Титан - металл. Свойства и сферы применения титана Из чего состоит сплав титана

Титан и сплавы на его основе широко используются в самых разных сферах. Прежде всего, титановые сплавы нашли широкое применение в строительстве различной техники благодаря своей высокой коррозийной стойкости, механической прочности, небольшой плотности, жаропрочности и множеству других характеристик. Рассматривая свойства и применение титана, нельзя не отметить его довольно высокую стоимость. Однако она в полной мере компенсируется характеристиками и долговечностью материала.

Титан имеет высокую прочность и температуру плавления, отличается от других металлов долговечностью.

Основные свойства титана

Титан находится в IV группе четвертого периода периодической системы химических элементов. В самых устойчивых и наиболее важных соединениях элемент является четырехвалентным. Внешне титан напоминает сталь. Является переходным элементом. Температура плавления достигает почти 1700°, а кипения – 3300°. Что касается такого свойства, как скрытая теплота плавления и испарения, то у титана она практически в 2 раза превышает аналогичный показатель для железа.

Имеет 2 аллотропические модификации:

1. Низкотемпературную, которая способна существовать до температуры в 882,5°.
2. Высокотемпературную, устойчивую от температуры в 882,5° до температуры плавления.

Такие свойства, как удельная теплоемкость и плотность, располагают титан между двумя материалами с наиболее широким конструкционным использованием: железом и алюминием. Механическая прочность титана почти в 2 раза превышает эту характеристику у чистого железа и практически в 6 раз у алюминия. Однако свойства титана таковы, что он способен поглощать в больших количествах водород, кислород и азот, что негативно отражается на пластических характеристиках материала.

Материал характеризуется очень низкой теплопроводностью. Для сравнения, у железа она выше в 4 раза, а у алюминия в 12. Что касается такого свойства, как коэффициент термического расширения, то при комнатной температуре он имеет относительно низкое значение и возрастает с увеличением температуры.

Титан имеет малые модули упругости. При повышении температуры до 350° они начинают уменьшаться практически по линейному закону. Именно этот момент является существенным недостатком материала.

Титан характеризуется довольно большим значением удельного электросопротивления. Оно может колебаться в достаточно широких пределах и зависит от содержания примесей.

Титан является парамагнитным материалом. Для таких веществ характерно снижение магнитной восприимчивости в процессе нагревания. Однако титан является исключением – при повышении температуры его магнитная восприимчивость значительно возрастает.

Сферы применения титана

Медицинские инструменты из титанового сплава отличаются высокой коррозионной прочностью, биологической стойкостью и пластичностью.

Свойства материала обеспечивают довольно широкий спектр сфер его применения. Так, в больших объемах сплавы титана используются в строении судов и различной техники. Налажено применение материала в качестве легирующей добавки к сталям высокого качества и в качестве раскислителя. Сплавы с никелем нашли применение в технике и медицине. Такие соединения имеют уникальные свойства, в частности, они обладают памятью формы.

Налажено применение компактного титана в производстве деталей электровакуумных приборов, использующихся в условиях высоких температур. Свойства технического титана позволяют использовать его в производстве клапанов, трубопроводов, насосов, арматуры и других изделий, создаваемых для эксплуатации в агрессивных условиях.

Сплавы характеризуются недостаточной теплопрочностью, однако имеют высокую коррозийную стойкость. Это позволяет использовать различные сплавы на основе титана в химической сфере. К примеру, материал применяется в изготовлении насосов для прокачки серной и соляной кислоты. На сегодняшний день только сплавы на основе этого материала можно использовать в производстве разного рода оборудования для хлорной промышленности.

Использование титана в транспортной промышленности

Сплавы на основе этого материала используются при изготовлении бронетанковой части. А замена разнообразных конструкционных элементов, которые используются в транспортной промышленности, позволяет снижать расход топлива, увеличивать полезную грузоподъемность, повышать предел усталости изделий и улучшать множество других характеристик.

При производстве оборудования для химической промышленности из титана самое важное свойство – коррозионная стойкость металла.

