Titanyumun atom kütlesi. Titanyum bir metaldir. Titanyumun özellikleri. Titanyum uygulaması. Titanyumun dereceleri ve kimyasal bileşimi. Titanyumun keşfinin tarihi

– periyodun 4. grubunun 4. elemanı. Hem bazik hem de asidik özellikler sergileyen geçiş metali doğada oldukça yaygındır - 10. sırada. için en ilginç Ulusal ekonomi yüksek metal sertliği ve hafifliğinin birleşimidir, bu da onu uçak yapımında vazgeçilmez bir unsur haline getirir. Bu makale size titanyum metalinin işaretleri, alaşımları ve diğer özellikleri hakkında bilgi verecek, Genel özellikleri Ve İlginç gerçekler onun hakkında.

İle dış görünüş Metal en çok çeliğe benzer, ancak mekanik özellikleri daha yüksektir. Aynı zamanda titanyum hafiftir - moleküler ağırlık 22. Elementin fiziksel özellikleri oldukça iyi incelenmiştir, ancak bunlar büyük ölçüde metalin saflığına bağlıdır ve bu da önemli sapmalara yol açar.

Ayrıca kendine özgü kimyasal özellikleri de önemlidir. Titanyum alkaliye dayanıklıdır, Nitrik asit ve aynı zamanda kuru halojenlerle ve daha yüksek sıcaklıklarda oksijen ve nitrojenle şiddetli reaksiyona girer. Daha da kötüsü, aktif bir yüzey varsa oda sıcaklığında hidrojeni emmeye başlar. Ve eriyik içinde oksijeni ve hidrojeni o kadar yoğun bir şekilde emer ki, eritme işleminin vakumda gerçekleştirilmesi gerekir.

Fiziksel özellikleri belirleyen bir diğer önemli özellik ise 2 fazın bulunmasıdır.

• Düşük sıcaklık– α-Ti altıgen sıkı paketlenmiş bir kafese sahiptir, maddenin yoğunluğu 4,55 g/kübiktir. cm (20 C'de).
• Yüksek sıcaklık– β-Ti, gövde merkezli kübik bir kafes ile karakterize edilir, faz yoğunluğu buna uygun olarak daha düşüktür – 4,32 g/kübik. bkz. (90°C'de).

Faz geçiş sıcaklığı 883 C'dir.

Normal koşullar altında metal koruyucu bir oksit filmle kaplanır. Yokluğunda titanyum büyük bir tehlike oluşturur. Böylece titanyum tozu patlayabilir, böyle bir patlamanın sıcaklığı 400C'dir. Titanyum talaşları yangın tehlikesi olan bir malzemedir ve özel bir ortamda saklanır.

Aşağıdaki video titanyumun yapısını ve özelliklerini açıklamaktadır:

Titanyumun özellikleri ve özellikleri

Titanyum bugün mevcut tüm teknik malzemeler arasında en güçlü olanıdır, bu nedenle elde edilmesinin zorluğuna ve yüksek güvenlik gerekliliklerine rağmen oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. fiziksel özellikler elementler oldukça sıra dışıdır ancak saflığa oldukça bağlıdırlar. Bu nedenle saf titanyum ve alaşımları roket ve uçak yapımında aktif olarak kullanılmaktadır, ancak teknik titanyum uygun değildir çünkü safsızlıklar nedeniyle yüksek sıcaklıklarda mukavemetini kaybeder.

Metal yoğunluğu

Bir maddenin yoğunluğu sıcaklığa ve faza bağlı olarak değişir.

• 0°C'den erime noktasına kadar olan sıcaklıklarda 4,51 g/metreküpten 4,26 g/metreküp'e düşer. cm ve faz geçişi sırasında% 0,15 artar ve sonra tekrar azalır.
• Sıvı metalin yoğunluğu 4,12 g/kübiktir. cm ve daha sonra artan sıcaklıkla azalır.

Erime ve kaynama noktaları

Faz geçişi, metalin tüm özelliklerini α ve β fazlarının sergileyebileceği niteliklere böler. Dolayısıyla 883 C'ye kadar olan yoğunluk, α-fazının niteliklerini, erime ve kaynama noktaları ise β-fazının parametrelerini ifade eder.

• Titanyumun erime noktası (derece olarak) 1668+/-5 C'dir;
• Kaynama noktası 3227 C'ye ulaşır.

Bu videoda titanyumun yanması tartışılıyor:

Mekanik Özellikler

Titanyumun demirden yaklaşık 2 kat, alüminyumdan ise 6 kat daha güçlü olması onu çok değerli bir yapı malzemesi haline getiriyor. Göstergeler α-fazının özellikleriyle ilgilidir.

• Maddenin gerilme mukavemeti 300-450 MPa'dır. Gösterge, bazı elementlerin eklenmesinin yanı sıra özel işleme - sertleştirme ve yaşlanmaya başvurularak 2000 MPa'ya yükseltilebilir.

Titanyumun en düşük sıcaklıklarda bile yüksek özgül mukavemetini koruması ilginçtir. Ayrıca sıcaklık düştükçe bükülme mukavemeti artar: +20 C'de gösterge 700 MPa ve -196 – 1100 MPa'dır.

• Metalin esnekliği nispeten düşüktür, bu da maddenin önemli bir dezavantajıdır. Normal koşullar altında esneklik modülü 110,25 GPa'dır. Ek olarak titanyum anizotropi ile karakterize edilir: farklı yönlerdeki esneklik farklı değerlere ulaşır.
• Maddenin HB ölçeğindeki sertliği 103'tür. Üstelik bu gösterge ortalamadır. Metalin saflığına ve yabancı maddelerin doğasına bağlı olarak sertlik daha yüksek olabilir.
• Nominal akma dayanımı 250–380 MPa'dır. Bu gösterge ne kadar yüksek olursa, maddeden yapılan ürünler yüklere o kadar iyi dayanır ve aşınmaya o kadar dayanıklıdır. Titanyumun indeksi alüminyumun indeksini 18 kat aşıyor.

Aynı kafese sahip diğer metallerle karşılaştırıldığında metal çok iyi bir sünekliğe ve dövülebilirliğe sahiptir.

Isı kapasitesi

Metalin ısı iletkenliği düşüktür, bu nedenle ilgili alanlarda - örneğin termoelektrotların üretimi kullanılmaz.

• Isıl iletkenliği 16,76 l, W/(m × derece)'dir. Bu demirden 4 kat, demirden 12 kat daha azdır.
• Ancak titanyumun termal genleşme katsayısı normal sıcaklıklarda ihmal edilebilir düzeydedir ve sıcaklık arttıkça artar.
• Metalin ısı kapasitesi 0,523 kJ/(kg·K)'dir.

Elektriksel özellikler

Çoğu zaman olduğu gibi, düşük ısı iletkenliği aynı zamanda düşük elektrik iletkenliğini de sağlar.

• Metalin elektriksel direnci çok yüksektir - normal koşullar altında 42,1·10 -6 ohm·cm. Gümüşün iletkenliğini %100 varsayarsak titanyumun iletkenliği %3,8 olacaktır.
• Titanyum bir paramıknatıstır, yani demir gibi bir alanda mıknatıslanamaz, ancak bir alanın dışına itilemez, çünkü öyle değildir. Bu özellik sıcaklık azaldıkça doğrusal olarak azalır, ancak minimumu geçtikten sonra bir miktar artar. Spesifik manyetik duyarlılık 3,2 · 10 -6 G -1'dir. Esneklik gibi duyarlılığın da anizotropi oluşturduğunu ve yöne bağlı olarak değiştiğini belirtmekte fayda var.

3,8 K sıcaklıkta titanyum süper iletken hale gelir.

Korozyon direnci

Normal koşullar altında titanyum çok yüksek korozyon önleyici özelliklere sahiptir. Havada, mükemmel kimyasal eylemsizlik sağlayan 5-15 mikron kalınlığında bir titanyum oksit tabakası ile kaplanmıştır. Metal havada, deniz havasında, deniz suyunda, ıslak klorda, klorlu suda ve diğer birçok teknolojik çözüm ve reaktifte korozyona uğramaz; bu da malzemeyi kimya, kağıt yapımı ve petrol endüstrilerinde yeri doldurulamaz kılar.

Sıcaklık yükseldiğinde veya metal çok ezildiğinde resim çarpıcı biçimde değişir. Metal, atmosferi oluşturan gazların neredeyse tamamıyla reaksiyona girer ve sıvı haldeyken onları da emer.

Emniyet

Titanyum biyolojik olarak en inert metallerden biridir. Tıpta korozyona dayanıklı, hafif ve dayanıklı olması nedeniyle protez yapımında kullanılmaktadır.

Titanyum dioksit, örneğin kozmetik ve gıda endüstrilerinde çok daha sık kullanılmasına rağmen o kadar güvenli değildir. Patoloji profesörü Robert Schiestle'nin UCLA araştırmasına göre bazı verilere göre, titanyum dioksit nanopartikülleri genetik aparatı etkiliyor ve kanser gelişimine katkıda bulunabiliyor. Üstelik madde cilde nüfuz etmediği için dioksit içeren güneş kremlerinin kullanımı tehlike oluşturmaz ancak vücuda giren bir madde oluşturmaz. Gıda boyası biyolojik takviyeler tehlikeli olabilir.

Titanyum, çok ilginç kimyasallara sahip, benzersiz derecede güçlü, sert ve hafif bir metaldir. fiziki ozellikleri. Bu kombinasyon o kadar değerli ki, titanyumun eritilmesi ve saflaştırılmasındaki zorluklar bile üreticileri durduramıyor.

Bu video size titanyumu çelikten nasıl ayırt edeceğinizi anlatacak:

Titanyuma ilk olarak 1791'de onu keşfeden İngiliz kimyager Rahip William Gregor tarafından "gregorit" adı verildi. Titanyum daha sonra 1793 yılında Alman kimyager M. H. Klaproth tarafından bağımsız olarak keşfedildi. Ona Yunan mitolojisindeki Titanlardan esinlenerek "doğal gücün vücut bulmuş hali" olan titan adını verdi. Klaproth, titanyumunun daha önce Gregor tarafından keşfedilen bir element olduğunu ancak 1797 yılında keşfetti.

Özellikleri ve özellikleri

Titanyum, sembolü Ti ve atom numarası 22 olan kimyasal bir elementtir. Gümüş renginde, düşük yoğunluklu ve yüksek mukavemetli parlak bir metaldir. Deniz suyuna ve klora karşı korozyona dayanıklıdır.

Öğe oluşur Yer kabuğunda ve litosferde yaygın olarak bulunan, başta rutil ve ilmenit olmak üzere bir dizi maden yatağında bulunur.

Titanyum güçlü hafif alaşımlar üretmek için kullanılır. Metalin en kullanışlı iki özelliği korozyon direnci ve herhangi bir metalik element arasında en yüksek olan sertlik-yoğunluk oranıdır. Alaşımsız durumda bu metal bazı çelikler kadar güçlüdür ancak yoğunluğu daha azdır.

Metalin fiziksel özellikleri

Bu dayanıklı bir metaldir düşük yoğunluklu, oldukça plastik (özellikle oksijensiz ortamda), parlak ve metaloid beyazdır. 1650 °C'nin (veya 3000 °F) üzerindeki nispeten yüksek erime noktası, onu refrakter bir metal olarak faydalı kılar. Paramanyetiktir ve oldukça düşük elektrik ve termal iletkenliğe sahiptir.

Mohs ölçeğinde titanyumun sertliği 6'dır. Bu göstergeye göre sertleştirilmiş çelik ve tungstenden biraz daha düşüktür.

Ticari olarak saf (%99,2) titanyumun nihai çekme mukavemeti yaklaşık 434 MPa'dır; bu, yaygın düşük dereceli çelik alaşımlarına benzer, ancak titanyum çok daha hafiftir.

Titanyumun kimyasal özellikleri

Alüminyum ve magnezyum gibi titanyum ve alaşımları da havaya maruz kaldığında hemen oksitlenir. Ortam sıcaklığında su ve hava ile yavaş reaksiyona girer, çünkü pasif bir oksit kaplama oluşturur Bu, dökme metali daha fazla oksidasyondan korur.

