Historie objevování kovů
Všechno to začalo v roce 1791, kdy, nezávisle na sobě, současně W. Gregor (Anglie) a MG Klaproth (Německo) obdrželi oxid titaničitý, ale nedokázali z něj extrahovat čistou látku. Mineralog a zároveň kněz obce Gregor studovali černý železný písek nacházející se v blízkosti jeho farnosti. Výsledkem byla extrakce sloučeniny titanu - brilantních zrn, které podle názvu "menakin" (z minerálního menacanitu) zachovaly původní místa Angličanů.
Přibližně ve stejnou dobu objevil chemik Klaproth, který studoval červené písky z Maďarska, novou látku v minerálním rutilu a nazval ji „titanem“. O několik let později prokázal, že rutil a menake earth jsou identické sloučeniny. V roce 1825 získal první chemický vzorek kovového titanu švédský chemik Berzelius, což však neumožnilo pokrok ve studiu vlastností, protože nečistoty způsobily, že vzorek byl křehký a nevhodný pro obrábění.
Teprve v roce 1925 nizozemští chemici van Arkel a de Boer, kteří aplikovali tepelný rozklad jodidu titaničitého, který nenalezl široké využití, získali látku s čistotou 99, 9%. Takový kov měl plasticitu, mohl být válcován do plechů, drátu a fólie. To umožnilo zahájit rozsáhlou studii fyzikálních a chemických vlastností, přilákat pozornost inženýrů a stavitelů, nastínit rozsah použití. Již v roce 1940 se objevil Krollowův proces regenerace chloridu titaničitého s hořčíkem, který byl úspěšně používán dodnes.
Teorie vzniku názvu
Existují dvě teorie původu jmen:
První, s důrazem na základní vlastnosti titanového kovu - lehkost a trvanlivost, je spojena s názvem postavy německé legendy - elfské královny Titánie.- Další teorie se odkazuje na starověkou řeckou mytologii, kde titáni volali mocné bratry - božstva druhé generace, děti bohů Uran a Gaia. Ozvěny tohoto jsou slyšeny ve jménu prvku uranu.
Nalezení titanu v přírodě
Titan zaujímá čtvrté čestné místo, pokud jde o jeho obsah v zemské kůře, mezi nejdůležitějšími kovy pro člověka, druhým je pouze železo, hořčík a hliník. Jeho maximální množství je koncentrováno v dolní, čedičové vrstvě, o něco méně - v žulové. S ohledem na vysokou chemickou aktivitu není možné nalézt titan ve své čisté formě. Nejběžnější oxidy čtyřmocné, které jsou soustředěny v rudách zvětralých kůr a v mořské hlíně.
V současné době existuje až 75 titanových minerálů a vědci pravidelně prohlašují objev všech nových forem a sloučenin. Pro průmyslové zpracování jsou nejdůležitější:
Ilmenite.- Leukoxen (produkt změn ilmenitu).
- Rutile
- Titanit (sphene).
- Perovskit.
- Anatase.
- Titanomagnetit.
- Brookit
Titan je slabý migrant, může být přepravován pouze ve formě mechanických fragmentů horniny nebo při pohybu koloidních vrstev bahna vodních útvarů. Biosféra je charakterizována obsahem maximálního množství tohoto kovu v řasách, u zvířat se nachází ve vlnách a nadržených tkáních, přítomných v lidském těle ve štítné žláze, slezině, nadledvinách a placentě.
Vklady prostorového materiálu
Nejběžnější ložiska ilmenitu jsou asi 800 milionů tun. Zásoby rutilových rud jsou mnohem menší, ale s udržením růstu produkce mohou všechny lidstvo poskytnout dalších 100 let. Pokud jde o zásoby titanu, Rusko je druhé místo v Číně a má 20 prozkoumaných ložisek. Většina z nich je složitá, kde se také těží železo, fosfor, vanad a zirkonium. Dnes je ruská hutní společnost VSMPO-AVISMA považována za největšího světového výrobce titanu.