Материал хорошо подходит для использования в строительстве железнодорожного транспорта. Одна из главных задач, которую нужно решить на железных дорогах, связана со снижением мертвого груза. Использование прутков и листов из титана позволяет существенно снизить общую массу состава, уменьшить размеры букс и шеек, сэкономить в тяге.

Вес имеет довольно существенное значение и для прицепного транспорта. Использование титана вместо стали при производстве колес и осей тоже позволяет существенно повысить полезную грузоподъемность.

Свойства материала делают возможным его использование в автомобилестроении. Материал характеризуется оптимальным сочетанием прочностных и весовых свойств для систем отведения отработанных газов и витых пружин. Применение титана и его сплавов позволяет существенно снизить объем отработанных газов, уменьшить затраты топлива и расширить применение лома и производственных отходов путем их переплава. Материал и содержащие его сплавы имеет множество преимуществ по сравнению с прочими используемыми решениями.

Главной задачей разработки новых деталей и конструкций является уменьшение их массы, от которой в той или иной степени зависит движение самого транспортного средства. Снижение веса движущихся узлов и частей делает потенциально возможным сокращение затрат топлива. Детали из титана неоднократно доказывали свою надежность. Они довольно широко применяются в авиакосмической промышленности и конструкциях гоночных автомобилей.

Использование этого материала позволяет не только уменьшить вес деталей, но и решить вопрос снижения объема отработанных газов.

Использование титана и его сплавов в сфере строительства

В строительстве широко используется сплав титана с цинком. Этот сплав характеризуется высокими механическими показателями и устойчивостью к коррозии, отличается высокой жесткостью и пластичностью. В составе сплава содержится до 0,2% легирующих добавок, выполняющих функции модификаторов структуры. Благодаря алюминию и меди обеспечивается требуемая пластичность. Кроме того, использование меди позволяет повысить предельную прочность материала на растяжение, а сочетание химических элементов способствует снижению коэффициента расширения. Сплав применяется и для производства длинных лент и листов с хорошими эстетическими характеристиками.

Титан часто используется в космических технологиях благодаря его легкости, прочности и тугоплавкости.

Среди главных качеств сплава титана с цинком, важных конкретно для строительства, можно отметить такие химические и физические свойства, как высокая устойчивость к коррозии, хороший внешний вид и безопасность для человеческого здоровья и окружающей среды.

Материал отличается хорошей пластичностью, без проблем поддается глубокой вытяжке, что позволяет использовать его в кровельных работах. У сплава нет никаких проблем с пайкой. Именно поэтому различные объемные конструкции и нестандартные архитектурные элементы вроде куполов и шпилей изготавливаются из цинк-титана, а не меди или оцинкованной стали. В решении подобных задач данный сплав является незаменимым.

Сфера использования сплава очень широка. Его применяют в фасадных и кровельных работах, из него изготавливаются изделия различной конфигурации и практически любой сложности, он широко применяется в производстве разнообразных декоративных изделий типа водостоков, отливов, кровельных коньков и т.д.

Этот сплав отличается очень продолжительным сроком службы. Более столетия он не будет требовать покраски и частых текущих ремонтных работ. Также среди существенных преимуществ материала следует выделить его способность восстанавливаться. Несущественные повреждения в виде царапин от веток, птиц и т.п. через какое-то время устраняются сами по себе.

Требования к строительным материалам становятся все более серьезными и строгими. Исследовательские компании ряда стран изучали почву вокруг зданий, построенных с использованием сплава цинка и титана. Результаты исследований подтвердили, что материал является полностью безопасным. Он не имеет канцерогенных свойств и не вредит человеческому здоровью. Цинк-титан является негорючим стройматериалом, что дополнительно повышает безопасность.

С учетом всех перечисленных положительных характеристик такой строительный материал в эксплуатации приблизительно в 2 раза дешевле, чем кровельная медь.

У сплава две степени окисления. С течением времени он меняет цвет и теряет металлический блеск. Сначала цинк-титан становится светло-серым, а еще через некоторое время приобретает благородный темно-серый оттенок. В настоящее время материал намеренно подвергается химическому старению.

