Večný, tajomný, kozmický, materiál budúcnosti – všetky tieto a mnohé ďalšie epitetá sú v rôznych zdrojoch priradené k titánu. História objavu tohto kovu nebola triviálna: súčasne niekoľko vedcov pracovalo na izolácii prvku v jeho čistej forme. Proces štúdia fyzikálnych, chemických vlastností a určovanie oblastí jeho použitia nie je dodnes ukončený. Titán je kov budúcnosti, jeho miesto v ľudskom živote ešte nebolo definitívne určené, čo dáva moderným výskumníkom obrovský priestor pre kreativitu a vedecký výskum.
Charakteristika
Chemický prvok titán (Titanium) je označený v periodickej tabuľke D. I. Mendelejeva symbolom Ti. Nachádza sa v sekundárnej podskupine IV. skupiny štvrtého obdobia a má poradové číslo 22. Jednoduchá látka titán je bielo-strieborný kov, ľahký a odolný. Elektrónová konfigurácia atómu má nasledujúcu štruktúru: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. V súlade s tým má titán niekoľko možných oxidačných stavov: 2,3, 4, v najstabilnejších zlúčeninách je štvormocný.
Titan – zliatina alebo kov?
Táto otázka zaujíma mnohých. V roku 1910 získal americký chemik Hunter prvý čistý titán. Kov obsahoval iba 1% nečistôt, no zároveň sa jeho množstvo ukázalo ako zanedbateľné a neumožňovalo ďalšie skúmanie jeho vlastností. Plasticita získanej látky bola dosiahnutá len vplyvom vysokých teplôt, za normálnych podmienok (izbová teplota) bola vzorka príliš krehká. V skutočnosti tento prvok vedcov nezaujímal, pretože vyhliadky na jeho použitie sa zdali príliš neisté. Náročnosť získavania a výskumu ešte viac znižovala potenciál jeho aplikácie. Až v roku 1925 dostali chemici z Holandska I. de Boer a A. Van Arkel titánový kov, ktorého vlastnosti upútali pozornosť inžinierov a dizajnérov po celom svete. História skúmania tohto prvku sa začína v roku 1790, presne v tomto čase paralelne, nezávisle na sebe, dvaja vedci objavujú titán ako chemický prvok. Každý z nich prijíma zlúčeninu (oxid) látky, pričom nedokáže izolovať kov v jeho čistej forme. Objaviteľom titánu je anglický mineralóg mních William Gregor. Na území svojej farnosti, ktorá sa nachádza v juhozápadnej časti Anglicka, začal mladý vedec študovať čierny piesok údolia Menaken. Výsledkom pokusov s magnetom bolo uvoľnenie lesklých zŕn, ktorými bola zlúčenina titánu. V tom istom čase v Nemecku chemik Martin Heinrich Klaproth izoloval z minerálu novú látkurutil. V roku 1797 tiež dokázal, že paralelne otvorené prvky sú podobné. Oxid titaničitý bol pre mnohých chemikov záhadou už viac ako storočie a ani Berzelius nedokázal získať čistý kov. Najnovšie technológie 20. storočia výrazne urýchlili proces štúdia spomínaného prvku a určili prvotné smery jeho využitia. Zároveň sa rozsah použitia neustále rozširuje. Iba zložitosť procesu získavania takej látky, akou je čistý titán, môže obmedziť jeho rozsah. Cena zliatin a kovu je pomerne vysoká, takže dnes nemôže nahradiť tradičné železo a hliník.
Pôvod mena
Menakin - krstný názov pre titán, ktorý sa používal do roku 1795. Tak podľa územnej príslušnosti nazval nový prvok W. Gregor. Martin Klaproth dal prvku v roku 1797 názov „titán“. V tomto čase jeho francúzski kolegovia na čele s pomerne uznávaným chemikom A. L. Lavoisierom navrhli pomenovať novoobjavené látky v súlade s ich základnými vlastnosťami. Nemecký vedec nesúhlasil s týmto prístupom, celkom rozumne sa domnieval, že vo fáze objavovania je dosť ťažké určiť všetky vlastnosti látky a premietnuť ich do názvu. Malo by sa však uznať, že termín, ktorý intuitívne zvolil Klaproth, plne zodpovedá kovu - to opakovane zdôrazňujú moderní vedci. Existujú dve hlavné teórie pôvodu názvu titán. Kov by tak mohol byť označený na počesť elfskej kráľovnej Titanie(postava germánskej mytológie). Tento názov symbolizuje ľahkosť a silu látky. Väčšina vedcov sa prikláňa k použitiu verzie starogréckej mytológie, v ktorej sa mocní synovia bohyne zeme Gaie nazývali titáni. V prospech tejto verzie hovorí aj názov predtým objaveného prvku, urán.
