khimie.ru

В периодической системе химических элементов под номером 22 размещается титан. Очень долго этот металл был «бездействующий» и только за последние 20 лет он стал одним из важнейших материалов новой техники. Его называют металлом сверхзвуковых скоростей и межпланетных путешествий.

Элемент № 22 открывали дважды. Впервые (в 1789 г.) его обнаружил в минерале ильменита английский священник Грегор, который занимался исследованиями по химии и минералогии. А впоследствии (в 1795 г.) независимо от Грегора немецкий химик Мартин Генрих Клапрот, исследуя минерал рутил, установил, что это оксид еще неизвестного элемента. Ученый назвал его титаном в честь мифологических Титанов — детей бога Неба (Урана) и богини Земли (Геи).

В свободном состоянии титан добыл И. Берцелиус лишь в 1825 г., но это был довольно загрязненный металл. Только в 1925 г. удалось впервые добыть титан высокой чистоты.

Еще недавно титан считали редким металлом, но оказалось, что это не так. В земной коре насчитывается около 120 различных минералов этого элемента. Наиболее важные из них: рутил ТiО₂, сфен Са(ТіО)SiO₄, ильменит FеТіО₃(FеО∙ТіO₂), перовскит СаТiO₃. Огромные запасы титанового сырья обнаружены в Австралии, Африке, Бразилии. Канаде, Индии. С помощью спектрального анализа удалось выявить титан на совке и звездах. Химические анализы лунных пород и минералов, проведенные советскими, американскими учеными, показывают, что на Луне титан — чрезвычайно распространенный химический элемент.

Как же добывают титан? Сначала с титановой руды выделяют диоксид титана. Затем его смешивают с коксом и образованную шихту хлорируют в электропечах при температуре 800-1000 °С, а образованный тетрахлорид титана ТiСl₄ отгоняют и тщательно очищают. Чистый ТiСl₄, — бесцветная, летучая жидкость, которая очень дымит на воздухе. Теперь остается провести важнейшую операцию — добыть металлический титан. А для этого надо отделить его от хлора. В аппарате, изготовленном из нержавеющей стали, при температуре 800-900 °С в среде аргона газообразный тетрахлорид титана реагирует с расплавленным магнием:

ТіС1₄ + 2Мg = Ті + 2МgСl₂.

Вследствие этой реакции образуется металлический титан в виде губки, которая пропитана магнием и его хлоридом. Если же нагревать губку в вакууме при температуре 950 °С, то магний и его соль испаряются. Очищенную таким способом титановую губку переплавляют в вакуумных электродуговых печах и добывают компактный металл. Следует заметить, что процесс изъятия титана з руды и извлечения чистого металла сложный и тяжелый. Поэтому неудивительно, что титан все еще достаточно дорог конструкционный металл, хотя стоимость его в года в год снижается.

На юге Украины на берегах могучего Славутича раскинулось индустриальное Запорожье. День и ночь работают его огромные заводы. Этот город называют «металлургической Меккой», потому что сюда со всего мира приезжают металлурги учиться варить сталь и выплавлять «крылатый металл» алюминий. Далеко славится и запорожский титан. Производят его на Запорожский титаномагниевый комбинат. В Запорожье создан и научно-исследовательский институт титана, работающий в тесной связи с производством.

Внешнему виду титан напоминает сталь. Чистый титан пластичный, хорошо куется, сваривается и вальцюеться. Это позволяет изготавливать из титана жесть, фольгу и проволоку. Титан — трудноплавкий металл. Температура его плавления — 1070 °С, а плотность — 4,5, в 1,7 раза выше плотности алюминия. Титан своей прочностью в шесть раз превышает алюминий. Титан — достаточно твердый металл. Твердость его в 12 раз больше твердость алюминия и в 4 раза — за твердость железа. Поскольку металлы пластичны, то при высоких нагрузках детали машин и механизмов могут деформироваться — «течь». Чем больше металл сопротивляется внешним нагрузкам, тем дольше детали сохраняют свою форму и размеры, а следовательно, тем выше у такого металла предел текучести, как говорят конструкторы. Оказалось, что предел текучести у титана в 18 раз выше, чем у алюминия и в 2,5 раза — чем у железа.

При обычных условиях титан — химически пассивный металл и поэтому чрезвычайно устойчив к коррозии. Его хорошо растворяет только фтороводнева кислота, а соляная и азотная кислоты медленно действуют на титан только при нагревании. На воздухе титан устойчив, а при нагревании до 400-550 °С поверхность металла покрывается плотной пленкой оксида и нитрида титана, которая прочно удерживается и защищает металл от дальнейшего окисления. За высокую коррозионную стойкость титана некоторые ученые называют его «вечным металлом».

Благодаря таким качествам титан стал важнейшим конструкционным материалом. В основном он применяется в авиа- и ракетостроении. При сверхзвуковых скоростях полета корпус реактивного самолета сильно нагревается от трения о воздух. По его препятствием становится так называемый тепловой барьер. Вот почему уже при температуре нагрева 300 °С алюминий может не выдержать, поскольку его прочность при этом резко падает. А титан сохраняет свою прочность при 500 °С, а то и выше. Итак, реактивный самолет с титановым корпусом сможет развивать чрезвычайно высокую скорость. Известно также, что значительную часть массы реактивного самолета составляет его двигатель. Если же заменить все стальные болты, гайки и другие детали в двигателях на титановые, то масса таких двигателей, а следовательно, и самолетов резко уменьшится. Вследствие этого расход топлива значительно сократится, скорость, дальность и высота полета намного возрастут.

Титан стал незаменимым и в ракетостроении. Из крепких и жаростойких титановых сплавов изготавливают корпуса ракет и космических кораблей, а также резервуары для жидкого кислорода в ракетных двигателях. В титановых баллонах хранят также сжатые газы.

Титановыми плитками облицованы обелиск на честь покорителей космоса, построенный в Москве, потому отполированный титан никогда не потускнеет на воздухе. Этот величественный обелиск, стремительно взлетает в небо, не только символизирует всемогущую силу человеческого Гения, но и напоминает о том, что титан помог Человеку выйти на космические трассы.

Порошкообразный титан хорошо впитывает газы, в частности водород, азот и кислород, а потому широко используется в вакуумной и электровакуумные технике. Ведь известно, что сверхвысокого вакуума не удается достичь даже с помощью самых совершенных насосов и тут пришел на помощь титан. Оказалось, что охлажденный до температуры жидкого азота титановый порошок увеличивает способность впитывать газы в десятки раз. Такой титан называют «азотитом» и широко используется для создания глубокого вакуума в современных приборах.