Ebedi, gizemli, kozmik, geleceğin malzemesi - tüm bunlar ve diğer birçok sıfat, çeşitli kaynaklarda titanyuma atanır. Bu metalin keşfinin tarihi önemsiz değildi: aynı zamanda, birkaç bilim adamı elementi saf haliyle izole etmeye çalıştı. Fiziksel, kimyasal özelliklerin incelenmesi ve uygulama alanlarının belirlenmesi süreci bugüne kadar tamamlanmamıştır. Titanyum geleceğin metalidir, insan yaşamındaki yeri henüz kesin olarak belirlenmemiştir, bu da modern araştırmacılara yaratıcılık ve bilimsel araştırma için büyük bir alan sağlar.
Karakteristik
Titanyum kimyasal elementi (Titanyum), D. I. Mendeleev'in periyodik tablosunda Ti sembolü ile gösterilir. Dördüncü periyodun IV. grubunun ikincil alt grubunda bulunur ve seri numarası 22'dir. Basit madde titanyum beyaz-gümüş bir metaldir, hafif ve dayanıklıdır. Bir atomun elektronik konfigürasyonu şu yapıya sahiptir: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Buna göre titanyumun birkaç olası oksidasyon durumu vardır: 2,3, 4, en kararlı bileşiklerde dört değerlidir.
Titanyum - alaşım mı metal mi?
Bu soru birçok kişiyi ilgilendiriyor. 1910'da Amerikalı kimyager Hunter ilk saf titanyumu elde etti. Metal, safsızlıkların sadece% 1'ini içeriyordu, ancak aynı zamanda miktarının ihmal edilebilir olduğu ortaya çıktı ve özelliklerini daha fazla incelemeyi mümkün kılmadı. Elde edilen maddenin plastisitesi sadece yüksek sıcaklıkların etkisi altında elde edildi, normal koşullar altında (oda sıcaklığı) numune çok kırılgandı. Aslında, bu unsur bilim adamlarının ilgisini çekmedi, çünkü kullanım beklentileri çok belirsiz görünüyordu. Elde etme ve araştırma zorluğu, uygulama potansiyelini daha da az alttı. Sadece 1925'te Hollanda I. de Boer ve A. Van Arkel'den kimyagerler, özellikleri dünya çapındaki mühendislerin ve tasarımcıların dikkatini çeken titanyum metali aldı. Bu elementin çalışmasının tarihi 1790'da başlar, tam olarak bu zamanda, paralel olarak, birbirinden bağımsız olarak, iki bilim adamı titanyumu kimyasal bir element olarak keşfeder. Her biri, metali saf haliyle izole edemeyen bir maddenin bir bileşiğini (oksidi) alır. Titanyumun kaşifi İngiliz mineralog keşiş William Gregor'dur. İngiltere'nin güneybatı kesiminde bulunan cemaatinin topraklarında, genç bilim adamı Menaken Vadisi'nin siyah kumunu incelemeye başladı. Bir mıknatısla yapılan deneylerin sonucu, bir titanyum bileşiği olan parlak taneciklerin salınmasıydı. Aynı zamanda Almanya'da kimyager Martin Heinrich Klaproth mineralden yeni bir madde izole etti.rutil. 1797'de paralel olarak açılan elemanların benzer olduğunu da kanıtladı. Titanyum dioksit bir asırdan fazla bir süredir birçok kimyager için bir gizem olmuştur ve Berzelius bile saf metal elde edememiştir. 20. yüzyılın en son teknolojileri, söz konusu unsuru inceleme sürecini önemli ölçüde hızlandırdı ve kullanımı için ilk talimatları belirledi. Aynı zamanda, uygulama kapsamı sürekli genişlemektedir. Sadece saf titanyum gibi bir madde elde etme sürecinin karmaşıklığı kapsamını sınırlayabilir. Alaşımların ve metalin fiyatı oldukça yüksektir, bu nedenle bugün geleneksel demir ve alüminyumun yerini alamaz.