Использование титана и его сплавов в медицине

Титан отлично совместим с человеческой тканью, поэтому активно применяется в области эндопротезирования.

Титан нашел широкое применение и в медицинской сфере. Среди преимуществ, которые позволили ему стать таким популярным, нужно отметить высокую прочность и устойчивость к коррозии. Кроме того, ни у одного из пациентов не было выявлено аллергии на титан.

В медицине применяются коммерчески чистый титан и сплав Ti6-4Eli. С его использованием изготавливаются хирургические инструменты, разнообразные внешние и внутренние протезы, вплоть до сердечных клапанов. Из титана производятся инвалидные коляски, костыли и прочие приспособления.

Ряд исследований и экспериментов подтверждает отличную биологическую совместимость материала и его сплавов с живой человеческой тканью. Мягкие и костные ткани срастаются с этими материалами без проблем. А низкий модуль упругости и высокий показатель удельной прочности делают титан очень хорошим материалом для эндопротезирования. Он заметно легче, чем жесть, сталь и сплавы на основе кобальта.

Таким образом, свойства титана позволяют активно использовать его в самых разнообразных сферах – от изготовления труб и кровли до медицинского протезирования и построения космических аппаратов.

Является одним из важнейших конструкционных материалов, поскольку сочетает прочность, твердость и легкость. Однако другие свойства металла весьма специфичны, что делает процесс получения вещества тяжелым и дорогостоящим. И сегодня нами будет рассмотрена мировая технология производства титана, кратко упомянем и .

Существует металл в двух модификациях.

• α-Ti – существует до температуры в 883 С, обладает плотной гексагональной решеткой.
• β-Ti – имеет объемно-центрированную кубическую решетку.

Переход осуществляется с очень небольшим изменением плотности, поскольку последняя при нагревании постепенно уменьшается.

• Во время эксплуатации титановых изделий в большинстве случаев имеют дело с α-фазой. А вот при плавке и изготовлении сплавов металлурги работают с β-модификацией.
• Вторая особенность материала – анизотропия. Коэффициент упругости и магнитная восприимчивость вещества зависит от направления, причем разница довольно заметная.
• Третья черта – зависимость свойств металл от чистоты. Обычный технический титан не годится, например, для использования в ракетостроении, поскольку из-за примесей теряет свою жаростойкость. В этой области промышленности применяют только исключительно чистое вещество.

О составе титана поведает это видео:

Производство титана

Использовать металл начали только в 50-е годы прошлого века. Его добыча и производство являются сложным процессом, благодаря чему этот относительно распространенный элемент относили к условно редким. И далее мы рассмотрим технологию, оборудование цехов по производству титана.

Сырье

Титан занимает 7 место по распространенности в природе. Чаще всего это оксиды, титанаты и титаносиликаты. Максимальное количество вещества содержится в двуокисях – 94–99%.

• Рутил – самая устойчивая модификация, представляет собой минерал синеватого, буровато-желтого, красного цвета.
• Анатаз – довольно редкий минерал, при температуре в 800–900 С переходит в рутил.
• Брукит – кристалл ромбической системы, при 650 С необратимо переходит в рутил с уменьшением объема.

• Более распространены соединения металла с железом – ильменит (до 52,8% титана). Это гейкилит, пирофанит, кричтон – химический состав ильменита весьма сложен и колеблется в широких переделах.
• Используется в промышленных целях результат выветривания ильменита – лейкоксен . Здесь происходит довольно сложная химическая реакция, при которой из ильменитовой решетки удаляется часть железа. В результате объем титана в руде повышается – до 60%.
• Также используют руду, где металл связан не с закисным железом, как в ильмените, а выступает в виде титаната окисного железа – это аризонит, псевдобрукит .

