Андрей Смирнов
Время чтения: ~15 мин.
Просмотров: 0

Титан (элемент)

Состав и поверхность спутника Титан

Титан отличается большей плотностью из-за гравитационного сжатия. Его показатель в 1.88 г/см3 намекает на равное соотношение водяного льда и каменистого материала. Внутри делится на слои со скалистым ядром, охватывающим 3400 км. Исследование Кассини в 2005 году намекнуло на возможное присутствие подземного океана.

Полагают, что жидкость Титана состоит из воды и аммиака, что позволяет фиксировать жидкое состояние даже при температурной отметке в -97°С.

Внутреннее строение Титана

Поверхностный слой считается относительно молодым (от 100 млн до 1 млрд. лет) и выглядит гладким с ударными кратерами. Высота меняется на 150 м, но может достигать и 1 км. Считается, что на это повлияли геологические процессы. К примеру, на южной стороне сформировался горный хребет с протяжностью в 150 км, шириной – 30 км и высотой – 1.5 км. Заполнен ледяным материалом и слоем метанового снега.

Патера Сотра – горная цепь, вытягивающаяся в высоту на 1000-1500 м. Некоторые вершины наделены кратерами и кажется, что у основания скопились замороженные лавовые потоки. Если на Титане есть активные вулканы, то они спровоцированы поступающей от радиоактивного распада энергии.

Некоторые считают, что перед нами геологически мертвое место, а поверхность создалась из-за кратерных ударов, потоками жидкости и ветровой эрозии. Тогда метан поступает не из вулканов, а выделяется из холодного лунного интерьера.

Среди кратеров спутника Титана выделяется 440-километровый двухзонный ударный бассейн Минерва. Его легко найти по темному узору. Также есть Синлап (60 км) и Кса (30 км). Радарный обзор сумел отыскать кратерные формы. Среди них 90-километровое кольцо Гуабонито.

Ученые теоретизировали о наличии криовулканов, но пока на это намекают лишь поверхностные структуры с протяжностью в 200 м, которые смахивают на лавовые потоки.

Дюны Титана, запечатленные радарным обзором

Каналы могут намекать на тектоническую активность, а значит перед нами молодые формирования. Или же это старая местность. Можно отыскать темные участки, являющиеся пятнами водяного льда и органических соединений, показывающихся в УФ-обзор.

История открытия металла

Всё началось в 1791 году, когда, независимо друг от друга, одновременно У. Грегор (Англия) и М. Г. Клапрот (Германия) получили двуокись титана, но не сумели выделить из неё чистое вещество. Минералог и, по совместительству, сельский священник Грегор изучал чёрный железистый песок, найденный в окрестностях своего прихода. Результатом стало извлечение соединения титана — блестящих крупиц, которые названием «менакин» (от минерала менаканит) увековечили родные места англичанина.

Примерно в это же время химик Клапрот, изучая красные пески, привезённые из Венгрии, нашёл в минерале рутиле новое вещество и назвал его «титан». А, спустя несколько лет, доказал, что рутил и менакеновая земля — одинаковые соединения. В 1825 году шведским химиком Берцелиусом был получен первый образец металлического титана, но это не позволило продвинуться в исследовании свойств, так как примеси делали образец хрупким и неподходящим для механической обработки.

Только в 1925 году голландские химики ван Аркел и де Бур, применив термическое разложение иодида титана, не нашедшее широкого использования, получили вещество с 99,9% чистотой. Такой металл обладал пластичностью, его можно было раскатывать в листы, проволоку и фольгу

Это позволило начать полномасштабное изучение физических и химических свойств, привлечь внимание инженеров и строителей, наметить сферы применения. А уже в 1940 году появился кролловский процесс восстановления четырёххлористого титана магнием, успешно используемый и до сих пор

Свойства и применение титановых сплавов

Ниже представлен обзор наиболее часто встречающихся титановых сплавов, которые делятся на классы, их свойства, преимущества и промышленные применения.

7 класс

Класс 7 механически и физически эквивалентен классу 2 чистого титана, за исключением добавления промежуточного элемента палладия, что делает его сплавом. Он обладает превосходной свариваемостью и эластичностью, наиболее коррозионной стойкостью из всех сплавов этого типа.

Класс 7 используется в химических процессах и компонентах производственного оборудования.

11 класс

Класс 11 очень похож на класс 1, за исключением добавления палладия для повышения коррозионной стойкости, что делает его сплавом.

