Свойство титана

1. Электронная конфигурация атома. Возможная степень окисления.

 

Титан — элемент побочной подгруппы четвёртой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 22. Обозначается символом Ti (лат. Titanium). Валентная электронная конфигурация титана 3d² 4s² .

 

 

Титан — металл. Является первым элементом d-группы. Наиболее устойчивым и распространенным является Ti⁺⁴. Так же существуют соединения с более низкими степенями окисления — Ti⁰, Ti^-1, Ti⁺², Ti⁺³, но эти соединения легко окисляются воздухом, водой или другими реагентами в Ti⁺⁴. Отрыв четырех электронов требует больших затрат энергии, поэтому ион Ti⁺⁴ реально не существует и соединения Ti(IV) обычно включают связи ковалентного характера. Ti(IV) в некоторых отношениях сходен с элементами — Si, Ge, Sn и Pb, особенно с Sn.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Нахождение в природе и получение в свободном виде.

2.1Нахождение в природе

В XIX веке титан считался очень редким элементом, кроме того то качество, которое удавалось достигать  при его получении, не позволяло  использовать этот металл в каких-либо областях производства. По этим причинам ученые того времени присвоили титану нелестное звание металла, абсолютно  непригодного для использования. Таковым  его считал и Дмитрий Иванович Менделеев — в своей работе «Основы химии», изданной в 1906 году. Лишь открытия и исследования XX века убедили химиков в обратном: титан — один из самых распространенных элементов на Земле! Среди других технически важных элементов только три считаются более распространенными, чем титан: железо, алюминий и магний. Содержание титана в недрах нашей планеты настолько велико (среднее содержание его в земной коре (кларк) составляет 0,57 % по массе), что в несколько раз превосходит запасы Cu, Zn, Pb, Au, Ag, платины, хрома, вольфрама, ртути, молибдена, висмута, сурьмы, никеля и олова, вместе взятых. Наибольшая концентрация титана наблюдается в основных породах, так называемой «базальтовой оболочке» (0,9 %), меньше в гранитных породах (0,23 %) и совсем мало в ультраосновных породах (0,03 %), незначительные концентрации двадцать второго элемента наблюдаются и в породах иного характера. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях, в свободном виде этот металл не встречается, он концентрируется в бокситах коры выветривания и в глинистых морских осадкафх. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов. До 30 % TiO₂ по весу накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях.

Известно около 70 минералов титана, в которых  он находится в виде двуокиси или  солей титановой кислоты. Наибольшее практическое значение имеют ильменит — метатитанат железа FeTiO₃ (43,7—52,8 % содержания TiO₂), рутил, титаномагнетит FeTiO₃ + Fe₃O₄, анатаз и брукит (94,2—99,0 % TiO₂), лейкоксен (56,3—96,4 % TiO₂), лопарит (38,3-41,0 % TiO₂), титанит (сфен) CaTiOSiO₄ (33,7—40,8 % TiO₂) перовскит CaTiO₃(38,7—58,9 % TiO₂), манганотанталит MnTa₂O₆ и др.

Месторождения титановых  руд делятся на магматические, экзогенные и метаморфогенные. Магматические месторождения связаны с ультроосновными, основными и щелочными породами, которые содержат от 7 до 32 % TiO₂. Крупнейшие магматические месторождения известны в Канаде, США, России, Индии, ЮАР, Норвегии. К эгзогенным месторождениям титановых руд относят ильменитовые и рутиловые в корах выветривания (3—30 % TiO₂); прибрежно-морские (как древние, так и современные) россыпи ильменита, рутила и лейкоксена (0,5—35 % TiO₂); элювиально-делювиальные и аллювиальные россыпи ильменита (0,5—25 % TiO₂). Нужно отметить, что прибрежно-морские россыпи являются основным промышленным типом титановых руд. Для них характерны пластовые и линзообразные залежи, мощность которых достигает нескольких десятков метров, протяженностью в десятки километров при ширине до нескольких километров. Такие россыпи встречаются в Австралии, Индии, России, Новой Зеландии, Бразилии и других странах с большой протяженностью морских и океанических границ. К метаморфогенным месторождениям относят песчаники с лейкоксеном (8—10 % TiO₂); ильменит-магнетитовые в амфиболитах (12,2 % TiO₂); рутиловые в гнейсах и др.

Титановые руды делятся  на вкрапленные и сплошные, имеющие  пластовую или жилообразные формы. Переходы между этими формами зачастую плавные. Кроме титана в рудах обычно содержатся Fe, V, Zr, Sc.

В биосфере титан  в основном рассеян, этот металл является слабым водным мигрантом, поэтому его  содержание в морской воде 1∙10^-7 % (0,001 мг/л).