Atmosferik pasivasyon, titanyuma neredeyse platine eşdeğer mükemmel korozyon direnci sağlar. Titanyum seyreltik sülfürik ve hidroklorik asitlerin, klorür çözeltilerinin ve çoğu organik asidin saldırılarına karşı direnç gösterebilir.

Titanyum, saf nitrojende yanan ve 800°C'de (1470°F) reaksiyona girerek titanyum nitrür oluşturan az sayıdaki elementten biridir. Oksijen, nitrojen ve diğer bazı gazlarla yüksek reaktiviteleri nedeniyle titanyum filamentleri, titanyum süblimasyon pompalarında bu gazlar için emici olarak kullanılır. Bu pompalar ucuzdur ve ultra yüksek vakum sistemlerinde güvenilir bir şekilde son derece düşük basınçlar üretir.

Yaygın titanyum içeren mineraller anataz, brookit, ilmenit, perovskit, rutil ve titanittir (sfen). Bu minerallerden sadece rutil ve ilmenit ekonomik açıdan önemlidir, ancak bunların bile yüksek konsantrasyonlarda bulunması zordur.

Titanyum meteoritlerde bulunur ve Güneş'te ve yüzey sıcaklıkları 3200° C (5790° F) olan M tipi yıldızlarda bulunur.

Çeşitli cevherlerden titanyumun çıkarılmasına yönelik şu anda bilinen yöntemler emek yoğun ve pahalıdır.

Üretim ve imalat

Şu anda yaklaşık 50 kalite titanyum ve titanyum alaşımı geliştirilmiş ve kullanılmaktadır. Bugün, 1-4 sınıfları ticari olarak saf (alaşımsız) olan 31 sınıf titanyum metali ve alaşımı tanınmaktadır. Oksijen içeriğine bağlı olarak çekme mukavemeti farklılık gösterir; sınıf 1 en sünektir (%0,18 oksijenle en düşük çekme mukavemeti) ve sınıf 4 en az sünektir (%0,40 oksijenle en yüksek çekme mukavemeti).

Geri kalan sınıflar, her biri kendine özgü özelliklere sahip olan alaşımlardır:

• plastik;
• kuvvet;
• sertlik;
• elektrik direnci;
• spesifik korozyon direnci ve bunların kombinasyonları.

Bu spesifikasyonlara ek olarak titanyum alaşımları da havacılık ve uzay gereksinimlerine uygun olarak üretilmektedir. askeri teçhizat(SAE-AMS, MIL-T), ISO standartları ve ülkeye özgü spesifikasyonların yanı sıra havacılık, askeri, tıbbi ve endüstriyel uygulamalara yönelik son kullanıcı gereksinimleri.

Ticari olarak saf bir yassı ürün (levha, levha) kolayca oluşturulabilir, ancak işlem sırasında metalin bir "hafızaya" sahip olduğu ve geri dönme eğilimi olduğu gerçeği dikkate alınmalıdır. Bu özellikle bazı yüksek mukavemetli alaşımlar için geçerlidir.

Titanyum genellikle alaşımların yapımında kullanılır:

• alüminyum ile;
• vanadyum ile;
• bakırlı (sertleşme için);
• demir ile;
• manganezli;
• molibden ve diğer metallerle.

Kullanım alanları

Levha, levha, çubuk, tel ve döküm formundaki titanyum alaşımları endüstriyel, havacılık, eğlence ve gelişmekte olan pazarlarda uygulama alanı bulmaktadır. Toz haline getirilmiş titanyum, piroteknikte parlak yanan parçacıkların kaynağı olarak kullanılır.

Titanyum alaşımları yüksek çekme mukavemeti/yoğunluk oranına, yüksek korozyon direncine, yorulma direncine, yüksek çatlama direncine ve orta derecede yüksek sıcaklıklara dayanma yeteneğine sahip olduğundan uçaklarda, zırhlarda, askeri gemilerde, uzay gemileri ve roketler.

Bu uygulamalar için titanyum, kritik yapısal elemanlar, güvenlik duvarları, iniş takımları, egzoz boruları (helikopterler) ve hidrolik sistemler dahil olmak üzere çeşitli bileşenler üretmek için alüminyum, zirkonyum, nikel, vanadyum ve diğer elementlerle alaşımlanır. Aslında üretilen titanyum metalinin yaklaşık üçte ikisi, Uçak motorları ve çerçeveler.

Titanyum alaşımları deniz suyu korozyonuna dayanıklı olduğundan pervane şaftlarında, ısı eşanjörü donanımlarında vb. kullanılır. Bu alaşımlar bilim ve askeri amaçlı okyanus gözetleme ve izleme cihazlarının muhafazalarında ve bileşenlerinde kullanılır.

Yüksek mukavemetleri nedeniyle petrol ve gaz kuyularında ve nikel hidrometalurjisinde özel alaşımlar kullanılır. Kağıt hamuru ve kağıt endüstrisi titanyum kullanıyor teknolojik ekipman sodyum hipoklorit veya ıslak klor gazı (ağartmada) gibi aşındırıcı ortamlara maruz kalma. Diğer uygulamalar arasında ultrasonik kaynak, dalga lehimleme yer alır.

Ayrıca bu alaşımlar otomotiv uygulamalarında, özellikle düşük ağırlığın, yüksek mukavemetin ve sertliğin gerekli olduğu otomobil ve motosiklet yarışlarında kullanılmaktadır.

Titanyum birçok spor ürününde kullanılmaktadır: tenis raketleri, golf sopaları, lakros sopaları; kriket, hokey, lakros ve futbol kasklarının yanı sıra bisiklet şasileri ve bileşenleri.

Dayanıklılığı nedeniyle titanyum, tasarımcı takılarında (özellikle titanyum yüzüklerde) daha popüler hale geldi. Hareketsiz olması, alerjisi olan kişiler veya yüzme havuzu gibi ortamlarda takı takacak kişiler için iyi bir seçim olmasını sağlar. Titanyum ayrıca 24 karat altın olarak satılabilecek bir alaşım üretmek için altınla alaşımlanır çünkü %1 Ti alaşımı daha düşük bir kalite gerektirmek için yeterli değildir. Ortaya çıkan alaşım yaklaşık 14 ayar altının sertliğindedir ve saf 24 ayar altından daha güçlüdür.

