تیتانیوم یک فلز است. خواص تیتانیوم. کاربرد تیتانیوم. مارک ها و ترکیب شیمیایی تیتانیوم

ابدی، مرموز، کیهانی، مادی از آینده - این همه و بسیاری دیگر از epithets در منابع مختلف به تیتان اختصاص داده شده است. تاریخ کشف این فلز بی اهمیت بود: چندین دانشمند در همان زمان بر روی جداسازی عنصر در شکل خالص کار کردند. روند مطالعه خواص فیزیکی، شیمیایی و تعیین مناطق کاربرد آن تا به امروز کامل نشده است. تیتانیوم - فلز آینده، جایگاه آن در زندگی انسان تا به امروز مشخص نیست، که به پژوهشگران مدرن فرصت زیادی برای خلاقیت و تحقیقات علمی می دهد.

ویژگی

عنصر شیمیایی تیتانیوم (تیتانیوم) در جدول تناوبی DI Mendeleyev با نماد Ti مشخص شده است. این در زیر گروه دوم گروه IV دوره چهارم قرار دارد و دارای شماره سریال 22 است. ماده ساده تیتانیوم یک فلز از نقره ای سفید، سبک و قوی است. پیکربندی الکترون اتم دارای ساختار زیر است: + 22) 2) 8) 10) 2، 1S ² 2S ² 2P ⁶ 3S ² 3P ⁶ 3d ² 4S ² . بر این اساس، تیتانیوم دارای چند درجه اکسیداسیون ممکن است: 2، 3، 4، در پایدار ترین ترکیبات آن tetravalent.

آیا تیتانیوم یک آلیاژ یا یک فلز است؟

این سوال چندین نفری است. در سال 1910، شیمیدر شیمیدان آمریکایی اولین تیتانیوم خالص را دریافت کرد. فلز تنها 1٪ از ناخالصی ها بود، اما مقدار آن ناچیز بود و اجازه مطالعه بیشتر خواص آن را نداشت. پلاستیک این ماده به دست آمده تنها تحت تاثیر درجه حرارت بالا بود، در شرایط عادی (دمای اتاق) نمونه بسیار شکننده بود. در واقع، این عنصر برای دانشمندان علاقه نداشت، زیرا چشم انداز استفاده از آن به نظر می رسید بسیار مبهم بود. پیچیدگی های به دست آوردن و تحقیق بیشتر باعث کاهش احتمال استفاده از آن شده است. فقط در سال 1925 شیمیدانهای هلند I. de Boer و A. Van Arkel یک فلز تیتانیوم دریافت کردند که خصوصیات آن توجه مهندسان و طراحان سراسر جهان را جلب کرد. تاریخ تحقیق این عنصر در سال 1790 آغاز می شود، در این زمان به طور موازی، مستقل از یکدیگر، دو دانشمند تیتانیوم را به عنوان عنصر شیمیایی کشف می کنند. هر یک از آنها ترکیب (اکسید) ماده را دریافت می کند و قادر به استخراج فلز در شکل خالص آن نیست. نخستین کشف تیتانیوم، ویلیام گرگور، راهب معدنی انگلیسی است. در قلمرو روستای خود، واقع در جنوب غربی انگلستان، یک دانشمند جوان شروع به مطالعه شن و ماسه سیاه دره مناسکان کرد. نتیجه آزمایش با آهنربا، جداسازی دانه های درخشان بود که ترکیبی از تیتانیوم بود. در همان زمان در آلمان، شیمیدان مارتین Heinrich Klaproth یک ماده جدید از مواد معدنی روتیل را انتخاب کرد. در سال 1797، او همچنین ثابت کرد که عناصر باز به طور موازی مشابه هستند. دی اکسید تیتانیوم برای بیش از یک قرن برای بسیاری از شیمیدان ها رمز و راز بود، حتی Berzelius که نمی توانست فلز خالص دریافت کند. جدیدترین فن آوری های قرن بیستم به طور قابل ملاحظه ای روند مطالعه عنصر را تسریع کرده و جهت اولیۀ استفاده از آن را تعیین می کند. در همان زمان دامنه کاربرد دائما در حال گسترش است. محدود کردن دامنه آن تنها می تواند پیچیدگی فرایند به دست آوردن چنین ماده ای به عنوان تیتانیوم خالص باشد. قیمت آلیاژها و فلزات به اندازه کافی بالاست، بنابراین امروزه نمی توان جایگزین آهن و آلومینیوم شد.

