Что такое титан?

Что такое титан?

Титан – это металлический химический элемент с атомным номером 22, входящий в титановую химическую семью. Он является сильным, легким и коррозионно устойчивым металлом, широко используемым в различных отраслях промышленности и медицине. Свойства титана делают его незаменимым материалом в авиации, медицине, электронике и многих других областях.

История открытия

Металл титан (самородок)

Титан был открыт в 1791 году английским минералогом Уильямом Грегором. Он обнаружил новый элемент в черной песчанистой руде, названной ильменитом. В 1795 году немецкий химик Мартин Г. Клапрот, изучая руду, подтвердил наличие нового элемента и назвал его титаном в честь мифологических гигантов-титанов, которые были сильными и могущественными.

Месторождения титана на Земле

Титан является одним из самых распространенных элементов в земной коре, где он занимает 9-е место по распространенности. Месторождения титана встречаются по всему миру, но основные концентрации и запасы титановых руд располагаются в нескольких странах. Основными странами-поставщиками титановых руд считаются Австралия, Южная Африка, Канада, Норвегия, Украина и Казахстан. Титан в природе обычно находится в составе минералов, таких как ильменит (FeTiO3) и рутил (TiO2), которые являются основными источниками добычи титана.

Австралия является крупнейшим производителем титана, обеспечивая более 20% мировой добычи. Основное месторождение титановых руд в Австралии расположено в западной части страны, в частности, на побережье штата Западная Австралия. Южная Африка также является важным производителем титана, с крупными месторождениями на восточном побережье страны. В Канаде и Норвегии титан добывается в виде ильменита из россыпных месторождений и магматических интрузий.

В Украине и Казахстане титановые руды также имеют большое значение для промышленности и экономики стран. Украинские месторождения ильменита расположены в западной и центральной частях страны, а Казахстан обладает крупными запасами титана в месторождениях на севере и востоке страны.

Кроме того, титановые руды также встречаются в Индии, Бразилии, США и других странах. В целом, мировые запасы титана оцениваются в миллионы тонн, что обеспечивает стабильное снабжение титаном на ближайшие десятилетия и создает предпосылки для дальнейшего развития титановой промышленности.

Запасы и добыча

Добыча титана

Титан является одним из наиболее распространенных элементов в земной коре, его содержание составляет около 0,57% от общей массы, что делает его девятым по распространенности элементом на нашей планете. Этот химический элемент присутствует практически повсеместно: в почвах, горных породах, воде и даже в атмосфере в виде титановых соединений. Запасы титана значительны и составляют миллионы тонн, что обеспечивает стабильное снабжение этим металлом на ближайшие десятилетия.

Однако, несмотря на обширные запасы и распространенность титана, его добыча и производство являются сложными и дорогостоящими процессами. Это связано с тем, что титан обычно встречается в составе минералов, таких как ильменит (FeTiO3) и рутил (TiO2), и требует сложных химических процессов для его выделения в чистом виде.

Один из основных методов добычи титана – это процесс Кролла, который используется для получения титана из титановых руд. В ходе данного процесса происходит редукция титановых соединений с использованием магния, что позволяет получить высококачественный металл. Процесс Кролла был разработан в 1940-х годах и до сих пор является одним из основных способов производства титана, хотя существуют и другие, более современные технологии, такие как процесс Фрейша и методы электрохимического осаждения. Все эти методы направлены на снижение стоимости и упрощение процессов производства титана, что делает его более доступным для широкого применения в различных отраслях.

Физические свойства

Титан обладает уникальными физическими характеристиками, которые делают его одним из самых востребованных металлов. Он обладает высокой прочностью и легкостью, имеет структуру кристаллической решетки и хорошую износостойкость. Кроме того, титан обладает отличной коррозионной устойчивостью, особенно в агрессивных средах, таких как морская вода, хлориды и кислоты.

