Titanium | ||||
---|---|---|---|---|
← Scandium | Vanadium → | ||||
| ||||
Udseende af et simpelt stof | ||||
Kerne bestående af titanium krystaller af høj renhed | ||||
Atom egenskaber | ||||
Navn, symbol, nummer | Titan / Titanium (Ti), 22 | |||
Gruppe , punktum , blok |
14 (ortodokse 4), 4, D-element |
|||
Atommasse ( molær masse ) |
47.867(1) [1] a. e. m. ( g / mol ) | |||
Elektronisk konfiguration |
[Ar ] 3D 2 4s 2 1s 2s 2p 6 3s 2 3p 6 3D 2 4s 2 |
|||
Atomradius | 147 kl | |||
Kemiske egenskaber | ||||
kovalent radius | 132 kl | |||
Ion radius | (+4e)68 (+2e)94 kl | |||
Elektronegativitet | 1,54 (Pauling-skala) | |||
Elektrodepotentiale | −1,63 | |||
Oxidationstilstande | +2, +3, +4 | |||
Ioniseringsenergi (første elektron) |
657,8 (6,8281 [2] ) kJ / mol ( eV ) | |||
Termodynamiske egenskaber af et simpelt stof | ||||
Tæthed ( i.a. ) | 4,54 g/cm³ | |||
Smeltetemperatur |
1670 °C 1943 K |
|||
Kogetemperatur | 3560K _ | |||
Oud. fusionsvarme | 18,8 kJ/mol | |||
Oud. fordampningsvarme | 422,6 kJ/mol | |||
Molær varmekapacitet | 25,1 [3] J/(K mol) | |||
Molært volumen | 10,6 cm³ / mol | |||
Krystalgitteret af et simpelt stof | ||||
Gitterstruktur |
Sekskantet tætpakket (α-ti) |
|||
Gitterparametre | a=2,951 c=4,697 (α-Ti) | |||
c / a -forhold | 1.587 | |||
Debye temperatur | 380K _ | |||
Andre egenskaber | ||||
Varmeledningsevne | (300 K) 21,9 W/(m K) | |||
CAS nummer | 7440-32-6 |
22 | Titanium |
Ti47.867 | |
3d 2 4s 2 |
Titanium ( kemisk symbol - Ti , fra lat. Ti tanium ) - et kemisk grundstof af den 14. gruppe (ifølge den forældede klassifikation - en sideundergruppe af den fjerde gruppe, IVB), den fjerde periode af det periodiske system af kemiske elementer af D. I. Mendeleev , med atomnummer 22.
Det simple stof titanium er et let , sølvhvidt overgangsmetal . Har høj korrosionsbestandighed .
Opdagelsen af titaniumdioxid (TiO 2 ) blev gjort næsten samtidigt og uafhængigt af englænderen W. Gregor og den tyske kemiker M. G. Klaproth . W. Gregor, der studerede sammensætningen af magnetisk jernholdigt sand (Creed, Cornwall, England, 1791 ), isolerede en ny "jord" ( oxid ) af et ukendt metal, som han kaldte menaken. I 1795 opdagede den tyske kemiker Klaproth et nyt grundstof i mineralet rutil og kaldte det titanium. To år senere fastslog Klaproth, at rutil og menakenjord er oxider af det samme grundstof, bag hvilket navnet "titanium", foreslået af Klaproth, forblev. Efter 10 år fandt opdagelsen af titanium sted for tredje gang: Den franske videnskabsmand L. Vauquelin opdagede titanium i anatase og beviste, at rutil og anatase er identiske titaniumoxider.
Den første prøve af metallisk titanium blev opnået i 1825 af svenskeren J. Ya. Berzelius . På grund af titaniums høje kemiske aktivitet og vanskeligheden ved at rense det, modtog hollænderne A. van Arkel og I. de Bro i 1925 den termiske nedbrydning af Titan Titan 4 4 damp Titan 4 .
