Титан

Доклад по химии

на тему:

“Титан”.

г.Ставрополь

2000 г.

Вступление.

Титан (назван в честь титанов, сыновей богини Геи) - один из наиболее распространённых элементов в природе. В земной коре масса титана составляет 0,61% массы Земли. В одном музее исследо-вали имеющиеся в коллекции минералы и обнаружили, что из 1000 различных минералов около 800 содержат титан. Однако полтора ве-ка назад об истинных свойствах этого элемента почти ничего не зна-ли.

Открытие титана.

Открытие титана было необычно: оно состоялось трижды. В 1789-1791 гг. английский химик У. Грегор, исследуя состав магнитного же-лезистого песка из района Менакен в Корнуэле (Южная Англия), вы-делил новую “землю” (окись) неизвестного металла, которую назвал менакеновой.

В 1795 г. немецкий химик М. Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот устано-вил, что рутил и менакеновая земля – окислы одного и того же эле-мента, за которым и осталось название “титан”.

Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз. Француз-ский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что ру-тил и анатаз – идентичные окислы титана.

Свойства титана.

Интересно отметить, что ещё в 1799 г. появилась статья русского учёного Товия Ловица, который вёл наблюдения над титаново - маг-нитными рудами Урала, - “Показание некоторых замечаний о тита-не”. В неё рассказывалось о свойствах титана. Естественно, что и в этой работе и в дальнейших исследованиях речь шла о титане, за-грязнённом различными примесями.

Слабое развитие аналитических способов определения титана не-редко приводило к грубым ошибкам: например, до 1848 года за титан принимали кристаллы из шлаков доменных печей, пока немецкий химик Ф. Вёлер не доказал, что эти кристаллы – карбонитрит титана.

До 1870 года даже атомная масса титана была определена непра-вильно, и только великий русский химик Д.И. Менделеев на основа-нии положения титана в периодической системе элементов предска-зал его действительную атомную массу (48 вместо 52).

Сравнительно чистый металлический титан был получен лишь в 1910 году американским химиком Хантером. Но и этот металл содер-жал ещё ряд примесей, резко искажавших его подлинные физические и химические свойства.

В первой четверти нашего века во всех справочниках и учебниках по химии и металлургии титан характеризовался как очень хрупкий металл, с трудом поддающийся механической обработке. Лишь в 1925 году голландские учёные А. - Ван Аркель и де Бур, применив разрабо-танный ими метод термической диссоциации иодидов металлов, по-лучили титан очень высокой чистоты. На первых образцах этого ме-талла были определены истинные физические свойства титана.

Физ. свойства: серебристо-белый металл, сравнительно лёгкий, немного тяжелее алюминия, но примерно в 3 раза прочнее его. Тугоплавкий, в обычных условиях отличается высокой прочно-стью и вязкостью. Поддаётся различным видам обработки.

Хим. свойства: довольно активный металл, однако, бла-годаря образованию на поверхности металла плотной защитной ок-сидной плёнки он обладает исключительно высокой стойкостью против коррозии. На него не оказывают воздействие ни вода, ни сер-ная кислота, ни морская вода, ни даже царская водка. При повышении температуры его химическая активность повышается. Так, титан реа-гирует с хлором. Азотная кислота на титан не действует, кроме по-рошка, но серная кислота реагирует с ним.

Применение титана.

Ценные свойства титана давали возможность предположить, что настанет время, и титан будет широко применяться в технике. Но да-же в 40-х годах ХХ в., когда уже научились получать титан в значи-тельных количествах, широкого использования он не находил. Это был металл будущего.

Росла скорость самолётов. Перед авиацией встала проблема звуко-вого и теплового барьеров. Всё выше перемещался и “потолок” полё-тов. Потребовался материал лёгкий и прочный. Алюминий, алюми-ниевые и магнитные сплавы, которые использовались в самолёто-строении, новым требованиям не удовлетворяли. Для реактивного двигателя требовался жаропрочный и лёгкий материал. Этим требо-ваниям отвечал титан. Его высокая точка плавления (1725С) сочета-ется с низкой плотностью и большой прочностью, в шесть раз пре-вышающей прочность стали. Внешне же титан похож на сталь. Бла-годаря сочетанию лёгкости с механической прочностью и трудной окисляемостью титан и его соединения стали ценнейшими строи-тельными материалами в новой технике. Их него делают лопасти га-зовых турбин реактивных двигателей, фюзеляжей и кабины высотных самолётов, перегородки, трубы и части различной аппаратуры. Так в одном из американских сверхзвуковых самолётов из титановых спла-вов сделано более 20 тыс. различных деталей. Замена титановыми сплавами стальных деталей двигателей снижает удельную массу дви-гателей на 40%.

