einsatz in der Technologie wird jedoch durch die hohen Kosten und die unzureichende Verbreitung dieses Metalls eingeschränkt.

Titanverbindungen werden auch in verschiedenen Branchen häufig eingesetzt. Hartmetall (TiC) hat eine hohe Härte und wird bei der Herstellung von Schneidwerkzeugen und Schleifmaterialien verwendet. Weißes Dioxid (TiO 2 ) wird in Farben (z. B. Titanweiß) sowie bei der Herstellung von Papier und Kunststoffen verwendet. Organotitanverbindungen (z. B. Tetrabutoxytitan) werden als Katalysator und Härter in der Chemie- und Farbenindustrie eingesetzt. Anorganische Ti-Verbindungen werden in der chemischen, elektronischen und Glasfaserindustrie als Zusatzstoff verwendet. Diborid (TiB 2) ist ein wichtiger Bestandteil superharter Metallbearbeitungsmaterialien. Nitrid (TiN) wird zur Beschichtung von Werkzeugen verwendet.

Das Denkmal zu Ehren der Eroberer des Weltraums wurde 1964 in Moskau errichtet. Es dauerte fast sieben Jahre (1958-1964), diesen Obelisken zu entwerfen und zu bauen. Die Autoren mussten nicht nur architektonische und künstlerische, sondern auch technische Probleme lösen. Die erste davon war die Wahl der Materialien, einschließlich der Verkleidung. Nach langen Experimenten entschieden sie sich für auf Hochglanz polierte Titanbleche.

Tatsächlich übertrifft Titan in vielen Eigenschaften und vor allem in der Korrosionsbeständigkeit die große Mehrheit der Metalle und Legierungen. Manchmal (besonders in der Populärliteratur) wird Titan als das ewige Metall bezeichnet. Aber lassen Sie uns zunächst über die Geschichte dieses Elements sprechen.

Oxidiert oder nicht oxidiert?

Bis 1795 hieß Element Nr. 22 „Menakin“. So benannt wurde es 1791 vom englischen Chemiker und Mineralogen William Gregor, der ein neues Element im Mineral Menakanit entdeckte (suchen Sie nicht nach diesem Namen in modernen mineralogischen Nachschlagewerken – Menakanit wurde ebenfalls umbenannt, jetzt heißt es Ilmenit).

Vier Jahre nach Gregors Entdeckung entdeckte der deutsche Chemiker Martin Klaproth ein neues chemisches Element in einem anderen Mineral – Rutil – und nannte es zu Ehren der Elfenkönigin Titania (germanische Mythologie) Titan.

Einer anderen Version zufolge stammt der Name des Elements von den Titanen, den mächtigen Söhnen der Erdgöttin Gaia (griechische Mythologie).

Im Jahr 1797 stellte sich heraus, dass Gregor und Klaproth das gleiche Element entdeckten, und obwohl Gregor dies schon früher getan hatte, etablierte sich der ihm von Klaproth gegebene Name für das neue Element.

Doch weder Gregor noch Klaproth gelang es, das Elementarwesen zu erlangen Titan. Das weiße kristalline Pulver, das sie isolierten, war Titandioxid TiO 2 . Lange Zeit gelang es keinem Chemiker, dieses Oxid zu reduzieren und daraus reines Metall zu isolieren.

Im Jahr 1823 berichtete der englische Wissenschaftler W. Wollaston, dass die Kristalle, die er in den metallurgischen Schlacken des Merthyr-Tydville-Werks entdeckte, nichts anderes als reines Titan seien. Und 33 Jahre später bewies der berühmte deutsche Chemiker F. Wöhler, dass es sich bei diesen Kristallen erneut um eine Titanverbindung handelte, diesmal um ein metallähnliches Carbonitrid.

Viele Jahre lang glaubte man, dass Metall Titan wurde erstmals 1825 von Berzelius gewonnen. bei der Reduktion von Kaliumfluortitanat mit Natriummetall. Wenn man heute jedoch die Eigenschaften von Titan und dem von Berzelius erhaltenen Produkt vergleicht, kann man argumentieren, dass der Präsident der Schwedischen Akademie der Wissenschaften sich geirrt hat, da sich reines Titanabnum (im Gegensatz zu vielen anderen Säuren) schnell in Flusssäure auflöst und Berzelius' metallisches Titan seiner Wirkung erfolgreich widerstand.

