Титан (элемент)

Эта статья входит в число готовых статей
Материал из «Знание.Вики»
22 СкандийТитанВанадий
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонПериодическая система элементов
22Ti
Hexagonal.svg
Electron shell 022 Titanium.svg
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. Атомный номер 22, атомная масса 47,867. В природе имеет пять стабильных изотопов: 46Ti (8,25 %), 47Ti (7,44 %), 48Ti (73,72 %), 49Ti (5,41 %), 50Ti (5,18 %). Искусственно получены радиоактивные изотопы с массовыми числами 38–58.Титан — простое вещество, твёрдый серебристо-белый металл[1].

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[2].

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[3]:

Двуоксид 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[4]. 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[5]. Страны производители титана — это Великобритания, США, Франция, Япония, Канада, Италия, Испания и Бельгия.

Строение и физические свойства

Титан расположен в 4 группе периодической системы. Все элементы 4 группы имеют на внешних электронных оболочках 4 валентных электрона, поэтому высшая степень окисления, соответствующая им +4[6].Конфигурация внешних электронных оболочек атома титана 3d24s2; cтепень окисления +4, реже +3 и +2; энергии последовательной ионизации 6,82, 13,58, 27,47, 43,24 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,5; атомный радиус 149 пм, ионные радиусы Ti4+ при координационных числах 4, 5, 6 и 8 равны соответственно 56, 65, 74 и 88 пм. Стандартный электродный потенциал Ti0/Ti3+ 1,63 В, Ti3+/Ti4+ 0,20 В[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[2]. Температура полиморфного превращения составляет 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[7]. Взаимодействие с неметаллами при повешенных температурах приводит к образованию бинарных соединений (оксиды, галогениды, сульфиды, нитриды, карбиды, гидриды).

Взаимодействие с кислотами:

Взаимодействие с концентрированными растворами щелочей:

Взаимодействие с водой при высоких температурах:

Получение

Одним из самых распространенных способов получения титана является магниетермический[8]. 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.

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.

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[9].

  • За счет своих свойств: удельная прочность, высокое электрическое сопротивление и немагнитные свойства титан используют в электротехнической промышленности для бронирования кабелей.
  • В пищевой промышленности титан из-за своей химической и коррозийной стойкости, 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 сплавы меди, алюминия и никеля 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.

Примечания

  1. Титан (химический элемент). Большая Российская энциклопедия. Дата обращения: 24 февраля 2025.
  2. Перейти обратно: 2,0 2,1 Лучинский Г.П. Химия титана. — 1971. — С. 9.
  3. Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. — 2008.
  4. Перейти обратно: 4,0 4,1 Титан (химический элемент) // Большая Российская энциклопедия. — 2022.
  5. Юдович Я. Э., Кетрис М. П., Рыбина Н. В. Геохимия титана. — 2018.
  6. Третьяков Ю.Д. Неорганическая химия. Химия элементов. — 2001.
  7. Амелинас Г.Н., Жерин И.И. Частные реакции титана. — 2018.
  8. Марьева Е.А., Попова О.В. Электрохимическое модифицирование титана в водно-органических электролитах. — 2016.
  9. Лысенко М.П., Тлехусеж М.А. Титан и его применение в различных отраслях промышленности // Chemical Sciences. — 2019. — № 4.

Шаблон:Отклонённая статья