منبع نام

مناکین اولین نام تیتانیوم است که تا سال 1795 مورد استفاده قرار گرفت. این دقیقا همان است که بر اساس وابستگی به سرزمین، عنصر جدید U. Gregor نامیده می شود. مارتین کلپپتو این عنصر را در سال 1797 به نام "تیتانیوم" اختصاص می دهد. در این زمان، همکاران فرانسوی خود، که توسط یک شیمیدان معتبر شناخته می شود، AL Lavoisier، پیشنهاد کردند که مواد جدید کشف شده را مطابق با خواص اساسی آنها معرفی کنند. دانشمند آلمانی این رویکرد را قبول نکرد، او معتقد بود که در مرحله کشف، تمام خصوصیات مشخصه ماده را تعیین می کند و آن را به نام نشان می دهد. با این حال، باید به این نکته اشاره کرد که اصطلاح Klaprot به طور مستقیم انتخاب شده به فلز متناظر است - این تا کنون توسط دانشمندان مدرن تاکید شده است. دو تئوری اصلی مبدا نام تیتانیوم وجود دارد. فلزی را می توان به افتخار تیتانیا ملکه سلطنتی (شخصیت اساطیر آلمان) تعیین کرد. این نام هر دو سبک و قدرت ماده را نشان می دهد. اکثر محققان تمایل دارند از نسخه اساطیر یونان باستان استفاده کنند، که در آن تیتانها پسران قدرتمند الهه سرزمین گایا را نام بردند. به نفع این نسخه می گوید نام عنصر قبلا کشف شده - اورانیوم.

بودن در طبیعت

از فلزاتی که از لحاظ فنی برای انسانها ارزشمند است، تیتانیوم از لحاظ شایع در پوسته زمین چهارم است. محتوای درصد زیادی در طبیعت تنها با آهن، منیزیم و آلومینیوم مشخص می شود. بزرگترین مقدار تیتانیوم در پوسته بازالت مشاهده می شود، که کمی کمتر از لایه گرانیت است. در آب دریا محتوای این ماده کم است - حدود 0،001 میلی گرم بر لیتر. عنصر شیمیایی تیتانیوم کاملا فعال است، بنابراین غیرممکن است که آن را در شکل خالص آن مشاهده کنید. اغلب آن در ترکیبات با اکسیژن وجود دارد، در حالیکه دارای ولنتاین برابر با چهار است. مقدار مواد معدنی حاوی تیتانیوم از 63 تا 75 (در منابع مختلف) متفاوت است، در حالیکه در مرحله حاضر پژوهش، دانشمندان همچنان برای کشف اشکال جدید ترکیبات آن ادامه می دهند. برای استفاده عملی، مواد معدنی زیر بیشترین اهمیت را دارند:

1. ایلمنیت (FeTiO ₃ ).
2. روتیل (TiO ₂ ).
3. تیتانی (CaTiSiO ₅ ).
4. Perovskite (CaTiO ₃ ).
5. تیتانومگنیت (FeTiO ₃ + Fe ₃ O ₄ ) و غیره

تمام کانی های حاوی تیتانیوم موجود به زغال سنگ و اساسی تقسیم می شوند. این عنصر یک مهاجر ضعیف است، او می تواند تنها در صورت شکستگی های سنگی یا حرکت سنگ های پر از گل و باریک سفر کند. در بیوسفر، بیشترین مقدار تیتانیوم در جلبکها وجود دارد. در نمایندگان حیوانات زمینی، این عنصر در بافت سفت، مو ایجاد می شود. برای بدن انسان با وجود تیتانیوم در طحال، غده فوقانی، جفت، غده تیروئید مشخص می شود.