Tatsächlich wurde Ti erst 1875 vom russischen Wissenschaftler D. K. Kirillov erstmals gewonnen. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden in seiner Broschüre Research on Titanium veröffentlicht. Doch die Arbeit eines wenig bekannten russischen Wissenschaftlers blieb unbeachtet. Nach weiteren 12 Jahren erhielten Berzelius' Landsleute, die berühmten Chemiker L. Nilsson und O. Peterson, ein ziemlich reines Produkt – etwa 95 % Titan –, indem sie Titantetrachlorid mit Natriummetall in einer hermetischen Stahlbombe reduzierten.

Im Jahr 1895 erhielt der französische Chemiker A. Moissan, indem er Titandioxid mit Kohlenstoff in einem Lichtbogenofen reduzierte und das resultierende Material einer doppelten Raffination unterzog, Titan mit nur 2 % Verunreinigungen, hauptsächlich Kohlenstoff. Schließlich gelang es dem amerikanischen Chemiker M. Hunter im Jahr 1910, nachdem er die Methode von Nilsson und Peterson verbessert hatte, mehrere Gramm Titan mit einer Reinheit von etwa 99 % zu gewinnen. Aus diesem Grund wird in den meisten Büchern Hunter die Priorität bei der Gewinnung von metallischem Titan zugeschrieben und nicht Kirillov, Nilson oder Moissan.

Allerdings sagten weder Hunter noch seine Zeitgenossen eine große Zukunft für den Titanen voraus. Nur wenige Zehntel Prozent der Verunreinigungen waren im Metall enthalten, aber diese Verunreinigungen machten Titan spröde, brüchig und für die Bearbeitung ungeeignet. Daher fanden einige Titanverbindungen früher Anwendung als das Metall selbst. Beispielsweise wurde Ti-Tetrachlorid zunächst häufig verwendet Weltkrieg Nebelwände zu schaffen.

Nr. 22 in der Medizin

1908 begann in den USA und Norwegen die Herstellung von Weiß nicht wie zuvor aus Blei- und Zinkverbindungen, sondern aus Titandioxid. Eine solche Tünche kann eine um ein Vielfaches größere Oberfläche bemalen als die gleiche Menge Blei- oder Zinktünche. Darüber hinaus hat Titanweiß ein höheres Reflexionsvermögen, ist ungiftig und verdunkelt sich nicht unter dem Einfluss von Schwefelwasserstoff. In der medizinischen Literatur wird ein Fall beschrieben, bei dem eine Person jeweils 460 g Titandioxid „eingenommen“ hat! (Ich frage mich, womit er sie verwechselt hat?) Der „Liebhaber“ von Titandioxid verspürte keine schmerzhaften Empfindungen. TiO 2 ist Teil einiger medizinische Präparate, insbesondere Salben gegen Hautkrankheiten.

Allerdings nicht die Medizin, sondern die Farben- und Lackindustrie verbraucht größte Mengen TiO 2 . Die weltweite Produktion dieser Verbindung liegt weit über einer halben Million Tonnen pro Jahr. Emails auf Titandioxidbasis werden häufig als schützende und dekorative Beschichtungen für Metall und Holz im Schiffbau, im Bauwesen und im Maschinenbau eingesetzt. Gleichzeitig wird die Lebensdauer von Strukturen und Teilen deutlich erhöht. Titanweiß wird zum Färben von Stoffen, Leder und anderen Materialien verwendet.

