Титан


Титан (лат. Titanium, обозначается символом Ti) — химический элемент с атомным номером 22 и атомной массой 47,90 побочной подгруппы четвертой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Титан имеет серебристо белую окраску, относится к легким металлам (он лишь немногим тяжелее алюминия, но значительно превосходит его в прочности). Ti довольно активный элемент, однако благодаря образованию на поверхности плотной защитной окисной пленки он обладает исключительно высокой стойкостью к коррозии (превышающей стойкость нержавеющих сталей) и другим агрессивным средам: азотной кислоте (при любой концентрации) и даже царской водке. Кроме того, титан не окисляется на воздухе и в морской воде.

Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов: 46Ti (7,95 %), 47Ti (7,75 %), 48Ti (73,45 %), 49Ti (5,51 %), 50Ti (5,34 %). Искусственно получено несколько изотопов, важнейшие из которых 45Ti период полураспада, которого составляет 3,09 часа, 51Ti с периодом полураспада 5,79 минуты.

Впервые титан был открыт Уильямом Мак-Грегором в 1791 году в песках Менакана (Крид, Корнуолл — Англия), с выраженными магнитно-железистыми свойствами. Однако это был не металл, а лишь его двуокись, которую Мак-Грегор назвал «менакеновой землей». Четырьмя годами позже великий немецкий химик Клапрот установил, что минерал рутил есть не что иное, как окисел того же металла, который открыл Мак-Грегор. Именно Клапрот дал название новому металлу — Титан. Третьим, кто независимо открыл титан, был французский химик Л. Воклен в 1805 году. Он обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз — идентичные окислы титана. Выделить же титан в чистом металлическом виде ученым не удавалось очень долго — до 1910 года, пока это не удалось сделать американскому ученому Хантеру. Однако металл, полученный американцем, содержал слишком много примесей и был пластичен лишь при повышенных температурах, при комнатных же температурах был хрупким и ломким. Чистый металл, свойства которого стало возможным изучать, был получен в 1925 году голландскими учеными Ван-Аркелем и де Буром.

Именно благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии титан — великолепный материал при изготовлении химической аппаратуры. Самое же главное применение этого металла и его сплавов основано на их высокой жаростойкости и жаропрочности, которые позволяют сохранять высокие механические свойства при повышенных температурах. Благодаря этим свойствам сплавы титана активно используются в самолето- и ракетостроении, а также в различных других областях машиностроения. Титан используется в качестве легирующего элемента в некоторых сплавах, например, с железом — ферротитан (20—50 % титан), который в металлургии качественных сталей и специальных сплавов служит легирующей добавкой и раскислителем. Титановые сплавы широко применяются в химической промышленности (реакторы, трубопроводы, насосы, трубопроводная запорная арматура); в медицине используются легкие сплавы (остеопротезы); в качестве конструкционных материалов (изготовление фюзеляжей и кабин высотных самолетов, защитной брони, лопаток газовых турбин и другое).

Диоксид титана TiO2 применяется при изготовлении тугоплавких стекол, глазури, эмали, жароупорной лабораторной посуды, кроме того, для изготовления белой масляной краски (титановые белила), которая обладает высокой кроющей способностью.

Кристаллы титаната бария BaTiO3 применяют в электрических конденсаторах высокой емкости и малых размеров, в ультразвуковой аппаратуре, в звуконосителях, в гидроакустических устройствах.

Биологические свойства


Несмотря на то, что титан один из самых распространенных металлов и его содержание в земной коре достаточно велико, в биосфере этот элемент в основном рассеян. Возможно, это объясняется тем фактом, что двадцать второй элемент слабый водный мигрант, так его содержание в морской воде всего 10-7 %. Однако, несмотря на это, титан постоянно находится в тканях животных и растений. В живых организмах первым титан обнаружил английский химик Г. Риз в 1835 году. Аналогичное открытие для растительных организмов принадлежит немецкому химику А. Адергольду (1852 год). В наземных растениях его концентрация примерно составляет 10-4 %, основные места накопления — в зернах, плодах, стеблях растений, поглощающих титан из почвы. В то время как в морских растениях этот показатель значительно выше: от 1,2·10-3 до 8·10-2 %. Так очень богата титаном водоросль кладофора (Clado-phora glomerata): содержание в ней этого элемента 0,03 % и даже выше. Что касается животных, то у позвоночных титан накапливается в роговых образованиях, перьях, шерсти, кроме того, концентраторами металла являются селезенка, щитовидная железа, надпочечники, плацента. Главный «концентратор» двадцать второго элемента из животного мира — жук навозник обыкновенный (0,0049 % на живой вес).

В организм человека титан в основном попадает с водой и пищей. Всасывание соединений титана в желудочно-кишечный тракт человека составляет всего 1—3 %. Ингаляционным путем (при вдыхании с воздухом) в организм поступает менее 1 %. Суточное поступление этого металла составляет приблизительно 0,85 мг, выводится он с мочой (0,33 мг) и калом (0,52 мг). Постоянно в человеческом организме находится до 20 мг двадцать второго элемента. Основным местом накопления титана является селезенка, затем следуют надпочечники и щитовидная железа, с годами концентрация металла в этих органах остается неизменной. В то время как в легких идет процесс постоянного накопления. Ученые подсчитали, что за 65 лет жизни в легких концентрация титана возрастает в сто раз! Считается, что повышенное содержание титана в легких обусловлено его поступлением с пылью. Достаточно высока концентрация титана в лимфоузлах.

Врачами установлено, что титан практически абсолютно безопасен для человеческого организма. Биологическая безвредность этого металла делает его превосходным материалом для изготовления оборудования для пищевой промышленности и в восстановительной хирургии (используется в остеопротезах). Изготовление медицинского инструмента и имплантантов в ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и нейрохирургии из титана и его сплавов обусловлено не только его биологической инертностью, но и высокой прочностью, легкостью, коррозионной стойкостью. Диоксид титана входит в состав некоторых медицинских препаратов, в частности мазей против кожных болезней и даже является пищевой добавкой E171!

Однако, несмотря на безопасность, вдыхание высоких концентраций (ПДК в воздухе рабочей зоны — 10 мг/м3) двуокиси титана вызывает раздражение легких у человека и животных. Симптомами этого процесса являются кашель, часто с мокротой и одышка. Постоянное воздействие оксидов титана приводит к его накоплению в легких (более 4 мг/кг сырого веса), а также в легочных (до 24 мг/кг сырого веса) и периферических (до 120 мг/кг сырого веса) лимфатических узлах. Такие процессы могут привести к развитию воспалений и даже к гранулематозу легких и плевры. Особенно опасно сочетание с другими реагентами — асбестовой пылью, силикатами, никелем или алюминием. При вдыхании четыреххлористого титана ярко выражены раздражения бронхо-легочной системы, что может привести к развитию трахеита и альвеолита.

Интересные факты


Известно, что титановые белила, изготовляемые из двуокиси титана, отличаются от свинцовых или цинковых белил не только экономичностью (ими можно покрыть в несколько раз большую поверхность), большей отражательной способностью, стойкостью к воздействию сероводорода, но и биологической безопасностью. Известен случай из медицинской практики, когда человек употребил почти полкилограмма двуокиси титана! Неизвестно, с чем он спутал ее, но этот «эксперимент» прошел для него безболезненно, не причинив никаких отрицательных ощущений.

Все знают о высокой способности титана сопротивляться коррозии. На пластине, изготовленной из этого металла, за десять лет нахождения в морской воде не появляется даже следов коррозии! За этот срок такая же пластина из железа полностью уничтожается коррозионными процессами, происходящими с металлом под воздействием агрессивной среды морской воды.

По причине чрезвычайной сложности извлечения титана из руд его цена весьма высока. Если принять стоимость титана в концентрате за единицу, то стоимость конечного титанового продукта (лист, штамповка и пр.) в сотни раз больше! Но даже при такой высокой стоимости изделий из титана, замена им более дешевых материалов во многих случаях оказывается экономически выгодной. Так, например, корпус химического аппарата, изготовленный из нержавеющей стали, стоит 1 000 рублей (условно), а из титанового сплава — 4 000 рублей. Однако срок службы нержавеющей стали полгода, а титанового сплава десять лет! В итоге если учесть затраты на замену стальных корпусов, потери с вынужденными простоями оборудования, то станет очевидной выгода более дорогого, но значительно надежного титана.

Относительно недавно геологи открыли в Северном Прибайкалье новый титансодержащий минерал, который был назван ландауитом в честь советского физика академика Л. Д. Ландау.

Ученые совместно с металлургами разработали материалы, которые, претерпев значительную деформацию на холоде, при нагревании вновь принимают первоначальную форму. Одним из таких сплавов является нитинол — интерметаллическое соединение титана и никеля, отличающееся высокой прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Проволоке из этого материала можно придать форму радиоантенны и сжать ее в небольшой шар. После нагревания этот шар снова вернется в первоначальную форму антенны! Кроме использования в технике данный сплав нашел применение и в медицине.

Однозначного мнения относительно происхождения названия двадцать второго элемента периодической системы нет до сих пор. Название было дано Клапротом в соответствии с его взглядами на химическую номенклатуру в противоположность французской химической школе, где элемент старались называть по его химическим свойствам. В свою очередь немецкий химик придерживался другой системы, которую применял ранее — подбор имен из мифологии. Именно в этом месте и находится «камень преткновения» для двух групп ученых, оспаривающих историю происхождения названия. Одни уверены, что металл получил своё имя в честь титанов, персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи и Урана. В пользу этого мнения говорит тот факт, что, ранее открытый Клапротом металл получил название урана, как бы предшественника титана, что подтверждает и древнегреческий миф. Другие ученые уверены, что Клапрот придерживался исключительно германской мифологии и при наименовании нового элемента имел в виду Титанию — королеву фей (жена Оберона в шекспировском «Сне в летнюю ночь»). В пользу данной версии говорит «легкость» (малая плотность) титана, сравниваемая с эфемерностью мира эльфов.

При изучении спектрального анализа солнца и атмосфер некоторых звезд учеными был обнаружен титан, причем в количествах преобладающих над другими элементами! Кстати, если на Земле титан существует главным образом в виде двуокиси TiO2, то в космосе, очевидно, в виде моноокиси TiO.

Ряд ядерных реакций возможен только в очень разряженной атмосфере, практически вакууме. Для создания таких разряжений обычно используются ртутные насосы, которые способны довести разряжение до нескольких миллиардных долей атмосферы. Однако этого недостаточно! Поэтому дальнейшую откачку воздуха производят при помощи титановых насосов, в дополнение к этому по внутренней поверхности камеры, где протекают реакции, распыляют мелкодисперсный титан, что приводит к созданию еще большего разряжения.

История


Титан имеет двух первооткрывателей, выявивших новый элемент независимо друг от друга с некоторой разницей по времени. Первым это сделал английский химик-любитель и минералог Уильям Мак-Грегор, который с неподдельным интересом изучал найденные им ископаемые. Исследуя свойства минерала менаканита (в настоящее время этот минерал именуется «ильменитом»), обнаруженного им в железистых магнитных песках Менакана (Англия), Мак-Грегору удалось выделить соединение неизвестного науке металла, который был назван «менакином». В 1791 году английский минералог публикуют статью с результатами своих исследований.

Четыре года спустя знаменитый немецкий химик Мартин Клапрот, при изучении красных песков, привезенных из Венгрии, содержащих минерал рутил, обнаруживает оксид ранее неизвестного металла. Этот новый элемент химик назвал «титаном». Существует две версии происхождения этого названия. Первая — основная, говорит о том, что название элемента происходит от титанов, могучих сыновей богини земли — Геи и бога неба — Урана (греческая мифология). Другая версия, не менее правдоподобная — элемент был назван в честь королевы альвов (эльфов) Титании из германской мифологии. В это время немецкий химик уже был знаком со статьёй Мак-Грегора и горел желанием проверить пески Корнуэлла. Такая возможность выпала ему два года спустя, результаты были поразительны — в черных корнуэлльских песках был обнаружен тот же оксид титана, что и в минерале, привезенном из Венгрии!

