Титан (Ti)

[titanium] — элемент IV группы Периодической системы; атомный номер 22; атомная масса 47,90; серебристо-белый, относится к легким металлам.
Природный Ti состоит из смеси пяти стабильных изотопов: ⁴⁶Ti (7,95 %), ⁴⁷Ti (7,75 %), ⁴⁸Ti (73,45 %), ⁴⁹Ti (5,51 %) и ⁵⁰Ti (5,34 %). Известны искусстенные радиоактивные изотопы ⁴⁵Ti (T_1/2 = 3,09 ч), ⁵¹Ti (T_1/2 = 5,79 мин) и др. Металлический Ti был получен лишь в 1910 г. американским ученым М. А. Хантером нагреванием TiCl₄ с Na в герметичной стальной капсуле, однако он был хрупким при комнатной температуре из-за высокого содержания примесей. В 1925 г. нидерладские ученые А. Ван-Аркел и Н. де Бур методом термической диссоциации Til получили металл высокой чистоты, пластичный при низких температураx. Ti — один из распространенных элементов, среднее содержание его в земной коре (кларк) 0,57 мас. % (среди конструкционных металлов занимает 4-е место, после Fe, Al и Mg). Известно 67 минералов Ti; важнейшие — ильменит (43,7 — 52,8 % TiO₂), рутил, анатаз и брукит (94,2-99,0 %), лейкоксен (56,3-96,4 %), лопарит (38,3-41,0 %), титанит (33,7-40,8 %), перовскит (38,7-58,9 %) и титаномагнетит. Ti существует в двух аллотропных модификациях: ниже 882,5 °С устойчив α-Ti с гексагональной плотноупакованной решеткой (а = 295,1 пм, с = 467,9 пм), выше 882,5 °С β-Ti с ОЦК решеткой (а = 326,9 пм). Плотность α-Ti (20 °С) 4,505 г/см³, β-Ti (900 °С) 4,32 г/см³; t_пл = 1668 °С; t_кип = 3227 °С, λ = 22,065 Вт/(м • К); α_{20 °С} = 8,5-10^-6 К^-1; с = 523 Дж/(кг-К); ρ₂₀= 42,1 • 10^-6 Ом • см; сверхпроводник при < 0,38 К, парамагнитен, μ₂₀ = 3,2 • 10^-6, σ_т ≈ 260 МПа, δ = 72 %, твердость по Бринеллю около 1 ГПа, E =108 ГПа. Металл высокой чистоты обрабатывается давлением при комнатной температуре.
Чистый Ti — химически активный переходный элемент, в соединениях имеет степень окисления +4, реже +3 и +2. С кислородом воздуха взаимодействует при t > 600 °С с образованием TiO₂. Ti поглощает атмосферные газы и H₂, образуя хрупкие сплавы, непригодные для практического использования; при активировании поверхности H₂ поглощается уже при комнатной температуре. С азотом Ti реагирует при t > 400 °С и образует нитриды типа TiN. Ti энергично взаимодействует с сухими галогенами. Металл устойчив в HNO₃ любой концентрации, в слабых (<5 мас. %) растворах H₂SO₄. Ti реагирирует с кислотами: НСl, HF, H₂SO₄, а также с горячими органическими: щавелевой, муравьиной и трихлоруксусной. Ti коррозионно стоек на воздухе до 500 — 550 °С, в морских воде и атмосфере, во влажном хлоре, хлорной воде, в растворах хлоридов, в разных технологических растворах и реагентах, примен. в химической, нефт., бум. промышленности и других отраслях, а также в гидрометаллургии. Ti образует с С, В, Se, Si металлоподобные соединения, отличающиеся тугоплавкостью и высокой твердостью. Известен карбид TiC (t_пл = 3140 °С), нитрид TiN (t_пл = 2950 °С), силициды TiSi₂, Ti₅Si₃, TiSi и бориды TiB, Ti₃B₅, TiBr₂. Высокая химическая активность Ti обусловлена сложностью технологической схемы его получения. Исходную руду обогащают, комбинируя гравитацию, флотацию, магнитную и электрическую сепарацию с выделением Ti-, Fe-нерудных и других концентратов, хвостов, шламов. Fe-Ti-концентраты (в основном ильменитовые) подвергают восстановительной плавке в руднотермических печах мощностью от 7,5 до 22 МВА — наиболее эффективному методу разделения Fe и ТiO₂ с получением двух товарных продуктов — Ti-шлака, содержащего 70-90 % ТiO₂, и микролегированного чугуна. Для Ti-шлаков используют углеродные восстановители: кокс, Ar, Не) — губчатый Ti и MgCl₂. Процесс ведут циклически, его продолжительность зависит от загрузки Mg. Производительность реактора восстановления достигает 3 т/цикл. Губчатый Ti магниетермического восстановления очищается в аппаратах вакуумной сепарации, а натриетермический Ti подвергают более высокопроизводительноной и экономичной гидрометаллургической обработке. Отсепарированную и упакованную в герметичную тару Ti-губку направляют для переработки в компактный металл. Переплав в слитки с одновременным легированием Al, Cr, Мо, Mn, V и др. проводят в вакуумно-дуговых печах с нерасходуемым (графитным) или расходуемым (титановым) электродами. В ряде случаев для производства изделий из Ti и его сплавов выгодны методы порошковой металлургии. Для получения особо тонких порошков (например, для радиоэлектроники) используют восстановление TiO₂ гидридом Са.
Основное преимущество Ti в сравнении с другими конструкционными материалами: сочетание высокой удельной прочности и коррозионной стойкости. Основная часть Ti расходуется на нужды авиационно-космической и ракетной техники и морского судсостроения. (Смотри также Титановые сплавы). Сплавы Ti с Fe (ферротитан) используется в металлургии качественных сталей и сплавов как микролегирующие добавки и раскислители. Технический Ti идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов и других изделий, работающих в агрессивных средах, например, в химическом машиностроении. Биологическая безвредность Ti делает его превосходным материалом для изготовления оборудования для пищевой промышленности и восстановительной хирургии. Ti хорошо полируется, анодирируется и поэтому использ для изготовления художественных изделий, в т.ч. и монументальной скульптуры. Из соединений Ti практическое значение имеют оксиды, галогениды, силициды, карбиды и бориды Ti:

Смотри также: