Характеристика и применение титана и сплавов на его основе. Что такое титан как химический элемент

Монумент в честь покорителей космоса воздвигнут в Москве в 1964 г. Почти семь лет (1958-1964) ушло на проектирование и сооружение этого обелиска. Авторам пришлось решать не только архитектурнохудожественные, но и технические задачи. Первой из них был выбор материалов, в том числе и облицовочных. После долгих экспериментов остановились на отполированных до блеска титановых листах.

Действительно, по многим характеристикам, и прежде всего по коррозионной стойкости, титан превосходит подавляющее большинство металлов и сплавов. Иногда (особенно в популярной литературе) титан называют вечным металлом. Но расскажем сначала об истории этого элемента.

Окисел или не окисел?

До 1795 г. элемент № 22 назывался «менакином». Так назвал его в 1791 г. английский химик и минералог Уильям Грегор, открывший новый элемент в минерале менаканите (не ищите это название в современных минералогических справочниках - менаканит тоже переименован, сейчас он называется ильменитом).

Спустя четыре года после открытия Грегора немецкий химик Мартин Клапрот обнаружил новый химический элемент в другом минерале - рутиле - ив честь царицы эльфов Титании (германская мифология) назвал его титаном.

По другой версии название элемента происходит от титанов, могучих сыновей богини земли - Геи (греческая мифология).

В 1797 г. выяснилось, что Грегор и Клапрот открыли один и тот же элемент, и хотя Грегор сделал это раньше, за новым элементом утвердилось имя, данное ему Клапротом.

Но ни Грегору, ни Клапроту не удалось получить элементный титан . Выделенный ими белый кристаллический порошок был двуокисью титана TiO 2 . Восстановить этот окисел, выделить из пего чистый металл долгое время не удавалось никому из химиков.

В 1823 г. английский ученый У. Волластон сообщил, что кристаллы, обнаруженные им в металлургических шлаках завода «Мертир-Тидвиль», - не что иное, как чистый титан. А спустя 33 года известный немецкий химик Ф. Вёлер доказал, что и эти кристаллы были опять-таки соединением титана, на этот раз - металлоподобным карбонитридом.

Много лет считалось, что металлический титан впервые был получен Берцелиусом в 1825 г. при восстановлении фтортитаната калия металлическим натрием . Однако сегодня, сравнивая свойства титана и продукта, полученного Берцелиусом, можно утверждать, что президент Шведской академии наук ошибался, ибо чистый titabnum быстро растворяется в плавиковой кислоте (в отличие от многих других кислот), а металлический титан Берцелиуса успешно сопротивлялся ее действию.

В действительности Ti был впервые получен лишь в 1875 г. русским ученым Д. К. Кирилловым. Результаты этой работы опубликованы в его брошюре «Исследования над титаном». Но работа малоизвестного русского ученого осталась незамеченной. Еще через 12 лет довольно чистый продукт - около 95% титана - получили соотечественники Берцелиуса, известные химики Л. Нильсон и О. Петерсон, восстанавливавшие четыреххлористый титан металлическим натрием в стальной герметической бомбе.

В 1895 г. французский химик А. Муассан, восстанавливая двуокись титана углеродом в дуговой печи и подвергая полученный материал двукратному рафинированию, получил титан, содержавший всего 2% примесей, в основном углерода. Наконец, в 1910 г. американский химик М. Хантер, усовершенствовав способ Нильсона и Петерсона, сумел получить несколько граммов титана чистотой около 99%. Именно поэтому в большинстве книг приоритет получения металлического титана приписывается Хантеру, а не Кириллову, Нильсону или Муассану.

Однако ни Хантер, ни его современники не предсказывали титану большого будущего. Всего несколько десятых процента примесей содержалось в металле, но эти примеси делали титан хрупким, непрочным, непригодным к механической обработке. Поэтому некоторые соединения титана нашли применение раньше, чем сам металл. Четыреххлористый Ti, например, широко использовали в первую мировую войну для создания дымовых завес.

№22 в медицине

В 1908 г. в США и Норвегии началось изготовление белил не из соединений свинца и цинка , как делалось прежде, а из двуокиси титана. Такими белилами можно окрасить в несколько раз большую поверхность, чем тем же количеством свинцовых или цинковых белил. К тому же у титановых белил больше отражательная способность, они не ядовиты и не темнеют под действием сероводорода. В медицинской литературе описан случай, когда человек за один раз «принял» 460 г двуокиси титана! (Интересно, с чем он ее спутал?) «Любитель» двуокиси титана не испытал при этом никаких болезненных ощущений. TiO 2 входит в состав некоторых медицинских препаратов, в частности мазей против кожных болезней.

Однако не медицина, а лакокрасочная промышленность потребляет наибольшие количества TiO 2 . Мировое производство этого соединения намного превысило полмиллиона тонн в год. Эмали на основе двуокиси титана широко используют в качестве защитных и декоративных покрытий по металлу и дереву в судостроении, строительстве и машиностроении. Срок службы сооружений и деталей при этом значительно повышается. Титановыми белилами окрашивают ткани, кожу и другие материалы.

Ti в промышленности

Двуокись титана входит в состав фарфоровых масс, тугоплавких стекол, керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Как наполнитель, повышающий прочность и термостойкость, ее вводят в резиновые смеси. Однако все достоинства соединений титана кажутся несущественными на фоне уникальных свойств чистого металлического титана.

Элементный титан

В 1925 г. голландские ученые ван Аркель и де Бур иодидным способом (о нем - ниже) получили титан высокой степени чистоты - 99,9%. В отличие от титана, полученного Хантером, он обладал пластичностью: его можно было ковать на холоде, прокатывать в листы, ленту, проволоку и даже тончайшую фольгу. Но даже не это главное. Исследования физикохимических свойств металлического титана приводили к почти фантастическим результатам. Оказалось, например, что титан, будучи почти вдвое легче железа (плотность титана 4,5 г/см 3), по прочности превосходит многие стали. Сравнение с алюминием тоже оказалось в пользу титана: титан всего в полтора раза тяжелее алюминия, но зато в шесть раз прочнее и, что особенно важно, он сохраняет свою прочность при температурах до 500°С (а при добавке легирующих элементов - до 650°С), в то время как прочность алюминиевых и магниевых сплавов резко падает уже при 300°С.