Однако, ни Мак-Грегор, ни даже Клапрот не получили чистый металлический титан. Полученный учеными белый кристаллический порошок был всего лишь двуокисью титана ТiO2. Долгие годы никому не удавалось выделить чистый металл. Где только не искали химики и минералоги чистый титан. Например, английский ученый У. Волластон заявил, что обнаруженные им в металлургическом шлаке кристаллы — чистый металлический титан. Более трех десятилетий этого никто не мог опровергнуть, лишь в 1856 году немецкий химик Ф. Вёлер установил, что эти кристаллы — металлоподобный карбонитрид — одно из соединений титана. Затем долгое время первенство в выделении чистого металлического титана принадлежало И. Берцелиусу, который в 1825 году получил якобы чистый титан при восстановлении фтортитаната калия металлическим натрием. Лишь позже, сравнивая чистый титан и продукт, полученный Берцелиусом, стало очевидно, что президент Шведской академии наук ошибался – ведь чистый титан без затруднений можно растворить в плавиковой кислоте, а вещество, полученное ученым, успешно сопротивлялось этому процессу.

Документально получение чистого металлического титана зафиксировано в работе русского химика Д.К. Кириллова – «Исследования над титаном», вышедшей в 1875 году. Однако, к сожалению, широкого резонанса данная работа малоизвестного русского ученого не вызвала. Достаточно чистый продукт (95 %) удалось получить химикам Л. Нильсону и О. Петерсону, которые восстанавливали четыреххлористый титан металлическим натрием в стальной герметической бомбе. Еще более чистый металл получил французский химик А. Муассан в 1895 году путем восстанавления двуокиси титана углеродом в дуговой печи с последующим подверганием полученного материала двукратному рафинированию. В итоге полученный металл содержал 2 % примесей (по большей части это был углерод).

Официально принято считать, что чистый металлический титан был получен в 1910 году американским химиком М. Хантером. Американец несколько модернизировал метод Петерсона и Нильсона, благодаря чему получил металл чистотой 99 %. Однако, даже небольшое содержание примесей (десятые доли процента) значительно ухудшало качества элемента № 22 — делали титан хрупким, непрочным, непригодным к механической обработке. По этой причине на первых этапах использования титана большей популярностью пользовались соединения этого элемента, а не чистый металл.

Пластичный, ковкий металл, который можно было прокатывать в листы, ленту или проволоку и даже фольгу удалось получить только в 1925 году нидерландцам ван Аркелю и де Буру иодидным способом. Чистота, полученного ими металла составили 99,9 %.

Нахождение в природе


В XIX веке титан считался очень редким элементом, кроме того то качество, которое удавалось достигать при его получении, не позволяло использовать этот металл в каких-либо областях производства. По этим причинам ученые того времени присвоили титану нелестное звание металла, абсолютно непригодного для использования. Таковым его считал и Дмитрий Иванович Менделеев — в своей работе «Основы химии», изданной в 1906 году. Лишь открытия и исследования XX века убедили химиков в обратном: титан — один из самых распространенных элементов на Земле! Среди других технически важных элементов только три считаются более распространенными, чем титан: железо, алюминий и магний. Содержание титана в недрах нашей планеты настолько велико (среднее содержание его в земной коре (кларк) составляет 0,57 % по массе), что в несколько раз превосходит запасы Cu, Zn, Pb, Au, Ag, платины, хрома, вольфрама, ртути, молибдена, висмута, сурьмы, никеля и олова, вместе взятых. Наибольшая концентрация титана наблюдается в основных породах, так называемой «базальтовой оболочке» (0,9 %), меньше в гранитных породах (0,23 %) и совсем мало в ультраосновных породах (0,03 %), незначительные концентрации двадцать второго элемента наблюдаются и в породах иного характера. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях, в свободном виде этот металл не встречается, он концентрируется в бокситах коры выветривания и в глинистых морских 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 около 70 минералов титана, в которых он находится в виде двуокиси или солей титановой кислоты. Наибольшее практическое значение имеют ильменит — метатитанат железа FeTiO3 (43,7—52,8 % содержания TiO2), рутил, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, анатаз и брукит (94,2—99,0 % TiO2), лейкоксен (56,3—96,4 % TiO2), лопарит (38,3-41,0 % TiO2), титанит (сфен) CaTiOSiO4 (33,7—40,8 % TiO2) перовскит CaTiO3 (38,7—58,9 % TiO2), манганотанталит MnTa2O6 и др.

