Найвищий ступінь окислення титану. З'єднання титану, цирконію та гафнію.

ВИЗНАЧЕННЯ

Титанрозташований у четвертому періоді IV групи побічної (B) підгрупи Періодичної таблиці. Позначення – Ti. У вигляді простої речовини титан є сріблясто-білим металом.

Належить до легких металів. Тугоплавок. Щільність - 4,50 г/см3. Температури плавлення та кипіння дорівнюють 1668 o З і 3330 o З відповідно.

Титан корозійно-стійкий при повітрі при звичайній температурі, що пояснюється наявністю на його поверхні захисної плівки складу TiO 2 . Хімічно стійкий у багатьох агресивних середовищах (розчини сульфатів, хлоридів, морської води тощо).

Ступінь окислення титану у сполуках

Титан може існувати у вигляді простої речовини - металу, а ступінь окислення металів в елементарному стані дорівнює нулю, оскільки розподіл електронної густини у яких рівномірно.

У своїх сполуках титан здатний виявляти ступеня окиснення. (+2) (Ti +2 H 2 , Ti +2 O, Ti +2 (OH) 2 , Ti +2 F 2 , Ti +2 Cl 2 , Ti +2 Br 2), (+3) (Ti +3 2 O 3 , Ti +3 (OH) 3 , Ti +3 F 3 , Ti +3 Cl 3 , Ti +3 2 S 3) і (+4) (Ti +4 F 4 , Ti +4 H 4 Ti +4 Cl 4 Ti +4 Br 4).

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання	Валентність III і ступінь окислення (-3) азот виявляє у поєднанні: а) N 2 H 4 ; б) NH 3; в) NH4Cl; г) N 2 O 5
Рішення	Для того, щоб дати правильну відповідь на поставлене питання, почергово визначатимемо валентність і ступінь окислення азоту в запропонованих сполуках. а) валентність водню завжди дорівнює I. Загальна кількість одиниць валентності водню дорівнює 4-му (1×4 = 4). Розділимо отримане значення число атомів азоту в молекулі: 4/2 = 2, отже, валентність азоту дорівнює II. Цей варіант відповіді неправильний. б) валентність водню завжди дорівнює I. Загальна кількість одиниць валентності водню дорівнює 3-му (1×3 = 3). Розділимо отримане значення число атомів азоту в молекулі: 3/1 = 2, отже, валентність азоту дорівнює III. Ступінь окислення азоту в аміаку дорівнює (-3): Це вірна відповідь.
Відповідь	Варіант (б).

ПРИКЛАД 2

Завдання	Одинаковий ступінь окислення хлор має в кожному з двох сполук: а) FeCl 3 і Cl 2 O 5; б) KClO 3 і Cl 2 O 5; в) NaCl і HClO; г) KClO 2 та CaCl 2 .
Рішення	Для того, щоб дати правильну відповідь на поставлене питання почергово визначатимемо ступінь окислення хлору в кожній парі запропонованих сполук. а) Ступінь окислення заліза дорівнює (+3), а кисню – (-2). Приймемо значення ступеня окислення хлору за «х» і «у» у хлориді заліза (III) та оксиді хлору, відповідно: у ×2 + (-2)×5 = 0; Відповідь неправильна. б) Ступені окислення калію та кисню рівні (+1) та (-2), відповідно. Приймемо значення ступеня окислення хлору за «х» і «у» у запропонованих сполуках: 1 + х + (-2) 3 = 0; y×2 + (-2)×5 = 0; Відповідь вірна.
Відповідь	Варіант (б).

Вічний, загадковий, космічний - всі ці та багато інших епітетів присвоюються в різних джерелах титану. Історія відкриття цього металу була тривіальною: одночасно над виділенням елемента в чистому виглядіпрацювали кілька вчених. Процес вивчення фізичних, хімічних властивостей та визначення областей його застосування на сьогоднішній день. Титан - метал майбутнього, місце його у житті ще остаточно не визначено, що дає сучасним дослідникамвеличезний простір для творчості та наукових досліджень.

Характеристика

Хімічний елемент позначається у періодичній таблиці Д. І. Менделєєва символом Ti. Розташовується в побічній підгрупі IV групи четвертого періоду і має порядковий номер 22. титан - метал біло-сріблястого кольору, легкий та міцний. Електронна конфігурація атома має наступну структуру: +22) 2) 8) 10) 2, 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 2 4S 2 . Відповідно, титан має декілька можливих ступенівокислення: 2, 3, 4, у найбільш стійких з'єднаннях він чотиривалентний.

Титан – сплав чи метал?

Це питання цікавить багатьох. 1910 року американський хімік Хантер отримав вперше чистий титан. Метал містив лише 1 % домішок, та заодно його кількість виявилося мізерно мало і давало можливості подальшого дослідження його властивостей. Пластичність отриманої речовини досягалася тільки під впливом високих температур, за нормальних умов ( кімнатній температурі) зразок був занадто тендітний. Фактично, цей елемент не зацікавив вчених, оскільки перспективи його використання здавалися надто невизначеними. Складність отримання та дослідження ще більше знизили потенціал його застосування. Лише у 1925 році вчені-хіміки з Нідерландів І. де Бур та А. Ван-Аркел отримали метал титан, властивості якого привернули увагу інженерів та конструкторів усього світу. Історія дослідження цього елемента починається з 1790 року, саме в цей час паралельно, незалежно один від одного, двоє вчених відкривають титан як хімічний елемент. Кожен з них отримує сполуку (оксид) речовини, не зумівши виділити метал у чистому вигляді. Першовідкривачем титану вважається англійський мінеролог монах Вільям Грегор. На території свого приходу, розташованого в південно-західній частині Англії, молодий вчений розпочав вивчення чорного піску долини Менакена. Результатом стало виділення блискучих крупинок, які були сполукою титану. У той же час у Німеччині хімік Мартін Генріх Клапрот виділив нову речовину з мінералу рутиле. У 1797 році він довів, що відкриті паралельно елементи є аналогічними. Двоокис титану більше століття була загадкою для багатьох хіміків, отримати чистий метал виявилося не під силу навіть Берцеліусу. Новітні технології XX століття значно прискорили процес вивчення згаданого елемента та визначили початкові напрями його використання. При цьому сфера застосування постійно розширюється. Обмежити її рамки може лише складність процесу одержання такої речовини, як чистий титан. Ціна сплавів та металу досить висока, тому на сьогоднішній день він не може витіснити традиційне залізо та алюміній.