Наибольшее значение имеют месторождения ильменита, рутила и титаномагнетита. Разделяют их на 3 группы:

• магматические – связаны с участками распространения ультраосновных и основных пород, проще говоря, с распространением магмы. Чаще всего это ильменитовые, титаномагнетитовые ильменит-гематитовые руды;
• экзогенные месторождения – россыпные и остаточные, аллювиальные, аллювиально-озерные месторождения ильменита и рутила. А также прибрежно-морские россыпи, титановые, анатазовые руды в корах выветривания. Наибольшее значение имеет прибрежно-морские россыпи;
• метаморфизированные месторождения – песчаники с лейкоксеном, ильменит-магнетитовые руды, сплошные и вкрапленные.

Экзогенные месторождения – остаточные или россыпные, разрабатываются открытым методом. Для этого используют драги и экскаваторы.

Разработка коренных месторождений связана с проходкой шахт. Полученную руду на месте дробят и обогащают. Применяют гравитационное обогащение, флотацию, магнитную сепарацию.

В качестве исходного сырья может использоваться титановый шлак. Он содержит до 85% диоксида металла.

Технология получения

Процесс производства металла из ильменитовых руд состоит из нескольких стадий:

• восстановительная плавка с целью получения титанового шлака;
• хлорирование шлака;
• производства металла восстановлением;
• рафинирование титана – как правило, проводится с целью улучшения свойств продукта.

Процесс это сложный, многоэтапный и дорогостоящий. В результате достаточно доступный металл оказывается весьма дорогим в производстве.

О производстве титана расскажет данный видеосюжет:

Получение шлака

Ильменит является ассоциацией оксида титана с закисным железом. Поэтому целью первого этапа производства является отделение диоксида от оксидов железа. Для этого оксиды железа восстанавливают.

Процесс осуществляют в электродуговых печах. Ильменитовый концентрат загружают в печь, затем вводят восстановитель – древесный уголь, антрацит, кокс, и прогревают до 1650 С. При этом железо восстанавливается из оксида. Из восстановленного и науглероживающегося железа получают чугун, а оксид титана переходит в шлак. Последний в итоге содержит 82–90% титана.

Чугун и шлак разливают по отдельным изложницам. Чугун используют в металлургическом производстве.

Хлорирование шлака

Целью процесса является получение тетрахлорида металла, для дальнейшего применения. Непосредственно хлорировать ильменитовый концентрат оказывается невозможным, из-за образования большого количества хлорного железа – соединение очень быстро разрушает оборудование. Поэтому без стадии предварительного удаления оксида железа обойтись нельзя. Хлорирование проводится в шахтных или солевых хлораторах. Процесс несколько отличается.

• Шахтный хлоратор – футерованное цилиндрическое сооружение высотой до 10 м и диаметром до 2 м. Сверху в хлоратор укладывают брикеты из измельченного шлака, а через фурмы подают газ магниевых электролизеров, содержащий 65–70% хлора. Реакция между титановых шлаком и хлором происходит с выделением тепла, что обеспечивает требуемый для процесса температурный режим. Газообразный тетрахлорид титана отводят через верх, а остатки шлака непрерывно удаляют снизу.
• Солевой хлоратор , камера, футерованная шамотом и наполовину заполненная электролитом магниевых электролизеров – отработанным. В расплаве содержаться хлориды металлов – натрия, калия, магния и кальция. В расплав сверху подают измельченный титановый шлак и кокс, снизу вдувают хлор. Поскольку реакция хлорирования экзотермична, температурный режим поддерживается самим процессом.

Тетрахлорид титана очищают, причем несколько раз. Газ может содержать углекислый газ, угарный газ, другие примеси, так что очистка производится в несколько этапов.

Отработанный электролит периодически заменяют.

Получение металла

Металл восстанавливают из тетрахлорида магнием или натрием. Восстановление происходит с выделением тепла, что позволяет проводить реакцию без дополнительного обогрева.

Для восстановления используют электрические печи сопротивления. Сначала в камеру помещают герметичную колбу из хромо- сплавов высотой в 2–3 м. После того как емкость прогреют до +750 С, в нее вводят магний. А затем подают тетрахлорид титана. Подача регулируется.