Месторождения титановых руд делятся на магматические, экзогенные и метаморфогенные. Магматические месторождения связаны с ультроосновными, основными и щелочными породами, которые содержат от 7 до 32 % TiO2. Крупнейшие магматические месторождения известны в Канаде, США, России, Индии, ЮАР, Норвегии. К эгзогенным месторождениям титановых руд относят ильменитовые и рутиловые в корах выветривания (3—30 % TiO2); прибрежно-морские (как древние, так и современные) россыпи ильменита, рутила и лейкоксена (0,5—35 % TiO2); элювиально-делювиальные и аллювиальные россыпи ильменита (0,5—25 % TiO2). Нужно отметить, что прибрежно-морские россыпи являются основным промышленным типом титановых руд. Для них характерны пластовые и линзообразные залежи, мощность которых достигает нескольких десятков метров, прпотяженностью в десятки километров при ширине до нескольких километров. Такие россыпи встречаются в Австралии, Индии, России, Новой Зеландии, Бразилии и других странах с большой протяженностью морских и океанических границ. К метаморфогенным месторождениям относят песчаники с лейкоксеном (8—10 % TiO2); ильменит-магнетитовые в амфиболитах (12,2 % TiO2); рутиловые в гнейсах и др.

Титановые руды делятся на вкрапленные и сплошные, имеющие пластовую или жилообразные формы. Переходы между этими формами зачастую плавные. Кроме титана в рудах обычно содержатся Fe, V, Zr, Sc.

В биосфере титан в основном рассеян, этот металл является слабым водным мигрантом, поэтому его содержание в морской воде 1∙10-7 % (0,001 мг/л).

Применение


Еще не так давно титан считали редким и неперспективным металлом, однако, в наше время — он важнейший конструкционный материал. Это не случайно, ведь титан имеет ряд преимуществ перед другими конструкционными материалами: относительная легкость при высокой прочности, жаростойкости и значительном сопротивлении коррозии. Высокая прочность титана нашла применение в сплавах на его основе, ведь она превосходит прочность иных конструкционных материалов в широком коридоре температур: от -250 до 550 °С. Способность титана к сопротивлению коррозии сравнима с корзинной стойкостью сплавов благородных металлов, что делает двадцать второй элемент прекрасным материалом для изготовления химической аппаратуры. Этот элемент обладает и рядом других уникальных свойств, которые востребованы в промышленности, например высокая жаропрочность — способность сохранять высокие механические свойства при повышенных температурах — как самого титана, так и его сплавов с алюминием и другими металлами.

Большая часть выплавляемого металлического титана идет на сплавы, которые применяются в различных отраслях: авиа- и машиностроение, ракетостроение и морское судостроение. По областям применения и виду полуфабрикатов можно приблизительно подразделить сплавы на следующие группы: свариваемые сплавы преимущественно для листов (ОТ4, ОТ4-0, ОТ4-1, ВТ5-1, ВТ20, ВТ6С, ВТ14, ВТ15); сплавы повышенной прочности для штамповок (ВТ5, ВТ6, ВТ14, ВТ16, ВТ22); жаропрочные сплавы для штамповок (ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18). Например, сплав ВТ6С специально используется для изготовления баллонов высокого давления, все жаропрочные сплавы — для дисков, лопаток и прочих деталей компрессоров газотурбинных двигателей, сплав ВТ22 — для массивных нагруженных штамповок, сплав ВТ16 — для болтов. Для деталей повышенной прочности применяются сплавы ВТ6Л, ВТ9Л, ВТ20Л.

При высокой температуре титан соединяется с галогенами, кислородом, азотом, серой и другими элементами. На этом основано применение сплавов титана с железом (ферротитана — 20—50 % Ti) в качестве добавки к стали. Титан соединяется с находящимися в расплавленной стали азотом и кислородом и этим предотвращает выделение последних при затвердевании стали. В итоге литье получается однородным и не содержит пустот.

Соединяясь с углеродом, титан образует карбид. Из карбидов титана и вольфрама с добавкой кобальта получают сплавы, по твердости, приближающиеся к алмазу.