походження назви

Менакін - перша назва титану, яка застосовувалася до 1795 року. Саме так, за територіальною належністю назвав новий елемент У. Грегор. Мартін Клапрот присвоює елементу в 1797 найменування «титан». У цей час його французькі колеги на чолі з досить авторитетним хіміком А. Л. Лавуазьє пропонують іменувати знову відкриті речовини відповідно до їх основних властивостей. Німецький вчений не був згоден з таким підходом, він цілком обґрунтовано вважав, що на стадії відкриття досить складно визначити всі характеристики, властиві речовині та відобразити їх у назві. Проте слід визнати, що інтуїтивно обраний Клапротом термін повною мірою відповідає металу – це неодноразово наголошували сучасні вчені. Існують дві основні теорії виникнення назви титану. Метал міг бути позначений на честь ельфійської цариці Титанії (персонаж німецької міфології). Така назва символізує одночасно легкість та міцність речовини. Більшість вчених схиляються до версії використання давньогрецької міфології, у якій титанами називали могутніх синів богині землі Геї. На користь цієї версії говорить і назва відкритого елемента - урану.

Знаходження у природі

З металів, які в технічному відношенні представляють цінність для людини, титан займає четверте місце за ступенем поширеності земної кори. Великим відсотковим вмістом у природі характеризуються лише залізо, магній та алюміній. Найбільший вміст титану відзначено у базальтовій оболонці, трохи менше його у гранітному шарі. У морській воді вміст цієї речовини невисокий - приблизно 0,001 мг/л. Хімічний елемент титан є досить активним, тому в чистому вигляді його зустріти неможливо. Найчастіше він є у сполуках з киснем, у своїй має валентність, рівну чотирьом. Кількість мінералів, що містять титан, варіюється від 63 до 75 (у різних джерелах), при цьому на сучасному етапідосліджень вчені продовжують відкривати нові форми його сполук. Для практичного використання найбільше значення мають такі мінерали:

1. Ільменіт (FeTiO 3).
2. Рутил (TiO 2).
3. Титаніт (CaTiSiO 5).
4. Перовскіт (CaTiO 3).
5. Титаномагнетит (FeTiO 3 +Fe 3 O 4) і т.д.

Усі існуючі титановмісні руди ділять на розсипні та основні. Цей елемент є слабким мігрантом, він може подорожувати лише у вигляді обломів каменів або переміщення мулистих придонних порід. У біосфері найбільше титану міститься у водоростях. У представників наземної фауни елемент накопичується у рогових тканинах, волоссі. Для людського організму характерна присутність титану в селезінці, надниркових залозах, плаценті, щитовидній залозі.

Фізичні властивості

Титан – кольоровий метал, що має сріблясто-біле забарвлення, зовні нагадує сталь. При температурі 0 0 його щільність становить 4,517 г/см 3 . Речовина має низьку питому масу, що притаманно лужних металів (кадмій, натрій, літій, цезій). По щільності титан займає проміжну позицію між залізом та алюмінієм, при цьому його експлуатаційні характеристики вищі, ніж обидва елементи. Основними властивостями металів, які враховуються щодо сфери їх застосування, є і твердість. Титан міцніший за алюміній у 12 разів, заліза та міді - у 4 рази, при цьому він значно легший. Пластичність і межа його плинності дозволяють робити обробку при низьких і високих температурних значеннях, як і у випадку з іншими металами, тобто методами клепки, кування, зварювання, прокату. Відмітна характеристика титану - його низька тепло-і електропровідність, при цьому дані властивості зберігаються при підвищених температурах, аж до 500 0 С. У магнітному полі титан є парамагнітним елементом, він не притягується як залізо і не виштовхується, як мідь. Дуже високі антикорозійні показники в агресивних середовищах та за механічних впливів унікальні. Понад 10 років перебування у морській воді не змінили зовнішнього виглядута складу пластини з титану. Залізо у разі було знищено корозією повністю.

Термодинамічні властивості титану

1. Щільність (за нормальних умов) становить 4,54 г/см 3 .
2. Атомний номер – 22.
3. Група металів – тугоплавкий, легкий.
4. Атомна маса титану – 47,0.
5. Температура кипіння (0С) – 3260.
6. Молярний об'єм см3/моль - 10,6.
7. Температура плавлення титану (0С) – 1668.
8. Питома теплота випаровування (кДж/моль) – 422,6.
9. Електроопір (при 20 0 С) Ом * см * 10 -6 - 45.

Хімічні властивості

Підвищена стійкість корозійного елемента пояснюється утворенням на поверхні невеликої оксидної плівки. Вона запобігає (за нормальних умов) з газами (кисень, водень), що знаходяться в навколишній атмосфері такого елемента, як метал титан. Властивості його змінюються під впливом температури. За її підвищенні до 600 0 З відбувається реакція взаємодії з киснем, у результаті утворюється оксид титану (TiO 2). У разі поглинання атмосферних газів утворюються тендітні сполуки, які не мають жодного практичного застосування, саме тому зварювання та плавка титану виробляються в умовах вакууму. Оборотною реакцією є процес розчинення водню в металі, він більш активно відбувається при підвищенні температури (від 400 0 С і вище). Титан, особливо його дрібні частинки (тонка пластина чи дріт), згоряє в атмосфері азоту. Хімічна реакція взаємодії можлива лише за температури 700 0 З, у результаті утворюється нітрид TiN. З багатьма металами формує високотверді сплави, що часто є легуючим елементом. У реакцію з галогенами (хром, бром, йод) вступає лише за наявності каталізатора ( високої температури) та за умови взаємодії з сухою речовиною. При цьому утворюються дуже тверді сплави тугоплавкі. З розчинами більшості лугів та кислот титан хімічно не активний, винятком є ​​концентрована сірчана (при тривалому кип'ятінні), плавикова, гарячі органічні (мурашина, щавлева).