1 цикл восстановления длится 30–50 ч, чтобы температура не повышалась выше 800–900 С, реторту обдувают воздухом. В итоге получают от 1 до 4 тонн губчатой массы – металл осаждается в виде крошек, которые спекаются в пористую массу. Жидкий хлорид магния периодически сливают.

Пористая масса впитывает довольно много хлорида магния. Поэтому после восстановления осуществляют вакуумную отгонку. Для этого реторту прогревают до 1000 С, создают в ней вакуум и выдерживают 30–50 часов. За это время примеси испаряются.

Восстановление натрием протекает почти таким же образом. Разница наличествует только в последнем этапе. Чтобы удалить примеси хлорида натрия, титановую губку измельчают и выщелачивают из нее соль обычной водой.

Рафинирование

Полученный описанным выше образом технический титан вполне годится для производства оборудования и емкостей для химической промышленности. Однако для областей, где требуется высокая жаростойкость и однородность свойств, металл не годится. В этом случае прибегают к рафинированию.

Рафинирование производится в термостате, где поддерживается температура в 100–200 С. В камеру помещают реторту с титановой губкой, а затем с помощью специального устройства в закрытой камере разбивают капсулу с йодом. Йод реагирует с металлом, образуя йодид титана.

В реторте натянуты титановые проволоки, по которым пропускают электрический ток. Проволока раскаляется до 1300–1400 С, полученный йодид разлагается на проволоке, формируя кристаллы чистейшего титана. Йод освобождается, вступает в реакцию. С новой порцией титановой губки и процесс продолжается, пока не исчерпается металл. Получение останавливают, когда благодаря наращиванию титана диаметр проволоки становится равным 25–30 мм. В одном таком аппарате можно получить 10 кг металла с долей в 99,9–99,99%.

Если необходимо получить ковкий металл в слитках, поступают иначе. Для этого титановую губку переплавляют в вакуумной дуговой печи, поскольку металл при высокой температуре активно впитывает газы. Расходуемый электрод получают из титановых отходов и губки. Жидкий металл затвердевает в аппарате в кристаллизаторе, охлаждаемом водой.

Плавку, как правило, повторяют дважды, чтобы улучшить качество слитков.

Из-за особенностей вещества – реакции с кислородом, азотом и впитывание газов, получение всех титановых сплавов также возможно лишь в электрических дуговых вакуумных печах.

Про Россию и другие страны-производители титана читайте ниже.

Популярные изготовители

Рынок производства титана достаточно закрытый. Как правило, страны, производящие большое количество металла, сами же и являются его потребителями.

В России самой большой и едва ли не единственной компанией, занимающейся получением титана, является «ВСМПО-Ависма». Она считается крупнейшим изготовителем металла, но это не совсем верно. Компания производит пятую часть титана, однако мировое потребление его выглядит иначе: около 5% расходуется на изделия и приготовление сплавов, а 95% – на получение диоксида.

Итак, производство титана в мире по странам:

• Ведущей страной-производителем является Китай. Страна обладает максимальными запасами титановых руд. Из 18 известных заводов по получению титановой губки 9 расположены в Китае.
• Второе место занимает Япония. Интересно, что в стране на авиакосмический сектор уходит только 2–3% металла, а остальной используется в химической промышленности.
• Третье место в мире по производству титана занимает Россия и ее многочисленные заводы. Затем следует Казахстан.
• США – следующая в списке страна-производитель, расходует титан традиционным образом: 60–75% титана использует авиакосмическая промышленность.

Производство титана – процесс технологически сложный, дорогостоящий и длительный. Однако потребности в этом материале настолько велики, что прогнозируется изрядное увеличение выплавки металла.

О том, как происходит резка титана на одном из производств в России, расскажет это видео:

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.

История открытия титана непредсказуема и весьма увлекательна. Как думаете, кто открыл титан? Варианты:

1. Ученый.
2. Опытный минералог.
3. Лесник.
4. Священник.

Титан открыл и нашел британский священник в 1791 году в долине Менакин (ниже место нахождения показано на Гугл карте):

Как священник Улильям Грегор открыл титан?

Минералогия не была профессией пастора. Скорее это было хобби, увлечение. Открытие титана – большая удача и самый выдающийся поступок в жизни Грегора. Добыл он титан благодаря темному песку, который обнаружил у местного моста в долине Менакин. Грегора заинтересовал магнитизм песка, похожего на антрацит, и тот решил провести эксперимент над находкой в своей мини-лаборатории.
Священник погрузил пробу найденного песка в соляную кислоту. В результате светлая часть пробы растворилась и остался только темный песок. Тогда Уильям долил в песок серную кислоту, которая растворила остаток пробы. Решив продолжить эксперимент, Грегор нагрел раствор и тот начал мутнеть. В результате вышло что-то наподобие известкового молока:

Грегора удивил оттенок суспензии, но не настолько, чтобы делать дерзкие выводы об открытии нового элемента Ti. Он решил добавить еще кислоты H2SO4, но помутнение не исчезало. Тогда пастор продолжил нагрев суспензии, пока жидкость полностью не испарилась. На ее месте остался белый порошок:

Тут-то Уильям Грегор решил, что имеет дело с неизвестным ему видом извести. Он тут же передумал после прокаливания порошка (нагрев до 400 градусов Цельсия и выше) – вещество пожелтело. Не в силах идентифицировать открытие, он позвал на помощь своего друга, который в отличии от пастора, занимался минералогией профессионально. Его друг, ученый Хавкинс подтвердил открытие – это новый элемент !
Далее пастор подал заявку об открытии элемента. в «Физический журнал » Найденную породу он назвал «менаканитом», добытый оксид «менакином ». Но сам элемент тогда названия так и не получил...
В честь открытия титана на месте возле моста, где Уильям Грегор нашел "странный" темный песок, в апреле 2002 года установили мемориальную доску в честь открытия. Позже священник решил углубиться в изучение минералов и открыл собственное Геологическое общество в родном городе Корнуэлле. Он также нашел титан в тибетском корунде и олове в родном округе.
Мемориальная доска :

Кто дал название металлу Титану?

Мартин Генрих Клапрот скептически принял статью из «Физического журнала» об открытии менакина. Тогда много чего открывали. Сам ученый открыл Уран и Цирконий ! Он решил проверить правдивость слов священника на деле. Во время исканий обнаружил некий «венгерский красный шерл» и решил разложить его до элементов. В результате получил аналогичный "Грегоровскому" порошок белого цвета. После сравнения плотностей оказалось, что это одинаковое вещество.

Священник и именитый ученый открыли один и тот же минерал – это был не менакин и не шерл, а рутил. Порода, в которой Грегор нашел черный песок ныне называется ильменитом. Клапрот знал, что пастор первым обнаружил диоксид и не претендовал на открытие (тем более, что он уже открыл Уран и Цирконий). Но научное сообщество больше приняло старания ученого, чем священника. Сейчас считается, что и Грегор и Клапрот одинаково в этом участвовали и «вместе» открыли Титан в 1791 году (хоть пастор и сделал это первым).

Почему титан так назвали?

В 18 веке огромное влияние оказывала французская школа химика Лавуазье. Согласно принципам школы, новые элементы называли исходя из их ключевых особенностей. По такому принципу назвали Оксиген (порожденный воздухом), Гидроген (порожденный водой) и Азот («безжизненный). Но Клапрот критически отнесся к этому принципу Лавуазье, хоть и поддерживал другие его учения. Он решил пойти по своему принципу: Мартин называл элементы мифическими именами, планетами и другими названиями, не имеющими отношения к свойствам вещества.
Генрих Клапрот назвал добытый из рутила элемент Титаном в честь первых обитателей планеты Земля . Титан Прометей дал людям огонь, а открытый металл титан ныне дает авиации, судо- и ракетостроению сырье для новых открытий!

Титан – один из загадочных, малоизученных макроэлементов в науке и жизни человека. Хотя его не зря называют «космическим» элементом, т.к. он активно применяется в передовых отраслях науки, техники, медицины и во многом другом – это элемент будущего.