Ti in der Industrie

Titandioxid ist Bestandteil von Porzellanmassen, feuerfesten Gläsern, keramische Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante. Als Füllstoff, der die Festigkeit und Hitzebeständigkeit erhöht, wird es in Gummimischungen eingebracht. Vor diesem Hintergrund erscheinen jedoch alle Vorteile von Titanverbindungen unbedeutend Einzigartige Eigenschaften reines metallisches Titan.

elementares Titan

Im Jahr 1925 erhielten die niederländischen Wissenschaftler van Arkel und de Boer mit der Jodidmethode hochreines Titan – 99,9 % (mehr dazu weiter unten). Im Gegensatz zu dem von Hunter gewonnenen Titan war es plastisch: Es konnte in der Kälte geschmiedet und zu Blechen, Bändern, Drähten und sogar der dünnsten Folie gerollt werden. Aber auch das ist nicht die Hauptsache. Untersuchungen der physikalisch-chemischen Eigenschaften von metallischem Titan führten zu nahezu fantastischen Ergebnissen. Es stellte sich beispielsweise heraus, dass Titan, da es fast doppelt so leicht ist wie Eisen (die Dichte von Titan beträgt 4,5 g/cm3), viele Stähle in der Festigkeit übertrifft. Auch der Vergleich mit Aluminium fiel zugunsten von Titan aus: Titan ist nur eineinhalb Mal schwerer als Aluminium, aber sechsmal stärker und behält vor allem seine Festigkeit bei Temperaturen bis 500 °C (und unter Zusatz von Legierungselementen bis 650 °C), während die Festigkeit von Aluminium- und Magnesiumlegierungen bereits bei 300 °C stark abnimmt.

Titan weist außerdem eine erhebliche Härte auf: Es ist 12-mal härter als Aluminium und 4-mal härter als Eisen und Kupfer. Ein weiteres wichtiges Merkmal eines Metalls ist seine Streckgrenze. Je höher es ist, desto besser widerstehen die Teile dieses Metalls den Betriebsbelastungen und desto länger behalten sie ihre Form und Größe. Die Streckgrenze von Titan ist fast 18-mal höher als die von Aluminium.

Im Gegensatz zu den meisten Metallen weist Titan einen erheblichen elektrischen Widerstand auf: Wenn die elektrische Leitfähigkeit von Silber mit 100 angenommen wird, beträgt die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer 94, von Aluminium 60, von Eisen und Platin 15 und von Titan nur 3,8. Dass diese Eigenschaft ebenso wie die nichtmagnetische Natur von Titan für die Funkelektronik und Elektrotechnik von Interesse ist, bedarf kaum einer Erklärung.

Bemerkenswerte Korrosionsbeständigkeit von Titan. Auf einer Platte aus diesem Metall waren nach 10 Jahren im Meerwasser keine Anzeichen von Korrosion zu erkennen. Die Hauptrotoren moderner schwerer Hubschrauber bestehen aus Titanlegierungen. Auch Ruder, Querruder und einige andere kritische Teile von Überschallflugzeugen bestehen aus diesen Legierungen. In vielen chemischen Industrien findet man heute ganze Apparate und Kolonnen aus Titan.

Wie wird Titan gewonnen?

Der Preis – das ist es, was die Produktion und den Verbrauch von Titan noch bremst. Tatsächlich sind die hohen Kosten kein angeborener Defekt des Titans. Davon gibt es viel in der Erdkruste – 0,63 %. Der immer noch hohe Preis für Titan ist eine Folge der schwierigen Gewinnung aus Erzen. Dies erklärt sich aus der hohen Affinität von Titan zu vielen Elementen und der Stärke der chemischen Bindungen in seinen natürlichen Verbindungen. Daher die Komplexität der Technologie. So sieht das Magnesium-thermische Verfahren zur Titanherstellung aus, das 1940 vom amerikanischen Wissenschaftler V. Kroll entwickelt wurde.

Titandioxid wird mit Chlor (in Gegenwart von Kohlenstoff) in Titantetrachlorid umgewandelt:

HO 2 + C + 2CI 2 → HCI 4 + CO 2.

Der Prozess findet in elektrischen Schachtöfen bei 800-1250°C statt. Eine weitere Möglichkeit ist die Chlorierung in der Schmelze der Alkalimetallsalze NaCl und KCl. Der nächste (ebenso wichtige und zeitaufwändige) Arbeitsgang ist die Reinigung von TiCl 4 verschiedene Wege und Substanzen. Titantetrachlorid ist unter normalen Bedingungen eine Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von 136 °C.

Die Bindung von Titan lässt sich mit Chlor leichter aufbrechen als mit Sauerstoff. Dies kann mit Magnesium durch die Reaktion erfolgen

TiCl 4 + 2Mg → T + 2MgCl 2 .

Diese Reaktion findet in Stahlreaktoren bei 900 °C statt. Das Ergebnis ist ein sogenannter Titanschwamm, der mit Magnesium und Magnesiumchlorid imprägniert ist. Sie werden in einer geschlossenen Vakuumapparatur bei 950 °C verdampft und der Titanschwamm anschließend zu einem kompakten Metall gesintert oder geschmolzen.

Das natriumthermische Verfahren zur Gewinnung von metallischem Titan unterscheidet sich grundsätzlich nicht wesentlich vom Magnesium-thermischen Verfahren. Diese beiden Methoden werden in der Industrie am häufigsten eingesetzt. Um reineres Titan zu erhalten, wird noch immer die von van Arkel und de Boer vorgeschlagene Jodidmethode verwendet. Der metallotherme Titanschwamm wird in TiI 4 -Iodid umgewandelt, das dann im Vakuum sublimiert wird. Auf ihrem Weg trifft der Dampf von Titaniodid auf einen auf 1400 °C erhitzten Titandraht. In diesem Fall zersetzt sich das Jodid und auf dem Draht wächst eine Schicht aus reinem Titan. Diese Methode der Titanproduktion ist ineffizient und teuer und wird daher in der Industrie nur sehr begrenzt eingesetzt.

Trotz der Arbeits- und Energieintensität der Titanproduktion hat sie sich bereits zu einem der wichtigsten Teilsektoren der Nichteisenmetallurgie entwickelt. Die weltweite Titanproduktion entwickelt sich sehr schnell. Dies lässt sich bereits anhand der fragmentarischen Informationen beurteilen, die gedruckt werden.

Es ist bekannt, dass 1948 weltweit nur 2 Tonnen Titan geschmolzen wurden und nach 9 Jahren bereits 20.000 Tonnen. Dies bedeutet, dass 1957 20.000 Tonnen Titan auf alle Länder entfielen und 1980 nur die USA verbrauchten. 24,4 Tausend Tonnen Titan... In jüngerer Zeit galt Titan offenbar als seltenes Metall – heute ist es das wichtigste Strukturmaterial. Dies lässt sich nur durch eines erklären: eine seltene Kombination der nützlichen Eigenschaften von Element Nr. 22. Und natürlich durch die Bedürfnisse der Technologie.

Die Rolle von Titan als Strukturwerkstoff, Grundlage hochfester Legierungen für die Luftfahrt, den Schiffbau und die Raketentechnik, nimmt rasant zu. Es handelt sich um Legierungen Großes kommt Teil des weltweit geschmolzenen Titans. Eine weithin bekannte Legierung für die Luftfahrtindustrie, bestehend aus 90 % Titan, 6 % Aluminium und 4 % Vanadium. 1976 berichtete die amerikanische Presse über eine neue Legierung für denselben Zweck: 85 % Titan, 10 % Vanadium, 3 % Aluminium und 2 % Eisen. Es wird behauptet, dass diese Legierung nicht nur besser, sondern auch wirtschaftlicher sei.

Im Allgemeinen enthalten Titanlegierungen viele Elemente, bis hin zu Platin und Palladium. Letztere (in einer Menge von 0,1–0,2 %) erhöhen die ohnehin hohe chemische Beständigkeit von Titanlegierungen.

Die Festigkeit von Titan wird auch durch „Legierungszusätze“ wie Stickstoff und Sauerstoff erhöht. Doch zusammen mit der Festigkeit erhöhen sie die Härte und vor allem die Sprödigkeit von Titan, weshalb ihr Gehalt streng reguliert ist: In der Legierung dürfen nicht mehr als 0,15 % Sauerstoff und 0,05 % Stickstoff enthalten sein.

Obwohl Titan teuer ist, erweist sich der Ersatz durch günstigere Materialien in vielen Fällen als wirtschaftlich sinnvoll. Hier ist ein typisches Beispiel. Das Gehäuse eines chemischen Apparats aus Edelstahl kostet 150 Rubel und aus einer Titanlegierung 600 Rubel. Gleichzeitig hält ein Stahlreaktor jedoch nur 6 Monate und ein Titanreaktor 10 Jahre. Wenn man die Kosten für den Austausch von Stahlreaktoren und die erzwungenen Ausfallzeiten der Ausrüstung hinzufügt, wird deutlich, dass die Verwendung von teurem Titan rentabler sein kann als die von Stahl.

In der Metallurgie werden erhebliche Mengen Titan verwendet. Es gibt Hunderte von Stählen und anderen Legierungen, die Titan als Legierungszusatz enthalten. Es wird eingeführt, um die Struktur von Metallen zu verbessern und die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen.

Einige Kernreaktionen müssen in einem nahezu absoluten Vakuum stattfinden. Mit Quecksilberpumpen kann die Verdünnung auf mehrere Milliardstel Atmosphäre gebracht werden. Aber das reicht nicht aus, und Quecksilberpumpen können nicht mehr. Das weitere Pumpen der Luft erfolgt durch spezielle Titanpumpen. Darüber hinaus, um eine noch stärkere Verdünnung zu erreichen Innenfläche Die Reaktionskammern versprühen fein verteiltes Titan.

Titan wird oft als das Metall der Zukunft bezeichnet. Die Tatsachen, über die Wissenschaft und Technik bereits verfügen, überzeugen uns, dass dies nicht ganz stimmt – Titan ist bereits zum Metall der Gegenwart geworden.

Perowskit und Sphen. Ilmenit – Eisenmetatitanat FeTiO 3 – enthält 52,65 % TiO 2. Der Name dieses Minerals ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass es im Ural im Ilmensky-Gebirge gefunden wurde. Die größten Seifenerzeuger von Ilmenit-Sanden kommen in Indien vor. Ein weiteres wichtiges Mineral, Rutil, ist Titandioxid. Von industrieller Bedeutung sind auch Titanomagnetite – eine natürliche Mischung aus Ilmenit und Eisenmineralien. In der UdSSR, den USA, Indien, Norwegen, Kanada, Australien und anderen Ländern gibt es reiche Vorkommen an Titanerzen. Vor nicht allzu langer Zeit entdeckten Geologen in der nördlichen Baikalregion ein neues titanhaltiges Mineral, das zu Ehren des sowjetischen Physikers Akademiker L. D. Landau Landauit genannt wurde. Insgesamt für der Globus Es sind mehr als 150 bedeutende Erz- und Seifenvorkommen von Titan bekannt.

Titan (lat. Titan; abgekürzt mit dem Symbol Ti) ist ein Element einer sekundären Nebengruppe der vierten Gruppe, der vierten Periode des Periodensystems der chemischen Elemente, mit der Ordnungszahl 22. Der einfache Stoff Titan (CAS-Nummer: 7440-32-6) ist ein helles silberweißes Metall.

Geschichte

Die Entdeckung von TiO 2 erfolgte nahezu gleichzeitig und unabhängig voneinander durch den Engländer W. Gregor und den deutschen Chemiker M. G. Klaproth. W. Gregor, der die Zusammensetzung von magnetischem Eisensand untersuchte (Creed, Cornwall, England, 1789), isolierte eine neue „Erde“ (Oxid) eines unbekannten Metalls, die er Menaken nannte. 1795 entdeckte der deutsche Chemiker Klaproth ein neues Element im Mineral Rutil und nannte es Titan. Zwei Jahre später stellte Klaproth fest, dass Rutil und Menakenerde Oxide desselben Elements sind, hinter denen der von Klaproth vorgeschlagene Name „Titan“ verblieb. Nach 10 Jahren erfolgte die Entdeckung von Titan zum dritten Mal. Der französische Wissenschaftler L. Vauquelin entdeckte Titan in Anatas und bewies, dass Rutil und Anatas identische Titanoxide sind.
Die erste Probe metallischen Titans wurde 1825 von J. Ya. Berzelius erhalten. Aufgrund der hohen chemischen Aktivität von Titan und der Komplexität seiner Reinigung erhielten die Niederländer A. van Arkel und I. de Boer 1925 eine reine Ti-Probe durch thermische Zersetzung von Titaniodid-TiI 4 -Dampf.

Herkunft des Namens

Das Metall erhielt seinen Namen zu Ehren der Titanen, den Figuren der antiken griechischen Mythologie, den Kindern von Gaia. Der Name des Elements wurde von Martin Klaproth in Übereinstimmung mit seinen Ansichten zur chemischen Nomenklatur vergeben, im Gegensatz zur französischen Schule der Chemie, wo man versuchte, das Element nach seinen chemischen Eigenschaften zu benennen. Da der deutsche Forscher selbst feststellte, dass es unmöglich sei, die Eigenschaften eines neuen Elements nur anhand seines Oxids zu bestimmen, wählte er einen Namen dafür aus der Mythologie, in Anlehnung an das von ihm zuvor entdeckte Uran.
Einer anderen Version zufolge, die Ende der 1980er Jahre in der Zeitschrift Tekhnika-Molodezhi veröffentlicht wurde, verdankt das neu entdeckte Metall seinen Namen jedoch nicht den mächtigen Titanen aus antiken griechischen Mythen, sondern Titania, der Königin der Feen in der germanischen Mythologie (Oberons Frau in Shakespeares Sommernachtstraum). Dieser Name wird mit der außergewöhnlichen „Leichtigkeit“ (geringe Dichte) des Metalls in Verbindung gebracht.

Erhalt

Ausgangsmaterial für die Herstellung von Titan und seinen Verbindungen ist in der Regel Titandioxid mit relativ geringen Verunreinigungen. Insbesondere kann es sich um ein Rutilkonzentrat handeln, das bei der Aufbereitung von Titanerzen anfällt. Allerdings sind die Rutilreserven weltweit sehr begrenzt und häufiger wird der sogenannte synthetische Rutil oder Titanschlacke verwendet, der bei der Verarbeitung von Ilmenitkonzentraten anfällt. Um Titanschlacke zu gewinnen, wird Ilmenitkonzentrat in einem Elektrolichtbogenofen reduziert, während Eisen in eine Metallphase (Gusseisen) getrennt wird und nicht reduzierte Titanoxide und Verunreinigungen eine Schlackenphase bilden. Reiche Schlacke wird nach der Chlorid- oder Schwefelsäuremethode verarbeitet.
Das Konzentrat aus Titanerzen wird einer Schwefelsäure- oder pyrometallurgischen Verarbeitung unterzogen. Das Produkt der Schwefelsäurebehandlung ist Titandioxidpulver TiO 2 . Bei der pyrometallurgischen Methode wird das Erz mit Koks gesintert und mit Chlor behandelt, wodurch ein Paar Titantetrachlorid TiCl 4 entsteht:
TiO 2 + 2C + 2Cl 2 \u003d TiCl 2 + 2CO

Die bei 850 °C entstehenden TiCl 4 -Dämpfe werden mit Magnesium reduziert:
TiCl 4 + 2Mg = 2MgCl 2 + Ti

Der resultierende Titan-„Schwamm“ wird eingeschmolzen und gereinigt. Titan wird durch die Jodidmethode oder durch Elektrolyse raffiniert, wobei Ti von TiCl 4 getrennt wird. Um Titanbarren zu erhalten, wird Lichtbogen-, Elektronenstrahl- oder Plasmabearbeitung eingesetzt.

Physikalische Eigenschaften

Titan ist ein helles, silberweißes Metall. Es existiert in zwei kristallinen Modifikationen: α-Ti mit einem hexagonal dicht gepackten Gitter, β-Ti mit einer kubisch-raumzentrierten Packung, die Temperatur der polymorphen Umwandlung α↔β beträgt 883 °C.
Es hat eine hohe Viskosität und neigt bei der Bearbeitung dazu, am Schneidwerkzeug festzukleben. Daher ist das Aufbringen spezieller Beschichtungen auf das Werkzeug und verschiedene Schmiermittel erforderlich.
Bei normaler Temperatur ist es mit einem schützenden Passivierungsfilm aus TiO 2 -Oxid bedeckt, wodurch es in den meisten Umgebungen (außer alkalisch) korrosionsbeständig ist.
Titanstaub neigt zur Explosion. Flammpunkt 400 °C. Titanspäne sind brennbar.