В своих работах мы нашли титан очень удачным металлом для изготовления мундштуков. Он отличается долговечностью, прочностью, жаропрочностью и долгое время сохраняет первоначальный внешний вид. Посмотреть все мундштуки с титановыми вставками Вы можете здесь: https://mundshtuki.su/s-titanom/

Читать статью  Что относится к легким металлам

Мундштук с титаном

Химические свойства

Химические свойства титана также весьма интересны. Титан обладает химической инертностью, что обуславливает его устойчивость к коррозии. Однако при нагревании он вступает в реакцию с другими элементами, такими как кислород, азот и водород. Такие реакции могут привести к изменению свойств титана и формированию оксидов, нитридов и гидридов на поверхности металла.

Физические свойства
Атомный номер 22
Период 4
Группа 4
Атомная масса 47,867
Плотность при 293 К 4,5 г/см³
Точка плавления 1941 К (1668 °C)
Точка кипения 3560 К (3287 °C)
Молярный объем 10,64 см³/моль
Удельный вес 4500 кг/м³
Температура Кюри 364 К (91 °C)
Теплопроводность при 300 K 21,9 Вт/(м·К)
Удельная теплоемкость 0,523 Дж/(г·К)
Коэффициент линейного асширения при 300 K 8,6×10 −6 K −1
Модуль Юнга 116 ГПа
Химические свойства
Электроотрицательность 1,54
Окисление +2, +3, +4
Структура кристалла Гексагональная ближайшая упаковка (ГБУ)
Теплоемкость 0,523 Дж/г·K
Порядковый номер в периодической системе 4
Теплопроводность 22,2 Вт/(м·К)
Удельная теплота парообразования 425 кДж/кг
Электропроводность 1,54 Мcм/м
Температура воспламенения Не горюч
Скорость звука 4140 м/с
Энтальпия образования (ΔHf 0 ) 467,2 кДж/моль
Энтропия (S25) 25,06 Дж/(моль·К)
Тепловое расширение 8,6 × 10 -6 К -1

Марки титана и сплавов

Существует множество марок титана и сплавов на его основе, разработанных для различных применений. Сплавы на основе титана часто содержат элементы, такие как алюминий, ванадий, молибден и другие, которые улучшают механические свойства, коррозионную устойчивость и упрощают обработку. Титан и сплавы с высокой прочностью широко используются в промышленности и медицине.

Марка титана Описание и сферы применения
ОТ 4 Высокая прочность и коррозионная стойкость при высоких температурах, применяется в авиации, морском и химическом производстве
ВТ1 Хорошая обрабатываемость, применяется в авиации, медицинском оборудовании, спортивных товарах
ВТ5 Высокая прочность и жесткость, хорошая свариваемость, применяется в авиации, медицинском оборудовании, судостроении
ВТ14 Хорошая свариваемость, применяется в авиации, медицинском оборудовании, нефтегазовой отрасли
ВТ22 Высокая прочность и жесткость при высоких температурах, применяется в авиации, нефтегазовой отрасли, химическом производстве
ПТ3В Отличная коррозионная стойкость в медицинских имплантах, а также в химической и пищевой промышленности

Форма выпуска

Титан может быть представлен в различных формах, в зависимости от конкретных требований и области применения. Среди самых распространенных форм выпуска титана и его сплавов можно выделить листовой и плитовой материал, прутки, трубы, проволоку и порошок. Листовой и плитовой титан часто используется в авиационной промышленности и строительстве, а также для производства химического оборудования.

Титановые прутки

Прутки и трубы из титана находят свое применение в автомобильной, судостроительной и химической промышленности, а также в медицине и спорте. Проволока из титана широко применяется в сварочных работах и производстве бытовой техники. Титановый порошок используется в нанотехнологиях, а также в процессах 3D-печати для создания сложных деталей и изделий с высокой точностью. Разнообразие форм выпуска титана позволяет удовлетворить потребности различных отраслей и обеспечивает его широкое распространение на рынке.

Достоинства и недостатки

Титан обладает рядом преимуществ, благодаря которым он стал одним из самых популярных материалов в различных отраслях промышленности и науки. К достоинствам титана относятся его высокая прочность, которая сравнима с прочностью стали, но при этом титан на 45% легче, что делает его идеальным материалом для авиационной и космической промышленности.

Кроме того, титан обладает выдающейся коррозионной устойчивостью, что позволяет ему успешно противостоять воздействию агрессивных химических веществ, солей и влаги. Это свойство делает титан незаменимым материалом для использования в химической промышленности, судостроении и строительстве, где коррозия является одним из основных факторов разрушения металлических конструкций.

Еще одним важным преимуществом титана является его биосовместимость. Титан не вызывает аллергических реакций и отторжения со стороны организма, что позволяет использовать его для производства медицинских протезов, имплантов и хирургических инструментов. Благодаря этим свойствам, титан зарекомендовал себя как материал для зуботехнических работ, ортопедии и кардиохирургии.

Однако у титана также есть некоторые недостатки, которые в некоторых случаях могут ограничить его применение. Главным недостатком титана является высокая стоимость производства, обусловленная сложностью добычи и обработки титановых руд, а также необходимостью использования специального оборудования. Это делает титан более дорогостоящим материалом по сравнению с некоторыми другими металлами, такими как алюминий и сталь.

Читать статью  ТОП-20 самых прочных и крепких металлов

Кроме того, титан имеет сложность обработки из-за его высокой прочности и твердости, что требует применения особого инструмента и условий при механической обработке. Также титан чувствителен к загрязнениям на поверхности, что может привести к снижению его свойств и коррозионной устойчивости. В связи с этим, при обработке титана и его сплавов, необходимо соблюдать высокие стандарты чистоты и технологической дисциплины.

Области применения

Запчасти из титана

Титан нашел широкое применение во многих отраслях, включая авиационную промышленность, медицину, электронику, зуботехнику и спортивное оборудование. В авиации титан используется в производстве двигателей, обшивки самолетов и других критически важных компонентов. В медицине титан применяется для изготовления протезов, имплантов и хирургических инструментов. Титан также используется в электронике, особенно в производстве полупроводников и микросхем, благодаря своим уникальным свойствам, таким как коррозионная устойчивость и высокая температурная стабильность. В зуботехнике титан применяется для изготовления коронок, мостов и других зубных протезов. В спортивном оборудовании титан часто используется для производства велосипедных рам, гольф-клюшек и теннисных ракеток.

Титан

Брусок кристаллического титана

Титан – лёгкий прочный металл серебристо-белого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой, температура полиморфного превращения α↔β 883 °C.Титан и титановые сплавы сочетают легкость, прочность, высокую коррозийную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур.

  1. Структура
  2. Свойства
  3. Запасы и добыча
  4. Происхождение
  5. Применение
  6. Классификация
  7. Физические свойства
  8. Оптические свойства
  9. Кристаллографические свойства

Смотрите так же:

хром

СТРУКТУРА

Кристаллическая структура кристалла

Кристаллическая структура кристалла

Титан имеет две аллотропические модификации. Низкотемпературная модификация, существующая до 882 °C, имеет гексагональную плотноупакованную решетку с периодами а = 0,296 нм и с = 0,472 нм. Высокотемпературная модификация имеет решетку объемноцентрированного куба с периодом а = 0,332 нм.
Полиморфное превращение (882 °C) при медленном охлаждении происходит по нормальному механизму с образованием равноосных зерен, а при быстром охлаждении – по мартенситному механизму с образованием игольчатой структуры.
Титан обладает высокой коррозионной и химической стойкостью благодаря защитной окисной пленке на его поверхности. Он не корродирует в пресной и морской воде, минеральных кислотах, царской водке и др.

