Титан | Ti - InterNetri

Титан— хімічний елемент з символом Ti та атомним номером 22— це перехідний метал, відомий своєю високою міцністю, легкістю та стійкістю до корозії. Він відіграє важливу роль у сучасних технологіях, включаючи авіакосмічну галузь, медицину, хімічну промисловість, спорт та інші сфери.

Титан зустрічається в природі тільки у вигляді оксиду, але може бути відновлений до блискучого металу сріблястого кольору з низькою густиною і високою міцністю. Титан відомий своєю стійкістю до корозії, особливо в морській воді, царській воді та хлорі.

Титан був відкритий Вільямом Грегором у Корнуолі, Велика Британія, у 1791 році, а назву елемент отримав від Мартіна Генріха Клапротта на честь Титанів з грецької міфології. Титан зустрічається в ряді мінералів, головним чином у рутилі та ільменіті, які широко розповсюджені в земній корі та літосфері. Він є складовою частиною практично всіх живих організмів, а також води, порід та ґрунтів. Метал отримують з основних руд за допомогою процесів Кроля та Хантера.

Найпоширенішим сполукою титану є титану діоксид (TiO₂), який використовується як фотокаталізатор і у виробництві білих пігментів. Інші сполуки титану включають титану тетрахлорид (TiCl₄), який використовується в димових завісах та як каталізатор, а також титану трихлорид (TiCl₃), що застосовується як каталізатор у виробництві поліпропілену.

Основними властивостями титану є його висока стійкість до корозії та найбільше співвідношення міцності до густини серед усіх металів. У чистому вигляді титан має міцність, порівнянну з деякими сталями, але з меншою густиною. Титан має дві алотропні модифікації та п’ять природних ізотопів (від 46Ti до 50Ti), причому найбільш поширеним є 48Ti, що складає 73,8% природного титану.

Особливості титану

Легкість і міцність: Висока міцність при низькій густині робить його ідеальним матеріалом для конструкцій, що вимагають легкості та надійності.
Корозійна стійкість: Титан утворює пасивний шар оксиду, який забезпечує захист від корозії навіть у агресивних середовищах (солона вода, кислоти).
Термостійкість: Витримує високі температури, але при нагріванні понад 430 °C поступово втрачає міцність.
Біосумісність: Не викликає алергічних реакцій, що робить його придатним для медичних імплантатів.
Низька електропровідність: Порівняно з іншими металами, титан є слабким провідником електрики.

Фізико-хімічні властивості титану

Атомний номер: 22.
Густина: 4,54 г/см³ (майже вдвічі легший за сталь).
Температура плавлення: 1668 °C.
Температура кипіння: 3287 °C.
Колір: Сріблясто-сірий із металевим блиском.
Модуль пружності: 116 ГПа.
Ізотопи: Титан має п’ять стабільних ізотопів, найпоширеніший з яких — 48Ti (73,8%).
Алотропні форми: Альфа-фаза (гексагональна структура) при низьких температурах і бета-фаза (кубічна структура) при температурі вище 882 °C.
Парамагнетизм: Титан є слабко магнітним металом і має низьку теплопровідність.

Фізичні властивості титану

Титан як метал відомий своєю високою міцністю при низькій густині. Він є міцним металом, що володіє низькою густиною, досить пластичний (особливо в безкисневому середовищі), має блискучу поверхню та металічно-білий колір. Завдяки високій температурі плавлення (1,668 °C або 3,034 °F) титан інколи описують як тугоплавкий метал, хоча це не зовсім так. Він є парамагнітним і має досить низьку електричну та теплопровідність порівняно з іншими металами. Титан стає надпровідним при охолодженні до критичної температури 0.49 K.

Титан чистої комерційної якості (99.2% чистоти) має межу міцності на розтягування близько 434 МПа (63,000 psi), що дорівнює міцності звичайних сталей низької якості, але його густина є меншою. Титан на 60% густіший за алюміній, але вдвічі міцніший за найпоширеніший сплав алюмінію 6061-T6. Деякі титанові сплави (наприклад, Beta C) досягають міцності на розтягування понад 1,400 МПа (200,000 psi). Однак титан втрачає свою міцність при нагріванні вище 430 °C (806 °F).

Титан не такий твердий, як деякі види загартованої сталі; він є немагнітним і погано проводить тепло та електрику. Обробка титану вимагає обережності, оскільки матеріал може мати схильність до налипання (галлінгу), якщо не використовувати гострі інструменти та належні методи охолодження. Як і сталеві конструкції, титан має межу втоми, що гарантує довговічність в певних застосуваннях.