Rozsáhlá ložiska se nacházejí v Jižní Africe, Ukrajině, Kanadě, USA, Brazílii, Austrálii, Švédsku, Norsku, Egyptě, Kazachstánu, Indii a Jižní Koreji. Liší se obsahem kovů v rudách a objemech výroby, geologické průzkumy nekončí. Dokonce i na Měsíci byly objeveny zásoby rud obsahujících titan, některé z nich jsou desetkrát bohatší než velká ložiska Země. To nám umožňuje doufat v pokles tržních cen kovu a rozšíření sféry využití.
Fyzikální vlastnosti prvku
Titan je chemický prvek periodické tabulky, ve skupině IV čtvrté periody. Má atomové číslo 22, molární hmotnost 47, 867, je označena symbolem Ti a vykazuje oxidační stavy od 2 do 4, jeho čtyřmocné sloučeniny jsou nejstabilnější. Za normálního tlaku je bod tání titanu 1670 ± 2 ° C, jedná se o neželezné žáruvzdorné kovy a podobá se vzhledu oceli.
Tvrdost, plasticita a mez kluzu jsou důležité parametry pro každý kov, který určuje jeho rozsah. Titan je 12krát silnější než hliník, 4krát měď a železo. To je také mnohem lehčí než oni všichni (hustota titanu je jen 4.54 g / cm 3) a je volně zpracovaný metodami svařování, nýtování, kování a válcování. Mezi důležité vlastnosti patří nízká tepelná vodivost a elektrická vodivost, které zůstávají nezměněny i při vysokých teplotách.
Titan vykazuje paramagnetické vlastnosti: nemagnetizuje v magnetickém poli, jako je nikl a železo, a není vytlačován jako stříbro a zlato. Jeho špatné vlastnosti proti tření jsou způsobeny lepením mnoha materiálů. Existují jedinečné indikátory odolnosti proti korozi a odolnosti proti mechanickému namáhání: desky z titanu, které se na mořském dně po deset let prodlužují, nebudou podléhat změnám vzhledu a složení a železo se během této doby zcela rozloží.
Chemické vlastnosti
Vysoká odolnost proti korozi v důsledku skutečnosti, že za normálních podmínek na povrchu filmu oxidu kovu je přítomen. Nicméně, ve formě prášku, jemných třísek nebo drátu, je schopen vznítit a explodovat. Titan je odolný vůči vodným roztokům chloru a mnoha zředěným zásadám a kyselinám, s výjimkou kyseliny fluorovodíkové, fosforečné a sírové. Svařování a tavení se provádí ve vakuu, protože při mírném zahřívání se projevuje jedna z hlavních vlastností titanu - aktivní absorpce plynů okolní atmosféry.
Reakce s vodíkem, která začíná při 60 ° C, je reverzibilní, získané hydridy se při zahřívání rozkládají. Ve vzduchu o teplotě 1200 ° C svítí titan zářivě bílým plamenem a pouze hoří v dusíkové atmosféře při teplotách nad 400 ° C za vzniku nitridů. Pro interakci s halogeny jsou nezbytnými podmínkami absence vlhkosti a přítomnost katalyzátoru - vysoké teploty. Reakce s uhlíkem vytváří supertvrdý karbid. S většinou kovů, titan tvoří vysoce pevné konstrukční nebo tepelně odolné slitiny a intermetalické sloučeniny, často používané jako důležitá legující složka.
Metoda získávání ze surovin
Výchozí surovinou je oxid titaničitý, který obsahuje málo nečistot. To vyžaduje koncentrát rutilu získaný obohacením rudy. Ale jeho světové zásoby jsou malé a častěji používají strusku titanu (syntetický rutil), která se získává tepelným zpracováním - obohacení koncentrátů ilmenitu v elektrické obloukové peci. Výsledkem je, že železo ve formě litiny se shromažďuje na dně speciální lázně a zbývající zbytky šedého prášku - struska obsahující oxid titaničitý. Je drcena, smíchána s uhlím, briketována a chlorována v pecích, kde se při 800 ° C tvoří v přítomnosti uhlíku páry chloridu titaničitého.