Місце народження

Найбільш поширені у природі ільменітові руди – їх запаси оцінюються у 800 млн тонн. Поклади рутилових родовищ набагато скромніші, але загальний обсяг - за збереження зростання видобутку - повинен забезпечити людство на найближчі 120 років таким металом, як титан. Ціна готового продукту залежатиме від попиту та підвищення рівня технологічності виробництва, але в середньому варіюється в діапазоні від 1200 до 1800 руб/кг. У разі постійного технічного вдосконалення значно знижується собівартість всіх виробничих процесів за її своєчасної модернізації. Найбільші запаси мають Китай і Росія, також мінерально-сировинну базу мають Японія, ПАР, Австралія, Казахстан, Індія, Південна Корея, Україна, Цейлон. Родовища відрізняються обсягами видобутку та відсотковим вмістом титану в руді, геологічні дослідження продовжуються постійно, що дає можливість припускати зниження ринкової вартості металу та його більш широке застосування. Росія на сьогоднішній день є найбільш великим виробникомтитану.

Отримання

Для виробництва титану найчастіше використовується його діоксид, що містить мінімальну кількість домішок. Його одержують шляхом збагачення концентрацій ільменіту або рутилових руд. У електродуговій печі відбувається термічна обробка руди, що супроводжується відділенням заліза та утворенням шлаку, що містить оксид титану. Сірчанокислий або хлоридний метод застосовується для обробки вільної від заліза фракції. Оксид титану є порошком сірого кольору (див. фото). Метал титан виходить під час його поетапної обробки.

Першою фазою є процес спікання шлаку з коксом та впливу парами хлору. Отриманий TiCl 4 відновлюють магнієм або натрієм при дії температури 850 0 С. Титанова губка (пориста сплавлена ​​маса), отримана в результаті хімічної реакції, очищається або переплавляється в зливки. Залежно від подальшого напряму використання формується сплав або метал у чистому вигляді (домішки видаляються шляхом нагрівання до 1000 0 С). Для виробництва речовини з часткою домішок 0,01% використовують йодидний метод. Він ґрунтується на процесі випарювання з титанової губки, попередньо обробленої галогеном, його пари.

Сфера застосування

Температура плавлення титану є досить високою, що при легкості металу є неоціненною перевагою використання його як конструкційний матеріал. Тому найбільше застосування він знаходить у суднобудуванні, авіаційній промисловості, виготовленні ракет, хімічних виробництвах. Титан досить часто використовують як легуючу добавку в різних сплавах, які мають підвищені характеристики твердості і жароміцності. Високі антикорозійні властивості та здатність витримувати більшість агресивних середовищ роблять цей метал незамінним для хімічної промисловості. З титану (його сплавів) виготовляють трубопроводи, ємності, запірну арматуру, фільтри, що використовуються при перегонці та транспортуванні кислот та інших хімічно активних речовин. Він затребуваний під час створення приладів, які працюють у умовах підвищених температурних показниках. Сполуки титану використовуються для виготовлення міцного різального інструменту, фарб, пластику та паперу, хірургічних інструментів, імплантатів, ювелірних виробів, оздоблювальних матеріалів, застосовується в харчовій промисловості. Усі напрямки складно описати. Сучасна медицина через повну біологічну безпеку часто використовує метал титан. Ціна - це єдиний фактор, який поки що впливає на широту застосування цього елемента. Справедливим є твердження, що титан – матеріал майбутнього, вивчаючи який людство перейде на новий етап розвитку.

1941 Температура кипіння 3560 Уд. теплота плавлення 18,8 кДж/моль Уд. теплота, випаровування 422,6 кДж/моль Молярна тепломісткість 25,1 Дж/(K·моль) Молярний обсяг 10,6 см³/моль Кристалічна решітка простої речовини Структура ґрат гексагональна
щільноупакована (α-Ti) Параметри решітки a=2,951 =4,697 (α-Ti) Ставлення c/a 1,587 Температура Дебая 380 Інші характеристики Теплопровідність (300 K) 21,9 Вт/(м·К) Номер CAS 7440-32-6

Енциклопедичний YouTube

1 / 5

✪ Титан / Titanium. Хімія – просто

✪ Титан - НАЙміцніший МЕТАЛ НА ЗЕМЛІ!

✪ Хімія 57. Елемент титану. Елемент ртуть - Академія цікавих наук

✪ Виробництво титану. Титан один із найміцніших металів у світі!

✪ Іридій - Рідкісний метал на Землі!

