Титан (элемент)

22 Скандий ← Титан → Ванадий 22Ti
Свойства атома
Имя, символ, номер	Титан, 22
Группа, период, блок	4, 4, d-элемент
Атомная масса (молярная масса)	47.88 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	1s22s22p63s23p63d24s2
Радиус атома	147 пм
Химические свойства
Электроотрицательность	1,54 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	0
Степени окисления	+2, +3, +4
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	4,54 г/см³
Температура плавления	1943 K
Температура кипения	3560 K
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	гексагональная плотноупакованная (α-Ti)

Кристаллический титан

Титан (химический символ — Ti от лат. Тitanium) — химический элемент 4 группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы четвертой группы) четвёртого периода периодической системы Д. И. Менделеева, относится к переходным металлам. Титан — простое вещество, твёрдый серебристо-белый металл.

История

В 1789 году титан был впервые обнаружен священником Уильямом Грегором в Корнуэльсе на Юго-Западе Англии. У. Грегор нашёл чёрный магнитный песок, из которого он смог выделить оксид железа и белый оксид неизвестного на тот момент металла. В 1791 году священник опубликовал статьи в немецком и французском журнале о своей находке. Оксид белого цвета был назван менахином.

В 1795 году немецкий химик М. Х. Клапрот занимался исследованием венгерского рутила. Учёный извлёк из него новый оксид и дал ему название — титановая земля, а металлу — титан, в честь титанов, персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи. В 1797 году Клапрот установил, что найденный У. Грегором механин и полученное им соединение одно и то же вещество. Позднее В. А. Лампадиус и Т. Е. Ловиц своими исследованиями подтвердили идентичность оксидов.

Впоследствии соединения титана были найдены и в других минералах. Большое количество учёных занималось выделением элементарного титана с наименьшем количеством примесей:

• 1825 год, И. Берцелиус — восстановление фторотитаната калия металлическим натрием.
• 1875 год, Д. К. Кириллов — восстановление тетрахлорида натрием.
• 1885 год, А. Муассан — восстановление двуокиси титана углеродом.
• 1887 год, Л. Нильсон и О. Петерсон — восстановление тетрахлорида титана металлическим натрием.
• 1910 год, М. Хантер — усовершенствовал методику 1887 года.
• 1925 год, А. Ван-Аркель и И. де Бур — разложение тетраиодида при высокой температуре.

Двуокись титана долгое время была наиболее распространена среди соединений титана и использовалась для приготовления минеральной белой краски (титановые белила). США и Норвегия длительное время занимали лидирующие позиции в производстве титана его соединений.

Нахождение в природе

Титан — один из самых распространенных химических элементов, содержание которого в земной коре составляет 0,63 % по массе. Известно около 67 минералов титана, большая часть которых имеет магматическое происхождение. Важнейшими минералами титана являются рутил TiO₂, ильменит FeTiO₃, титаномагнетит FeTiO₃ + Fe3O₄, перовскит CaTiO₃ и титанит CaTiOSiO₄.

В биосфере титан в основном находится в рассеянном состоянии. В гидросфере титан содержится в малых количествах. В органической природе титан находится: в зёрнах, плодах, стеблях растений, в тканях животных, даже в молоке и в куриных яйцах. В человеческом организме содержание титана около 20 миллиграмма.

Кроме собственных минералов, примеси титана обнаружены в железистых и железо-магнезиальных минералах: титаномагнетите, а также в оливинах, пироксенах, амфиболах и слюдах. Страны производители титана — это Великобритания, США, Франция, Япония, Канада, Италия, Испания и Бельгия.

Получение

Одним из самых распространенных способов получения титана является магниетермический. Производство титана включает в себя несколько стадий.

Вначале обогащение титановых руд, далее следует выплавка из полученных руд титанового шлака. Из шлака в специальных печах получают четыреххлористый титан при температуре 800 °С. Благодаря разнице температур кипения хлоридов в смеси, четырёххлористый титан легко отделяется от других компонентов. Следующая стадия — это восстановление магнием до металлического титана в реакторах при температуре 950—1000 °С.

${\ce {TiCl4 + 2Mg = 2MgCl2 + Ti}}$

Полученные твердые частицы титана спекают, а побочные продукты выводят из реактора. Продукт спекания называют титановой губкой. После чего удаляют примеси, для этого материал нагревают до температуры 950 °С в вакууме, чтобы не произошло перехода титана в оксиды. Титан полученный по такой технологии имеет дефекты, поэтому его вторично переплавляют. Чистота титана составляет примерно 99,7 %

Основное сырьё, которое используют для получения титана является титаномагнетитовые руды. Наиболее распространен ильменитовый концентрат, содержащий 40-45 % диоксида титана и около 50 % оксида железа остальное — пустая порода. Чугун — побочный продукт данного способа получения, его используют в металлургическом производстве.

Физические свойства

Титан относится к 4 группе периодической системы. Все элементы 4 группы имеют на внешних электронных оболочках 4 валентных электрона, поэтому высшая степень окисления, соответствующая им +4. Титан — тугоплавкий металл, химически стойкий, за счет оксидной плёнки на его поверхности, коррозийно-стойкий.

Кристаллический титан имеет две полиморфные модификации: низкотемпературная — α, имеет плотноупакованную гексагональную кубическую решётку и высокотемпературная — β, которая имеет объёмноцентрированную кубическую решётку. Температура полиморфного превращения лежит примерно при 882,5 °С.

Химические свойства

Титан характеризуется довольно высокой химической активностью, но она зависит от температуры. При обычных условиях он наименее активен, за счет оксидной плёнки, с повышением температуры растёт и его химическая активность. Взаимодействие с неметаллами при повешенных температурах приводит к образованию бинарных соединений (оксиды, галогениды, сульфиды, нитриды, карбиды, гидриды).

• С галогенами: ${\ce {Ti + 2Cl2 = TiCl4}}$
• С кислородом: ${\ce {Ti + O2 = TiO2}}$

Взаимодействие с кислотами:

${\ce {2Ti + 6HCl = 2TiCl3 + 3H2}}$

${\ce {Ti + 4HF = TiF4 + 2H2}}$

Взаимодействие с концентрированными растворами щелочей:

${\ce {Ti + NaOH + H2O = Na2TiO3 + 2H2}}$

Взаимодействие с водой при высоких температурах:

${\ce {Ti + 4H2O = Ti(OH)4 + 2H2}}$

Применение

Титан нашёл применение в таких отраслях промышленности, как нефтяная, электрохимическая и пищевая. Цена на титан достаточно высокая, это связано с извлечением его из добываемой руды.

• За счет своих свойств: удельная прочность, высокое электрическое сопротивление и немагнитный свойства титан используют в электротехнической промышленности для бронирования кабелей.
• В пищевой промышленности титан из-за своей химической и коррозийной стойкий, используется при консервации, кондитерском, мясо-молочном, чайном, хлебопекарном, солевом и других производствах.
• В медицинской сфере титан применяют для изготовления медицинских инструментов, пластинок и винтов для крепления костей. В организме животного титан может находится до нескольких месяцев, так как этому способствует образование мышечной ткани на титановой пластине. В стоматологии титан также нашёл широкое применение.
• В металлургии титан используют в качестве легирующего элемента при производстве нержавеющих и жаростойких сталей. В медь, алюминий и никель также добавляют титан для повышения их прочности.
• Титан применяется в военном и гражданском авиастроение, как конструкционный материал. В этой отрасли он лидирует по прочности и износостойкости. Титан в том числе используется в производстве деталей двигателя самолёта.