Метал є двофазним алотропом: має гексагональну компактну решітку α-форму, яка переходить в об’ємноцентровану кубічну β-форму при температурі 882 °C (1,620 °F). Спеціальна теплоємність α-форми значно збільшується при нагріванні до цієї температури переходу, але потім знижується і залишається майже сталою для β-формі незалежно від температури.

Хімічні властивості титану

Пасивація: Поверхня титану утворює оксидний шар товщиною 1-2 нм, який захищає метал від подальшого окислення.
Реактивність: При високих температурах титан реагує з киснем, азотом, галогенами та вуглецем.
Утворення сполук:
- Діоксид титану (TiO₂): Білий пігмент, широко використовується у фарбах і косметиці.
- Титанат барію (BaTiO₃): П’єзоелектричний матеріал.
- Нітрид титану (TiN): Тверде покриття для інструментів та декоративних елементів.
Розчинність: Стійкий у більшості кислот, але розчиняється в концентрованій плавиковій кислоті та гарячих розчинах хлоридів.

Як і алюміній та магній, поверхня титану та його сплавів миттєво окислюється при контакті з повітрям, утворюючи тонкий непористий шар пасивації, який захищає основний метал від подальшого окислення чи корозії. Цей захисний шар має товщину лише 1-2 нм на початку, але з часом зростає і досягає 25 нм за чотири роки. Цей шар надає титану відмінну стійкість до корозії при взаємодії з окислювальними кислотами, однак він розчиняється в розбавленій плавиковій кислоті, гарячій хлороводневій кислоті та гарячій сірчаній кислоті.

Титан здатний витримувати вплив розбавлених сірчаної та хлороводневої кислот при кімнатній температурі, розчинів хлоридів і більшості органічних кислот. Однак він піддається корозії при взаємодії з концентрованими кислотами. Титан є дуже реактивним металом, який горить у звичайному повітрі при температурах, нижчих за температуру плавлення. Плавлення можливе тільки в інертному середовищі або вакуумі. При 550 °C (1,022 °F) він реагує з хлором. Титан також реагує з іншими галогенами і поглинає водень.

Титан легко реагує з киснем при температурі 1,200 °C (2,190 °F) у повітрі та при 610 °C (1,130 °F) в чистому кисні, утворюючи діоксид титану. Титан є одним з небагатьох елементів, які горять у чистому азотному газі, реагуючи при 800 °C (1,470 °F) для утворення титанового нітриду, що викликає крихкість. Через високу реактивність з киснем, азотом і багатьма іншими газами, титан, випарований з філаментів, є основою для титанових сублімаційних насосів, в яких титан служить як хімічний зв’язувач для цих газів. Такі насоси недорого створюють надзвичайно низькі тиски в системах ультрависокого вакууму.

Поширення титану

Титан є дев’ятим за поширеністю елементом у корі Землі (0,63% за масою) та сьомим за поширеністю металом. Він присутній у вигляді оксидів у більшості магматичних порід, в осадах, що походять від них, у живих організмах та природних водах. З 801 типу магматичних порід, які аналізувалися Геологічною службою США, 784 містили титан. Його концентрація в ґрунтах становить приблизно 0,5–1,5%.

До загальних мінералів, що містять титан, належать анатаз, брукіт, ільменіт, перовський, рутил і титаніт (сфен). Акаогіт — це надзвичайно рідкісний мінерал, що складається з діоксиду титану. З цих мінералів економічне значення мають лише рутил і ільменіт, хоча навіть вони зустрічаються не так часто. У 2011 році було видобуто близько 6,0 мільйона тонн рутилу та 0,7 мільйона тонн ільменіту. Великі поклади титановмісного ільменіту знаходяться в Австралії, Канаді, Китаї, Індії, Мозамбіку, Новій Зеландії, Норвегії, Сьєрра-Леоне, Південній Африці та Україні. У 2020 році було вироблено близько 210 000 тонн титанової металевої губки, зокрема в Китаї (110 000 т), Японії (50 000 т), Росії (33 000 т) і Казахстані (15 000 т). Загальні запаси анатазу, ільменіту та рутилу оцінюються більш ніж у 2 мільярди тонн.