Субтитри

Всім привіт! І зараз ми трохи запалимо з титаном! Ось так виглядають кілька грам чистого титану, які були отримані давним давно в манчестерському університеті, коли він ще навіть не був університетом. Цей зразок з того самого музею. містять титан У 1867 році, все що було відомо людям про титан, вміщалося в підручнику на 1 сторінці До початку 20 століття, нічого особливо не змінилося У 1791 році англійський хімік і мінеролог Вільям Грегор в мінералі менахініт відкрив новий елемент і назвав його «менакіном» Трохи пізніше, у 1795 році німецький хімік Мартін Клапрот, відкрив новий хімічний елемент в іншому мінералі – рутилі. Геї Проте, в 1797 році з'ясувалося, що Грегор і Клапрот відкрили той самий хімічний елемент. Але назва залишилася та, яку дав Клапрот Але, ні Грегор, ні Клапрот не змогли отримати металевий титан. металевий титан було отримано російським ученим Д.К. Кириловим у 1875 році Але як це буває без належного освітлення, його робота була не помічена Після цього чистий титан отримували шведи Л. Нільсон та О. Петерсон, а також француз Муассан І лише у 1910 році американський хімік М. Хантер удосконалив попередні способи отримання титану і отримав кілька грамів чистого 99% титану Саме тому в більшості книг саме Хантер вказується, як учений, який одержав металевий титан Великого майбутнього титану ніхто не пророкував, оскільки найменші домішки в його складі, робили його дуже тендітним та неміцним, що не дозволяло проводити механічну Тому деякі сполуки титану знайшли своє широке застосування раніше, ніж сам метал Чотирьоххлористий титан використовувався в першу світову війнудля створення димових завіс титану в даний час використовується для отримання металевого титану Метод отримання чистого титану за сто років не змінився Спочатку двоокис титану за допомогою хлору переводять в чотирихлористий титан, про який ми говорили раніше. виді губки Цей процес проводиться при температурі 900°С в сталевих ретортах. Як ви вже помітили, тетрахлорид титану - це прозора безбарвна рідина за нормальних умов Але якщо ми візьмемо трихлорид титану, то це тверда фіолетова речовина Всього на один атом хлору менше в молекулі, і вже інший стан Трихлорид титану гігроскопічний. Тому працювати з ним можна тільки в інертній атмосфері Трихлорид титану добре розчиняється в соляній кислоті. Цей процес ви зараз і спостерігаєте. А поки просто жахайтеся:) Якщо до отриманого розчину додати трохи азотної кислоти, то відбувається утворення нітрату титану і виділення бурого газу, що ми власне і бачимо. Існує якісна реакція на іони титану Капнем пероксид водню Це надтитанова кислота У 1908 році в США стали використовувати двоокис титану для виробництва білил, які прийшли на зміну білилам, в основі яких лежали свинець і цинк. Титановий білила сильно перевершували за якістю свинцеві та цинкові аналоги. покриття металу і дерева в суднобудуванні В даний час діоксид титану застосовують в харчовій промисловості як білий барвник - це добавка Е171, яку можна зустріти в крабових паличках, сухих сніданках, майонезі, жувальній гумці, молочних продуктах і т.п. до сучасної церкви та титану вона працює в буквальному сенсі І начебто, що спільного може бути між церквою та титаном? А ось що: всі сучасні куполи церков, які переливаються золотом, насправді до золота не мають жодного відношення. Насправді всі куполи вкриті нітридом титану. Також нітридом титану покривають свердла по металу. Фізико-хімічні властивості І вони виявилися фантастичними Виявилося, що титан, будучи майже вдвічі легшим заліза, по міцності перевершує багато стали. -за своєю високою електропровідністю і немагнітністю, титан має високий інтерес в електротехніці. Титан має високу стійкість до корозії. Завдяки своїм властивостям титан став матеріалом космічних технологій. роблять боїнги, аербаси, роллс-ройси, різне хімічне обладнання та безліч іншого дорогого барахла Проте, кожен з вас може придбати лопату чи ломик із чистого титану! І це не жарт! А ось так реагує дрібнодисперсний порошок титану з киснем повітря Завдяки такому барвистому горінню, титан знайшов застосування у піротехніці. А на цьому все, підписуйтесь, ставте палець угору, не забувайте підтримувати проект та розповідати друзям! Бувай!

Історія

Відкриття TiO 2 зробили практично одночасно і незалежно один від одного англієць У. Грегор?!та німецький хімік М. Г. Клапрот. У. Грегор, досліджуючи склад магнітного залізистого піску (Крид, Корнуолл, Англія, ), виділив нову «землю» (оксид) невідомого металу, яку назвав менакенової. У 1795 р. німецький хімік Клапрот відкрив у мінералі рутил новий елемент і назвав його титаном. Через два роки Клапрот встановив, що рутил і менакенова земля – оксиди одного й того самого елемента, за яким і залишилася назва «титан», запропонована Клапротом. Через 10 років відкриття титану відбулося втретє. Французький учений Л. Воклен виявив титан в анатазі і довів, що рутил і анатаз - ідентичні оксиди титану.

Перший зразок металевого титану отримав у 1825 році Й. Я. Берцеліус. Через високу хімічну активність титану та складність його очищення чистий зразок Ti отримали голландці А. ван Аркел та І. де Бур у 1925 році термічним розкладанням пар іодіду титану TiI 4 .

походження назви

Метал отримав свою назву на честь титанів, персонажів давньогрецької міфології, дітей Геї. Назву елементу дав Мартін Клапрот відповідно до своїх поглядів на хімічну номенклатуру на противагу французькій хімічній школі, де елемент намагалися називати за його хімічними властивостями. Оскільки німецький дослідник сам відзначив неможливість визначення властивостей нового елемента лише з його оксиду, він підібрав йому ім'я з міфології, за аналогією з відкритим їм раніше ураном .

Знаходження у природі

Титан знаходиться на 10-му місці за поширеністю у природі. Зміст у земній корі - 0,57% за масою, в морській воді - 0,001 мг/л. В ультраосновних породах 300 г/т, в основних - 9 кг/т, в кислих 2,3 кг/т, в глинах і сланцях 4,5 кг/т. У земній корі титан майже завжди чотирихвалентний і присутній тільки в кисневих сполук. У вільному виглядіне трапляється. Титан в умовах вивітрювання та осадження має геохімічну спорідненість з Al2O3. Він концентрується в бокситах кори вивітрювання і в морських глинистих опадах. Перенесення титану здійснюється у вигляді механічних уламків мінералів та у вигляді колоїдів. До 30% TiO 2 за вагою накопичується у деяких глинах. Мінерали титану стійкі до вивітрювання та утворюють великі концентрації у розсипах. Відомо понад 100 мінералів, що містять титан. Найважливіші з них: рутил TiO 2 , ільменіт FeTiO 3 , титаномагнетит FeTiO 3 + Fe 3 O 4 , перовскіт CaTiO 3 , титаніт CaTiSiO 5 . Розрізняють корінні руди титану – ільменіт-титаномагнетитові та розсипні – рутил-ільменіт-цирконові.