İhtiyati önlemler

Titanyum büyük dozlarda bile toksik değildir. İster toz ister metal dolgu formunda olsun, ciddi yangın tehlikesi ve havada ısıtıldığında patlama tehlikesi oluşturur.

Titanyum alaşımlarının özellikleri ve uygulamaları

Aşağıda, sınıflara ayrılmış, en yaygın olarak bulunan titanyum alaşımlarına, bunların özelliklerine, avantajlarına ve endüstriyel uygulamalarına genel bir bakış yer almaktadır.

7. sınıf

Derece 7, onu bir alaşım haline getiren ara element paladyumun eklenmesi dışında mekanik ve fiziksel olarak Derece 2 saf titanyuma eşdeğerdir. Mükemmel kaynaklanabilirliğe ve esnekliğe sahiptir, bu tür tüm alaşımlar arasında en fazla korozyon direncine sahiptir.

Sınıf 7 kimyasal işlemlerde ve bileşenlerde kullanılır üretim ekipmanı.

Derece 11

Sınıf 11, korozyon direncini artırmak ve onu bir alaşım haline getirmek için paladyum eklenmesi dışında Sınıf 1'e çok benzer.

Diğer faydalı özellikler Optimum süneklik, mukavemet, tokluk ve mükemmel kaynaklanabilirlik içerir. Bu alaşım özellikle korozyonun sorun olduğu uygulamalarda kullanılabilir:

• kimyasal tedavi;
• klorat üretimi;
• tuzdan arındırma;
• denizcilik uygulamaları.

Ti 6Al-4V, sınıf 5

Ti 6Al-4V alaşımı veya 5. derece titanyum en yaygın kullanılanıdır. Dünya çapındaki toplam titanyum tüketiminin %50'sini oluşturur.

Kullanım kolaylığı birçok avantajında ​​yatmaktadır. Ti 6Al-4V, mukavemetini arttırmak için ısıl işleme tabi tutulabilir. Bu alaşım düşük ağırlığa rağmen yüksek mukavemete sahiptir.

Bu kullanılacak en iyi alaşımdır çeşitli endüstrilerde havacılık, tıp, denizcilik ve kimya gibi işleme endüstrisi. Aşağıdakileri oluşturmak için kullanılabilir:

• uçak türbinleri;
• motor bileşenleri;
• uçak yapısal elemanları;
• havacılık bağlantı elemanları;
• yüksek performanslı otomatik parçalar;
• Spor ekipmanları.

Ti 6AL-4V ELI, sınıf 23

Sınıf 23 - cerrahi titanyum. Ti 6AL-4V ELI alaşımı veya derece 23, Ti 6Al-4V'nin daha yüksek saflıktaki versiyonudur. Rulolardan, ipliklerden, tellerden veya düz tellerden yapılabilir. Bu en iyi seçim Yüksek mukavemet, düşük ağırlık, iyi korozyon direnci ve yüksek tokluk kombinasyonunun gerekli olduğu her durum için. Mükemmel hasar direncine sahiptir.

Biyouyumluluğu, iyi yorulma direnci nedeniyle implante edilebilir bileşenler gibi biyomedikal uygulamalarda kullanılabilir. Ayrıca aşağıdaki yapıları yapmak için cerrahi prosedürlerde de kullanılabilir:

• ortopedik pimler ve vidalar;
• ligatür kelepçeleri;
• cerrahi zımbalar;
• yaylar;
• ortodontik cihazlar;
• kriyojenik kaplar;
• Kemik sabitleme cihazları.

12. sınıf

12. sınıf titanyum mükemmel yüksek kalitede kaynaklanabilirliğe sahiptir. Yüksek sıcaklıklarda iyi mukavemet sağlayan yüksek mukavemetli bir alaşımdır. Grade 12 titanyum, 300 serisi paslanmaz çeliklere benzer özelliklere sahiptir.

Şekil verme yeteneği Farklı yollar birçok uygulamada kullanışlı olmasını sağlar. Alaşımın yüksek korozyon direnci aynı zamanda onu imalat ekipmanı için de paha biçilmez kılmaktadır. Sınıf 12 aşağıdaki endüstrilerde kullanılabilir:

• ısı eşanjörleri;
• hidrometalurjik uygulamalar;
• yüksek sıcaklıklarda kimyasal üretim;
• denizcilik ve hava bileşenleri.

Ti 5Al-2.5Sn

Ti 5Al-2.5Sn dirençle birlikte iyi kaynaklanabilirlik sağlayabilen bir alaşımdır. Aynı zamanda yüksek sıcaklık stabilitesine ve yüksek mukavemete sahiptir.

Ti 5Al-2.5Sn ağırlıklı olarak havacılık sektöründe ve ayrıca kriyojenik uygulamalarda kullanılmaktadır.

Titanyum (enlem. Titanyum; Ti sembolü ile gösterilir), atom numarası 22 olan, kimyasal elementlerin periyodik tablosunun dördüncü periyodu olan dördüncü grubun ikincil alt grubunun bir elementidir. Basit madde titanyum (CAS numarası: 7440- 32-6) gümüşi beyaz renkte hafif bir metaldir.

Hikaye

TiO2'nin keşfi, İngiliz W. Gregor ve Alman kimyager M. G. Klaproth tarafından neredeyse aynı anda ve birbirinden bağımsız olarak yapıldı. Manyetik demirli kumun (Creed, Cornwall, İngiltere, 1789) bileşimini inceleyen W. Gregor, menaken adını verdiği bilinmeyen bir metalden yeni bir "toprak" (oksit) izole etti. 1795 yılında Alman kimyager Klaproth rutil mineralinde yeni bir element keşfetti ve ona titanyum adını verdi. İki yıl sonra Klaproth, rutil ve menaken toprağın aynı elementin oksitleri olduğunu tespit etti ve bu da Klaproth tarafından önerilen "titanyum" ismine yol açtı. On yıl sonra üçüncü kez titanyum keşfedildi. Fransız bilim adamı L. Vauquelin, anatazda titanyumu keşfetti ve rutil ile anatazın aynı titanyum oksitler olduğunu kanıtladı.
İlk metal titanyum örneği 1825 yılında J. Ya. Titanyumun yüksek kimyasal aktivitesi ve saflaştırılmasının zorluğu nedeniyle, 1925 yılında Hollandalı A. van Arkel ve I. de Boer tarafından titanyum iyodür buharı TiI4'ün termal ayrışmasıyla saf bir Ti örneği elde edildi.