СВОЙСТВА

Кристаллы титана

Точка плавления 1671 °C, точка кипения 3260 °C, плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 (20 °C) и 4,32 (900 °C) г/см³, атомная плотность 5,71×1022 ат/см³. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере.
Применяемый в промышленности технический титан содержит примеси кислорода, азота, железа, кремния и углерода, повышающие его прочность, снижающие пластичность и влияющие на температуру полиморфного превращения, которое происходит в интервале 865-920 °С. Для технического Титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 плотность около 4,32 г/см 3 , предел прочности 300-550 Мн/м 2 (30-55кгс/мм 2 ), относительное удлинение не ниже 25%, твердость по Бринеллю 1150-1650 Мн/м 2 (115-165 кгс/мм 2 ). Является парамагнетиком. Конфигурация внешней электронной оболочки атома Ti 3d24s2.

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей пленкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной). Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки 400 °C.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Кристаллы титана

Основные руды: ильменит (FeTiO3), рутил (TiO2), титанит (CaTiSiO5).

На 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO2. Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтвержденные запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603—673 млн т., а рутиловых — 49.7—52.7 млн т. Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта России) хватит более чем на 150 лет.

Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), достаточно равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн.

Читать статью  Самый прочный металл и легкий в мире

Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки — порошок диоксида титана TiO2. Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором, получая пары тетрахлорида титана их при 850 °C восстанавливают магнием.

Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Ильменитовые концентраты восстанавливают в электродуговых печах с последующим хлорированием возникающих титановых шлаков.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Титановая руда

Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре — 0,57 % по массе, в морской воде — 0,001 мг/л. В ультраосновных породах 300 г/т, в основных — 9 кг/т, в кислых 2,3 кг/т, в глинах и сланцах 4,5 кг/т. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство с Al2O3. Он концентрируется в бокситах коры выветривания и в морских глинистых осадках.
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 более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит CaTiSiO5. Различают коренные руды титана — ильменит-титаномагнетитовые и россыпные — рутил-ильменит-цирконовые.
Месторождения титана находятся на территории ЮАР, России, Украины, Китая, Японии, Австралии, Индии, Цейлона, Бразилии, Южной Кореи, Казахстана. В странах СНГ ведущее место по разведанным запасам титановых руд занимает РФ (58.5%) и Украина (40.2%).

ПРИМЕНЕНИЕ

Изделия из титана

Изделия из титана

Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Титан легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах. Из титановых сплавов изготовляют обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника и направляющего аппарата, крепеж.

Также титан и его сплавы используют в ракетостроении. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.

Технический титан из-за недостаточно высокой теплопрочности не пригоден для применения в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т.п. Только титан обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Из титана делают теплообменники, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостроении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении.

Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и дефицитностью титана.

Титан (англ. Titanium) – Ti

Молекулярный вес 47.88 г/моль
Происхождение названия Минерал получил своё название в честь титанов, персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи.
IMA статус подтвержден в 2010 году

КЛАССИФИКАЦИЯ

Strunz (8-ое издание) 1/A.06-05
Dana (7-ое издание) 1.1.36.1
Nickel-Strunz (10-ое издание) 1.AB.05

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Цвет минерала Серебристо-серый
Цвет черты серовато черный
Прозрачность непрозрачный
Блеск металлический
Спайность нет
Твердость (шкала Мооса) 4
Излом в зазубринах
Прочность податливый
Плотность (измеренная) 4.503 г/см 3
Радиоактивность (GRapi) 0
Магнетизм парамагнетик

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Люминесценция в ультрафиолетовом излучении не флюоресцентный

КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Точечная группа 6/mmm (6/m 2/m 2/m) – дигексагональный дипирамидальный
Пространственная группа P63/mmc
Сингония гексагональная
Параметры ячейки a=2,951 с=4,697 (α-Ti)

Источник https://mundshtuki.su/news/chto-takoe-titan/

Источник https://mineralpro.ru/minerals/titan/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *