Титан (елемент)

от Уикипедия, свободната енциклопедия

Направо към: навигация, търсене
Емблема за пояснителна страница Вижте пояснителната страница за други значения на Титан.

Титанът е химически елемент с означение Ti в периодичната таблица и атомно число 22. Температурата на топене е 1668°C. Плътността е 4,5 g/cm³. Титанът е лек, як, блестящ, устойчив на корозия (вкл. устойчив към морска вода и хлор) преходен метал с бял сребрист метален цвят. Титанът се използва за яки леки сплави (най-често с желязо и алуминий) и най-често срещаното му съединение, титановият диоксид, се използва в бели багрила. Този метал е един от най-здравите, а може би най-здравият метал на Земята[източник?].

Титанът е бил открит в Англия от Уилям Грегор и наречен така от Мартин Хайнрих Клапрот на Титаните от гръцката митология. Елементът се намира в състава на много минерални съединения, основно рутил и илменит, които са често срещани в земната кора и литосфера и може да се намери в почти всички живи организми, скали, водни басейни и соли. Металът се добива от рудата в която природно се среща, основно чрез два процеса – “Крол” и “Хънтър”. Най-често срещаното съединение на титана – титанов двуокис служи за производство на бял пигмент. Други съединения, като титанов тетрахлорид (TiCl4) се използва при производството на димки и при оформянето на фигури от дим в небето във въздушната акробатика и като катализатор. Титановият трихлорид (TiCl3) се използва като катализатор при производството на полипропилен. Двете най-използвани свойства на титана са неговата устойчивост на корозия и високото съотношение здравина/тежест (най-високото спрямо всички останали метали). В чист вид без примеси титанът има здравината на някои стомани, но е с 45% по-лек от тях. Съществуват две алотропни форми и пет естествени изотопа на елемента – от 46Ti до 50Ti, като най-често срещан е 48Ti (73,8%). Химическите и физичните свойства на титана са много сходни с тези на циркония.

Титановите минерали са доста разпространени, затова титанът е седмият най-разпространен метал в земната кора (0.4%) след алуминия (8.13%), желязото (5%), калция (3.63%), натрия (2.83%), калия (2.59% )и магнезия (2.09%), но засега само задоволително големи количества са на разположение в инженерството. В чисто състояние титанът е сребристо-бял блестящ метал. Металът има ниска плътност, добра здравина, лесно се произвежда и има отлична корозионна устойчивост. Гори във въздушна среда и е единстеният елемент, който гори в азотна среда. Забележителен е и във фойерверките. Непрекъснатият стремеж към по-добра ефективност включващ работа при по-високи температури, налягания и скорости, заедно с необходимостта в някой приложения за пълна надежност на съоръженията е причината за нарастващата употреба на титана в много сфери на индустрията и осигуряването му за бъдещето.

Съдържание

[редактиране] История

Титанът е бил открит в минерал в Корнуол, Англия през 1791 г. от начинаещия геолог пастор Уилям Грегор. Той е видял наличието на непознат дотогава елемент в минерала илменит, когато е открил черен пясък близо до поток и забелязал, че пясъкът реагира на магнитно поле. Анализа на пясъка показал наличието на два метални окиса: железен окис (обяснявайки реакцията към магнита) и 45,25% бял металически окис, който той не успява да разпознае. Грегор, осъзнавайки че непознатия окис съдържа метал, неотговарящ на свойствата на никой от познатите елементи съобщава за откритието си на Кралското Геологическо Общество в Корнуол и на германското научно списание Crell’s Annalen. Приблизително по същото време Франц Йозеф Мюлер достига до подобна субстанция и не успява да я разпознае. Същия окис е открит от германския химик Мартин Хаинрих Клапрот независимо от другите през 1795 в рутил, добит в Унгария. Клапрот установил, че окисът съдържа нов елемент и го кръщава на титаните от гръцката митология. След като разбира за по-ранното откритие на Грегор, той се сдобива с проба от манаканит и потвърждава, че тя съдържа титан. Чист титан (99,9%) е добит за пръв път през 1910г. от Матю А. Хънтър, чрез загряване на TiCl4 с натрий в стоманен котел при 700-800оС чрез процеса “Хънтър”. Все пак титанът не е бил употребяван извън лаборатория до 1946 г., когато Уилям Джъстинк Крол доказва, че е възможно производството му с търговска цел чрез редуциране на титановия тетрахлорид с магнезий. Този процес по-късно е наречен “Процес на Крол”. Въпреки че в последствие са открити по-ефикасни и евтини процеси за производство, “Процесът на Крол” все още се използва при масовото производство на титан. Титан с много висока чистота но в малки количества е бил добит, когато Антон Едуард ван Аркел и Жан Хендрик де Боер откриват “йодния процес” през 1925, предизвиквайки реакция с йод и разделяйки получените в процеса изпарения. Между 1950 – 1960 г. в Съветския съюз за първи път се използва титанът за военни цели, като част от проекти, свързани със Студената война (основно строеж на подводници и самолети). В САЩ, Министерството на отбраната осъзнавайки стратегическата важност на метала насърчава в ранен стадий производството му за търговски цели. По време на Студената война той е бил считан за стратегическа суровина от правителството и големи количества от него са били съхранявани в Националния резерв на САЩ, като количествата събрани там са били окончателно изчерпани през 2005 г. Днес най-големия производител на титан е руската фирма ВСМПО-Ависима, която държи приблизително 29% от световния пазар на метала. През 2006, МО на САЩ финансира с $5,7 милиона консорциум от две компании за да разработят процес за преработка на титан в метален прах. В такава форма след нагряване и високо налягане прахът може да се използва за изработката на много здрави и леки изделия, като различни брони, компоненти за въздухоплавателната и транспортната сфера а също така и за различни процеси в химическата промишленост.


[редактиране] Ключови свойства

Плътността на титана - 4.51g.cm-3 e по средата между тази на леките сплави, базирани на алуминий и магнезий и тези базирани на желязо и никел. В сплав той запазва полезна здравина при температури значително по-високи от тези считани за безопасни за повечето конвенционални леки сплави и оттук следва, че е привлекателен метал за приложения изискващи голяма специфична здравина при температури от отицателни до 600°C. Сплавите, достъпни в момента, издържат на сила на опън до около 1400 MPa, което е сравнимо с много от качествените конструкционни стомани. Друга важна характеристика на титана е неговата устойчивост на корозия в голям диапазон от природни и химически среди, особено на корозивни язви и счупване поради корозионно въздействие. Комбинацията от голяма здравина, ниска плътност и корозионна устойчивост са причините, които водят до нарастващата употреба на титана през последните 40 години, в разнообразни индустрии като аерокосмическата, химическата, нефтопреработващата, близките до сушата петрол и природен газ, производството на електроенергия, обезсоляването, общото инженерство и медицината. Той вече не се счита за нов метал или необикновен такъв, използван единствено в аерокосмическите приложения, а просто е един материал с високи експлоатационни качества достъпен за конструкторите.

[редактиране] Физични характеристики

Титанът е лек и здрав метал с много високо съотношение между здравина и тегло, с ниска плътност и доста ковък (особено в безкислородна среда). Титанът, произвеждан за търговски цели (99,2% чистота) е с якост на опън около 63 000 psi (434 MPa), което е съпоставимо с това на някои стомани, но теглото на метала е с 45% по-ниско. Титанът е с 60% по-тежък от алуминия, но два пъти по-здрав. Някои определени титанови сплави (напр. Beta C) достигат здравина на опън 200 000 psi (1380 MPa). Трябва да се има в предвид, че титания губи част от якостните си характеристики при загряване над 430оС. Титанът е сравнително твърд (макар и не колкото някои видове термообработени стомани), не се намагнитва и е слаб проводник на топлина и електричество. Подобно на стоманените изделия, тези произведени от титан имат висок праг на умора на метала, което гарантира дълготрайната им употреба. При този метал се наблюдава диморфна алотропия. При стайна температура той е с хексагонална кристална решетка, която се променя в обемно-центрирана кубична при температури над 882оС. По подобие на циркония и хафния, титания може да премине към трети вид кристална решетка, която при високи налягания е термодинамично стабилна. Тя може да бъде хексагонална или тригонална.

Атомен символ - Ti

Атомен номер - 22

Атомна маса - 47.867

Плътност - 4.507 g.cm-3

Скорост на звука - 4140 m.s-1

Коеф. на Юнг - 116 Gpa

[редактиране] Химически характеристики

Основната отличителна черта на титана е превъзходната му устойчивост на корозии, която е почти толкова висока както на платината, и е способен да устои на въздействие от киселини, хлорни изпарения и солни разтвори. Чистия титан не е разтворим във вода, но е разтворим в някои концентрирани киселини. Той образува пасивен и защитен окисен слой (който води до корозоустойчивостта) при излагането му на високи температури във въздушна среда. При стайна температура не потъмнява. При формирането на материала защитния слой е с дебелина едва 1-2 nm, но продължава да расте постепенно, достигайки 25 nm за четири години. Титанът гори във въздушна среда ако е загрят до 1200 оС и в кислородна среда при 610 оС. Също така той е сред малкото елементи, горящи във чисто азотна среда (при 800 оС), формирайки титанов нитрат (TiN). Титанът е устойчив на слабо концентрирани сярна и хлороводородна киселини, а също така на хлор, хлорни разтвори и повечето органични киселини. Слабо се влияе от магнитни полета и е лош проводник на топлина и електричество.