Titan fandt ikke industriel brug, før luxembourgeren Wilhelm Kroll patenterede en simpel magnesium-termisk metode i 1940 til at reducere metallisk titanium fra tetrachlorid ; denne metode ( Kroll-proces) Indtil nu er det stadig en af de vigtigste i den industrielle modtagelse af titanium.
Metal fik sit navn til ære for titanerne , karakterer fra oldgræsk mytologi, børn af homoseksuelle . Grundstoffets navn blev givet af Martin Claprot i overensstemmelse med hans syn på den kemiske nomenklatur i modsætning til den franske kemiske skole, hvor man forsøgte at kalde grundstoffet efter dets kemiske egenskaber. Da den tyske forsker selv bemærkede umuligheden af at bestemme egenskaberne af et nyt grundstof kun i henhold til hans oxid, hentede han et navn fra mytologien til ham i analogi med hans tidligere opdagede uran .
Titanium er det 9. mest udbredte i naturen. Indhold i jordskorpen - 0,57 vægt%, i havvand - 0,001 mg/l [4] . Det forekommer ikke i fri form. Op til 30 % TiO 2 efter vægt akkumuleres i nogle lertyper. Der kendes mere end 100 mineraler indeholdende titanium.
Store oprindelige forekomster af titanium er placeret på territoriet i Sydafrika , Rusland , Canada , USA , Kina , Norge , Sverige , Egypten , Australien , Indien , Sydkorea , Kasakhstan ; Strømforekomster er tilgængelige i Brasilien , Indien, USA, Sierra Leone , Australien [3] [5] . I SNG-landene er den førende plads i de udforskede reserver af titaniummalm besat af Den Russiske Føderation (58,5 %) og Ukraine (40,2 %) [6] . Den største forekomst i Rusland er Yaregskoye .
Grundlæggende malme : ilmenit (FeTiO 3 ), rutil (TiO 2 ), titanit (CaTiSiO 5 ).
Fra 2002 blev 90 % af udvundet titanium brugt til produktion af titaniumdioxid TiO 2 . Verdensproduktionen af titaniumdioxid var 4,5 millioner tons om året. Bekræftede reserver af titaniumdioxid (uden Rusland) er omkring 800 millioner tons. I 2006, ifølge US Geological Survey, hvad angår titaniumdioxid og eksklusive Rusland, beløber sig reserverne af ilmenitmalme til 603-673 millioner tons, og rutil - 49,7- 52,7 millioner tons [7] . Således vil verdens dokumenterede reserver af titanium (eksklusive Rusland) med den nuværende produktionshastighed være nok i mere end 150 år.
Rusland har verdens næststørste reserver af titanium efter Kina. Mineralressourcebasen af titanium i Rusland består af 20 forekomster (hvoraf 11 er primære og 9 er alluviale), nogenlunde jævnt spredt over hele landet. Den største af de udforskede aflejringer (Yaregskoye) ligger 25 km fra byen Ukhta (Komi-republikken). Forekomstens reserver er anslået til 2 milliarder tons malm med et gennemsnitligt indhold af titaniumdioxid på omkring 10 % [8] .
Verdens største titaniumproducent er det russiske firma VSMPO Avisma .
Titanium er et let, sølvhvidt metal . Ved normalt tryk eksisterer det i to krystallinske modifikationer: lavtemperatur α - Ti med et hexagonalt tætpakket gitter ( hexagonal syngony , rumgruppe C 6 mmc , celleparametre a = 0,2953 nm , c = 0,4729 nm , Z = 2 ) og højtemperatur β -Ti med kubisk kropscentreret pakning ( kubisk syngoni , rumgruppe Im 3 m , celleparametre a = 0,3269 nm , Z = 2 ), overgangstemperatur α↔β 883 °C, overgangsvarme Δ H = 3,8 kJ/mol [3] (87,4 kJ/kg [9] ). De fleste metaller, når de er opløst i titanium, stabiliserer β -fasen og reducerer overgangstemperaturen α↔β [3] . Ved tryk over 9 GPa og temperaturer over 900 °C passerer titanium over i den hexagonale fase ( ω -Ti) [9] . Densiteten af α- Ti og β- Ti er henholdsvis 4,505 g/cm³ (ved 20°C) og 4,32 g/cm³ (ved 900°C) [3] . Atomtætheden af α-titanium er 5,67⋅10 22 at/cm³ [10] [11] .
Smeltepunktet for titan ved normalt tryk er 1670 ± 2 °C eller 1943 ± 2 K (taget som et af de sekundære kalibreringspunkter på ITS-90 temperaturskalaen) [2] . Kogepunkt 3287 °C [2] . Ved en tilstrækkelig lav temperatur (-80 °C) [2] bliver titanium ret skørt. Molær varmekapacitet under normale forhold C p = 25,060 kJ/(mol·K), hvilket svarer til en specifik varmekapacitet på 0,523 kJ/(kg·K) [2] . Fusionsvarmen er 15 kJ/mol [9] , fordampningsvarmen er 410 kJ/mol [9] . Den karakteristiske Debye-temperatur er 430 K [9] . Termisk ledningsevne 21,9 W/(m K) ved 20 °C [9] . Molær entropi af α -titan S 0 = 30,7 kJ/(mol·K) [2] . For titanium i gasfasen er dannelsesentalpien Δ H
0f _= 473,0 kJ/mol, Gibbs energi Δ G
0f _= 428,4 kJ/mol, molær entropi S 0 = 180,3 kJ/(mol K), varmekapacitet ved konstant tryk C p = 24,4 kJ/(mol K) [2]
Den specifikke elektriske modstand ved 20 °C er 0,58 μ Ohm m [9] (ifølge andre kilder, 0,42 μ Ohm m [3] ), ved 800 °C 1,80 μ Ohm m [3] . Modstandens temperaturkoefficient er 0,003 K −1 i området 0–20 °C [9] .
Plast, svejset i en inert atmosfære. Styrkeegenskaber er lidt afhængige af temperatur, men er meget afhængige af renhed og forbehandling [3] . For teknisk titanium er Vickers hårdhed 790-800 MPa, normal elasticitetsmodulet er 103 GPa, og forskydningsmodulet er 39,2 GPa [9] . Højrent titanium forglødet i vakuum har en flydespænding på 140-170 MPa, en relativ forlængelse på 55-70% og en Brinell-hårdhed på 175 MPa [3] .
Det har en høj viskositet, under bearbejdning er det tilbøjeligt til at klæbe til skæreværktøjet, og derfor er det nødvendigt at påføre specielle belægninger på værktøjet, forskellige smøremidler .
Ved normal temperatur er den dækket af en beskyttende passiverende film af TiO 2 oxid , på grund af hvilken den er korrosionsbestandig i de fleste miljøer (undtagen alkaliske).
Overgangstemperaturen til den superledende tilstand er 0,387 K. Ved temperaturer over 73 K er titanium paramagnetisk . Den magnetiske modtagelighed ved 20 °C er 3,2·10 −6 [3] . Hall-konstanten for α -titanium er lig med +1,82·10 −13 [3] .
Titanisotoper er kendt med massetal fra 38 til 63 (antallet af protoner er 22, neutroner fra 16 til 41) og 2 nukleare isomerer .
Naturligt titanium består af en blanding af fem stabile isotoper: 46 Ti ( isotopoverflod 7,95%), 47 Ti (7,75%), 48 Ti (73,45%), 49 Ti (5,51%), 50 Ti (5,34%).
Blandt kunstige isotoper er den længstlevende 44 Ti ( halveringstid 60 år) og 45 Ti (halveringstid 184 minutter).
Modstandsdygtig over for korrosion på grund af oxidfilmen , men når det knuses til pulver, såvel som i tynde spåner eller tråd, er titan pyrofor [3] . Titanium støv har en tendens til at eksplodere. Flammepunkt - 400 °C. Titaniumspåner er brandfarlige.