Диоксид титана TiO2 применяется при изготовлении тугоплавких стекол, глазури, эмали, жароупорной лабораторной посуды, а также для приготовления белой масляной краски, обладающей высокой кроющей способностью (титановые белила).

Кристаллы титаната бария BaTiO3 применяются в электрических конденсаторах высокой емкости и малых размеров, в ультразвуковой аппаратуре, в звукоснимателях, в гидроакустических устройствах.

Кроме того, титан используют при изготовлении арматуры, ёмкостей, трубопроводов, химических реакторов, насосов и многих других частей механизмов работающих в агрессивных средах. Титан используется для покрытия изделий из стали — титанирование (используется для повышения коррозионной стойкости). Благодаря биологической безвредности титан используется при изготовлении оборудования для пищевой промышленности, используется в восстановительной хирургии. Титан применяется в криогенной технике, так как его прочность в условиях глубокого холода повышается при сохранении хорошей пластичности.

Диборид титана — важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Титанат свинца PbTiO3 и ряд других титанатов — сегнетоэлектрики. Нитрид титана применяется для покрытия инструментов. Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки или покрытий.

Производство


Зачастую первоначальным сырьем для производства титана и его соединений является диоксид титана TiO2 со сравнительно небольшим количеством примесей. Как правило, это рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд, но в связи с малыми запасами рутила в мире, последнее время всё чаще применяются синтетический рутил или титановый шлак, которые производят в процессе переработки ильменитовых концентратов (содержание TiO2 до 60 % и FeO + Fe2O3 до 40 %). Так при получении титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговых печах при температуре свыше 1600° C, в печи загружается брикеты из ильменита или порошкообразная шихта, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а невосстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. На выходе получают концентрацию титана в шлаке от 96,0 до 98,5 %, а концентрация железа в чугуне доходит до 97 %. Кроме титана в виде диоксида шлак содержит различные примеси: FeO (2,5—6,5 %), MgO (2—6 %), SiO2 (2,7—5,5 %), СаО, МnО и другие. Затем обогащенный шлак перерабатывают хлоридным (пирометаллургический метод) или сернокислотным способами.

При сернокислотной обработке концентрат подвергают разложению серной кислотой H2SO4, затем выщелачивают водой и гидролизуют полученные окси-сульфаты титана, что приводит к образованию гидроксида титана, который в свою очередь прокаливают до оксида в виде порошка, который и является конечным продуктом данного метода — ТiO2. Побочным продуктом сернокислотного метода является FeSO4·7Н2О.

Основным и наиболее распространенным способом получения титана считается метод, разработанный в 1940 году американским ученым У. Кролем — пирометаллургический или магниетермический метод. Первая стадия данного процесса — спекание ильменитовых концентратов с коксом или антрацитом (они необходимы для связывания кислород оксидов в смесь СО и СО2, а также для поддержания равновесия процесса) с последующим хлорированием титанового шлака:

TiO2 + С + 2Сl2 → TiCl4 + CO2

Процесс проходит в шахтных электропечах либо в реакторах (с солевым расплавом или кипящего слоя) при температурах 800—1250 °C. Причем удельная производительность реакторов выше, чем шахтных печей. Перед хлорированием непосредственно в печах концентрат либо титановый шлак смешивают с нефтяным коксом и прочими связующими добавками, после чего полученную смесь брикетируют и прокаливают. При других варрантах — хлорирование в расплаве солей щелочных металлов NaCl и KCl — не требуется брикетирования порошкообразной шихты. Реакционные газы из хлораторов направляют на очистку в солевых фильтрах, а затем на конденсацию TiCl4.

Следующая стадия — очистка TiCl4 от примесей может проводиться несколькими методами с применением различных веществ. Четыреххлористый титан в обычных условиях представляет собой жидкость с температурой кипения 136 °C. Разорвать связь титана с хлором легче, чем с кислородом. Это можно сделать с помощью магния:

TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2

Данная реакция проходит в стальных герметичных ретортах при температуре 900° C. Образуется «титановая губка», которую пропитывают магний и хлорид магния, их испаряют в герметичном вакуумном аппарате при 950 °C, а титановую губку затем измельчают и спекают или переплавляют в вакуумных дуговых печах на слитки с введением легирующих добавок, если требуется получить сплав.