Другие полезные свойства включают оптимальную пластичность, прочность, ударную вязкость и отличную свариваемость. Этот сплав можно использовать особенно в тех случаях, когда коррозия вызывает проблемы:

  • химическая обработка;
  • производство хлоратов;
  • опреснение;
  • морские применения.

Ti 6Al-4V, класс 5

Сплав Ti 6Al-4V, или титан 5 класса, наиболее часто используется. На его долю приходится 50% общего потребления титана во всём мире.

Удобство использования заключается в его многочисленных преимуществах. Ti 6Al-4V может подвергаться термообработке для повышения его прочности. Этот сплав обладает высокой прочностью при малой массе.

Это лучший сплав для использования в нескольких отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая, медицинская, морская и химическая перерабатывающая промышленность. Его можно использовать при создании:

  • авиационных турбин;
  • компонентов двигателя;
  • конструктивных элементов самолёта;
  • аэрокосмических крепёжных изделий;
  • высокопроизводительных автоматических деталей;
  • спортивного оборудования.

Ti 6AL-4V ELI, класс 23

Класс 23 — хирургический титан. Сплав Ti 6AL-4V ELI, или класс 23, является версией более высокой чистоты Ti 6Al-4V. Он может быть изготовлен из рулонов, нитей, проводов или плоских проводов. Это лучший выбор для любой ситуации, когда требуется сочетание высокой прочности, малой массы, хорошей коррозионной стойкости и высокой вязкости. Он обладает превосходной устойчивостью к повреждениям.

Он может использоваться в биомедицинских применениях, таких как имплантируемые компоненты из-за его биосовместимости, хорошей усталостной прочности. Его также можно использовать в хирургических процедурах для изготовления таких конструкций:

  • ортопедические штифты и винты;
  • зажимы для лигатуры;
  • хирургические скобы;
  • пружины;
  • ортодонтические приборы;
  • криогенные сосуды;
  • устройства фиксации кости.

12 класс

Титан класса 12 обладает отличной высококачественной свариваемостью. Это высокопрочный сплав, который обеспечивает хорошую прочность при высоких температурах. Титан класса 12 обладает характеристиками, подобными нержавеющим сталям серии 300.

Его способность формироваться различными способами делает его полезным во многих приложениях. Высокая коррозионная стойкость этого сплава также делает его неоценимым для производственного оборудования. Класс 12 можно использовать в следующих отраслях:

  • теплообменники;
  • гидрометаллургические применения;
  • химическое производство с повышенной температурой;
  • морские и воздушные компоненты.

Ti 5Al-2,5Sn

Ti 5Al-2,5Sn — это сплав, который может обеспечить хорошую свариваемость с устойчивостью. Он также обладает высокой температурной стабильностью и высокой прочностью.

Ti 5Al-2,5Sn в основном используется в авиационной сфере, а также в криогенных установках.

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%).

Обнаружение и имя спутника Титан

В 1655 году Христиан Гюйгенс заметил спутник. На это открытие его вдохновили находки Галилея возле Юпитера. Поэтому в 1650-х гг. он занялся разработкой своего телескопа. Сначала его называли просто Спутник Сатурна. Но позже Джованни Кассини найдет еще 4, поэтому его именовали по позиции – Сатурн IV.

Телескоп, с которым Уильям Гершель наблюдал за Ураном

Современное наименование досталось от Джона Гершеля в 1847 году. В 1907 году Хосел Комас Сола отслеживал потемнение Титана. Это эффект, когда центральная часть планеты или звезды кажется намного ярче края. Это стало первым сигналом к обнаружению атмосферы на спутнике. В 1944 году Джерард Койпер применил спектроскопический прибор и нашел метановую атмосферу.

Физические свойства

Титан — лёгкий серебристо-белый металл. При нормальном давлении существует в двух кристаллических модификациях: низкотемпературный α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (гексагональная сингония, пространственная группа C6mmc, параметры ячейки a = 0,2953 нм, c = 0,4729 нм, Z = 2) и высокотемпературный β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой (кубическая сингония, пространственная группа Im3m, параметры ячейки a = 0,3269 нм, Z = 2), температура перехода αβ 883 °C, теплота перехода ΔH=3,8 кДж/моль (87,4 кДж/кг). Большинство металлов при растворении в титане стабилизируют β-фазу и снижают температуру перехода αβ. При давлении выше 9 ГПа и температуре выше 900 °C титан переходит в гексагональную фазу (ω-Ti). Плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 г/см³ (при 20 °C) и 4,32 г/см³ (при 900 °C). Атомная плотность α-титана 5,67⋅1022 ат/см³.