Titanium er modstandsdygtigt over for fortyndede opløsninger af mange syrer og baser (undtagen HF , H 3 PO 4 og koncentreret H 2 SO 4 ). Titanium er modstandsdygtigt over for vådt klor og vandige kloropløsninger [2] .
Reagerer let selv med svage syrer i nærværelse af kompleksdannende midler, for eksempel interagerer det med flussyre HF på grund af dannelsen af den komplekse anion [TiF 6 ] 2− . Titanium er mest modtageligt for korrosion i organiske medier, da der i nærvær af vand dannes en tæt passiv film af oxider og titaniumhydrid på overfladen af et titaniumprodukt.
TiO(OH) 2 - hydroxid xH2O og TiO2 - dioxid er amfotere .
TiO 2 interagerer med svovlsyre under langvarig kogning. Når det smeltes sammen med soda Na 2 CO 3 eller kaliumchlorid K 2 CO 3 , danner TiO 2 oxid titanater:
Ved opvarmning interagerer Ti med halogener (for eksempel med klor ved 550 °C [2] ).
Ti interagerer med Br 2 og I 2 .
Med nitrogen N 2 over 400 °C danner titan nitridet TiN x (x = 0,58–1,00). Titanium er det eneste grundstof, der brænder i en nitrogenatmosfære [2] .
Når titanium interagerer med kulstof , dannes titaniumcarbid TiC x (x = 0,49-1,00).
Ved opvarmning nedbrydes disse hydrider med frigivelse af H 2 .
Titanium danner legeringer og intermetalliske forbindelser med mange metaller.
Som regel er udgangsmaterialet til fremstilling af titanium og dets forbindelser titaniumdioxid med en relativt lille mængde urenheder. Det kan især være et rutilkoncentrat opnået under udvinding af titaniummalme. Rutilreserver i verden er dog meget begrænsede, og den såkaldte syntetiske rutil- eller titaniumslagge , opnået under forarbejdning af ilmenitkoncentrater , bruges oftere. For at opnå titaniumslagge reduceres ilmenitkoncentrat i en lysbueovn, mens jern separeres i en metalfase ( støbejern ), og ureducerede titaniumoxider og urenheder danner en slaggefase. Rig slagge behandles ved chlorid- eller svovlsyremetoden.
Koncentratet af titaniummalme udsættes for svovlsyre eller pyrometallurgisk behandling. Produktet af svovlsyrebehandling er titaniumdioxidpulver TiO 2 . Ved hjælp af den pyrometallurgiske metode sintres malmen med koks og behandles med klor , hvorved der opnås et par titantetrachlorid TiCl 4 :
TiCl 4 -dampe dannet ved 850°C reduceres med magnesium :
Derudover begynder den såkaldte FFC Cambridge-proces, opkaldt efter dens udviklere Derek Frey, Tom Farthing og George Chen fra University of Cambridge , hvor den blev oprettet , nu at vinde popularitet . Denne elektrokemiske proces muliggør direkte kontinuerlig reduktion af titanium fra oxid i en smelteblanding af calciumchlorid og brændt kalk (calciumoxid). Denne proces bruger et elektrolytisk bad fyldt med en blanding af calciumchlorid og kalk, med en grafitofferanode (eller neutral) og en katode lavet af et oxid, der skal reduceres. Når en strøm ledes gennem badet, når temperaturen hurtigt ~1000-1100 °C, og calciumoxidsmelten nedbrydes ved anoden til oxygen og metallisk calcium :
Den resulterende oxygen oxiderer anoden (i tilfælde af brug af grafit), og calcium migrerer i smelten til katoden, hvor det genopretter titanium fra dets oxid:
Det resulterende calciumoxid dissocieres igen til oxygen og metallisk calcium, og processen gentages indtil den fuldstændige omdannelse af katoden til en titansvamp eller udtømning af calciumoxid. Calciumchlorid i denne proces bruges som en elektrolyt til at bibringe elektrisk ledningsevne til smeltningen og mobiliteten af aktive calcium- og oxygenioner. Ved brug af en inert anode (f.eks. tindioxid ) frigives der i stedet for kuldioxid molekylær oxygen ved anoden, hvilket forurener miljøet mindre, men processen bliver i dette tilfælde mindre stabil, og desuden under visse forhold. , bliver nedbrydningen af klorid mere energisk gunstig, Og ikke calciumoxid, hvilket fører til frigivelse af molekylært klor .