Другой распространенный в промышленности метод получения металлического титана — натриетермический — незначительно отличается от магниетермического.

Повышают чистоту полученного титана при помощи иодидного метода, разработанного ван Аркелем и де Буром. Металлотермический губчатый титан переводят в иодид TiI4, который в последствии возгоняют в вакууме. На своем пути пары иодида титана встречают раскаленную до 1400 °C титановую проволоку, иодит разлагается, а на проволоке нарастает чистый титан. Так как этот процесс довольно дорог и малопроизводителен, он все реже применяется в промышленности. В наше время предпочтение отдают другим способам, например, электролизу.

Физические свойства


В свободном виде титан получили, как мы знаем, в конце XIX века, однако этот металл содержал такое количество примесей, что был признан негодным для производства. По этой же причине ученые не сочли необходимым досконально заняться исследованием этого нового элемента. Кроме того, титан, содержавший большое количество посторонних элементов имел совершенно другие свойства в сравнении с металлом, полученным ван Аркелем и де Буром в 1925 году. Металлический титан высокой степени чистоты (99,9 % и выше) относится к типичным металлам — легкий серебристо-белого цвета, ковкий (это свойство сохраняется даже при низких температурах), довольно легко прокатывается в листы, проволоку, ленту и даже в тончайшую фольгу. Научные изыскания последних десятилетий всё больше и больше обнаруживают потрясающих свойств у двадцать второго элемента периодической системы Д. И. Менделеева. Исследования физико-химических свойств металлического титана привели к необычайным результатам — титан практически вдвое легче железа (плотность титана 4,5 г/см3), но при этом по прочности он превосходит многие стали. Даже в сравнение с таким важным промышленным металлом, как алюминий, титан выигрывает по ряду технологических признаков: он всего в полтора раза тяжелее алюминия, однако в шесть раз прочнее (предел прочности 256 Мн/м2 или 25,6 кгс/мм2). Кроме того, эта прочность сохраняется и при повышении температуры до 500 °C, а если добавлять в сплав легирующие элементы, то прочность можно сохранить и при температурах до 650 °C, в то время как прочность алюминиевых и магниевых сплавов резко падает уже при 300 °C! Еще одно уникальное свойство титана, применяемое в промышленности — высокая твердость (твердость по Бринеллю 1000 Мн/м2 или 100 кгс/мм2) данного элемента: он в двенадцать раз тверже алюминия, в четыре раза — железа и меди. В машиностроении очень важен такой показатель, как предел текучести металла: чем он выше, тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам, тем дольше они сохраняют свои формы и размеры. Предел текучести у титана почти в восемнадцать раз выше, чем у алюминия. Титан удивительный элемент — в отличие от большинства металлов он обладает значительным электросопротивлением (температурный коэффициент электросопротивления 0,0035 при 20 °С): если условно электропроводимость серебра принять за 100, электропроводимость меди 94, алюминия — 60, железа и платины — 15, то у титана этот показатель составит всего 3,8. Это свойство и немагнитность (удельная магнитная восприимчивость 3,2·10-6 при 20 °С) двадцать второго элемента представляют немаловажный интерес для радиоэлектроники и электротехники. Одно из свойств, препятствующее механической обработке – это высокая вязкость титана, благодаря которой этот металл, как бы «налипает» на режущий инструмент в процессе обработки. По этой причине требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

Титан существует в двух кристаллических модификациях: α-Титан с гексагональной плотноупакованной решёткой (а = 2,951Å, с = 4,679Å; z=2) устойчив при температурах ниже 882,5° C. β-Титан существует при температурах выше указанной для α-формы и имеет кубическую объемно-центрированную решетку (а = 3,269Å). Наличие примесей, либо легирование значительно влияет на изменение температуры α—β превращения. Как говорилось ранее плотность титана 4,5 г/см3 — это показатель α-формы при температуре 20° C, но уже при температуре 870° C плотность снижается до 4,35 г/см3. Температура плавления титана 1668° C, температура кипения 3227° C. Теплопроводность для данного элемента в интервале комнатных температур составляет 22,065 вт/(м·К) или 0,0527 кал/(см·сек·°С). Теплоемкость титана 0,523 кдж/(кг·К) или 0,1248 кал/(г·°С).