В ракетостроении титан используют для изготовления корпусов двигателей ракет, ёмкостей для жидкого водорода и другой аппарату-ры.

Неоценимым материалом оказался титан и в судостроении. В тита-новой пластинке, погружённой в морскую воду, через 10 лет не было обнаружено никаких изменений, а ведь от стальной пластины оста-лись бы одни воспоминания. Обшивка кораблей титановыми пласти-нами не требует никакой антикоррозийной защиты. Титановыми лис-тами покрыт монумент в честь покорителей космоса в Москве.

Титановые сплавы применяют при изготовлении навигационных приборов, насосов и трубопроводов, а также для обшивки судов и подводных лодок. В обычной воде титан подвергается коррозии лишь при 800С. Да что вода, даже концентрированная серная кислота про-тив титана бессильна. Способность титана жадно поглощать газы и давать прочные соединения с азотом и углеродом (это обстоятельство, кстати, затрудняет получение титана в чистом виде) также стали ис-пользовать в технике – для удаления газов из расплавленных металлов там, где вакуум- насосы не могут поймать и удалить остатки газов. Чистый титан в виде проволоки, ленты и других изделий используют в электровакуумной технике для изготовления анодов, сеток, антика-тодов рентгеновских трубок и других деталей.

Титан и его сплавы обладают повышенной коррозийной стойко-стью против ряда химических реагентов – влажного хлора, азотной кислоты, органических кислот и др. Поэтому титан широко приме-няют в химическом машиностроении. В производстве хлора из тита-новых сплавов изготовляют трубопроводы, теплообменники, насосы для перекачки хлорных и солевых растворов. Стойкость этой аппара-туры в 10-20 раз выше, чем аналогичных насосов из нержавеющей стали. В производстве азотной кислоты применяют титановую аппа-ратуру для хранения и перевозки 60-70 – процентной HNO3; в дымя-щей кислоте титан взрывоопасен.

Аппаратурой из титана пользуются при получении уксусной, му-равьиной и других кислот, в производстве мочевины и органических красителей. С добавлением титана сталь становится твёрже и эластич-нее. Из такой стали изготовляют рельсы, вагонные оси, колёса.

Титан и его сплавы широко применяют в чёрной и цветной метал-лургии. Ферротитан – сплав железа с титаном – служит для раскисле-ния и деазотизации стали. Титан связывает не только кислород и азот, но и серу. Титан добавляют в сплавы цветных металлов, чтобы улуч-шить их механические свойства и сопротивление коррозии. Карбид титана обладает высокой твёрдостью и тугоплавкостью. Он входит в состав титано-вольфрамовых и инструментальных твёрдых сплавов. В последнее время очень важное значение приобретают сверхпроводя-щие сплавы ниобия с титаном.

Оригинальное применение получил титан в медицине – для изго-товления внутренних протезов. Установлено, что присутствие титана в живом организме вполне допустимо, кости и мышечная ткань сра-стаются с ним.

Двуокись титана используют как белый пигмент титановых белил. Раньше в живописи применялись свинцовые белила. Со временем они портятся: темнеют и теряют кроющую способность. В результате этого картины многих выдающихся живописцев утратили свой пер-воначальный вид. Титановые же белила очень стойкие, полотна на-ших выдающихся современников смогут сохраняться многие века.

В изготовлении твёрдых диэлектриков (производство конденсато-ров, радиоаппаратуры и высокочастотных печей) используют различ-ные кристаллические формы двуокиси титана - анатаз и рутил.

Метатитанит бария BaTiO3 отличается сверхвысокой диэлектриче-ской постоянной и применяется для изготовления электрических кон-денсаторов.

Известно не менее 65 минералов, содержащих титан, который на-ходится обычно в четырёхвалентной форме. Промышленное значе-ние имеют минералы рутил, ильменит, перовскит и сфен. Рутил, ана-таз и брукит – это аллотропические модификации двуокиси титана. Ильменит (метатитанат железа) FeTiO3 и рутил TiO2 – наиболее рас-пространённые минералы титана, из которых его в основном полу-чают.

Хорошо обработанные кристаллы рутила TiO2 применяют в каче-стве ювелирных украшений.

Производство титана.

Процесс получения титана протекает в несколько стадий:

1.Руду и концентрат титана переводят в диоксид титана TiO2 , ко-торый хлорируют в присутствии углерода с целью повышения скоро-сти реакции:

TiO2 +2Cl2 +2CTiCl4