Концентрація титану в океанах становить близько 4 пикомоляр. При температурі 100 °C концентрація титану у воді оцінюється менше ніж 10⁻⁷ М при pH 7. Ідентичність титанових сполук у водних розчинах залишається невідомою через його низьку розчинність і відсутність чутливих спектроскопічних методів, хоча тільки стан окиснення 4+ стабільний на повітрі. Немає доказів біологічної ролі титану, хоча відомо, що рідкісні організми здатні накопичувати високі концентрації титану.

Титан міститься в метеоритах, його виявили на Сонці та в зірках типу M (найхолодніший тип), з поверхневою температурою 3,200 °C (5,790 °F). Отримані зразки з Місяця під час місії «Аполлон-17» містять 12,1% TiO₂. Чистий титан (металічний) є дуже рідкісним.

Ізотопи титану

Природний титан складається з п’яти стабільних ізотопів: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti і 50Ti, з яких 48Ti є найпоширенішим (73,8% природної поширеності). Хоча було охарактеризовано принаймні 21 радіоактивний ізотоп титану, найбільш стабільними є 44Ti з періодом напіврозпаду 63 роки, 45Ti (184,8 хвилин), 51Ti (5,76 хвилин) і 52Ti (1,7 хвилини). Всі інші радіоактивні ізотопи мають періоди напіврозпаду менше 33 секунд, більшість — менше половини секунди.

Ізотопи титану мають атомну масу від 39,002 да (39Ti) до 63,999 да (64Ti). Основний режим розпаду для ізотопів легших за 46Ti — це емісія позитронів (за винятком 44Ti, який зазнає захоплення електронів), що призводить до утворення ізотопів скандію, а для ізотопів важчих за 50Ti — це бета-емісія, що призводить до утворення ізотопів ванадію.

Титан стає радіоактивним при бомбардуванні деутеронами, викидаючи переважно позитрони та жорсткі гамма-промені.

Оксиди, сульфіди та алкоксиди

Найважливішим оксидом титану є TiO₂, який існує у трьох основних поліформах: анатаз, брукіт і рутил. Усі три є білими діамагнітними твердими речовинами, хоча мінеральні зразки можуть виглядати темними (наприклад, рутил). Вони мають полімерні структури, в яких атом титану оточений шістьма оксидними лігандами, що з’єднуються з іншими центрами титану.

Термін «титанати» зазвичай стосується титанових сполук з окисненням +4, таких як барієвий титанат (BaTiO₃). Цей матеріал, з перовськітною структурою, має п’єзоелектричні властивості і використовується як перетворювач у перетворенні звуку в електрику та навпаки. Багато мінералів є титанатами, наприклад ільменіт (FeTiO₃). Зіркові сапфіри та рубіни отримують свій астризм (ефект сяйва зірки) завдяки наявності домішок діоксиду титану.

Відомі різні відновлені оксиди титану (підоксиди), зокрема Ti₃O₅, що описується як сполука Ti(IV)-Ti(III), є фіолетовим напівпровідником, отриманим відновленням TiO₂ за допомогою водню при високих температурах, і використовується в промисловості, коли поверхні потрібно покривати титановим діоксидом. Титан також утворює різні сульфіди, однак тільки TiS₂ привернув значну увагу. Він має шарову структуру та використовувався як катод при розробці літієвих акумуляторів.

Нітриди та карбіди

Титановий нітрид (TiN) — тугоплавка тверда речовина, що має виняткову твердість, теплопровідність і електропровідність, а також високу температуру плавлення. TiN має твердість, еквівалентну сапфіру та карборунду (9,0 за шкалою Мооса), і часто використовується для покриття ріжучих інструментів, таких як свердла. Також використовується як декоративне золоте покриття та бар’єрний шар у виготовленні напівпровідників.

Галогеніди

Титановий тетрахлорид (TiCl₄) — безбарвна летюча рідина, яка, потрапивши в повітря, гідролізується з виділенням білих хмар. Через процес Кроля TiCl₄ використовується для перетворення титанових руд на титановий метал. Він також використовується для виробництва титанових діоксидів, зокрема для використання у виготовленні білої фарби. TiCl₄ активно використовується в органічній хімії як Льюїс-кислота.