ismin kökeni

Metal, adını Gaia'nın çocukları olan antik Yunan mitolojisinden karakterler olan Titanların onuruna almıştır. Elementin adı, kimyasal terminoloji hakkındaki görüşlerine uygun olarak, elementi ismiyle adlandırmaya çalıştıkları Fransız kimya ekolünün aksine, Martin Klaproth tarafından verildi. kimyasal özellikler. Alman araştırmacı, yeni bir elementin özelliklerini yalnızca oksitinden belirlemenin imkansızlığına dikkat çektiğinden, daha önce keşfettiği uranyuma benzeterek ona mitolojiden bir isim seçti.
Ancak 1980'lerin sonlarında “Technology-Youth” dergisinde yayınlanan başka bir versiyona göre, yeni keşfedilen metal, adını antik Yunan mitlerindeki kudretli titanlara değil, Germen mitolojisindeki peri kraliçesi Titania'ya borçludur. Shakespeare'in “Bir Yaz Gecesi Rüyası”ndaki Oberon'un karısı). Bu isim, metalin olağanüstü "hafifliği" (düşük yoğunluk) ile ilişkilidir.

Fiş

Kural olarak, titanyum ve bileşiklerinin üretimi için başlangıç ​​malzemesi, nispeten az miktarda safsızlık içeren titanyum dioksittir. Özellikle titanyum cevherlerinin zenginleştirilmesinden elde edilen rutil konsantresi olabilir. Bununla birlikte, dünyadaki rutil rezervleri çok sınırlıdır ve ilmenit konsantrelerinin işlenmesinden elde edilen sözde sentetik rutil veya titanyum cürufu daha sık kullanılmaktadır. Titanyum cürufu elde etmek için ilmenit konsantresi bir elektrik ark ocağında indirgenirken, demir metal fazına (dökme demir) ayrılır ve indirgenmemiş titanyum oksitler ve safsızlıklar cüruf fazını oluşturur. Zengin cüruf, klorür veya sülfürik asit yöntemi kullanılarak işlenir.
Titanyum cevheri konsantresi sülfürik asit veya pirometalurjik işleme tabi tutulur. Sülfürik asit işleminin ürünü titanyum dioksit tozu Ti02'dir. Pirometalurjik yöntem kullanılarak cevher kok ile sinterlenir ve klor ile işlenerek titanyum tetraklorür buharı TiCl 4 üretilir:
TiO2 + 2C + 2Cl2 =TiCl2 + 2CO

Ortaya çıkan TiCl4 buharları 850 °C'de magnezyum ile indirgenir:
TiCl4 + 2Mg = 2MgCl2 + Ti

Ortaya çıkan titanyum “sünger” eritilir ve temizlenir. Titanyum, Ti'yi TiCl4'ten ayıran iyodür yöntemi veya elektroliz kullanılarak rafine edilir. Titanyum külçeleri elde etmek için ark, elektron ışını veya plazma işleme kullanılır.

Fiziki ozellikleri

Titanyum - hafif gümüş beyaz metal. İki kristal modifikasyonda bulunur: altıgen sıkı paket kafesli α-Ti, kübik vücut merkezli paketli β-Ti, polimorfik dönüşüm α↔β'nın sıcaklığı 883 °C'dir.
Yüksek viskoziteye sahiptir, işleme kesici alete yapışmaya eğilimlidir ve bu nedenle alete özel kaplamaların ve çeşitli yağlayıcıların uygulanmasını gerektirir.
Normal sıcaklıklarda koruyucu bir pasifleştirici Ti02 oksit filmi ile kaplanır ve bu da onu çoğu ortamda (alkali hariç) korozyona dayanıklı hale getirir.
Titanyum tozu patlama eğilimindedir. Parlama noktası 400 °C. Titanyum talaşları yangın tehlikesi taşır.

TANIM

Titanyum- Periyodik Tablonun yirmi ikinci elemanı. Tanım - Latince "titanyum" kelimesinden Ti. Dördüncü periyotta ise IVB grubu yer alıyor. Metalleri ifade eder. Nükleer yük 22'dir.

Titanyum doğada çok yaygındır; Yer kabuğundaki titanyum içeriği %0,6'dır (ağırlıkça). bakır, kurşun ve çinko gibi teknolojide yaygın olarak kullanılan metallerin içeriğinden daha yüksektir.

Basit bir madde formundaki titanyum gümüşi beyaz bir metaldir (Şekil 1). Şunu ifade eder: hafif metaller. Dayanıklı. Yoğunluk - 4,50 g/cm3. Erime ve kaynama noktaları sırasıyla 1668 o C ve 3330 o C'dir. Normal sıcaklıklarda havada korozyona dayanıklıdır, bu da yüzeyinde koruyucu bir Ti02 bileşimi filminin bulunmasıyla açıklanır.

Pirinç. 1.Titan. Dış görünüş.

Titanyumun atomik ve moleküler kütlesi

Maddenin bağıl moleküler ağırlığı(Mr), belirli bir molekülün kütlesinin, bir karbon atomunun kütlesinin 1/12'sinden kaç kat daha büyük olduğunu gösteren bir sayıdır ve bir elementin bağıl atom kütlesi(A r) - ortalama atom kütlesinin kaç katı kimyasal element Bir karbon atomunun kütlesinin 1/12'sinden fazlası.

Serbest durumda titanyum tek atomlu Ti molekülleri formunda mevcut olduğundan, atomik ve moleküler kütlelerinin değerleri çakışmaktadır. 47.867'ye eşittirler.

Titanyum izotopları

Doğada titanyumun 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti ve 50 Ti olmak üzere beş kararlı izotop halinde bulunabileceği bilinmektedir. Kütle sayıları sırasıyla 46, 47, 48, 49 ve 50'dir. Titanyum izotop 46 Ti'nin bir atomunun çekirdeği yirmi iki proton ve yirmi dört nötron içerir ve geri kalan izotoplar ondan yalnızca nötron sayısında farklılık gösterir.