Химические свойства


Титан является переходным компонентом, а для них характерна переменная валентность, обычно двадцать второй элемент встречается в двух-, трех- и четырехвалентном состояниях. Есть сообщения в научной литературе и о других валентных состояниях титана (более высоких), однако каких-либо доказательств в пользу этих предположений не приводится. Чаще всего титан образует четырехвалентные соединения, но возможны и соединения всех прочих валентностей.

Химическая активность данного элемента зависит от температуры, так при повышенных температурах металл взаимодействует с другими элементами значительно активнее. Известно, что при высоких температурах титан энергично взаимодействует с атмосферными газами, что вызывает необходимость работы в атмосфере инертных газов при горячей обработке данного металла и защиты поверхностей в условиях высоких рабочих температур. Образование окалины при взаимодействии металла с атмосферными газами на поверхности титана начинается при температурах свыше 500 °C, дальнейшее повышение температуры и времени выдержки приводит к диффузии — проникновению газов в решетку металла. Окисление двадцать второго элемента приводит к возникновению ряда окислов: амфотерную двуокись титана TiO2, закись TiO и окись Ti2O3, имеющие основной характер, а также некоторые промежуточные окислы и перекись TiO3. Каждый из оксидов имеет свой цветовой оттенок благодаря образующейся на поверхности металла пленке, которая отливает на свету всеми цветами радуги. Несмотря на начало окисления титана уже при 500 °C, нагрев даже до 700 °C не приводит к активной диффузии газов в тело металла. На воздухе воспламенение титана происходит при температуре 1 200 °C, однако, в потоке чистого кислорода металл воспламеняется уже при температуре немногим выше 600 °C. Возгораясь, титан дает яркое свечение, такое же свойство присуще и горению в атмосфере азота при температуре 815 °C. С азотом титан взаимодействует также активно, как и с кислородом. Это взаимодействие приводит к образованию желто-коричневой нитридной пленки на поверхности титана. Разница лишь в том, что проникновение азота в структуру титана происходит на ограниченную глубину.

Соляная и серная кислоты (при комнатной температуре) слабо взаимодействуют с металлом, однако, при нагреве происходит усиленное растворение металла с образованием низших хлоридов или моносульфата. Данная реакция сходна с взаимодействием титана с плавиковой кислотой, однако менее токсична. До конца не изучены реакции, происходящие при взаимодействии титана с хлорной кислотой. Она используется при электрополировании титановых поверхностей и для химического анализа. Фосфорная кислота реагирует с титаном при температуре несколько выше комнатной, но вследствие образования нерастворимых фосфатов титана применение ее не нашло широкого распространения. Азотная кислота слабо взаимодействует с титаном, другие неорганические кислоты не оказывают коррозионного воздействия на металл.

Титан активно взаимодействует с водородом, причем реакция начинается при температурах немногим превышающих комнатную. Взаимодействие заключается в активном поглощении водорода титаном — 1 г титана способен поглотить до 400 см3 водорода. При малых концентрациях газа, его атомы внедряются в решетку металла, при высоких концентрациях происходит образование гидрида TiH. Высокая концентрация водорода в титане приводит к образованию хрупких сплавов, непригодных к использованию в промышленности. Однако растворимость водорода в титане является обратимой, и этот газ можно удалить почти полностью отжигом в вакууме.

Нагретый титан разлагает пары воды и двуокись углерода. При температуре выше 800° C титан взаимодействует с парами воды, что сопровождается образованием окисла металла и улетучиванием водорода. При еще более высоких температурах горячий металл способен поглощать углекислый газ с образованием окисла и карбида.

Известно, что жидкий титан имеет большое химическое сродство к углероду, однако эта примесь негативно сказывается на свойствах титана и его сплавов, вследствие чего, необходимо по возможности снижать концентрацию углерода в титановых сплавах. В то же время, получаемый при температуре 1760 °C карбид титана TiC, активно используется при изготовлении быстрорежущих и износостойких инструментов.