Титан обладает и значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза - железа и меди . Еще одна важная характеристика металла - предел текучести. Чем он выше, тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам, тем дольше они сохраняют свои формы и размеры. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия.

В отличие от большинства металлов титан обладает значительным электросопротивлением: если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия - 60, железа и платины - 15, а титана - всего 3,8. Вряд ли нужно объяснять, что это свойство, как и немагнитность титана, представляет интерес для радиоэлектроники и электротехники.

Замечательна устойчивость титана против коррозии. На пластинке из этого металла за 10 лет пребывания в морской воде не появилось и следов коррозии. Из титановых сплавов сделаны несущие винты современных тяжелых вертолетов. Рули поворота, элероны и некоторые другие ответственные детали сверхзвуковых самолетов тоже изготовлены из этих сплавов. На многих химических производствах сегодня можно встретить целые аппараты и колонны, выполненные из титана.

Как получают титан

Цена - вот что еще тормозит производство и потребление титана. Собственно, высокая стоимость - не врожденный порок титана. В земной коре его много - 0,63%. Все еще высокая цена титана - следствие сложности извлечения его из руд. Объясняется она высоким сродством титана ко многим элементам и прочностью химических связей в его природных соединениях. Отсюда - сложности технологии. Вот как выглядит магниетермический способ производства титана, разработанный в 1940 г. американским ученым В. Кроллем.

Двуокись титана с помощью хлора (в присутствии углерода) переводят в четыреххлористый титан:

HO 2 + C + 2CI 2 → HCI 4 + CO 2 .

Процесс идет в шахтных электропечах при 800-1250°С. Другой вариант - хлорирование в расплаве солей щелочных металлов NaCl и KCl Следующая операция (в одинаковой мере важная и трудоемкая) - очистка TiCl 4 от примесей - проводится разными способами и веществами. Четыреххлористый титан в обычных условиях представляет собой жидкость с температурой кипения 136°С.

Разорвать связь титана с хлором легче, чем с кислородом. Это можно сделать с помощью магния по реакции

TiCl 4 + 2Mg → T + 2MgCl 2 .

Эта реакция идет в стальных реакторах при 900°С. В результате образуется так называемая титановая губка, пропитанная магнием и хлоридом магния. Их испаряют в герметичном вакуумном аппарате при 950°С, а титановую губку затем спекают или переплавляют в компактный металл.

Натриетермический метод получения металлического титана в принципе мало чем отличается от магниетермического. Эти два метода наиболее широко применяются в промышленности. Для получения более чистого титана и поныне используется иодидный метод, предложенный ван Аркелем и де Буром. Металлотермический губчатый титан превращают в иодид TiI 4 , который затем возгоняют в вакууме. На своем пути пары иодида титапа встречают раскаленную до 1400°С титановую проволоку. При этом иодид разлагается, и на проволоке нарастает слой чистого титана. Этот метод производства титана малопроизводителен и дорог, поэтому в промышленности он применяется крайне ограниченно.

Несмотря на трудоемкость и энергоемкость производства титана, оно уже стало одной из важнейших подотраслей цветной металлургии. Мировое производство титана развивается очень быстрыми темпами. Об этом можно судить даже по тем обрывочным сведениям, которые попадают в печать.

Известно, что в 1948 г. в мире было выплавлено лишь 2 т титана, а спустя 9 лет - уже 20 тыс. т. Значит, в 1957 г. 20 тыс. т титана приходилось на все страны, а в 1980 г. только США потребляли. 24,4 тыс. т. титана... Еще недавно, кажется, титан называли редким металлом - сейчас он важнейший конструкционный материал. Объясняется это только одним: редким сочетанием полезных свойств элемента № 22. И, естественно, потребностями техники.

Роль титана как конструкционного материала, основы высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники, быстро возрастает. Именно в сплавы идет большая часть выплавляемого в мире титана. Широко известен сплав для авиационной промышленности, состоящий из 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия . В 1976 г. в американской печати появились сообщения о новом сплаве того же назначения: 85% титана, 10% ванадия, 3% алюминия и 2% железа. Утверждают, что этот сплав не только лучше, но и экономичнее.

А вообще в титановые сплавы входят очень многие элементы, вплоть до платины и палладия . Последние (в количестве 0,1-0,2%) повышают и без того высокую химическую стойкость титановых сплавов.

Прочность титана повышают и такие «легирующие добавки», как азот и кислород. Но вместе с прочностью они повышают твердость и, главное, хрупкость титана, поэтому их содержание строжайше регламентируется: в сплав допускается не более 0,15% кислорода и 0,05% азота.

Несмотря на то что титан дорог, замена им более дешевых материалов во многих случаях оказывается экономически выгодной. Вот характерный пример. Корпус химического аппарата, изготовленный из нержавеющей стали, стоит 150 рублей, а из титанового сплава - 600 рублей. Но при этом стальной реактор служит лишь 6 месяцев, а титановый - 10 лет. Прибавьте затраты на замену стальных реакторов, вынужденные простои оборудования - и станет очевидно, что применять дорогостоящий титан бывает выгоднее, чем сталь.

Значительные количества титана использует металлургия. Существуют сотни марок сталей и других сплавов, в состав которых титан входит как легирующая добавка. Его вводят для улучшения структуры металлов, увеличения прочности и коррозийной стойкости.

Некоторые ядерные реакции должны совершаться в почти абсолютной пустоте. Ртутными насосами разрежение может быть доведено до нескольких миллиардных долей атмосферы. Но этого недостаточно, а ртутные насосы на большее неспособны. Дальнейшая откачка воздуха осуществляется уже особыми титановыми насосами. Кроме того, для достижения еще большего разрежения по внутренней поверхности камеры, где протекают реакции, распыляют мелкодисперсный титан.

Титан часто называют металлом будущего. Факты, которыми уже сейчас располагают наука и техника, убеждают, что это не совсем так - титан уже стал металлом настоящего.