Kütle sayıları 38'den 64'e kadar olan yapay titanyum izotopları vardır; bunların arasında en kararlı olanı, 60 yıllık yarı ömre sahip 44 Ti'dir ve iki nükleer izotoptur.

Titanyum iyonları

Titanyum atomunun dış enerji seviyesinde değerlik olan dört elektron vardır:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 .

Kimyasal etkileşimin bir sonucu olarak titanyum değerlik elektronlarından vazgeçer; onların donörüdür ve pozitif yüklü bir iyona dönüşür:

Ti 0 -2e → Ti 2+;

Ti 0 -3e → Ti 3+;

Ti 0 -4e → Ti 4+ .

Titanyum molekülü ve atom

Serbest durumda titanyum, tek atomlu Ti molekülleri formunda bulunur. Titanyum atomunu ve molekülünü karakterize eden bazı özellikler şunlardır:

Titanyum alaşımları

Titanyumun yaygın kullanımına katkıda bulunan ana özelliği modern teknoloji- hem titanyumun hem de alüminyum ve diğer metallerle alaşımlarının yüksek ısı direnci. Ayrıca bu alaşımlar ısıya dayanıklıdır; yüksek direnci korurlar Mekanik özellikler en yüksek sıcaklıklar. Bütün bunlar titanyum alaşımlarını uçak ve roket üretimi için çok değerli malzemeler haline getiriyor.

Yüksek sıcaklıklarda titanyum halojenler, oksijen, kükürt, nitrojen ve diğer elementlerle birleşir. Bu, titanyum-demir alaşımlarının (ferrotitanyum) çeliğe katkı maddesi olarak kullanılmasının temelidir.

Problem çözme örnekleri

ÖRNEK 1

ÖRNEK 2

Hikaye

Titanyum dioksitin (TiO2) keşfi, İngiliz W. Gregor ve Alman kimyager M. G. Klaproth tarafından neredeyse aynı anda ve birbirinden bağımsız olarak yapıldı. Manyetik demirli kumun (Creed, Cornwall, İngiltere) bileşimini inceleyen W. Gregor, menaken adını verdiği bilinmeyen bir metalden yeni bir "toprak" (oksit) izole etti. 1795 yılında Alman kimyager Klaproth rutil mineralinde yeni bir element keşfetti ve ona titanyum adını verdi. İki yıl sonra Klaproth, rutil ve menaken toprağın aynı elementin oksitleri olduğunu tespit etti ve bu da Klaproth tarafından önerilen "titanyum" ismine yol açtı. On yıl sonra üçüncü kez titanyum keşfi gerçekleşti: Fransız bilim adamı L. Vauquelin anatazda titanyumu keşfetti ve rutil ile anatazın aynı titanyum oksitler olduğunu kanıtladı.

Titanyum metalinin ilk örneği 1825 yılında İsveçli J. J. Berzelius tarafından elde edildi. Titanyumun yüksek kimyasal aktivitesi ve saflaştırılmasının zorluğu nedeniyle, 1925 yılında Hollandalı A. van Arkel ve I. de Boer tarafından titanyum iyodür buharı TiI4'ün termal ayrışmasıyla saf bir Ti örneği elde edildi.

Titan bulunamadı endüstriyel uygulamalar Lüksemburglu G. Kroll ise (İngilizce) Rusça 1940 yılında titanyum metalinin tetraklorürden indirgenmesine yönelik basit bir magnezyum-termal yöntemin patentini almadı; bu yöntem (Kroll işlemi (İngilizce) Rusça) bugüne kadar endüstriyel titanyum üretiminde analardan biri olmaya devam ediyor.

ismin kökeni

Metal, adını Gaia'nın çocukları olan antik Yunan mitolojisindeki titanların onuruna almıştır. Elementin adı, elementi kimyasal özelliklerine göre adlandırmaya çalıştıkları Fransız kimya ekolünün aksine, kimyasal isimlendirme konusundaki görüşlerine uygun olarak Martin Klaproth tarafından verildi. Alman araştırmacı, yeni bir elementin özelliklerini yalnızca oksitinden belirlemenin imkansızlığına dikkat çektiğinden, daha önce keşfettiği uranyuma benzeterek ona mitolojiden bir isim seçti.

Doğada olmak

Titanyum doğada yaygınlığı açısından 10. sırada yer almaktadır. Yer kabuğundaki içerik ağırlıkça %0,57, deniz suyunda ise 0,001 mg/l'dir. Ultrabazik kayalarda 300 g/t, bazik kayalarda - 9 kg/t, asidik kayalarda 2,3 kg/t, kil ve şeyllerde 4,5 kg/t. Yerkabuğunda titanyum hemen hemen her zaman dört değerliklidir ve yalnızca oksijen bileşiklerinde bulunur. Serbest biçimde bulunamadı. Hava koşulları ve yağış koşulları altında titanyumun Al 2 O 3 ile jeokimyasal bir ilgisi vardır. Ayrışma kabuğunun boksitlerinde ve denizdeki killi çökeltilerde yoğunlaşmıştır. Titanyum, minerallerin mekanik parçaları ve kolloidler şeklinde taşınır. Bazı killerde ağırlıkça %30'a kadar TiO2 birikir. Titanyum mineralleri hava koşullarına karşı dayanıklıdır ve plaserlerde büyük konsantrasyonlar oluşturur. Titanyum içeren 100'den fazla mineral bilinmektedir. Bunlardan en önemlileri şunlardır: rutil TiO 2, ilmenit FeTiO 3, titanomagnetit FeTiO 3 + Fe 3 O 4, perovskit CaTiO 3, titanit (sfen) CaTiSiO 5. Birincil titanyum cevherleri vardır - ilmenit-titanyum-manyetit ve plaser cevherleri - rutil-ilmenit-zirkon.

Doğum yeri

Büyük birincil titanyum yatakları Güney Afrika, Rusya, Ukrayna, Kanada, ABD, Çin, Norveç, İsveç, Mısır, Avustralya, Hindistan, Güney Kore, Kazakistan'da bulunmaktadır; Plaser yatakları Brezilya, Hindistan, ABD, Sierra Leone ve Avustralya'da bulunur. BDT ülkelerinde lider yer Keşfedilen titanyum cevheri rezervleri açısından Rusya Federasyonu (%58,5) ve Ukrayna (%40,2) sırada yer almaktadır. En büyük depozito Rusya'da - Yaregskoye.

Rezervler ve üretim

2002 yılı itibariyle, çıkarılan titanyumun %90'ı titanyum dioksit TiO2 üretmek için kullanıldı. Dünya titanyum dioksit üretimi yılda 4,5 milyon tondu. Onaylanmış titanyum dioksit rezervleri (Rusya hariç) yaklaşık 800 milyon tondur. 2006 yılı itibarıyla ABD Jeoloji Araştırması'na göre titanyum dioksit açısından ve Rusya hariç ilmenit cevheri rezervleri 603-673 milyon ton, rutil cevherleri ise 603-673 milyon tondur. - 49,7-52,7 milyon ton. Böylece, mevcut çıkarma hızıyla, dünyanın kanıtlanmış titanyum rezervleri (Rusya hariç) 150 yıldan fazla dayanacaktır.

Rusya, Çin'den sonra dünyanın en büyük ikinci titanyum rezervine sahiptir. Rusya'daki titanyum mineral kaynağı tabanı, ülke geneline oldukça eşit bir şekilde dağılmış olan 20 yataktan (bunlardan 11'i birincil ve 9'u alüvyon) oluşmaktadır. Keşfedilen yatakların en büyüğü (Yaregskoye), Ukhta şehrine (Komi Cumhuriyeti) 25 km uzaklıktadır. Yatağın rezervlerinin ortalama %10 titanyum dioksit içeriğine sahip 2 milyar ton cevher olduğu tahmin ediliyor.

Dünyanın en büyük titanyum üreticisi - Rus şirketi"VSMPO-AVISMA".

Fiş

Kural olarak, titanyum ve bileşiklerinin üretimi için başlangıç ​​malzemesi, nispeten az miktarda safsızlık içeren titanyum dioksittir. Özellikle titanyum cevherlerinin zenginleştirilmesinden elde edilen rutil konsantresi olabilir. Bununla birlikte, dünyadaki rutil rezervleri çok sınırlıdır ve ilmenit konsantrelerinin işlenmesinden elde edilen sözde sentetik rutil veya titanyum cürufu daha sık kullanılmaktadır. Titanyum cürufu elde etmek için ilmenit konsantresi bir elektrik ark ocağında indirgenirken, demir metal fazına (dökme demir) ayrılır ve indirgenmemiş titanyum oksitler ve safsızlıklar cüruf fazını oluşturur. Zengin cüruf, klorür veya sülfürik asit yöntemi kullanılarak işlenir.

Titanyum cevheri konsantresi sülfürik asit veya pirometalurjik işleme tabi tutulur. Sülfürik asit işleminin ürünü titanyum dioksit tozu Ti02'dir. Pirometalurjik yöntem kullanılarak cevher kok ile sinterlenir ve klor ile işlenerek titanyum tetraklorür buharı TiCl 4 üretilir:

Ortaya çıkan TiCl4 buharları 850 °C'de magnezyum ile indirgenir:

Ek olarak, adını oluşturulduğu yer olan Cambridge Üniversitesi'nden geliştiricileri Derek Fray, Tom Farthing ve George Chen'den alan FFC Cambridge süreci de artık popülerlik kazanmaya başlıyor. Bu elektrokimyasal işlem, erimiş kalsiyum klorür ve sönmemiş kireç (kalsiyum oksit) karışımındaki titanyumun oksitinden doğrudan ve sürekli olarak indirgenmesine olanak tanır. Bu işlemde, bir grafit kurban (veya nötr) anot ve indirgenebilir oksitten yapılmış bir katot içeren, kalsiyum klorür ve kireç karışımıyla doldurulmuş bir elektrolitik banyo kullanılır. Banyodan akım geçtiğinde, sıcaklık hızla ~1000-1100 °C'ye ulaşır ve kalsiyum oksit eriyiği anotta oksijen ve kalsiyum metaline ayrışır:

Ortaya çıkan oksijen anodu oksitler (grafit kullanılması durumunda) ve kalsiyum eriyik içinde katoda göç eder ve burada titanyumu oksitinden azaltır:

Ortaya çıkan kalsiyum oksit tekrar oksijene ve metalik kalsiyuma ayrışır ve katot tamamen titanyum süngere dönüşene veya kalsiyum oksit tükenene kadar işlem tekrarlanır. Bu işlemde kalsiyum klorür, aktif kalsiyum ve oksijen iyonlarının eriyiğine ve hareketliliğine elektriksel iletkenlik kazandırmak için elektrolit olarak kullanılır. İnert bir anot (örneğin kalay dioksit) kullanıldığında, karbondioksit yerine anotta moleküler oksijen salınır ve bu da daha az kirliliğe neden olur. çevre ancak bu durumda süreç daha az kararlı hale gelir ve ayrıca bazı koşullar altında kalsiyum oksit yerine klorürün ayrışması enerji açısından daha uygun hale gelir ve bu da moleküler klorun salınmasına yol açar.

Ortaya çıkan titanyum “sünger” eritilir ve temizlenir. Titanyum, Ti'yi TiCl4'ten ayıran iyodür yöntemi veya elektroliz kullanılarak rafine edilir. Titanyum külçeleri elde etmek için ark, elektron ışını veya plazma işleme kullanılır.

Fiziki ozellikleri

Titanyum hafif, gümüşi beyaz bir metaldir. Normal basınçta, iki kristal modifikasyonu mevcuttur: altıgen sıkı paket kafesli düşük sıcaklıklı α-Ti (altıgen sistem, uzay grubu) C 6mmc, hücre parametreleri A= 0,2953 nm, C= 0,4729 nm, Z = 2 ) ve kübik gövde merkezli paketleme (kübik sistem, uzay grubu) ile yüksek sıcaklık β-Ti Ben 3M, hücre parametreleri A= 0,3269 nm, Z = 2 ), geçiş sıcaklığı α↔β 883 °C, geçiş ısısı Δ H=3,8 kJ/mol (87,4 kJ/kg). Çoğu metal, titanyumda çözündüğünde β fazını stabilize eder ve α↔β geçişinin sıcaklığını azaltır. 9 GPa'nın üzerindeki basınçlarda ve 900 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda titanyum altıgen faza (ω -Ti) dönüşür. α-Ti ve β-Ti yoğunlukları sırasıyla 4,505 g/cm³ (20 °C'de) ve 4,32 g/cm³'tür (900 °C'de). α-titanyumun atom yoğunluğu 5,67⋅10 22 at/cm³'tür.

Normal basınçta titanyumun erime noktası 1670 ± 2 °C veya 1943 ± 2 K'dir (ITS-90 sıcaklık ölçeğinin ikincil kalibrasyon noktalarından biri olarak kabul edilmiştir). (İngilizce) Rusça). Kaynama noktası 3287 °C. Yeterince düşük sıcaklıklarda (-80 °C) titanyum oldukça kırılgan hale gelir. Normal şartlarda molar ısı kapasitesi Cp= 25.060 kJ/(mol K) 0,523 kJ/(kg·K) özgül ısı kapasitesine karşılık gelir. Füzyon ısısı 15 kJ/mol, buharlaşma ısısı 410 kJ/mol. Karakteristik Debye sıcaklığı 430 K'dir. Isı iletkenliği 20 °C'de 21,9 W/(mK). Doğrusal genleşmenin sıcaklık katsayısı −120 ila +860 °C aralığında 9,2·10 −6 K −1'dir. α-titanyumun molar entropisi S 0 = 30,7 kJ/(mol K). Gaz fazındaki titanyum için oluşum entalpisi; Δ H0
F= 473,0 kJ/mol, Gibbs enerjisi Δ G0
F= 428,4 kJ/mol, molar entropi S 0 = 180,3 kJ/(mol K), sabit basınçta ısı kapasitesi Cp= 24,4 kJ/(mol K)

Plastiktir, inert atmosferde kaynak yapılabilir. Mukavemet özellikleri sıcaklığa çok az bağlıdır ancak saflığa ve ön işleme büyük ölçüde bağlıdır. Teknik titanyum için Vickers sertliği 790-800 MPa, normal elastik modül 103 GPa ve kayma modülü 39,2 GPa'dır. Vakumda önceden tavlanmış yüksek saflıkta titanyum, 140-170 MPa akma dayanımına, %55-70 bağıl uzamaya ve 716 MPa Brinell sertliğine sahiptir.

Yüksek viskoziteye sahiptir, işleme sırasında kesici takıma yapışmaya eğilimlidir ve bu nedenle alete özel kaplamaların ve çeşitli yağlayıcıların uygulanmasını gerektirir.

Normal sıcaklıklarda koruyucu bir pasifleştirici Ti02 oksit filmi ile kaplanır ve bu da onu çoğu ortamda (alkali hariç) korozyona dayanıklı hale getirir.

İzotoplar

Doğal titanyum beş kararlı izotopun karışımından oluşur: 46 Ti (izotopik bolluk %7,95), 47 Ti (%7,75), 48 Ti (%73,45), 49 Ti (%5,51), 50 Ti (%5,34).

Yapay izotoplar arasında en uzun ömürlü olanı 44 Ti (yarı ömrü 60 yıl) ve 45 Ti'dir (yarı ömrü 184 dakika).

Kimyasal özellikler

Kompleksleştirici ajanların varlığında zayıf asitlerle bile kolayca reaksiyona girer; örneğin, kompleks bir anyon 2− oluşumu nedeniyle hidroflorik asit ile etkileşime girer. Titanyum, organik ortamlarda korozyona karşı en hassas olanıdır, çünkü suyun varlığında, bir titanyum ürününün yüzeyinde yoğun bir pasif titanyum oksit ve hidrit filmi oluşur. Titanyumun korozyon direncindeki en belirgin artış, agresif bir ortamdaki su içeriği %0,5'ten %8,0'a yükseldiğinde fark edilir; bu, karışık sulu-organik çözeltilerdeki asit ve alkali çözeltilerindeki titanyumun elektrot potansiyellerinin elektrokimyasal çalışmaları ile doğrulanır. medya.

Havada 1200 °C'ye ısıtıldığında Ti, değişken bileşimli TiOx oksit fazlarının oluşumuyla parlak beyaz bir alevle yanar. TiO(OH)2 ·xH20 hidroksit, titanyum tuzlarının çözeltilerinden çökeltilir ve dikkatli kalsinasyonu Ti02 oksit üretir. Hidroksit TiO(OH)2 xH20 ve dioksit Ti02 amfoteriktir.

Titanyum karbonla etkileşime girdiğinde titanyum karbür TiC x (x = 0,49-1,00) oluşur.

• Alaşım formundaki titanyum uçak, roket ve gemi yapımında en önemli yapısal malzemedir.
• Metal kimya endüstrisinde (reaktörler, boru hatları, pompalar, boru hattı bağlantı parçaları), askeri endüstride (havacılıkta vücut zırhı, zırh ve yangın bariyerleri, denizaltı gövdeleri), endüstriyel işlemlerde (tuzdan arındırma tesisleri, kağıt hamuru ve kağıt işlemleri), Otomotiv endüstrisi tarım endüstrisi, gıda endüstrisi, spor malzemeleri, mücevherat, cep telefonları, hafif alaşımlar vb.
• Titanyum fizyolojik olarak inert olduğundan tıpta (protezler, osteoprotezler, diş implantları), dişçilik ve endodontik aletlerde ve delici mücevherlerde kullanılır.
• Titanyumun dökümü vakumlu fırınlarda grafit kalıplara yapılır. Vakumlu kayıp balmumu dökümü de kullanılır. Teknolojik zorluklardan dolayı sanatsal dökümde sınırlı ölçüde kullanılmaktadır. Dünya pratiğinde titanyumdan yapılmış ilk anıtsal döküm heykel, Moskova'da kendi adını taşıyan meydanda Yuri Gagarin'e dikilen anıttır.
• Titanyum birçok alaşımda bir alaşım katkı maddesidir.