Місце народження

Родовища титану знаходяться на території ПАР, Росії, України, Китаю, Японії, Австралії, Індії, Цейлону, Бразилії, Південної Кореї, Казахстану. У країнах СНД чільне місце з розвіданих запасів титанових руд посідає РФ (58,5%) та Україна (40,2%). Найбільше родовище в Росії - Ярегське.

Запаси та видобуток

На 2002 рік, 90% титану, що видобувається, використовувалося на виробництво діоксиду титану TiO 2 . Світове виробництво діоксиду титану становило 4,5 млн. т на рік. Підтверджені запаси діоксиду титану (без Росії) становлять близько 800 млн т. На 2006 рік, за оцінкою Геологічної служби США, у перерахунку на діоксид титану і без урахування Росії, запаси ільменітових руд становлять 603-673 млн т, а рутилових - 7-52,7 млн ​​т. Таким чином, за нинішніх темпів видобутку світових розвіданих запасів титану (без урахування Росії) вистачить більш ніж на 150 років.

Росія має другі у світі, після Китаю, запаси титану. Мінерально-сировинну базу титану Росії становлять 20 родовищ (з них 11 корінних та 9 розсипних), досить рівномірно розосереджених територією країни. Найбільше з розвіданих родовищ (Ярегське) знаходиться за 25 км від міста Ухта (Республіка Комі). Запаси родовища оцінюються у 2 мільярди тонн руди із середнім вмістом діоксиду титану близько 10%.

Найбільший у світі виробник титану російська компанія«ВСМПО-АВІСМА».

Отримання

Як правило, вихідним матеріалом для виробництва титану та його сполук служить діоксид титану з порівняно невеликою кількістю домішок. Зокрема, це може бути рутиловий концентрат, що отримується при збагаченні титанових руд. Однак запаси рутила у світі дуже обмежені, і частіше застосовують так званий синтетичний рутил або титановий шлак, які отримують при переробці концентрацій ільменіту. Для отримання титанового шлаку ільменітовий концентрат відновлюють в електродуговій печі, при цьому залізо відокремлюється в металеву фазу (чавун), а не відновлені оксиди титану та домішок утворюють фазу шлаку. Багатий шлак переробляють хлоридним чи сірчанокислотним способом.

Концентрат титанових руд піддають сірчанокислотної або пірометалургійної переробки. Продукт сірчанокислотної обробки - порошок діоксиду титану TiO2. Пірометаллургічним методом руду спікають з коксом і обробляють хлором, отримуючи пари тетрахлориду титану TiCl 4:

T i O 2 + 2 C + 2 C l 2 → T i C l 4 + 2 C O (\displaystyle (\mathsf (TiO_(2)+2C+2Cl_(2)\rightarrow TiCl_(4)+2CO)))

Пари TiCl 4, що утворюються, при 850 °C відновлюють магнієм:

T i C l 4 + 2 M g → 2 M g C l 2 + T i (\displaystyle (\mathsf (TiCl_(4)+2Mg\rightarrow 2MgCl_(2)+Ti)))

Крім цього в даний час починає набувати популярності так званий процес FFC Cambridge, названий за іменами його розробників Дерека Фрея, Тома Фартінга і Джорджа Чена та Кембриджського університету, де він був створений. Цей електрохімічний процес дозволяє здійснювати пряме безперервне відновлення титану з оксиду в розплаві суміші хлориду кальцію і негашеної звістки. У цьому процесі використовується електролітична ванна, наповнена сумішшю хлориду кальцію і вапна, з графітовим витрачається (або нейтральним) анодом і катодом, виготовленим з оксиду, що підлягає відновленню. При пропусканні через ванну струму температура швидко досягає ~1000-1100°C, і розплав оксиду кальцію розкладається на аноді на кисень та металевий кальцій:

2 Ca O → 2 Ca + O 2 (\displaystyle (\mathsf (2CaO\rightarrow 2Ca+O_(2))))

Отриманий кисень окислює анод (у разі використання графіту), а кальцій мігрує у розплаві до катоду, де і відновлює з оксиду титан:

O 2 + C → C O 2 (\displaystyle (\mathsf (O_(2)+C\rightarrow CO_(2)))) T i O 2 + 2 Ca → Ti + 2 Ca O (\displaystyle (\mathsf (TiO_(2)+2Ca\rightarrow Ti+2CaO)))

Оксид кальцію, що утворюється, знову дисоціює на кисень і металевий кальцій і процес повторюється аж до повного перетворення катода в титанову губку, або вичерпання оксиду кальцію. Хлорид кальцію в цьому процесі використовується як електроліт для надання електропровідності розплаву та рухливості активним іонам кальцію та кисню. При використанні інертного анода (наприклад, оксиду олова), замість Вуглекислий газна аноді виділяється молекулярний кисень, що менше забруднює навколишнє середовище, проте процес у такому разі стає менш стабільним, і, крім того, в деяких умовах більш енергетично вигідним стає розкладання хлориду, а не оксиду кальцію, що призводить до вивільнення молекулярного хлору.

Отриману титанову губку переплавляють і очищають. Рафінують титан іодидним способом або електролізом, виділяючи Ti з TiCl 4 . Для отримання титанових зливків застосовують дугову, електроннопроменеву або плазмову переробку.

Фізичні властивості

Титан - легкий сріблясто-білий метал. Існує у двох кристалічних модифікаціях: α-Ti з гексагональними щільноупакованими гратами (a=2,951 Å; с=4,679 Å ; z=2; просторова група C6mmc), β-Ti з кубічною об'ємно-центрованою упаковкою (a=3,269 Å; z=2; просторова група Im3m), температура переходу α↔β 883 °C, ΔH переходу 3,8 кДж/моль. Точка плавлення 1660±20 °C, точка кипіння 3260 °C, щільність α-Ti та β-Ti відповідно дорівнює 4,505 (20 °C) та 4,32 (900 °C) г/см³ , атомна щільність 5,71⋅10 22 ат/см³ [ ]. Пластичний, зварюється в інертній атмосфері. Питомий опір 0,42 мкОм·мпри 20 °C

Має високу в'язкість, при механічній обробці схильний до налипання на ріжучий інструмент, і тому потрібно нанесення спеціальних покриттів на інструмент, різних мастил.

При звичайній температурі покривається захисною плівкою, що пасивує оксиду TiO 2 , завдяки цьому корозійностійкий в більшості середовищ (крім лужної).

Титанова пил має властивість вибухати. Температура спалаху становить 400 °C. Титанова стружка пожежонебезпечна.

Титан, поряд зі сталлю, вольфрамом і платиною має високу стійкість у вакуумі, що, поряд з його легкістю робить його дуже перспективним при конструюванні космічних кораблів.

Хімічні властивості

Титан стійкий до розбавлених розчинів багатьох кислот і лугів (крім H 3 PO 4 і концентрованої H 2 SO 4).

Легко реагує навіть із слабкими кислотами у присутності комплексоутворювачів, наприклад, з плавиковою кислотою він взаємодіє завдяки утворенню комплексного аніону 2− . Титан найбільш схильний до корозії в органічних середовищах, так як, у присутності води на поверхні титанового виробу утворюється щільна пасивна плівка з оксидів і гідриду титану. Найбільш помітне підвищення корозійної стійкості титану помітно при підвищенні вмісту води в агресивному середовищі з 05 до 80%, що підтверджується електрохімічними дослідженнями електродних потенціалів титану в розчинах кислот і лугів у змішаних водно-органічних середовищах.

При нагріванні на повітрі до 1200 °C Ti спалахує яскравим білим полум'ям з утворенням оксидних фаз змінного складу TiO x . З розчинів солей титану осаджується гідроксид TiO(OH) 2 xH 2 O, обережним прожарюванням якого отримують оксид TiO 2 . Гідроксид TiO(OH) 2 ·xH 2 O та діоксид TiO 2 амфотерни .

Застосування

У чистому вигляді та у вигляді сплавів

• Титан у вигляді сплавів є найважливішим конструкційним матеріаломв авіа-і ракетобудуванні, в кораблебудуванні.
• Метал застосовується в: хімічній промисловості (реактори, трубопроводи, насоси, трубопровідна арматура), військової промисловості (бронежилети, броня та протипожежні перегородки в авіації, корпуси підводних човнів), промислових процесах (опріснювальних установках, процесах целюлози та паперу), автомобільної промисловості, сільськогосподарської промисловості, харчової промисловості, прикрасах для пірсингу, медичної промисловості (протези, остеопротези), стоматологічних та ендодонтичних інструментах, зубних, імплантатах, спортивних товарах, юр мобільних телефонах, легких сплавах і т.д.
• Титанове лиття виконують у вакуумних печах у графітові форми. Також використовується вакуумне лиття за моделями, що виплавляються. Через технологічні труднощі у художньому лиття використовується обмежено. Першою у світовій практиці монументальною литою скульптурою з титану є пам'ятник Юрію Гагаріну на площі його імені в Москві.
• Титан є легуючою добавкою в багатьох легованих сталях і більшості спецсплавів [ яких?] .
• Нітінол (нікель-титан) - сплав, що має пам'ять форми, застосовується в медицині та техніці.
• Алюмініди титану є дуже стійкими до окислення та жароміцними, що, у свою чергу, визначило їх використання в авіації та автомобілебудуванні як конструкційні матеріали.
• Титан є одним з найбільш поширених гетерних матеріалів, що використовуються у високовакуумних насосах.

У вигляді з'єднань

• Білий діоксид титану (TiO 2) використовується в фарбах (наприклад, титанові білила), а також при виробництві паперу та пластику. Харчова добавка E171.
• Титанорганічні сполуки (наприклад, тетрабутоксититан) застосовуються як каталізатор і затверджувач у хімічній та лакофарбовій промисловості.
• Неорганічні сполуки титану застосовуються в хімічній електронній, скловолоконній промисловості як добавка або покриття.
• Карбід титану, диборид титану, карбонітрид титану – важливі компоненти надтвердих матеріалів для обробки металів.
• Нітрид титану застосовується для покриття інструментів, куполів церков та при виробництві біжутерії, оскільки має колір, схожий на золото.
• Титанат - барію BaTiO 3 , титанат свинцю PbTiO 3 і ряд інших титанатів - сегнетоелектрики .

Існує безліч титанових сплавів з різними металами. Легуючі елементи поділяють на три групи, залежно від їх впливу на температуру поліморфного перетворення: бета-стабілізатори, альфа-стабілізатори та нейтральні зміцнювачі. Перші знижують температуру перетворення, другі підвищують, треті впливають неї, але призводять до розчинному зміцненню матриці. Приклади альфа-стабілізаторів: алюміній, кисень, вуглець, азот. Бета-стабілізатори: молібден, ванадій, залізо, хром, нікель. Нейтральні зміцнювачі: цирконій, олово, кремній. Бета-стабілізатори, у свою чергу, діляться на бета-ізоморфні та бета-евтектоїдоутворюючі.

Найпоширенішим титановим металом є метал Ti-6Al-4V (у російській класифікації - ВТ6).