Перовскит и сфен . Ильменит - метатитанат железа FeTiO 3 - содержит 52,65% TiO 2 . Название этого минерала связано с тем, что он был найден на Урале в Ильменских горах. Крупнейшие россыпи ильменитовых песков имеются в Индии. Другой важнейший минерал - рутил представляет собой двуокись титана. Промышленное значение имеют также титаномагнетиты - природная смесь ильменита с минералами железа. Богатые месторождения титановых руд есть в СССР, США, Индии, Норвегии, Канаде, Австралии и других странах. Не так давно геологи открыли в Северном Прибайкалье новый титансодержащий минерал, который был назван ландауитом в честь советского физика академика Л. Д. Ландау. Всего на земном шаре известно более 150 значительных рудных и россыпных месторождений титана.

Наиболее значимыми для народного хозяйства были и остаются сплавы и металлы, объединяющие легкость и прочность. Титан относится именно к этой категории материалов и, кроме того, обладает превосходной коррозийной стойкостью.

Титан – переходный металл 4 группы 4 периода. Молекулярная масса его составляет всего 22, что указывает на легкость материала. При этом вещество отличается исключительной прочностью: среди всех конструкционных материалов именно у титана самая высокая удельная прочность. Цвет серебристо-белый.

Что такое титан, расскажет видео ниже:

Понятие и особенности

Титан довольно распространен – по содержанию в земной коре занимает 10 место. Однако выделить действительно чистый металл удалось лишь в 1875 году. До этого вещество либо получали с примесями, либо называли металлическим титаном его соединения. Эта путаница привела к тому, что соединения металла стали использоваться значительно раньше, чем сам металл.

Обусловлено это особенностью материала: самые ничтожные примеси заметно влияют на свойства вещества, порой полностью лишая присущих ему качеств.

Так, самая небольшая доля других металлов лишает титан жаропрочности, что является одним из его ценных качеств. А небольшая добавка неметалла превращает прочный материал в хрупкий и непригодный к применению.

Эта особенность сразу же разделила получаемый металл на 2 группы: технический и чистый.

• Первый применяют в тех случаях, когда более всего нужна прочность, легкость и коррозийная стойкость, так как последнее качество титан не теряет никогда.
• Материал большой чистоты используется там, где нужен материал, работающий при очень больших нагрузках и больших температурам, но при этом отличающийся легкостью. Это, конечно, авиа- и ракетостроение.

Вторая особая черта вещества – анизотропность. Некоторые его физические качества изменяются в зависимости от приложения сил, что необходимо учитывать при применении.

При нормальных условиях металл инертен, не корродирует ни в морской воде, ни в морском или городском воздухе. Более того, это самое биологически инертное вещество из известных, благодаря чему в медицине широко применяются титановые протезы и имплантаты.

В то же время при повышении температуры он начинает реагировать с кислородом, азотом и даже водородом, а в жидком виде впитывает газы. Эта неприятная особенность крайне затрудняет и получение самого металла, и изготовление сплавов на его основе.

Последнее возможно только при использовании вакуумной аппаратуры. Сложнейший процесс производства превратил довольно распространенный элемент в весьма дорогостоящий.

Связь с другими металлами

Титан занимает промежуточное положение между двумя другими известнейшими конструкционными материалами – алюминием и железом, вернее говоря, сплавами железа. По многим параметрам металл превосходит «конкурентов»:

• механическая прочность титана в 2 раза выше, чем у железа, и в 6 раз, чем у алюминия. При этом прочность при снижении температуры возрастает;
• коррозийная стойкость намного выше, чем у железа и даже алюминия;
• при нормальной температуре титан инертен. Однако при повышении до 250 С, начинает поглощать водород, что сказывается на свойствах. По химической активности он уступает магнию, но, увы, превосходит железо и алюминий;
• металл намного слабее проводит электричество: его удельное электросопротивление выше, чем у железа 5 раз, выше, чем у алюминия в 20 раз, и выше, чем у магния в 10 раз;
• теплопроводность также намного ниже: меньше, чем 1 железа в 3 раза, и меньше, чем у алюминия в 12 раз. Однако это свойство обуславливает очень низкий коэффициент температурного расширения.

Плюсы и минусы

На деле недостатков у титана множество. Но сочетание прочности и легкости настолько востребовано, что ни сложный способ изготовления, ни необходимость исключительной чистоты не останавливают потребителей металла.

К несомненным плюсам вещества относятся:

• низкая плотность, что означает очень небольшой вес;
• исключительная механическая прочность как самого металла титан, так и его сплавов. При повышении температуры титановые сплавы превосходят все сплавы алюминия и магния;
• соотношение прочности и плотности – удельная прочность, достигает 30–35, что почти в 2 раза выше, чем у лучших конструкционных сталей;
• на воздухе титан подлежит покрытию тонким слоем оксида, который и обеспечивает превосходную коррозийную стойкость.

Недостатков у металла тоже хватает:

• стойкость к коррозии и инертность относится только к продукции с неактивной поверхностью. Титановая пыль или стружка, например, самовоспламеняются и сгорают с температурой в 400 С;
• очень сложный способ получения металла титан обеспечивает очень высокую стоимость. Материал намного дороже железа, или ;
• способность впитывать атмосферные газы при повышении температуры требует применения при плавке и получении сплавов вакуумной аппаратуры, что тоже заметно увеличивает стоимость;
• титан отличается плохими антифрикционными свойствами – на трение он не работает;
• металл и его сплавы склонны к водородной коррозии, предотвратить которую сложно;
• титан плохо поддается обработке резанием. Сварка его тоже затруднена из-за фазового перехода во время нагревания.

Лист титана (фото)

Свойства и характеристики

Сильно зависят от чистоты. Справочные данные описывают, конечно, чистый металл, но характеристики технического титана могут заметно отличаться.

• Плотность металла уменьшается при нагревании от 4,41 до 4,25 г/куб см. Фазовый переход изменяет плотность лишь на 0,15%.
• Температура плавления металла – 1668 С. температуру кипения – 3227 С. Титан является тугоплавким веществом.
• В среднем предел прочности на растяжение составляет 300–450 МПа, однако это показатель можно увеличить до 2000 МПА, прибегнув к закалке и старению, а также введению дополнительных элементов.
• По шкале НВ твердость составляет 103 и это не предел.
• Теплоемкость титана невелика – 0,523 кдж/(кг·К).
• Удельное электросопротивление — 42,1·10 -6 ом·см.
• Титан является парамагнитом. При снижении температуры его магнитная восприимчивость уменьшается.
• Металлу в целом свойственны пластичность и ковкость. Однако на эти свойства сильно влияют кислород и азот в сплаве. Оба элемента придают материалу хрупкость.

Вещество устойчиво ко многим кислотам, включая азотную, серную в низкой концентрации и практически все органические за исключением муравьиной. Это качество обеспечивает титану востребованность в химической, нефтехимической, бумажной промышленности и так далее.

Структура и состав

Титан – хоть и переходный металл, да и удельное электросопротивление имеет низкое, все же, является металлом и проводит электрический ток, а это означает упорядоченную структуру. При нагревании до определенной температуры структура изменяется:

• до 883 С устойчивой является α-фаза с плотностью в 4,55 г/куб. см. Она отличается плотной гексагональной решеткой. Кислород растворяется в этой фазе с образованием растворов внедрения и стабилизирует α-модификацию – отодвигает температурный предел;
• выше 883 С стабильна β-фаза с объемно-центрированной кубической решеткой. Плотность его несколько меньше – 4,22 г/куб. см. Эту структуру стабилизирует водород – при его растворении в титане также образуются растворы внедрения и гидриды.

Эта особенность очень затрудняет работу металлурга. Растворимость водорода при охлаждении титана резко уменьшается, и в сплаве выпадает гидрид водорода – γ-фаза.

Он становится причиной появления холодных трещин при сварке, поэтому производителям приходится применять дополнительные усилия после плавки металла, чтобы очистить его от водорода.

О том, где можно найти и как сделать титан, расскажем ниже.

Данное видео посвящено описанию титана как металла:

Производство и добыча

Титан весьма распространен, так что с рудами, содержащими металл, причем в довольно больших количествах, затруднений не возникает. Исходным сырьем выступает рутил, анатаз и брукит – диоксиды титана в разной модификации, ильменит, пирофанит – соединения с железом, и так далее.

А вот сложна и требует дорогостоящей аппаратуры. Способы получения несколько отличаются, поскольку состав руды различен. Например, схема получения металла из ильменитовых руд выглядит так:

• получение титанового шлака – породу загружают в электродуговую печь вместе с восстановителем – антрацитом, древесным углем и прогревают до 1650 С. При этом отделяют железо, которое идет на получение чугуна и диоксида титана в шлаке;
• шлак хлорируют в шахтных или солевых хлораторах. Суть процесса сводится к тому, чтобы перевести твердый диоксид в газообразный тетрахлорид титана;
• в печах сопротивления в специальных колбах металл восстанавливают натрием или магнием из хлорида. В итоге получают простую массу – титановую губку. Это технический титан вполне пригодный для изготовления химической аппаратуры, например;
• если же требуется более чистый металл, прибегают к рафинированию – при этом металл реагирует с йодом с тем, чтобы получить газообразный йодид, а последний под действием температуры – 1300–1400 С, и электрического тока, разлагается, высвобождая чистый титан. Электрический ток подается через натянутую в реторте титановую проволоку, на которую и осаждается чистое вещество.

Чтобы получить титан в слитках, титановую губку переплавляют в вакуумной печи, чтобы предотвратить растворение водорода и азота.

Цена титана за 1 кг очень высока: в зависимости от степени чистоты металл стоит от 25 до 40 $ за 1 кг. С другой стороны, корпус кислотоупорного аппарата из нержавеющей стали обойдется в 150 р. и прослужит не более 6 месяцев. Титановый будет стоить около 600 р, но эксплуатируется в течение 10 лет. Много производств титана есть в России.

Области применения

Влияние степени очистки на физико-механические качества заставляет рассматривать именно с этой точки зрения. Так, технический, то есть, не самый чистый металл обладает превосходной коррозийной стойкостью, легкостью и прочностью, что и обуславливает его применение:

• химическая промышленность – теплообменники, трубы, корпуса, детали насосов, арматура и так далее. Материал незаменим на участках, где требуется стойкость к кислотам и прочность;
• транспортная промышленность – вещество используется для изготовления средств передвижения от железнодорожных составов до велосипедов. В первом случае, металл обеспечивает меньшую массу составов, что делает тягу более эффективной, в последнем – придает легкость и прочность, не зря ведь титановая велосипедная рама считается лучшей;
• военно-морское дело – из титана изготавливают теплообменники, выхлопные глушители для подводных лодок, клапан, пропеллеры и так далее;
• в строительстве широко применяют -титан – прекрасный материал для отделки фасадов и кровель. Вместе с прочностью сплав обеспечивает еще одно важное для архитектуры достоинство – возможность придавать изделиям самую причудливую конфигурацию, способность к формообразованию у сплава неограниченная.

Чистый металл, кроме того, является очень стойким к высоким температурам и сохраняет при этом прочность. Применение очевидно:

• ракето- и авиастроение – из него изготавливают обшивку. Детали двигателей, элементы крепления, части шасси и так далее;
• медицина – биологическая инертность и легкость делает титан куда более перспективным материалом при протезировании, вплоть до сердечных клапанов;
• криогенная техника – титан является одним из немногих веществ, которые при снижении температуры становятся лишь прочнее и не утрачивает пластичности.

Титан – конструкционный материал самой высокой прочности при такой легкости и пластичности. Эти уникальные качества обеспечивают ему все более важную роль в народном хозяйстве.

О том, где взять титан для ножа, расскажет видео ниже:

Инструкция

Открытие титана знаменательно тем, что его «родителями» являются сразу двое ученых – британец У. Грегор и немец М. Клапрот. Первый еще в 1791 году проводил исследования состава магнитного железистого песка, в результате чего был выделен неизвестный до этого момента металл. А в 1795-ом Клапрот проводил научные изыскания в части минерала рутила и также получил какой-то металл. Спустя десять лет уже француз Л. Воклен сам получил титан и доказал то, что предыдущие металлы были идентичны.

Полноценный образец химического элемента был получен ученым Й. Я. Берцелиусом в 1825 году, но он тогда считался сильно загрязненным, а уже чистый титан смогли получить двое голландцев – А. ванн Аркел и И. де Бур.

Титан является 10-ым по концентрации в природе химическим элементом среди всей периодической таблицы. Он есть в земной коре, морской воде, ультраосновных породах, в глинистой почве и в сланцах. Переносится элемент путем выветривания, после чего образуются крупные концентрации титана в россыпях. Минералы, содержащие в себе этот химический элемент – рутил, ильменит, титаномагнетит, перовскит, титанит, также различаются коренные титановые руды. Лидером по добыче элемента считаются Китай и Россия, но его запасы также есть в Украине, Японии, Австралии, Казахстане, в Южной Корее, Индии, Бразилии и на Цейлоне. В 2013 году мировое производство титана составило 4,5 млн тонн.

Плавится титан при температуре в 1660 градусов Цельсия, кипит - при 3260 градусах, плотность его - 4,32-4,505 г/см3. Химический элемент довольно пластичен и сваривается в инертной атмосфере, он очень вязкий, склонен к налипанию на инструмент резки, в силу чего данный процесс осуществляется только при использовании специальной смазки. Взрывоопасной считается титановая пыль при температуре вспыхивания в 400 градусов Цельсия, а металлическая стружка пожароопасна.

Титан устойчив к прогрессирующей коррозии, а также к растворам кислот и щелочей. Известно и то, что, в случае нагревания до Цельсия, элемент начинает гореть очень ярким белым пламенем и образует оксидные фазы. Путем воздействия водорода, алюминия и кремния титан частично преобразуется в трихлорид и дихлорид титана, представляющие собой твердые вещества с сильными восстановительными свойствами.

Отрасли применения титана – металлургия и литье, где из этого химического элемента изготовляют высокопрочные реакторы, трубопроводы, арматуру, медицинское оборудование (инструменты и протезы), а также многое другое. Интересно и то, что из титана частично выполнен памятник Юрию Гагарину на одноименной площади в Москве.

Все, что нужно знать о титане, а также о хроме и вольфраме

Многих интересует вопрос: какой самый твердый металл в мире? Это титан. Этому твердому веществу и будет посвящена большая часть статьи. Также немного ознакомимся и с такими твердыми металлами как хром и вольфрам.

9 интересных фактов о титане

1. Существует несколько версий, почему металл получил такое название. Согласно одной теории, его назвали в честь Титанов, бесстрашных сверхъестественных существ. По другой версии, название пошло от Титании, королевы фей.
2. Титан был открыт в конце XVIII века немецким и английским химиком.
3. Титан долго не использовали в промышленности из-за его природной хрупкости.
4. В начале 1925 года, после серии опытов, химики получили титан в чистом виде.
5. Стружка от титана легко воспламеняется.
6. Это один из самых легких металлов.
7. Титан может расплавиться только при температуре выше 3200 градусов.
8. Закипает при температуре 3300 градусов.
9. Титан имеет серебряный цвет.

История открытия титана

Металл, который впоследствии назвали титан, открыли двое ученых – англичанин Уильям Грегор и немец Мартин Грегор Клапрот. Ученые работали параллельно, и между собой не пересекались. Разница между открытиями составляет 6 лет.

Уильям Грегор дал своему открытию название — менакин.

Более чем через 30 лет был получен первый сплав титана, который оказался чрезвычайно хрупким, и не мог нигде использоваться. Считается, что лишь в 1925 году был выделен титан в чистом виде, который стал одним из самых востребованных в промышленности металлов.

Доказано, что российский ученый Кириллов в 1875 году сумел добыть чистый титан. Он опубликовал брошюру, в которой подробно описал свою работу. Однако исследования малоизвестного россиянина остались незамеченными.

Общая информация о титане

Титановые сплавы – спасение для механиков и инженеров. Например, корпус самолета изготовлен из титана. Во время полета он достигает скорости в несколько раз больше, чем скорость звука. Титановый корпус нагревается до температуры выше 300 градусов, и не плавится.

Металл замыкает десятку лидеров «Самых распространенных металлов в природе». Большие залежи обнаружены в ЮАР, Китае и , немало титана в Японии, Индии, на Украине.

Общее количество мирового запаса титанов насчитывает более 700 миллионов тонн. Если темпы добычи останутся прежними, титана хватит еще на 150-160 лет.

Крупнейший производитель самого твердого металла в мире – российское предприятие «ВСМПО-Ависма», которое удовлетворяет треть мировых потребностей.

Свойства титана

1. Коррозийная стойкость.
2. Высокая механическая прочность.
3. Небольшая плотность.

Атомный вес титана составляет 47, 88 а.е.м, порядковый номер в химической таблице Менделеева – 22. Внешне он очень похож на сталь.

Механическая плотность металла в 6 раз больше, чем у алюминия, в 2 раза выше, чем у железа. Он может соединиться с кислородом, водородом, азотом. В паре с углеродом металл образует невероятно твердые карбиды.

Теплопроводность титана в 4 раза меньше, чем у железа, и в 13 раз – чем у алюминия.

Процесс добычи титана

В земле титана большое количество, однако, извлечь его из недр стоит немалых денег. Для выработки используют иодидный метод, автором которого считается Ван Аркель де Бур.

В основе метода – способность металла сочетаться с иодом, после разложения этого соединения можно получить чистый, свободный от посторонних примесей титан.

Самые интересные вещи из титана:

• протезы в медицине;
• платы мобильных устройств;
• ракетные комплексы для освоения Космоса;
• трубопроводы, насосы;
• навесы, карнизы, наружная обшивка зданий;
• большинство деталей (шасси, обшивка).

Сферы применения титана

Титан активно используют в военной сфере, медицине, ювелирном деле. Ему дали неофициальное название «металл будущего». Многие говорят, что он помогает превратить мечту в реальность.

Самый твердый металл в мире изначально стали применять в военной и оборонной сфере. Сегодня основным потребителем титановых изделий является авиастроение.

Титан – универсальный конструкционный материал. Долгие годы он применялся для создания турбин самолетов. В авиационных двигателях из титана делают элементы вентилятора, компрессоры, диски.

Конструкция современного летательного аппарата может содержать до 20 тонн титанового сплава.