 

2.2 Получение в  свободном  виде

Зачастую первоначальным сырьем для производства титана и  его соединений является диоксид  титана TiO₂со сравнительно небольшим количеством примесей. Как правило, это рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд, но в связи с малыми запасами рутила в мире, последнее время всё чаще применяются синтетический рутил или титановый шлак, которые производят в процессе переработки ильменитовых концентратов (содержание TiO₂ до 60 % и FeO + Fe₂O₃ до 40 %). Так при получении титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговых печах при температуре свыше 1600° C, в печи загружается брикеты из ильменита или порошкообразная шихта, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а невосстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. На выходе получают концентрацию титана в шлаке от 96,0 до 98,5 %, а концентрация железа в чугуне доходит до 97 %. Кроме титана в виде диоксида шлак содержит различные примеси: FeO (2,5—6,5 %), MgO (2—6 %), SiO₂(2,7—5,5 %), СаО, МnО и другие. Затем обогащенный шлак перерабатывают хлоридным (пирометаллургический метод) или сернокислотным способами.

При сернокислотной обработке концентрат подвергают разложению серной кислотой H₂SO₄, затем выщелачивают водой и гидролизуют полученные окси-сульфаты титана, что приводит к образованию гидроксида титана, который в свою очередь прокаливают до оксида в виде порошка, который и является конечным продуктом данного метода — ТiO₂. Побочным продуктом сернокислотного метода является FeSO₄·7Н₂О.

Основным и наиболее распространенным способом получения  титана считается метод, разработанный  в 1940 году американским ученым У. Кролем — пирометаллургический или магниетермический метод. Первая стадия данного процесса — спекание ильменитовых концентратов с коксом или антрацитом (они необходимы для связывания кислород оксидов в смесь СО и СО₂, а также для поддержания равновесия процесса) с последующим хлорированием титанового шлака:

TiO₂ + С + 2Сl₂ → TiCl₄ + CO₂

Процесс проходит в  шахтных электропечах либо в реакторах (с солевым расплавом или кипящего слоя) при температурах 800—1250 °C. Причем удельная производительность реакторов выше, чем шахтных печей. Перед хлорированием непосредственно в печах концентрат либо титановый шлак смешивают с нефтяным коксом и прочими связующими добавками, после чего полученную смесь брикетируют и прокаливают. При других варрантах — хлорирование в расплаве солей щелочных металлов NaCl и KCl — не требуется брикетирования порошкообразной шихты. Реакционные газы из хлораторов направляют на очистку в солевых фильтрах, а затем на конденсацию TiCl₄.

Следующая стадия —  очистка TiCl₄ от примесей может проводиться несколькими методами с применением различных веществ. Четыреххлористый титан в обычных условиях представляет собой жидкость с температурой кипения 136 °C. Разорвать связь титана с хлором легче, чем с кислородом. Это можно сделать с помощью магния:

TiCl₄ + 2Mg → Ti + 2MgCl₂

Данная реакция  проходит в стальных герметичных  ретортах при температуре 900° C. Образуется «титановая губка», которую пропитывают  магний и хлорид магния, их испаряют в герметичном вакуумном аппарате при 950 °C, а титановую губку затем  измельчают и спекают или переплавляют в вакуумных дуговых печах  на слитки с введением легирующих добавок, если требуется получить сплав.

Другой распространенный в промышленности метод получения  металлического титана — натриетермический  — незначительно отличается от магниетермического.

Повышают чистоту  полученного титана при помощи иодидного метода, разработанного ван Аркелем и де Буром. Металлотермический губчатый титан переводят в иодид TiI₄, который в последствии возгоняют в вакууме. На своем пути пары иодида титана встречают раскаленную до 1400 °C титановую проволоку, иодит разлагается, а на проволоке нарастает чистый титан. Так как этот процесс довольно дорог и малопроизводителен, он все реже применяется в промышленности. В наше время предпочтение отдают другим способам, например, электролизу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Физические и химические свойства

3.1 Физические свойства

В свободном виде титан получили, как мы знаем, в  конце XIX века, однако этот металл содержал такое количество примесей, что был  признан негодным для производства. По этой же причине ученые не сочли  необходимым досконально заняться исследованием этого нового элемента. Кроме того, титан, содержавший большое  количество посторонних элементов  имел совершенно другие свойства в  сравнении с металлом, полученным ван Аркелем и де Буром в 1925 году. Металлический титан высокой степени чистоты (99,9 % и выше) относится к типичным металлам — легкий серебристо-белого цвета, ковкий (это свойство сохраняется даже при низких температурах), довольно легко прокатывается в листы, проволоку, ленту и даже в тончайшую фольгу. Научные изыскания последних десятилетий всё больше и больше обнаруживают потрясающих свойств у двадцать второго элемента периодической системы Д. И. Менделеева. Исследования физико-химических свойств металлического титана привели к необычайным результатам — титан практически вдвое легче железа (плотность титана 4,5 г/см³), но при этом по прочности он превосходит многие стали. Даже в сравнение с таким важным промышленным металлом, как алюминий, титан выигрывает по ряду технологических признаков: он всего в полтора раза тяжелее алюминия, однако в шесть раз прочнее (предел прочности 256 Мн/м² или 25,6 кгс/мм²). Кроме того, эта прочность сохраняется и при повышении температуры до 500 °C, а если добавлять в сплав легирующие элементы, то прочность можно сохранить и при температурах до 650 °C, в то время как прочность алюминиевых и магниевых сплавов резко падает уже при 300 °C! Еще одно уникальное свойство титана, применяемое в промышленности — высокая твердость (твердость по Бринеллю 1000 Мн/м² или 100 кгс/мм²) данного элемента: он в двенадцать раз тверже алюминия, в четыре раза — железа и меди. В машиностроении очень важен такой показатель, как предел текучести металла: 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 восемнадцать раз выше, чем у алюминия. Титан удивительный элемент — в отличие от большинства металлов он обладает значительным электросопротивлением (температурный коэффициент электросопротивления 0,0035 при 20 °С): если условно электропроводимость серебра принять за 100, электропроводимость меди 94, алюминия — 60, железа и платины — 15, то у титана этот показатель составит всего 3,8. Это свойство и немагнитность (удельная магнитная восприимчивость 3,2·10^-6 при 20 °С) двадцать второго элемента представляют немаловажный интерес для радиоэлектроники и электротехники. Одно из свойств, препятствующее механической обработке – это высокая вязкость титана, благодаря которой этот металл, как бы «налипает» на режущий инструмент в процессе обработки. По этой причине требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

Титан существует в  двух кристаллических модификациях: α-Титан с гексагональной плотноупакованной решёткой (а = 2,951Å, с = 4,679Å; z=2) устойчив при температурах ниже 882,5° C. β-Титан существует при температурах выше указанной для α-формы и имеет кубическую объемно-центрированную решетку (а = 3,269Å). Наличие примесей, либо легирование значительно влияет на изменение температуры α—β превращения. Как говорилось ранее плотность титана 4,5 г/см³ — это показатель α-формы при температуре 20° C, но уже при температуре 870° C плотность снижается до 4,35 г/см³. Температура плавления титана 1668° C, температура кипения 3227° C. Теплопроводность для данного элемента в интервале комнатных температур составляет 22,065 вт/(м·К) или 0,0527 кал/(см·сек·°С). Теплоемкость титана 0,523 кдж/(кг·К) или 0,1248 кал/(г·°С). 

3.2 Химические свойства

Титан является переходным компонентом, а для них характерна переменная валентность, обычно двадцать второй элемент встречается в  двух-, трех- и четырехвалентном состояниях. Есть сообщения в научной литературе и о других валентных состояниях титана (более высоких), однако каких-либо доказательств в пользу этих предположений не приводится. Чаще всего титан образует четырехвалентные соединения, но возможны и соединения всех прочих валентностей.

Химическая активность данного элемента зависит от температуры, так при повышенных температурах металл взаимодействует с другими  элементами значительно активнее. Известно, что при высоких температурах титан энергично взаимодействует  с атмосферными газами, что вызывает необходимость работы в атмосфере  инертных газов при горячей обработке  данного металла и защиты поверхностей в условиях высоких рабочих температур. Образование окалины при взаимодействии металла с атмосферными газами на поверхности титана начинается при  температурах свыше 500 °C, дальнейшее повышение  температуры и времени выдержки приводит к диффузии — проникновению  газов в решетку металла. Окисление  двадцать второго элемента приводит к возникновению ряда окислов: амфотерную двуокись титана TiO₂, закись TiO и окись Ti₂O₃, имеющие основной характер, а также некоторые промежуточные окислы и перекись TiO₃. Каждый из оксидов имеет свой цветовой оттенок благодаря образующейся на поверхности металла пленке, которая отливает на свету всеми цветами радуги. Несмотря на начало окисления титана уже при 500 °C, нагрев даже до 700 °C не приводит к активной диффузии газов в тело металла. На воздухе воспламенение титана происходит при температуре 1 200 °C, однако, в потоке чистого кислорода металл воспламеняется уже при температуре немногим выше 600 °C. Возгораясь, титан дает яркое свечение, такое же свойство присуще и горению в атмосфере азота при температуре 815 °C. С азотом титан взаимодействует также активно, как и с кислородом. Это взаимодействие приводит к образованию желто-коричневой нитридной пленки на поверхности титана. Разница лишь в том, что проникновение азота в структуру титана происходит на ограниченную глубину.