Byť v prírode
Z kovov, ktoré sú pre ľudí technicky cenné, je titán štvrtým najrozšírenejším v zemskej kôre. Len železo, horčík a hliník sa v prírode vyznačujú veľkým percentom. Najvyšší obsah titánu je zaznamenaný v čadičovej škrupine, o niečo menej v žulovej vrstve. V morskej vode je obsah tejto látky nízky - približne 0,001 mg / l. Chemický prvok titán je dosť aktívny, takže ho nemožno nájsť v čistej forme. Najčastejšie sa vyskytuje v zlúčeninách s kyslíkom, pričom má štvormocnosť. Počet minerálov obsahujúcich titán sa pohybuje od 63 do 75 (v rôznych zdrojoch), zatiaľ čo v súčasnej fáze výskumu vedci pokračujú v objavovaní nových foriem jeho zlúčenín. Pre praktické využitie sú najdôležitejšie tieto minerály:
- Ilmenit (FeTiO3).
- Rutile (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskit (CaTiO3).
- Titanomagnetit (FeTiO3+Fe3O4) atď.
Všetky existujúce rudy s titánom sú rozdelené naaluviálne a základné. Tento prvok je slabým migrantom, môže cestovať iba vo forme úlomkov hornín alebo pohyblivých hlienových hornín. V biosfére sa najväčšie množstvo titánu nachádza v riasach. U predstaviteľov suchozemskej fauny sa prvok hromadí v nadržaných tkanivách, vlasoch. Ľudské telo je charakterizované prítomnosťou titánu v slezine, nadobličkách, placente, štítnej žľaze.
Fyzikálne vlastnosti
Titan je neželezný kov so strieborno-bielou farbou, ktorý vyzerá ako oceľ. Pri teplote 0 0C je jeho hustota 4,517 g/cm3. Látka má nízku špecifickú hmotnosť, ktorá je typická pre alkalické kovy (kadmium, sodík, lítium, cézium). Pokiaľ ide o hustotu, titán zaujíma medzipolohu medzi železom a hliníkom, pričom jeho výkon je vyšší ako u oboch prvkov. Hlavné vlastnosti kovov, ktoré sa berú do úvahy pri určovaní rozsahu ich použitia, sú medza klzu a tvrdosť. Titán je 12-krát pevnejší ako hliník, 4-krát pevnejší ako železo a meď, pričom je oveľa ľahší. Plasticita čistej látky a jej medza klzu umožňuje spracovanie pri nízkych aj vysokých teplotách, ako je tomu u iných kovov, t.j. nitovaním, kovaním, zváraním, valcovaním. Charakteristickou vlastnosťou titánu je jeho nízka tepelná a elektrická vodivosť, pričom tieto vlastnosti sú zachované pri zvýšených teplotách až do 500 0С. V magnetickom poli je titán paramagnetickým prvkom, nie jepriťahuje sa ako železo a nevytláča sa ako meď. Jedinečný je veľmi vysoký antikorózny výkon v agresívnom prostredí a pri mechanickom namáhaní. Viac ako 10 rokov pobytu v morskej vode nezmenilo vzhľad a zloženie titánovej platne. Železo by v tomto prípade úplne zničila korózia.
Termodynamické vlastnosti titánu
- Hustota (za normálnych podmienok) je 4,54 g/cm3.
- Atómové číslo je 22.
- Kovová skupina – žiaruvzdorná, ľahká.
- Atómová hmotnosť titánu je 47,0.
- Bod varu (0С) – 3260.
- Molárny objem cm3/mol – 10, 6.
- Teplota topenia titánu (0С) – 1668.
- Špecifické výparné teplo (kJ/mol) – 422, 6.
- Elektrický odpor (pri 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Chemické vlastnosti
Zvýšená odolnosť prvku proti korózii je spôsobená tvorbou malého oxidového filmu na povrchu. Zabraňuje (za normálnych podmienok) chemickým reakciám s plynmi (kyslík, vodík) v okolitej atmosfére prvku, akým je kovový titán. Jeho vlastnosti sa menia vplyvom teploty. Keď stúpne na 600 0С, dochádza k interakčnej reakcii s kyslíkom, čo vedie k tvorbe oxidu titaničitého (TiO2). V prípade absorpcie atmosférických plynov vznikajú krehké zlúčeniny, ktoré nemajú praktické uplatnenie, preto sa zváranie a tavenie titánu vykonáva vo vákuu. reverzibilná reakciaje proces rozpúšťania vodíka v kove, prebieha aktívnejšie so zvýšením teploty (od 400 0С a vyššie). Titán, najmä jeho malé častice (tenká platňa alebo drôt), horí v dusíkovej atmosfére. Chemická reakcia interakcie je možná len pri teplote 700 0С, výsledkom čoho je vznik nitridu TiN. Vytvára vysoko tvrdé zliatiny s mnohými kovmi, často ako legovací prvok. Reaguje s halogénmi (chróm, bróm, jód) len v prítomnosti katalyzátora (vysoká teplota) a pri interakcii so suchou látkou. V tomto prípade vznikajú veľmi tvrdé žiaruvzdorné zliatiny. V roztokoch väčšiny zásad a kyselín je titán chemicky neaktívny, s výnimkou koncentrovanej kyseliny sírovej (s predĺženým varom), fluorovodíkovej, horúcej organickej (mravčia, šťavelová).
Vklady
Ilmenitové rudy sú v prírode najrozšírenejšie – ich zásoby sa odhadujú na 800 miliónov ton. Ložiská rutilových ložísk sú oveľa skromnejšie, no celkový objem – pri zachovaní rastu produkcie – by mal ľudstvu poskytnúť na najbližších 120 rokov taký kov, akým je titán. Cena hotového výrobku bude závisieť od dopytu a zvýšenia úrovne spracovateľnosti, ale v priemere sa pohybuje v rozmedzí od 1200 do 1800 rubľov / kg. V podmienkach neustáleho technického zdokonaľovania sa výrazne znižuje cena všetkých výrobných procesov s ich včasnou modernizáciou. Čína a Rusko majú najväčšie zásoby titánových rúd, ako aj nerastných surovínSurovinovú základňu majú Japonsko, Južná Afrika, Austrália, Kazachstan, India, Južná Kórea, Ukrajina, Cejlón. Ložiská sa líšia objemom ťažby a percentom titánu v rude, prebiehajú geologické prieskumy, čo umožňuje predpokladať pokles trhovej hodnoty kovu a jeho širšie využitie. Rusko je zďaleka najväčším producentom titánu.
Prijať
Na výrobu titánu sa najčastejšie používa oxid titaničitý, obsahujúci minimálne množstvo nečistôt. Získava sa obohacovaním koncentrátov ilmenitu alebo rutilových rúd. V elektrickej oblúkovej peci prebieha tepelné spracovanie rudy, ktoré je sprevádzané oddeľovaním železa a tvorbou trosky s obsahom oxidu titaničitého. Na spracovanie frakcie bez železa sa používa sulfátová alebo chloridová metóda. Oxid titaničitý je sivý prášok (pozri fotografiu). Titánový kov sa získava jeho fázovým spracovaním.
Prvou fázou je proces spekania trosky s koksom a vystavenie výparom chlóru. Výsledný TiCl4 sa redukuje horčíkom alebo sodíkom, keď je vystavený teplote 850 0C. Titánová huba (porézna tavená hmota), získaná ako výsledok chemickej reakcie, sa rafinuje alebo roztaví na ingoty. V závislosti od ďalšieho smeru použitia vzniká zliatina alebo čistý kov (nečistoty sa odstránia zahriatím na 1000 0С). Na výrobu látky s obsahom nečistôt 0,01% sa používa jodidová metóda. Je založená na proceseodparovanie z titánovej špongie vopred upravenej halogénom, jeho parami.
Oblasti použitia
Teplota topenia titánu je pomerne vysoká, čo je vzhľadom na ľahkosť kovu neoceniteľnou výhodou jeho použitia ako konštrukčného materiálu. Najväčšie uplatnenie preto nachádza v lodiarstve, leteckom priemysle, výrobe rakiet, chemickom priemysle. Titán sa pomerne často používa ako legovacia prísada v rôznych zliatinách, ktoré majú zvýšenú tvrdosť a tepelnú odolnosť. Vysoké antikorózne vlastnosti a schopnosť odolávať väčšine agresívnych prostredí robia tento kov nepostrádateľným pre chemický priemysel. Titán (jeho zliatiny) sa používa na výrobu potrubí, nádrží, ventilov, filtrov používaných pri destilácii a preprave kyselín a iných chemicky aktívnych látok. Vyžaduje sa to pri vytváraní zariadení pracujúcich v podmienkach zvýšenej teploty. Z titánových zlúčenín sa vyrábajú odolné rezné nástroje, farby, plasty a papier, chirurgické nástroje, implantáty, šperky, dokončovacie materiály a používajú sa v potravinárskom priemysle. Všetky smery sa ťažko opisujú. Moderná medicína kvôli úplnej biologickej bezpečnosti často používa kovový titán. Cena je jediný faktor, ktorý zatiaľ ovplyvňuje šírku použitia tohto prvku. Je spravodlivé povedať, že titán je materiálom budúcnosti, štúdiom ktorého ľudstvo prejdedo novej fázy vývoja.