خواص فیزیکی

تیتانیوم - یک فلز غیر آهنی، دارای یک رنگ نقره ای نقره ای، به نظر می رسد فولاد است. در دمای 0 ^{درجه سانتی} گراد، چگالی آن 4.517 گرم در سانتی متر است. این مواد دارای وزن مخصوص خاصی است که مشخصه فلزات قلیایی (کادمیوم، سدیم، لیتیوم، سزیم) است. از لحاظ تراکم، تیتانیوم بین مقیاس آهن و آلومینا قرار دارد، در حالی که عملکرد آن بالاتر از هر دو عنصر است. خواص اصلی فلزات، که در تعیین دامنه کاربرد آنها مورد توجه قرار می گیرند، عبارتند از مقاومت و سختی عملکرد . تیتانیوم 12 برابر قوی تر از آلومینیوم است، آهن و مس برابر 4 برابر است، در حالی که بسیار سبک تر است. پلاستیک یک ماده خالص و نقطه عملکرد آن باعث می شود که در مقادیر کم و دمای بالا پردازش شود، همانطور که در مورد سایر فلزات، یعنی پرچین، جعل، جوشکاری و نورد، مورد استفاده قرار می گیرد. خصوصیات تیتانیوم هدایت الکتریکی حرارتی و الکتریکی آن است، در حالیکه این خواص در دمای بالا، تا 500 ^درجه سانتیگراد حفظ می شود. در میدان مغناطیسی، تیتانیوم یک عنصر پارامغناطیسی است، مانند آهن جذب نمی شود و مانند مس مخلوط نمی شود. عملکرد ضد خوردگی بسیار بالا در محیط های پرخاشگر و با تاثیرات مکانیکی منحصر به فرد است. بیش از 10 سال اقامت در آب دریا تغییر ظاهر و ترکیب ورق ساخته شده از تیتانیوم را تغییر نداد. آهن در این مورد به طور کامل توسط خوردگی نابود می شود.

خواص ترمودینامیکی تیتانیوم

1. تراکم (در شرایط عادی) 4.54 g / cm ^{3 است} .
2. تعداد اتمی 22 است.
3. گروه فلزات - نسوز، نور.
4. جرم اتمی تیتانیوم 47.0 است.
5. نقطه جوش ( ⁰ C) 3260 است.
6. حجم مولار cm ³ / mol 6/6 است.
7. نقطه ذوب تیتانیوم ( ⁰ C) 1668 است.
8. حرارت ویژه تبخیر (kJ / mol) 422.6 است.
9. مقاومت الکتریکی (در 20 ⁰ C) اهم * سانتی متر * 10 ^-6 - 45.

خواص شیمیایی

افزایش مقاومت خوردگی عنصر به دلیل تشکیل یک فیلم کوچک اکسید روی سطح است. این مانع (در شرایط عادی) واکنش های شیمیایی با گاز (اکسیژن، هیدروژن) واقع در محیط اطراف آن عنصر مانند فلز تیتانیوم است. خواص آن تحت تاثیر دما تغییر می کند. هنگامی که آن را به 600 ^درجه سانتیگراد افزایش می دهد، واکنش با اکسیژن اتفاق می افتد و منجر به تشکیل اکسید تیتانیوم (TiO ₂ ) می شود. در مورد جذب گازهای اتمسفری، ترکیبات شکننده تشکیل شده است که هیچ کاربرد عملی ندارند، به همین دلیل جوشکاری و ذوب شدن تیتانیوم تحت شرایط خلاء انجام می شود. واکنش برگشت پذیر، فرایند انحلال هیدروژن در یک فلز است، زمانی که دمای آن افزایش می یابد (از 400 ^درجه سانتیگراد و بالاتر) فعال تر است. تیتانیوم، به ویژه ذرات ریز (یک ورق یا سیم نازک)، در جو نیتروژن سوزانده می شود. واکنش شیمیایی واکنش تنها در دمای 700 ⁰ C امکان پذیر است، که منجر به تشکیل نیترید TiN می شود. با بسیاری از فلزات، آلیاژهای بسیار سخت، اغلب یک عنصر دوپینگ هستند. در واکنش با هالوژن ها (کروم، بروم، ید) تنها در حضور کاتالیزور (درجه حرارت بالا) و تحت شرایط تعامل با ماده خشک وارد می شود. در این مورد، آلیاژهای مقاوم به حرارت بسیار زیاد تشکیل می شوند. با استفاده از راه حل های بیشتر قلیایی و اسیدها، تیتانیوم به جز شیمی اسید سولفوریک غلیظ (با جوش طولانی مدت)، هیدروفلوئوریک، آلی گرم (شکمبه، اگزالیک) فعال نیست.

سپرده ها

شایع ترین سنگ های طبیعی ایلمنیت در طبیعت - ذخایر خود را 800 میلیون تن تخمین زده اند. سپرده های سپرده های روتیل بسیار کمتر است، اما حجم کل آن - در حالی که حفظ رشد تولید - باید بشریت را برای 120 سال آینده با یک فلز مانند تیتانیوم تامین کند. قیمت محصول نهایی به تقاضا و افزایش سطح تولیدی بستگی دارد، اما به طور متوسط بین 1200 تا 1800 روبل در هر کیلوگرم متفاوت است. در شرایط بهبود فنی ثابت، هزینه تمام فرایندهای تولید با نوسازی به موقع آنها کاهش می یابد. بزرگترین ذخایر تیتانیوم در چین و روسیه و همچنین در ژاپن، آفریقای جنوبی، استرالیا، قزاقستان، هند، کره جنوبی، اوکراین، سیلان است. این رسوبات با حجم استخراج و درصد تیتانیوم در سنگ مشخص می شود، نظرسنجی زمین شناسی به طور مداوم ادامه می یابد، که می تواند به کاهش ارزش بازار فلز و استفاده وسیع تر از آن کمک کند. روسیه بزرگترین تولیدکننده تیتانیوم است.

دریافت

برای تولید تیتانیوم اغلب دی اکسید آن استفاده می شود، حاوی حداقل مقدار ناخالصی. با غنی سازی اورانیوم الیمنیت یا سنگ معدن روتیل به دست می آید. در کوره قوس الکتریکی، سنگ معدن حرارت تحت درمان است، که با جداسازی آهن و تشکیل یک سرباره حاوی اکسید تیتانیوم همراه است. روش سولفوریک اسید و کلرید برای درمان یک کسر بدون آهن استفاده می شود. اکسید تیتانیوم یک پودر خاکستری است (عکس را ببینید). تیتانیوم فلزی به وسیله پردازش مرحله ای آن به دست می آید.

فاز اول، روند سرباره سرباره با کک و قرار گرفتن در معرض بخار کلر است. TiCl ₄ حاصل با منیزیم یا سدیم در دمای 850 ^{درجه سانتی} گراد کاهش _می یابد. اسفنج تیتانیوم (توده ی متخلخل متخلخل) که در نتیجه یک واکنش شیمیایی به دست می آید، خالص شده یا به شمش تبدیل شده است. بسته به جهت استفاده بیشتر، آلیاژ یا فلز در شکل خالص تشکیل می شود (ناخالصی ها با حرارت دادن به 1000 درجه سانتیگراد). روش یدید برای تولید یک ماده با محتوای ناخالصی 0.01٪ استفاده می شود. این بر مبنای فرایند تبخیر از یک اسفنج تیتانیوم است که قبل از آن با هالوژن و بخار ساخته شده است.

برنامه های کاربردی

نقطه ذوب تیتانیوم به اندازه کافی بالا است که با سهولت فلز، مزیت قابل توجهی از استفاده از آن به عنوان یک ماده ساختاری است. بنابراین، او بزرگترین کاربرد را در ساخت کشتی، صنعت هواپیما، ساخت موشک، صنایع شیمیایی پیدا می کند. تیتانیوم به عنوان یک افزودنی آلیاژی در آلیاژهای مختلف استفاده می شود که ویژگی های سختی و مقاومت در برابر حرارت را افزایش داده است. خواص ضد خوردگی بالا و توانایی مقاومت در برابر پرخاشگری ترین رسانه ها این فلز را برای صنایع شیمیایی جایگزین می کند. تیتانیوم (آلیاژهای آن) خطوط لوله، مخازن، سوپاپ ها، فیلترهای مورد استفاده برای تقطیر و انتقال اسیدها و سایر مواد واکنش دهنده را تولید می کند. در هنگام ایجاد دستگاه هایی که در شرایط شاخص های با درجه حرارت بالا کار می کنند تقاضا می شود. ترکیبات تیتانیوم برای ساخت ابزارهای برش با دوام، رنگ، پلاستیک و کاغذ، ابزار جراحی، ایمپلنت، جواهرات، مواد تکمیل شده، مورد استفاده در صنایع غذایی استفاده می شود. همه جهت ها توصیف دشوار است. به علت ایمنی کامل بیولوژیکی، پزشکی مدرن اغلب از فلز تیتانیوم استفاده می کند. قیمت - این تنها عامل است که تا کنون بر وسعت استفاده از این عنصر تاثیر می گذارد. درست است که تیتانیوم مادهی آینده است، مطالعهیی که بشریت به مرحله جدیدی از پیشرفت منتقل میشود.