Основные сферы применения титана в авиастроении:

• продукция пространственной формы (окантовка дверей, люков, обшивка, настил пола);
• агрегаты и узлы, которые подвержены сильным нагрузкам (кронштейны крыльев, стойки шасси, гидроцилиндры);
• части двигателя (корпус, лопатки для компрессоров).

Благодаря титану человек смог пройти сквозь звуковой барьер, и ворваться в Космос. Его использовали для создания пилотируемых ракетных комплексов. Титан может выдержать космическую радиацию, перепады температур, скорость движения.

Этот металл имеет небольшую плотность, что важно в судостроительной сфере. Изделия из титана легкие, а значит, снижается вес , увеличивается его маневренность, скорость, дальность хода. Если корпус корабля обшить титаном, его не нужно будет красить много лет – титан не ржавеет в морской воде (коррозийная стойкость).

Чаще всего этот металл в судостроении используют для изготовления турбинных двигателей, паровых котлов, конденсаторных труб.

Нефтедобывающая отрасль и титан

Перспективной сферой использования сплавов из титана считается сверхглубокое бурение. Для изучения и добычи подземных богатств есть необходимость проникнуть глубоко под землю – свыше 15 тысяч метров. Буровые трубы из алюминия, например, разорвутся из-за собственной тяжести, и только сплавы из титана могут достигнуть действительно большой глубины.

Не так давно титан стал активно использоваться для создания скважин на морских шельфах. Специалисты применяют титановые сплавы в качестве оборудования:

• нефтедобывающие установки;
• сосуды высокого давления;
• глубоководные насосы, трубопроводы.

Титан в спорте, медицине

Титан крайне популярен в спортивной сфере из-за своей прочности и легкости. Несколько десятилетий назад из титановых сплавов сделали велосипед, первый спортивный инвентарь из самого твердого материала в мире. Современный велосипед состоит из титанового корпуса, такого же тормоза и пружин сидений.

В Японии создали титановые клюшки для игры в гольф. Эти приспособления легкие и долговечные, но крайне дорогие по цене.

Из титана делают большинство предметов, которые лежат в рюкзаке альпинистов и путешественников – столовая посуда, наборы для приготовления еды, стойки для укрепления палаток. Титановые ледорубы – очень востребованный спортивный инвентарь.

Этот металл очень востребован в медицинской отрасли. Из титана делают большинство хирургических инструментов – легких и удобных.

Еще одна сфера применения металла будущего – создание протезов. Титан превосходно «сочетается» с организмом человека. Медики назвали этот процесс «настоящее родство». Конструкции из титана безопасны для мышц и костей, редко вызывают аллергическую реакцию, не разрушаются под воздействием жидкости в организме. Протезы из титана стойкие, выдерживают огромные физические нагрузки.

Титан – удивительный металл. Он помогает человеку достичь невиданных высот в различных сферах жизни. Его любят и почитают за прочность, легкость и долгие годы службы.

Одним из самых твердых металлов является и хром

Интересные факты о хроме

1. Название металла происходит от греческого слова «chroma», что в переводе означает краска.
2. В естественной среде хром в чистом виде не встречается, а только в виде хромистого железняка, двойного оксида.
3. Самые большие месторождения металла расположены в ЮАР, России, Казахстане и Зимбабве.
4. Плотность металла – 7200кг/м3.
5. Хром плавится при температуре 1907 градусов.
6. Закипает при температуре 2671 градусов.
7. Совершенно чистый без примесей хром характеризуется тягучестью и вязкостью. В сочетании с кислородом, азотом или водородом металл становится ломким и очень твердым.
8. Этот металл серебристо-белого цвета открыл француз Луи Никола Воклен в конце XVIII века.

Свойства металла хрома

У хрома очень высокая твердость, им можно разрезать стекло. Он не окисляется воздухом, влагой. Если металл нагреть, окисление произойдет только на поверхности.

В год потребляют более 15 000 тон чистого хрома. Лидером по производству чистейшего хрома считается английская компания «Bell Metals».

Больше всего хрома потребляют в США, западных странах Европы и Японии. Рынок хрома нестабилен, и цены охватывают широкий диапазон.

Сферы использования хрома

Чаще всего применяется для создания сплавов и гальванических покрытий (хромирование на транспорт).

Хром добавляют в сталь, что улучшает физические свойства металла. Эти сплавы – наиболее востребованы в черной металлургии.

Сталь самой популярной марки состоит из хрома (18%) и никеля (8%). Такие сплавы отлично противостоят окислению, коррозии, прочны даже при высоких температурах.

Из стали, которая содержит треть хрома, изготавливают нагревательные печи.

Что еще делают из хрома?

1. Стволы огнестрельного оружия.
2. Корпус подводных лодок.
3. Кирпичи, которые используют в металлургии.

Еще одним чрезвычайно твердым металлом является вольфрам

Интересные факты о вольфраме

1. Название металла в переводе с немецкого («Wolf Rahm») означает «пена волка».
2. Это наиболее тугоплавкий металл в мире.
3. Вольфрам имеет светло-серый оттенок.
4. Металл был открыт в конце XVIII века (1781г) шведом Карлом Шееле.
5. Вольфрам плавится при температуре 3422 градусов, кипит – при 5900.
6. Металл имеет плотность 19.3 г/см³.
7. Атомная масса – 183.85, элемент VI группы в периодической системе Менделеева (порядковый номер – 74).

Процесс добычи вольфрама

Вольфрам относится к большой группе редких металлов. В нее входит также рубидий, молибден. Для этой группы характерна небольшая распространенность металлов в природе и малые масштабы потребления.

Получение вольфрама состоит из 3 этапов:

• отделение металла от руды, скапливание его в растворе;
• выделение соединения, его очистка;
• выделение чистого металла из готового химического соединения.
• Исходный материал для получения вольфрама – шеелит и вольфрамит.

Сферы применения вольфрама

Вольфрам является основой большинства прочных сплавов. Из него делают авиационные двигатели, детали электровакуумных приборов, нити накаливания.
Высокая плотность металла позволяет использовать вольфрам для создания баллистических ракет, пуль, противовесы, артиллерийские снаряды.

Соединения на основе вольфрама применяют для обработки других металлов, в горнодобывающей промышленности (бурение скважин), лакокрасочной, текстильной сфере (как катализатор органического синтеза).