Этот металл серебристо-серого цвета (см. фото), не растворим в воде. Он у него небольшая химическая плотность, поэтому ему характерна легкость. В то же время он очень прочен и легко поддается обработке из-за своей плавкости и пластичности. Элемент химически инертен благодаря наличию на поверхности защитной пленки. Титан не горюч, но его пыль взрывоопасна.

Открытие этого химического элемента принадлежит большому любителю минералов англичанину Уильяму Мак-Грегору. Но своим названием титан обязан все же химику – Мартину Генриху Клапроту, который обнаружил его независимо от Мак-Грегора.

Предположения о причинах, по которым этот металл назвали «титаном» романтичны. По одной версии, название связано с древнегреческими богами Титанами, родителями которых являлись бог Уран и богиня Гея, а вот согласно второй, оно происходит от имени королевы фей – Титании.

Как бы там ни было, этот макроэлемент девятый по нахождению в природе. Он входит в состав тканей представителей флоры и фауны. Много его в морской воде (до 7%), а вот в почве его содержится всего 0,57%. Наиболее богат запасами титана Китай, за ним идет Россия.

Действие титана

Действие макроэлемента на организм обусловлено его физико-химическими свойствами. Его частицы очень малы, они могут проникать в клеточную структуру и влиять на ее работу. Считается, что из-за своей инертности макроэлемент не взаимодействует химически с раздражителями, и поэтому не токсичен. Однако он вступает в связь с клетками тканей, органов, крови, лимфы посредством физического действия, что приводит к их механическому повреждению. Так, элемент может своим действием привести к повреждению одно- и двухцепочной ДНК, повредить хромосомы, что может привести к риску развития рака и сбоя в генетическом коде.

Выяснилось, что частицы макроэлемента не способны пройти через кожу. Поэтому попадают они внутрь человека только с едой, водой и воздухом.

Титан лучше усваивается через желудочно-кишечный тракт (1-3%), а вот через дыхательные пути всасывается только около 1%, однако содержание его в организме сконцентрировано как в легких (30%). С чем это связано? Проанализировав все вышеуказанные цифры, можно прийти к нескольким выводам. Во-первых, титан вообще плохо усваивается организмом. Во-вторых, через ЖКТ идет выведение титана через кал (0,52 мг) и мочу (0,33 мг), а вот в легких такой механизм слабый или вовсе отсутствует, так как с возрастом у человека концентрация титана в этом органе возрастает практически в 100 раз. Чем же обусловлена такая большая концентрация при таком слабом всасывании? Скорее всего, это связано с постоянной атакой на наш организм пыли, в которой всегда присутствует титановая составляющая. Кроме того в данном лучае нужно учитывать нашу экологию и наличие промышленных мощностей вблизи населенных пунктов.

По сравнению с легкими, в остальных органах, таких как селезенка, надпочечники, щитовидная железа, содержание макроэлемента на протяжении всей жизни остается неизменным. Также присутствие элемента наблюдается в лимфе, плаценте, головном мозге, женском грудном молоке, костях, ногтях, волосах, хрусталике глаза, тканях эпителия.

Находясь в костях, титан участвует в их срастании после переломов. Также положительное действие наблюдается в восстановительных процессах, происходящих в поврежденных подвижных соединениях костей при артритах и артрозах. Этот металл является сильным антиоксидантом. Ослабляя действие свободных радикалов на клетки кожи и крови, он защищает весь организм от преждевременного старения и изнашивания.

Концентрируясь в отделах мозга, отвечающих за зрение и слух, положительно влияет на их функционирование. Нахождение металла в надпочечниках и щитовидной железе подразумевает его участие в вырабатывании гормонов, участвующих в обмене веществ. Он также задействован в выработке гемоглобина, выработке эритроцитов. Снижая в крови содержание холестерина и мочевины, следит за ее нормальным составом.

Негативное действие титана на организм связано с тем, что он является тяжелым металлом . Попадая в организм, он не расщепляется и не разлагается, а оседает в органах и тканях человека, отравляя его и вмешиваясь в процессы жизнедеятельности. Он не подвержен коррозии и устойчив к действию щелочей и кислот, поэтому желудочный сок не способен на него воздействовать.

Соединения титана имеют способность не пропускать коротковолновое ультрафиолетовое излучение и не всасываются через кожу, поэтому их можно использовать для защиты кожи от ультрафиолета.

Доказано, что курение увеличивает поступление металла в легкие из воздуха во много раз. Это ли не повод бросить эту вредную привычку!

Суточная норма - какова потребность в химическом элементе?

Суточная норма макроэлемента обусловлена тем, что в теле человека содержится примерно 20 мг титана, из них 2,4 мг – в легких. Каждый день с пищей организм приобретает 0,85 мг вещества, с водой – 0,002 мг, а с воздухом – 0,0007 мг. Суточная норма для титана очень условна, так как последствия его влияния на органы до конца не изучено. Приблизительно она равняется около 300-600 мкг в сутки. Нет никаких клинических данных о последствиях превышения этой нормы – все на стадии опытных исследований.

Недостаток титана

Состояния, при которых бы наблюдался недостаток металла, не выявлены, поэтому ученые пришли к выводу, что их в природе не существует. Но его дефицит наблюдается при большинстве тяжелых заболеваний, что может ухудшить состояние больного. Этот недостаток можно убрать титаносодержащими препаратами.

Влияние избытка титана на организм

Избыток макроэлемента единоразового поступления титана в организм не выявлен. Если, предположим, человек проглотил титановый штифт, то, по всей видимости, об отравлении говорить не приходится. Скорее всего, из-за своей инертности элемент не вступит в контакт, а выведется естественным путем.

Большую опасность вызывает систематическое увеличение концентрации макроэлемента в органах дыхания. Это приводит к повреждению дыхательной и лимфатической систем. Также есть непосредственная связь между степенью протекания силикоза и содержанием элемента в органах дыхания. Чем больше его содержание, тем тяжелее протекает болезнь.

Избыток тяжелого металла наблюдается у людей, работающих на химических и металлургических предприятиях. Наиболее опасен хлорид титана – за 3 рабочих года начинается проявление тяжелых хронических заболеваний.

Такие заболевания лечат специальными препаратами и витаминами.

Каковы источники?

Элемент попадает в организм человека в основном с пищей и водой. Больше всего его в бобовых (горох, фасоль, чечевица, бобы) и в злаковых (рожь, ячмень, гречка, овес). Выявлено его присутствие в молочных и мясных блюдах, а также в яйцах. В растениях сконцентрировано больше этого элемента, чем в животных. Особенно высоко его содержание в водоросли – кустистой кладофоре.

Во всех продуктах питания, где присутствует пищевой краситель Е171, содержится диоксид этого металла. Его применяют в изготовлении соусов и приправ. Вред этой добавки находится под вопросом, так как оксид титана практически не растворим в воде и желудочном соке.

Показания к применению

Показания к применению элемента, несмотря на то, что этот космический элемент еще мало изучен, есть, он активно применяется во всех сферах медицины. Из-за своей прочности, коррозионной стойкости и биологической инертности, он широко применяется в сферах протезирования для изготовления имплантантов. Его применяют в стоматологии, нейрохирургии, ортопедии. Благодаря долговечности из него изготавливают хирургические инструменты.

Диоксид этого вещества используют в лечении болезней кожи, таких как хейлит, герпес, угревая сыпь, воспаление слизистой рта. Им удаляют гемангиому лица.

Никелид металла задействован в устранении местно-распространенного рака гортани. Его используют для эндопротезирования гортани и трахеи. Также он применяется для лечения инфицированных ран в сочетании с растворами антибиотиков.

Аквакомплекс глицеросольвата макроэлемента способствует заживлению язвенных ран.

Для ученых по всему миру открыто много возможностей для изучения элемента будущего, так как его физико-химические свойства высоки и могут принести безграничную пользу для человечества.