Adın kökeni
Menakin - 1795'e kadar kullanılan titanyumun ilk adı. W. Gregor, bölgesel bağlılıkla yeni öğeyi böyle adlandırdı. Martin Klaproth, elemente 1797'de "titanyum" adını verdi. Şu anda, oldukça saygın bir kimyager A. L. Lavoisier liderliğindeki Fransız meslektaşları, yeni keşfedilen maddeleri temel özelliklerine göre adlandırmayı önerdiler. Alman bilim adamı bu yaklaşıma katılmadı, keşif aşamasında bir maddenin doğasında bulunan tüm özellikleri belirlemenin ve bunları isme yansıtmanın oldukça zor olduğuna oldukça makul bir şekilde inanıyordu. Bununla birlikte, Klaproth tarafından sezgisel olarak seçilen terimin metale tamamen karşılık geldiği kabul edilmelidir - bu, modern bilim adamları tarafından defalarca vurgulanmıştır. Titanyum adının kökeni için iki ana teori vardır. Metal, elf kraliçesi Titania'nın onuruna olarak adlandırılabilir.(Germen mitolojisinin karakteri). Bu isim maddenin hem hafifliğini hem de gücünü simgeliyor. Çoğu bilim adamı, Gaia tanrıçasının güçlü oğullarının titans olarak adlandırıldığı antik Yunan mitolojisinin kullanımının versiyonunu kullanmaya meyillidir. Daha önce keşfedilen elementin adı olan uranyum da bu versiyonun lehinde konuşuyor.
Doğada olmak
İnsanlar için teknik olarak değerli olan metallerden titanyum, yerkabuğunda en bol bulunan dördüncü metaldir. Sadece demir, magnezyum ve alüminyum, doğada büyük bir yüzde ile karakterize edilir. En yüksek titanyum içeriği baz alt kabukta, granit tabakasında biraz daha az olarak belirtilmiştir. Deniz suyunda bu maddenin içeriği düşüktür - yaklaşık 0.001 mg/l. Kimyasal element titanyum oldukça aktiftir, bu nedenle saf haliyle bulunamaz. Çoğu zaman, oksijenli bileşiklerde bulunurken, dört değerlik değerine sahiptir. Titanyum içeren minerallerin sayısı (çeşitli kaynaklarda) 63 ila 75 arasında değişirken, mevcut araştırma aşamasında bilim adamları bileşiklerinin yeni formlarını keşfetmeye devam ediyor. Pratik kullanım için aşağıdaki mineraller çok önemlidir:
- İlmenit (FeTiO3).
- Rutil (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskit (CaTiO3).
- Titanomagnetite (FeTiO3+Fe3O4) vb.
Var olan tüm titanyum içeren cevherleralüvyon ve temel. Bu element zayıf bir göçmendir, sadece kaya parçaları veya hareketli siltli dip kayaları şeklinde hareket edebilir. Biyosferde, en büyük miktarda titanyum alglerde bulunur. Karasal faunanın temsilcilerinde, element azgın dokularda, saçlarda birikir. İnsan vücudu dalakta, adrenal bezlerde, plasentada, tiroid bezinde titanyum varlığı ile karakterize edilir.