Den resulterende titanium "svamp" smeltes og renses. De raffinerer titan i iodid eller elektrolyse og frigiver Ti fra TICL 4 . For at opnå titanium barrer anvendes lysbue, elektronstråle eller plasmabehandling.
Brugen af metallisk titanium i mange industrier skyldes, at dets styrke er omtrent lig med stål, på trods af at det er 45 % lettere. Titanium er 60 % tungere end aluminium, men dets styrke er cirka dobbelt så meget. [2] .
Der er mange titanlegeringer med forskellige metaller. Legeringselementer er opdelt i tre grupper, afhængigt af deres effekt på temperaturen af polymorf transformation: beta-stabilisatorer, alfa-stabilisatorer og neutrale hærdere. Førstnævnte sænker transformationstemperaturen, sidstnævnte øger den, og sidstnævnte påvirker den ikke, men fører til opløsningshærdning af matrixen. Eksempler på alfa-stabilisatorer: aluminium , oxygen , kulstof , nitrogen . Beta-stabilisatorer: molybdæn , vanadium, jern , krom , nikkel . Neutrale hærdere: zirconium, tin, silicium. Beta-stabilisatorer er til gengæld opdelt i beta-isomorfe og beta-eutektoiddannende.
Den mest almindelige titanlegering er Ti-6Al-4V- legeringen (i den russiske klassifikation - VT6), der indeholder omkring 6% aluminium og omkring 4% vanadium . Ifølge forholdet mellem krystallinske faser er det klassificeret som en (α + β) legering. Dets produktion tegner sig for op til 50 % af det producerede titanium [3] .
Ferrotitanium (titanium-jernlegering indeholdende 18-25% titanium) bruges i jernmetallurgi til at deoxidere stål og fjerne uønskede urenheder (svovl, nitrogen, oxygen) opløst i det [3] .
I 1980'erne blev omkring 60-65% af det titanium, der blev produceret i verden, brugt til konstruktion af fly og raketter, 15% - i kemiteknik, 10% - i energisektoren, 8% - til konstruktion af skibe og til afsaltning af vand [3] .
I 2005 offentliggjorde Titanium Corporation følgende skøn over det globale titaniumforbrug:
Prisen på titanium er $ 5,9-6,0 per kilogram, afhængig af renhed [15] .
Renheden og kvaliteten af ru titanium ( titanium svamp ) bestemmes normalt af dets hårdhed, som afhænger af indholdet af urenheder.
Titanium anses for at være fysiologisk inert, hvorfor det bruges i proteser som et metal i direkte kontakt med kropsvæv. Titanstøv kan dog være kræftfremkaldende [2] . Som nævnt ovenfor bruges titanium også i tandplejen. Et karakteristisk træk ved brugen af titanium ligger ikke kun i styrke, men også i selve metallets evne til at smelte sammen med knogler , hvilket gør det muligt at sikre tandbasens kvasi-fasthed.
Ordbøger og encyklopædier |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Periodisk system af kemiske elementer af D. I. Mendeleev | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Elektrokemisk aktivitet serie af metaller | |
---|---|
Eu , Sm , Li , Cs , Rb , K , Ra , Ba , Sr , Ca , Na , Ac , La , Ce , Pr , Nd , Pm , Gd , Tb , Mg , Y , Dy , Am , Ho , Er , Tm , Lu , Sc , Pu , |