[редактиране] Извличане и производство

Процесът на производство на титан има 4 основни фази: извличане на метала от рудата и преобразуването му в т.нар. “гъба”; стапяне на гъбата и евентуалните примеси за получаване на слитък; изливане на слитъка в определени стандартни форми, като плочи, листове, тръби или пръти; вторична преработка за получаване на завършения продукт. Поради свойството си да реагира с кислорода при високи температури, метала не може да бъде произведен с редуцирне на неговия двуокис. По тази причина се произвежда чрез процеса на Крол, който е значително скъп и трудоемък, а също така по време на производството се консумира друг скъп метал – магнезий, което допълнително оскъпява производството. При процеса окисът се преобразува в титанов тетрахлорид (TiCl4), чрез подаване на хлорен газ към нажежена рутилна или илменитна руда в присъствие на въглерод. След това следва пречистване и концентриране, като се използва нагрят до 800 оС магнезий в среда от аргон. В последно време процесът на Крол все по-често се заменя с процес , разработен от екип от университета Кембридж. Той използва прах от титанов двуокис като изходен материал. Титановият двуокис се извлича от минерала рутил. При нужда да се получат титанови сплави се добавя съответно прах от други вещества. Процесът значително облекчава производството на материала и навлиза все повече в продукти, които до момента са използвали различни стомани или алуминий

[редактиране] Приложение

Титанът много често се използва в сплав с различни метали като алуминий, ванадий, мед, желязо, манган, молибден. Детайли и изделия от титанови отливки намират широко приложение във авиационната, космическата и индустрия и корабостроенето. Също така титанов прах се използва в пиротехниката като източник на ярко светещи частици. Около 95% от добития титан в световен мащаб се използва под формата на титанов дихлорид (TiCl2), който е ярко бял постоянен пигмент използван при производството на хартия, бои, пасти за зъби, цимент, пластмаси, скъпоценни и полускъпоценни камъни. Използва се и за увеличаване на здравината на изделия от въглеродни нишки като тенис ракети, рибарски прътове и стикове за голф. Боята с титанов дихлорид в състава си е значително по-устойчива на високи температури, донякъде със самопочистващи свойства и е слабо податлива на влияния от морска среда. Благодарение на високото си съотношение здравина-тегло, отличната си корозоустойчивост и свойството му да бъде подлаган на високи температури без да се деформира, титанът се използва във въздухоплавателната индустрия. Титанови елементи се срещат и в автомобилната индустрия, по-специално при състезателните мотори и автомобили поради здравината си и малкото тегло. В масовото производство на автомобили обаче не намира приложение, освен при продуктите от най-висок клас, заради високата си цена. Титанът се използва при тенис ракети, стикове за голф, рамки и компоненти за велосипеди. През 1999 на пазара е пуснат чук, с глава от титан, който поради по-ниската си тежест е с по-дълга дръжка, което увеличава скоростта на удар и силата прилагана върху пирона. В същото време откатът върху ръката държаща чука е намален до 3% (за сравнение откатът при стандартните стоманени чукове е около 27%). В последно време от титан се произвеждат все повече туристически продукти поради ниската им тежест и висока издръжливост. Също така при конните състезания могат да се наблюдават коне с подкови от титан. Заради издръжливостта си титанът се използва все по масово от бижутерите. Друго приложение е за направата на корпуси за часовници и рамки за очила, които не предизвикват алергична реакция на кожата. Титанът често се използва в архитектурата. 40 метровият паметник на Юрий Гагарин в Москва е направен от титан заради атрактивния цвят на метала и връзката му с космическите технологии. Не на последно място детайли от титан се използват като заместители на традиционно стоманени компоненти в оръжейната индустрия, например барабани на револвери или пистолетни рами. В медицината титанът се използва често заради биосъвместимостта си - не е токсичен и не се отхвърля от организма. Титанът се използва при изработката на заместители на стави и зъбни импланти, които могат да прекарат в организма без външна намеса над 30 години, Благодарение на не-феромагнитните си свойства такива протези не пречат при извършването на ЯМР изследвания.

[редактиране] Мерки за безопастност

Титанът е нетоксичен дори в големи дози и не влияе на човешкия организъм. Средно 0,8 милиграма титан е поглъщан от човек всеки ден, но по-голямата част преминава през организма без да бъде абсорбиран. Една от характерните му особености обаче е, че е склонен да се натрупва в тъкани, съдържащи силициев двуокис. Неизследван механизъм при растенията използва титанови молекули за производството на карбохидрати и за стимулиране на растежа. Това обяснява факта, че повече от растенията съдържат 1-милионна част титан в себе си, хранителните растения – 2-милионни части, а растения като хвоща и копривата – около 80-милионни части. Малки частици титан във въздушна среда, са пожароопасни и при загряване могат да предизвикат експлозия. Титанът е склонен към самовъзпламеняване в случаи, когато чиста, неоксидирана титанова повърхност влезе в досег с течен кислород. Такива повърхности могат да се появят ако твърд обект се удари в оксидирана повърхност или пукнатина наруши целостта на определен елемент. Това налага ограничения на метала в приложения, имащи досег с течен кислород.

Взето от „http://bg.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B8%D1%82%D0%B0%D0%BD_(%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82)“.
Лични инструменти