Застосування титану

Титан може утворювати сплави з залізом, алюмінієм, ванадієм і молібденом, що робить ці сплави міцними, легкими та універсальними. Сплави титану використовуються в різних галузях, зокрема в аерокосмічній промисловості (реактивні двигуни, ракети, космічні кораблі), військових технологіях, промислових процесах (хімічні та нафтохімічні виробництва, десалінізація, паперова промисловість), автомобілебудуванні, сільському господарстві, спортивних товарах, ювелірних виробах та споживчій електроніці. Титан також є одним з найбільш біосумісних металів, що дозволяє використовувати його в медичних імплантатах, ортопедичних протезах, зубних імплантах і хірургічних інструментах.

Авіакосмічна галузь: Завдяки високому співвідношенню міцності до ваги, титан широко використовується в авіаційній та космічній техніці. Титан застосовується для виготовлення конструктивних елементів, шасі, випускних труб, гідравлічних систем і т. ін. Приблизно дві третини усього титану використовуються в авіакосмічних додатках.
Морська техніка: Завдяки стійкості до корозії у морській воді, титан ідеально підходить для виготовлення гребних валів, ригів, обладнання для опріснювальних установок і різних морських науково-вимірювальних пристроїв.
Промисловість хімічних і нафтохімічних процесів: Титанові сплави використовуються в обладнанні для обробки, такому як теплообмінники, резервуари та клапани, особливо в умовах агресивних хімічних середовищ.
Зберігання ядерних відходів: Завдяки своїй корозійній стійкості титан вивчається для використання в довгостроковому зберіганні ядерних відходів. Спеціалізовані контейнери з титану можуть зберігатися більше 100 000 років.
Медицина та хірургія: Через свою біосумісність титан використовується для виготовлення імплантатів, хірургічних інструментів і протезів. Титанові імплантати відомі своєю здатністю до остеоінтеграції, тобто вони можуть зростатися з кісткою, що робить їх ідеальними для заміни суглобів і стоматологічних імплантатів.
Автомобільна промисловість: Компоненти спортивних та гоночних автомобілів.
Спортивне обладнання: Рами велосипедів, тенісні ракетки, ключки для гольфу.
Ювелірні вироби: Гіпоалергенні прикраси та аксесуари.
Енергетика: Компоненти для ядерних реакторів через стійкість до радіації.

Виробництво і видобуток

Титан зустрічається у природі у вигляді руд, таких як рутил (TiO₂) і ільменіт (FeTiO₃). Основними країнами-добувачами є Австралія, Китай, Індія, ПАР та Україна. Метал отримують за допомогою процесу Кролля або процесу Хантера, які включають хімічне відновлення титану з руди. У 2020 році було вироблено близько 210 000 тонн титанової губки.

Сплави титану

Чистий титан рідко використовується в промисловості, частіше застосовують його сплави:

Популярні сплави: Ti-6Al-4V (титан-алюміній-ванадій) — один із найпоширеніших завдяки відмінному співвідношенню міцності до ваги.
Типи сплавів: Альфа-, бета- та альфа-бета-сплави залежно від структури та характеристик.
Властивості сплавів: Здатність витримувати екстремальні температури та навантаження, підвищена корозійна стійкість.

Недоліки титану

Висока вартість: Складний процес видобутку та обробки.
Складність обробки: Через твердість і температуру плавлення вимагає спеціального обладнання.
Механічні властивості: Зниження міцності при високих температурах.

Поширення і запаси татану

Титан є дев’ятим за поширеністю елементом у земній корі (0,63% за масою). Він входить до складу багатьох мінералів, таких як рутил, ільменіт, анатаз та перовськіт.

Титан присутній у вигляді оксидів у більшості магматичних порід, в осадах, що походять від них, у живих організмах та природних водах. З 801 типу магматичних порід, які аналізувалися Геологічною службою США, 784 містили титан. Його концентрація в ґрунтах становить приблизно 0,5–1,5%.

Родовища титану

Великі запаси титану зосереджені в Австралії, Канаді, Китаї, Індії, Мозамбіку, Україні та ПАР. Металевий титан зустрічається дуже рідко, основні промислові джерела — рутил і ільменіт.

Роль титану у біології та екології

Титан входить до складу ґрунтів, води та живих організмів, хоча не виконує жодної відомої біологічної функції.
Рідкісні мікроорганізми здатні накопичувати титан у високих концентраціях.
Екологічно безпечний метал, що легко піддається вторинній переробці.

Титан — це унікальний метал, який поєднує в собі легкість, міцність і стійкість до агресивних середовищ. Завдяки своїм винятковим властивостям, він залишається незамінним у багатьох сферах, від авіації до медицини.