Poté se čistí a redukují ve speciálních reaktorech s hořčíkem při teplotě 950 ° C. Na stěnách je vytvořena slinutá porézní hmota, titanová houba, která je kalcinována ve vakuu pro separaci ze sloučenin hořčíku. Pro výrobu titanových ingotů se získaná houba roztaví ve vakuových obloukových pecích. To chrání kov před oxidací a přispívá ke konečnému uvolňování nečistot. Hotové ingoty s čistotou do 99, 7% se používají pro tlakové zpracování (válcování, ražení, kování).
Hlavní aplikace
Je těžké popsat všechny oblasti života, kde titan našel místo, ale mezi hlavní oblasti lze zmínit:
Hlavní spotřebitelé jsou letecký a raketový průmysl. Vysoké teploty tání a lehkost jsou neocenitelnou výhodou titanu při použití jako „létající“ stavební materiál. Například u letadel se jedná o křidélka a nosníky, otočné křídla, potrubí a rámy. Je hluboce symbolické, že v roce 1980 byl z tohoto kosmického kovu vyroben pomník Yu A. Gagarina postavený v Moskvě.- Stavba lodí také potřebuje lehké a korozivzdorné materiály. Koncem 70. let dvacátého století šlo téměř celé roční množství výroby titanu v Sovětském svazu k vytvoření jaderné ponorky, kde sloužilo jako hlavní konstrukční materiál. Výsledkem bylo snížení hmotnosti ponorky o jednu třetinu, jejího paramagnetismu, maximálních ukazatelů hloubky ponoření a rychlosti pod vodou.
- Titanové desky se používají v neprůstřelných vestách. Lehké pancéřování - 4 kg, těžké - 10, 5 kg. I jeden takový pásek o tloušťce pouhých 5 mm spolehlivě chrání proti pistoli a kuličkám.
- Kov je nepostradatelný pro potřeby chemického průmyslu díky své odolnosti vůči korozi ve většině agresivních médií a při vysokých teplotách: nástroje a potrubí, skladovací a destilační nádrže, filtry a uzavírací ventily.
- Pro výrobu ocelí s tvrdostí a tepelnou odolností se používá jako legovací přísada.
- Titanové slitiny se používají pro výrobu řezných a chirurgických nástrojů, šperků. Kov není lidským tělem odmítnut, takže je používán v medicíně k vytváření implantátů.
Dlouho, protože budovy v evropských městech byly pokryty zinkovými plechy. Ve dvacátém století byl pro tyto potřeby vytvořen ekologický a trvanlivý materiál zinku a titanu. Jeho výborná plasticita pomáhá vytvořit střechu téměř všech okruhů a vytvořit jakýkoliv nestandardní design fasád.- Bez použití sloučenin titanu je těžké si představit výrobu stavebních materiálů, barev, gumy, plastů, papíru a potravinářských přídatných látek. Vyžadují se v elektrotechnice, nacházejí se ve složení žáruvzdorných skel a keramických dílů, v podpěrách vrtných plošin pracujících v extrémních mořských podmínkách a v případech domácích počítačů.
Rozsah použití titanu se neustále rozšiřuje, je omezen složitostí a energetickou náročností procesu získávání čisté látky. To je také důvod, proč si tradiční železo a hliník stále drží své pozice dnes. Titan je drahá léčba. Cena kovu ve formě koncentrátu je stokrát nižší než cena hotových výrobků, jako je plech. V současné době takové náklady nejsou k dispozici všem, takže použití titanu určuje úroveň ekonomického rozvoje a obranných schopností státu.