Fiziksel özellikler
Titanyum, çelik gibi görünen gümüşi beyaz bir renge sahip, demir içermeyen bir metaldir. 0 0C sıcaklıkta, yoğunluğu 4.517 g/cm3'dir. Madde, alkali metaller (kadmiyum, sodyum, lityum, sezyum) için tipik olan düşük bir özgül ağırlığa sahiptir. Yoğunluk açısından titanyum, demir ve alüminyum arasında bir ara konumda yer alırken, performansı her iki elementten daha yüksektir. Uygulama kapsamı belirlenirken dikkate alınan metallerin ana özellikleri akma dayanımı ve sertliktir. Titanyum, alüminyumdan 12 kat, demir ve bakırdan 4 kat daha güçlü ve çok daha hafiftir. Saf bir maddenin plastisitesi ve akma dayanımı, diğer metallerde olduğu gibi, örneğin perçinleme, dövme, kaynak, haddeleme gibi düşük ve yüksek sıcaklıklarda işlenmesini mümkün kılar. Titanyumun ayırt edici bir özelliği, düşük termal ve elektrik iletkenliğidir ve bu özellikler 500 0С'ye kadar yüksek sıcaklıklarda korunur. Bir manyetik alanda titanyum paramanyetik bir elementtir.demir gibi çekilir ve bakır gibi dışarı itilmez. Agresif ortamlarda ve mekanik stres altında çok yüksek korozyon önleme performansı benzersizdir. Deniz suyunda 10 yıldan fazla bir süre kalması titanyum levhanın görünümünü ve bileşimini değiştirmedi. Bu durumda demir korozyonla tamamen yok olur.
Titanyumun termodinamik özellikleri
- Yoğunluk (normal koşullar altında) 4,54g/cm3.
- Atom numarası 22'dir.
- Metal grubu - refrakter, hafif.
- Titanyumun atom kütlesi 47.0'dır.
- Kaynama noktası (0С) – 3260.
- Molar hacim cm3/mol – 10, 6.
- Titanyum erime noktası (0С) – 1668.
- Özgül buharlaşma ısısı (kJ/mol) – 422, 6.
- Elektrik direnci (20 0С'de) Ohmcm10-6 – 45.
Kimyasal özellikler
Elementin artan korozyon direnci, yüzeyde küçük bir oksit filminin oluşmasından kaynaklanır. Titanyum metal gibi bir elementin çevresindeki atmosferde gazlarla (oksijen, hidrojen) kimyasal reaksiyonları (normal koşullar altında) önler. Özellikleri sıcaklığın etkisi altında değişir. 600 0С'ye yükseldiğinde, oksijen ile bir etkileşim reaksiyonu meydana gelir ve bu da titanyum oksit (TiO2) oluşumuna neden olur. Atmosferik gazların emilmesi durumunda, pratik uygulaması olmayan kırılgan bileşikler oluşur, bu nedenle titanyumun kaynaklanması ve eritilmesi vakum koşullarında gerçekleştirilir. tersinir reaksiyonmetalde hidrojen çözünme işlemidir, sıcaklıktaki bir artışla daha aktif olarak gerçekleşir (400 0С ve daha yüksek). Titanyum, özellikle küçük parçacıkları (ince levha veya tel), nitrojen atmosferinde yanar. Etkileşimin kimyasal reaksiyonu sadece 700 0С sıcaklıkta mümkündür, bu da TiN nitrür oluşumuyla sonuçlanır. Genellikle bir alaşım elementi olarak birçok metalle oldukça sert alaşımlar oluşturur. Halojenlerle (krom, brom, iyot) sadece katalizör varlığında (yüksek sıcaklık) reaksiyona girer ve kuru bir madde ile etkileşime girer. Bu durumda çok sert refrakter alaşımlar oluşur. Çoğu alkali ve asidin çözeltileri ile titanyum, konsantre sülfürik (uzun süreli kaynama ile), hidroflorik, sıcak organik (formik, oksalik) dışında kimyasal olarak aktif değildir.