Из сложных вольфрамовых соединений делают:

• проволоки – используются в нагревательных печах;
• ленты, фольгу, пластины, листы – для прокатки и плоской ковки.

Титан, хром и вольфрам возглавляют список «Самые твердые металлы в мире». Их используют во многих сферах деятельности человека – авиа и ракетостроении, военной области, строительстве, и при этом, это далеко не полный спектр применения металлов.

Вечный, загадочный, космический, - все эти и многие другие эпитеты присваиваются в различных источниках титану. История открытия этого металла не была тривиальной: одновременно над выделением элемента в чистом виде трудились несколько ученых. Процесс изучения физических, химических свойств и определение областей его применения на сегодняшний день. Титан - металл будущего, место его в жизни человека еще окончательно не определено, что дает современным исследователям огромный простор для творчества и научных изысканий.

Характеристика

Химический элемент обозначается в периодической таблице Д. И. Менделеева символом Ti. Располагается в побочной подгруппе IV группы четвертого периода и имеет порядковый номер 22. титан - металл бело-серебристого цвета, легкий и прочный. Электронная конфигурация атома имеет следующую структуру: +22)2)8)10)2, 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 2 4S 2 . Соответственно, титан имеет несколько возможных степеней окисления: 2, 3, 4, в наиболее устойчивых соединениях он четырехвалентен.

Титан - сплав или металл?

Этот вопрос интересует многих. В 1910 году американский химик Хантер получил впервые чистый титан. Металл содержал всего 1 % примесей, но при этом его количество оказалось ничтожно мало и не давало возможности дальнейшего исследования его свойств. Пластичность полученного вещества достигалась толькопод воздействием высоких температур, при нормальных условиях (комнатной температуре) образец был слишком хрупок. Фактически этот элемент не заинтересовал ученых, так как перспективы его использования казались слишком неопределенными. Сложность получения и исследования еще больше снизили потенциал его применения. Только в 1925 году ученые-химики из Нидерландов И. де Бур и А. Ван-Аркел получили металл титан, свойства которого привлекли внимание инженеров и конструкторов всего мира. История исследования этого элемента начинается с 1790 года, именно в это время параллельно, независимо друг от друга, двое ученых открывают титан как химический элемент. Каждый из них получает соединение (оксид) вещества, не сумев выделить металл в чистом виде. Первооткрывателем титана считается английский минеролог монах Уильям Грегор. На территории своего прихода, расположенного в юго-западной части Англии, молодой ученый начал изучение черного песка долины Менакэна. Результатом стало выделение блестящих крупиц, которые являлись соединением титана. В это же время в Германии химик Мартин Генрих Клапрот выделил новое вещество из минерала рутиле. В 1797 году он же доказал, что открытые параллельно элементы являются аналогичными. Двуокись титана более века являлась загадкой для многих химиков, получить чистый металл оказалось не по силам даже Берцелиусу. Новейшие технологии XX века значительно ускорили процесс изучения упомянутого элемента и определили начальные направления его использования. При этом сфера применения расширяется постоянно. Ограничить её рамки может только сложность процесса получения такого вещества, как чистый титан. Цена сплавов и металла достаточно высока, поэтому на сегодняшний день он не может вытеснить традиционное железо и алюминий.

Происхождение названия

Менакин - первое название титана, которое применялось до 1795 года. Именно так, по территориальной принадлежности, назвал новый элемент У. Грегор. Мартин Клапрот присваивает элементу в 1797 году наименование «титан». В это время его французские коллеги во главе с достаточно авторитетным химиком А. Л. Лавуазье предлагают именовать вновь открытые вещества в соответствии с их основными свойствами. Немецкий ученый не был согласен с таким подходом, он вполне обоснованно считал, что на стадии открытия достаточно сложно определить все характеристики, свойственные веществу, и отразить их в названии. Однако следует признать, что интуитивно выбранный Клапротом термин в полной мере соответствует металлу - это неоднократно подчеркивали современные ученые. Существуют две основные теории возникновения названия титан. Металл мог быть обозначен так в честь эльфийской царицы Титании (персонаж германской мифологии). Такое название символизирует одновременно легкость и прочность вещества. Большинство ученых склоняются к версии использования древнегреческой мифологии, в которой титанами называли могучих сыновей богини земли Геи. В пользу этой версии говорит и название открытого ранее элемента - урана.

Нахождение в природе

Из металлов, которые в техническом отношении представляют ценность для человека, титан занимает четвертое место по степени распространенности в земной коре. Большим процентным содержанием в природе характеризуются только железо, магний и алюминий. Наибольшее содержание титана отмечено в базальтовой оболочке, чуть меньше его в гранитном слое. В морской воде содержание данного вещества невысокое - приблизительно 0,001 мг/л. Химический элемент титан достаточно активен, поэтому в чистом виде его встретить невозможно. Чаще всего он присутствует в соединениях с кислородом, при этом имеет валентность, равную четырем. Количество титаносодержащих минералов варьируется от 63 до 75 (в различных источниках), при этом на современном этапе исследований ученые продолжают открывать новые формы его соединений. Для практического использования наибольшее значение имеют следующие минералы:

1. Ильменит (FeTiO 3).
2. Рутил (TiO 2).
3. Титанит (CaTiSiO 5).
4. Перовскит (CaTiO 3).
5. Титаномагнетит (FeTiO 3 +Fe 3 O 4) и т. д.

Все существующие титаносодержащие руды делят на россыпные и основные. Данный элемент является слабым мигрантом, он может путешествовать только в виде обломов камней или перемещения илистых придонных пород. В биосфере наибольшее количество титана содержится в водорослях. У представителей наземной фауны элемент накапливается в роговых тканях, волосе. Для человеческого организма характерно присутствие титана в селезенке, надпочечниках, плаценте, щитовидной железе.

Физические свойства

Титан - цветной металл, имеющий серебристо-белую окраску, внешне напоминает сталь. При температуре 0 0 С его плотность составляет 4,517 г/см 3 . Вещество имеет низкую удельную массу, что характерно для щелочных металлов (кадмий, натрий, литий, цезий). По плотности титан занимает промежуточную позицию между железом и алюминием, при этом его эксплуатационные характеристики выше, чем у обоих элементов. Основными свойствами металлов, которые учитываются при определении сферы их применения, являются и твердость. Титан прочнее алюминия в 12 раз, железа и меди - в 4 раза, при этом он значительно легче. Пластичность и предел его текучести позволяют производить обработку при низких и высоких температурных значениях, как и в случае с остальными металлами, т. е. методами клепки, ковки, сварки, проката. Отличительная характеристика титана - его низкая тепло- и электропроводность, при этом данные свойства сохраняются при повышенных температурах, вплоть до 500 0 С. В магнитном поле титан является парамагнитным элементом, он не притягивается, как железо, и не выталкивается, как медь. Очень высокие антикоррозийные показатели в агрессивных средах и при механических воздействиях уникальны. Более 10 лет нахождения в морской воде не изменили внешнего вида и состава пластины из титана. Железо в этом случае было бы уничтожено коррозией полностью.

Термодинамические свойства титана

1. Плотность (при нормальных условиях) составляет 4,54 г/см 3 .
2. Атомный номер - 22.
3. Группа металлов - тугоплавкий, легкий.
4. Атомная масса титана - 47,0.
5. Температура кипения (0 С) - 3260.
6. Молярный объем см 3 /моль - 10,6.
7. Температура плавления титана (0 С) - 1668.
8. Удельная теплота испарения (кДж/моль) - 422,6.
9. Электросопротивление (при 20 0 С) Ом*см*10 -6 - 45.

Химические свойства

Повышенная коррозийная устойчивость элемента объясняется образованием на поверхности небольшой оксидной пленки. Она предотвращает (при нормальных условиях) с газами (кислород, водород), находящимися в окружающей атмосфере такого элемента, как металл титан. Свойства его изменяются под воздействием температуры. При ее повышении до 600 0 С происходит реакция взаимодействия с кислородом, в результате образуется оксид титана (TiO 2). В случае поглощения атмосферных газов образуются хрупкие соединения, которые не имеют никакого практического применения, именно поэтому сварка и плавка титана производятся в условиях вакуума. Обратимой реакцией является процесс растворения водорода в металле, он более активно происходит при повышении температуры (от 400 0 С и выше). Титан, особенно его мелкие частицы (тонкая пластина или проволока), сгорает в атмосфере азота. Химическая реакция взаимодействия возможна только при температуре 700 0 С, в результате образуется нитрид TiN. Со многими металлами формирует высокотвердые сплавы, часто является легирующим элементом. В реакцию с галогенами (хром, бром, йод) вступает только при наличии катализатора (высокой температуры) и при условии взаимодействия с сухим веществом. При этом образуются очень твердые тугоплавкие сплавы. С растворами большинства щелочей и кислот титан химически не активен, исключением является концентрированная серная (при длительном кипячении), плавиковая, горячие органические (муравьиная, щавелевая).

Месторождения

Наиболее распространены в природе ильменитовые руды - их запасы оцениваются в 800 млн тонн. Залежи рутиловых месторождений гораздо скромнее, но общий объем - при сохранении роста добычи - должен обеспечить человечество на ближайшие 120 лет таким металлом, как титан. Цена готового продукта будет зависеть от спроса и повышения уровня технологичности производства, но в среднем варьируется в диапазоне от 1200 до 1800 руб./кг. В условиях постоянного технического совершенствования значительно понижается себестоимость всех производственных процессов при их своевременной модернизации. Наибольшими запасами обладают Китай и Россия, также минерально-сырьевую базу имеют Япония, ЮАР, Австралия, Казахстан, Индия, Южная Корея, Украина, Цейлон. Месторождения отличаются объемами добычи и процентным содержанием титана в руде, геологические изыскания продолжаются постоянно, что дает возможность предполагать снижение рыночной стоимости металла и его более широкое применение. Россия на сегодняшний день является наиболее крупным производителем титана.

Получение

Для производства титана чаще всего используется его диоксид, содержащий минимальное количество примесей. Его получают путем обогащения ильменитовых концентратов или рутиловых руд. В электродуговой печи происходит термическая обработка руды, которая сопровождается отделением железа и образованием шлака, содержащего оксид титана. Сернокислый или хлоридный метод применяется для обработки свободной от железа фракции. Оксид титана является порошком серого цвета (см. фото). Металл титан получается при его поэтапной обработке.

Первой фазой является процесс спекания шлака с коксом и воздействия парами хлора. Полученный TiCl 4 восстанавливают магнием или натрием при воздействии температуры 850 0 С. Титановая губка (пористая сплавленная масса), полученная в результате химической реакции, очищается или переплавляется в слитки. В зависимости от дальнейшего направления использования, формируется сплав или металл в чистом виде (примеси удаляются путем нагрева до 1000 0 С). Для производства вещества с долей примесей 0,01 % используется йодидный метод. Он основан на процессе выпаривания из титановой губки, предварительно обработанной галогеном, его паров.

Сферы применения

Температура плавления титана является достаточно высокой, что при легкости металла является неоценимым преимуществом использования его в качестве конструкционного материала. Поэтому наибольшее применение он находит в судостроении, авиационной промышленности, изготовлении ракет, химических производствах. Титан достаточно часто используют в качестве легирующей добавки в различных сплавах, которые обладают повышенными характеристиками твердости и жаропрочности. Высокие антикоррозийные свойства и способность выдерживать большинство агрессивных сред делают этот металл незаменимым для химической промышленности. Из титана (его сплавов) изготавливают трубопроводы, емкости, запорную арматуру, фильтры, используемые при перегонке и транспортировке кислот и других химически активных веществ. Он востребован при создании приборов, работающих в условиях повышенных температурных показателях. Соединения титана используются для изготовления прочного режущего инструмента, красок, пластика и бумаги, хирургических инструментов, имплантатов, ювелирных изделий, отделочных материалов, применяется в пищевой промышленности. Все направления сложно описать. Современная медицина из-за полной биологической безопасности часто использует металл титан. Цена - это единственный фактор, который пока влияет на широту применения данного элемента. Справедливым является утверждение, что титан - материал будущего, изучая который, человечество перейдет на новый этап развития.