Аналіз ринків споживання

Чистота та марка чорнового титану (титанової губки) зазвичай визначається за його твердістю, яка залежить від вмісту домішок. Найбільш поширені марки ТГ100 та ТГ110 [ ] .

Фізіологічна дія

Як було зазначено вище, титан застосовується також у стоматології. Відмінна риса застосування титану полягає не тільки в міцності, але й здатності самого металу зрощуватися з допомогою, що дає можливість забезпечити квазимонолітність основи зуба.

Ізотопи

Природний титан складається з суміші п'яти стабільних ізотопів: 46 Ti (7,95%), 47 Ti (7,75%), 48 Ti (73,45%), 49 Ti (5,51%), 50 Ti (5, 34%).

Відомі штучні радіоактивні ізотопи 45 Ti (T ½ = 3,09 год), 51 Ti (Т ½ = 5,79 хв) та інші.

Примітки

1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bievre, Manfred Groning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang-Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry . – 2013. – Vol. 85, no. 5 . - P. 1047-1078. - DOI :10.1351/PAC-REP-13-03-02.
2. Редкол.: Зефіров Н. С. (гл. ред.).Хімічна енциклопедія: 5 т. - Москва: Радянська енциклопедія, 1995. - Т. 4. - С. 590-592. – 639 с. - 20 000 екз. - ISBN 5-85270-039-8.
3. Титан- стаття з Фізичної енциклопедії
4. J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
5. Родовище титану.
6. Родовище титану.
7. Ільменіт, рутил, титаномагнетит - 2006 р.
8. Титан (неопр.) . Інформаційно-аналітичний центр "Мінерал". Дата звернення 19 листопада 2010 року. Архівовано 21 серпня 2011 року.
9. Корпорація ВСМПО-АВІСМА
10. Koncz, St; Szanto, St.; Waldhauser, H., Der Sauerstoffgehalt von Titan-Jodidstäben, Naturwiss. 42 (1955) pp.368-369
11. Титан - метал майбутнього (рус.).
12. Титан - стаття з Хімічної енциклопедії
13. Вплив води на процес пасивації титану - 26 Лютого 2015 - Хімія і хімічна технологія в життя (неопр.) . www.chemfive.ru. Дата звернення 21 жовтня 2015 року.
14. Мистецтво лиття в ХХ столітті
15. На “світовому” ринку” титану” за “останні” два “місяць” ціни стабілізувалися” (огляд)

Посилання

• Титан в Популярній бібліотеці хімічних елементів

H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S

Відкриття TiO 2 зробили практично одночасно і незалежно один від одного англієць У. Грегор та німецький хімік М. Г. Клапрот. У. Грегор, досліджуючи склад магнітного залізистого піску (Крид, Корнуолл, Англія, 1789), виділив нову " землю " (оксид) невідомого металу, яку назвав менакеновой. У 1795 р. німецький хімік Клапрот відкрив у мінералі рутил новий елемент і назвав його титаном, пізніше встановив, що рутил і менакенова земля - ​​оксиди одного і того ж елемента. Перший зразок металевого титану отримав 1825 року Й. Я. Берцеліус. Чистий зразок Ti отримали голландці А. ван Аркел та І. де Бур у 1925 термічним розкладанням парів йодиду титану TiI 4

Фізичні властивості:

Титан – легкий сріблясто-білий метал. Пластичний, зварюється в інертній атмосфері.
Має високу в'язкість, при механічній обробці схильний до налипання на різальний інструмент, і тому потрібне нанесення спеціальних покриттів на інструмент різних мастил.

Хімічні властивості:

При звичайній температурі покривається захисною плівкою, що пасивує оксиду, корозійностійкий, але при подрібненні в порошок горить на повітрі. Титанова пил може вибухнути (температура спалаху 400°С). При нагріванні повітря до 1200°C титан згоряє з утворенням оксидних фаз змінного складу TiO x .
Титан стійкий до розбавлених розчинів багатьох кислот і лугів (крім HF, H 3 PO 4 і концентрованої H 2 SO 4), проте легко реагує навіть зі слабкими кислотами у присутності комплексоутворювачів, наприклад, з плавиковою кислотою HF утворює комплексний аніон 2- .
При нагріванні титан взаємодіє із галогенами. З азотом вище за 400°C титан утворює нітрид TiN x (x=0,58-1,00). При взаємодії титану з вуглецем утворюється карбід титану TiC x (x=0,49-1,00).
Титан поглинає водень, утворюючи сполуки змінного складу TiH x. При нагріванні ці гідриди розкладаються із виділенням H 2 .
Титан утворює метали з багатьма металами.
У сполуках титан виявляє ступені окислення +2, +3 та +4. Найбільш стійка ступінь окиснення +4.

Найважливіші сполуки:

Діоксид титану, ТіО 2 . Білий порошок, жовтий у нагрітому стані, щільність 3,9-4,25 г/см 3 . Амфотерен. У концентрованій Н 2 SO 4 розчиняється лише за тривалого нагрівання. При сплавленні з содою Na 2 CO 3 або поташом K 2 CO 3 оксид TiO 2 утворює титанати:
TiO 2 + K 2 CO 3 = K 2 TiO 3 + CO 2
Гідроксид титану(IV), TiO(OH) 2 *xH 2 O, осаджується з розчинів солей титану, його обережним прожарюванням отримують оксид TiO 2 . Гідроксид титану(IV) амфотерен.
Тетрахлорид титану, TiCl 4 , при звичайних умовах - жовтувата, сильно димна на повітрі рідина, що пояснюється сильним гідролізом TiCl 4 парами води та утворенням найдрібніших крапель HCl і суспензії гідроксиду титану. Киплячою водою гідролізується до титанової кислоти (??). Для хлориду титану(IV) характерне утворення продуктів приєднання, наприклад, TiCl 4 *6NH 3 , TiCl 4 *8NH 3 , TiCl 4 *PCl 3 і т.д. При розчиненні хлориду титану(IV) в НСl утворюється комплексна кислота H 2 невідома у вільному стані; її солі Me 2 добре кристалізуються та стійкі на повітрі.
Відновленням TiCl 4 воднем, алюмінієм, кремнієм, іншими сильними відновниками, отримані трихлорид та дихлорид титану TiCl 3 та TiCl 2 - тверді речовиниіз сильними відновними властивостями.
Нітрид титану- являє собою фазу впровадження з широкою областю гомогенності, кристали з кубічними гранецентрованими гратами. Отримання - азотування титану при 1200 ° C або іншими способами. Застосовується як жароміцний матеріал для створення зносостійких покриттів.

Застосування:

Як сплавів.Метал застосовується у хімічній промисловості (реактори, трубопроводи, насоси), легких сплавах, остеопротезах. Є найважливішим конструкційним матеріалом в авіа-, ракето-, кораблебудуванні.
Титан є легуючою добавкою у деяких марках сталі.
Нітінол (нікель-титан) - сплав, що володіє пам'яттю форми, застосовується в медицині та техніці.
Алюмініди титану є дуже стійкими до окислення та жароміцними, що в свою чергу визначило їх використання в авіації та автомобілебудуванні як конструкційні матеріали.
У вигляді з'єднаньБілий діоксид титану використовується у фарбах (наприклад, титанові білила), а також при виробництві паперу, пластиків. Добавка харчова E171.
Титанорганічні сполуки (напр. тетрабутоксититан) застосовуються як каталізатор і затверджувач у хімічній та лакофарбовій промисловості.
Неорганічні сполуки титану застосовуються в хімічній електронній, скловолоконній промисловості як добавку.

Матігоров А.В.
ХФ ТюмДУ

Цирконій і гафній утворюють сполуки в ступені окислення +4, титан також здатний утворювати сполуки в ступені окислення +3.

З'єднання зі ступенем окиснення +3. З'єднання титану(III) одержують відновленням сполук титану(IV). Наприклад:

1200 ºС 650 ºС

2TiО 2 + H 2 ¾® Ti 2 O 3 + H 2 Про; 2TiCl 4 + H 2 ¾® 2TiCl 3 + 2HCl

З'єднання титану (III) мають фіолетовий колір. Оксид титану у воді практично не розчиняється, виявляє основні властивості. Оксид, хлорид, солі Ti 3+ - сильні відновники:

4Ti +3 Cl 3 + O 2 + 2H 2 O = 4Ti +4 OCl 2 + 4HCl

Для сполук титану(III) можливі реакції диспропорціонування:

2Ti +3 Cl 3 (т) ¾® Ti +4 Cl 4 (г) + Тi +2 Cl 2 (т)

При подальшому нагріванні хлорид титану(II) також диспропорціонує:

2Ti +2 Cl 2 (т) = Ti 0 (т) + Тi +4 Cl 4 (г)

З'єднання зі ступенем окиснення +4.Оксиди титану(IV), цирконію(IV) та гафнію(IV) тугоплавкі, хімічно досить інертні речовини. Виявляють властивості амфотерних оксидів: повільно реагують із кислотами при тривалому кип'ятінні та взаємодіють із лугами при сплавленні:

TiO 2 + 2H 2 SO 4 = Ti(SO 4) 2 + 2H 2 O;

TiO 2 + 2NaOH = Na 2 TiO 3 + H 2 O

Найбільш широке застосування знаходить оксид титану TiO 2 його використовують як наповнювач при виробництві фарб, гуми, пластмас. Оксид цирконію ZrO 2 використовують для виготовлення вогнетривких тиглів та плит.

Гідроксидититану(IV), цирконію(IV) і гафнію(IV) - аморфні сполуки змінного складу - ЕО 2 ×nН 2 Про. Опади, що зістарилися, вкрай інертні.

Галогеніди(хлориди, броміди та йодиди) Ti(IV), Zr(IV) та Hf(IV) мають молекулярну будову, леткі та реакціоноспроможні, легко гідролізуються. Йодиди при нагріванні розкладаються з утворенням металів, що використовується для отримання металів високого ступеня чистоти. Наприклад:

TiI 4 = Ti + 2I 2

Фториди титану, цирконію та гафнію полімерні та малореакційні.

Соліелементів підгрупи титану в ступені окислення +4 нечисленні та гідролітично нестійкі. Зазвичай, при взаємодії оксидів або гідроксидів з кислотами утворюються не середні солі, а оксо- або гідроксопохідні. Наприклад:

TiO 2 + 2H 2 SO 4 = TiОSO 4 + H 2 O; Ti(OH) 4 + 2HCl = TiOСl 2 + H 2 O

Описано велику кількість аніонних комплексів титану, цирконію та гафнію. Найбільш стійкі в розчинах і легко утворюються фторидні сполуки:

ЕO 2 + 6HF = H 2 [ЕF 6 ] + 2H 2 O; ЕF 4 + 2KF = K 2 [ЕF 6 ]

Для титану та його аналогів характерні координаційні сполуки, в яких роль ліганду виконує пероксид-аніон:

Е(SO 4) 2 + H 2 O 2 = H 2 [Е(О 2)(SO 4) 2 ]

При цьому розчини сполук титану(IV) набувають жовто-жовтогарячого забарвлення, що дозволяє аналітично виявити катіони титану(IV) і перекис водню.

Гідриди (ЕН 2), карбіди (ЕС), нітриди (ЕН), силіциди (ЕСІ 2) та бориди (ЕВ, ЕВ 2) - сполуки змінного складу, металоподібні. Бінарні сполуки мають цінні властивості, що дозволяє їх використовувати в техніці. Наприклад, сплав з 20% HfC і 80% TiC один із найбільш тугоплавких, т.пл. 4400 ºС.