Mevduat
İlmenit cevherleri doğada en yaygın olanlarıdır - rezervlerinin 800 milyon ton olduğu tahmin edilmektedir. Rutil yataklarının yatakları çok daha mütevazıdır, ancak toplam hacim - üretimin büyümesini sürdürürken - önümüzdeki 120 yıl boyunca insanlığa titanyum gibi bir metal sağlamalıdır. Bitmiş ürünün fiyatı talebe ve üretilebilirlik seviyesindeki artışa bağlı olacaktır, ancak ortalama olarak 1200 ila 1800 ruble/kg arasında değişmektedir. Sürekli teknik iyileştirme koşullarında, zamanında modernizasyon ile tüm üretim süreçlerinin maliyeti önemli ölçüde azalır. Çin ve Rusya, minerallerin yanı sıra en büyük titanyum cevheri rezervlerine sahiptir. Japonya, Güney Afrika, Avustralya, Kazakistan, Hindistan, Güney Kore, Ukrayna, Seylan hammadde tabanına sahiptir. Yataklar, üretim hacmi ve cevherdeki titanyum yüzdesi bakımından farklılık gösterir, jeolojik araştırmalar devam etmektedir, bu da metalin piyasa değerinde ve daha geniş kullanımında bir düşüş varsaymayı mümkün kılmaktadır. Rusya açık ara en büyük titanyum üreticisidir.
Al
Titanyum üretimi için en sık titanyum dioksit kullanılır ve minimum miktarda safsızlık içerir. İlmenit konsantrelerinin veya rutil cevherlerinin zenginleştirilmesiyle elde edilir. Elektrik ark ocağında, demirin ayrılması ve titanyum oksit içeren cüruf oluşumu ile birlikte cevherin ısıl işlemi gerçekleşir. Demir içermeyen fraksiyonu işlemek için sülfat veya klorür yöntemi kullanılır. Titanyum oksit gri bir tozdur (resme bakın). Titanyum metal, aşamalı olarak işlenmesiyle elde edilir.
İlk aşama, cürufun kok ile sinterlenmesi ve klor buharına maruz bırakılması işlemidir. Elde edilen TiCl4, 850 0C sıcaklığa maruz kaldığında magnezyum veya sodyum ile indirgenir. Kimyasal reaksiyon sonucunda elde edilen titanyum sünger (gözenekli kaynaşmış kütle), rafine edilir veya külçeler halinde eritilir. Diğer kullanım yönüne bağlı olarak, bir alaşım veya saf metal oluşur (katışıklıklar 1000 0С'ye ısıtılarak çıkarılır). %0.01 safsızlık içeriğine sahip bir maddenin üretimi için iyodür yöntemi kullanılır. Bu sürece dayanmaktadırhalojen ile ön işleme tabi tutulmuş titanyum süngerden buharlaşma, buharları.
Uygulama alanları
Titanyumun erime noktası oldukça yüksektir; bu, metalin hafifliği göz önüne alındığında, onu yapısal bir malzeme olarak kullanmanın paha biçilmez bir avantajıdır. Bu nedenle, gemi yapımı, havacılık endüstrisi, roket üretimi ve kimya endüstrilerinde en büyük uygulamayı bulur. Titanyum, artan sertlik ve ısı direnci özelliklerine sahip çeşitli alaşımlarda alaşım katkı maddesi olarak oldukça sık kullanılır. Yüksek korozyon önleyici özellikler ve en agresif ortamlara dayanma yeteneği, bu metali kimya endüstrisi için vazgeçilmez kılar. Titanyum (alaşımları), asitlerin ve diğer kimyasal olarak aktif maddelerin damıtılmasında ve taşınmasında kullanılan boru hatları, tanklar, valfler, filtreler yapmak için kullanılır. Yüksek sıcaklık göstergeleri koşullarında çalışan cihazlar oluştururken talep edilmektedir. Titanyum bileşikleri dayanıklı kesici aletler, boyalar, plastikler ve kağıtlar, cerrahi aletler, implantlar, mücevherler, kaplama malzemeleri yapmak için kullanılır ve gıda endüstrisinde kullanılır. Tüm yönleri tarif etmek zordur. Modern tıp, tam biyolojik güvenlik nedeniyle genellikle titanyum metal kullanır. Fiyat, şimdiye kadar bu unsurun uygulama genişliğini etkileyen tek faktördür. İnsanlığın hangi aşamadan geçeceğini inceleyerek titanyumun geleceğin malzemesi olduğunu söylemek doğru olur.yeni bir geliştirme aşamasına.