Температура плавления титана при нормальном давлении равна 1670 ± 2 °C, или 1943 ± 2 К (принята в качестве одной из вторичных калибровочных точек температурной шкалы ITS-90 (англ.)русск.). Температура кипения 3287 °C. При достаточно низкой температуре (-80 °C) , титан становится довольно хрупким. Молярная теплоёмкость при нормальных условиях Cp = 25,060 кДж/(моль·K), что соответствует удельной теплоёмкости 0,523 кДж/(кг·K). Теплота плавления 15 кДж/моль, теплота испарения 410 кДж/моль. Характеристическая дебаевская температура 430 К. Теплопроводность 21,9 Вт/(м·К) при 20 °C. Температурный коэффициент линейного расширения 9,2·10−6 К−1 в интервале от −120 до +860 °C. Молярная энтропия α-титана S = 30,7 кДж/(моль·К). Для титана в газовой фазе энтальпия формирования ΔH0f = 473,0 кДж/моль, энергия Гиббса ΔG0f = 428,4 кДж/моль, молярная энтропия S = 180,3 кДж/(моль·К), теплоёмкость при постоянном давлении Cp = 24,4 кДж/(моль·K)

Удельное электрическое сопротивление при 20 °C составляет 0,58 мкОм·м (по другим данным 0,42 мкОм·м), при 800 °C 1,80 мкОм·м. Температурный коэффициент сопротивления 0,003 К−1 в диапазоне 0…20 °C.

Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Прочностные характеристики мало зависят от температуры, однако сильно зависят от чистоты и предварительной обработки. Для технического титана твёрдость по Виккерсу составляет 790—800 МПа, модуль нормальной упругости 103 ГПа, модуль сдвига 39,2 ГПа. У высокочистого предварительно отожжённого в вакууме титана предел текучести 140—170 МПа, относительное удлинение 55—70 %, твёрдость по Бринеллю 716 МПа.

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 плёнкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

Температура перехода в сверхпроводящее состояние 0,387 К. При температурах выше 73 кельвин титан парамагнитен. Магнитная восприимчивость при 20 °C составляет 3,2·10−6. Постоянная Холла α-титана равна +1,82·10−13.

Изотопы

Основная статья: Изотопы титана

Известны изотопы титана с массовыми числами от 38 до 63 (количество протонов 22, нейтронов от 16 до 41), и 2 ядерных изомера.

Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов: 46Ti (изотопная распространенность 7,95 %), 47Ti (7,75 %), 48Ti (73,45 %), 49Ti (5,51 %), 50Ti (5,34 %).

Среди искусственных изотопов самые долгоживущие 44Ti (период полураспада 60 лет) и 45Ti (период полураспада 184 минуты).

Размер, масса и орбита спутника Титан

Сравнение размеров Земли, Луны и Титана

Радиус – 2576 км (0.404 земного), а масса спутника Титана – 1.345 х 1023 кг (0.0255 от земной). Средняя удаленность составляет 1 221 870 км. Но эксцентриситет в 0.0288 и наклон орбитальной плоскости в 0.378 градуса привели к тому, что спутник приближается на 1 186 680 км и отдаляется на 1 257 060 км. Выше представлено фото, где сравниваются размер Титана, Земли и Луны.

Таким образом вы узнали, спутником какой планеты является Титан.

Сведения об открытии
Дата открытия25 марта 1655
ПервооткрывателиХристиан Гюйгенс
Орбитальные характеристики
Большая полуось1 221 870 км
Эксцентриситет0,0288
Период обращения15,945 дня
Наклонение0,34854°
СпутникСатурна
Физические характеристики
Диаметр5152 км
Площадь поверхности83 млн. км2
Масса1,3452·1023 кг
Плотность1,8798 г/см3
Альбедо0,22

На орбитальный пролет Титан тратит 15 дней и 22 часов. Орбитальный и осевой периоды синхроничны, поэтому пребывает в гравитационном блоке (повернут к планете одной стороной).

Нахождение в природе

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 (сфен) CaTiSiO5. Различают коренные руды титана — ильменит-титаномагнетитовые и россыпные — рутил-ильменит-цирконовые.

Химические свойства

Устойчив к коррозии благодаря оксидной плёнке, но при измельчении в порошок, а также в тонкой стружке или проволоке титан пирофорен. Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки — 400 °C. Титановая стружка пожароопасна.

Титан устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме HF, H3PO4 и концентрированной H2SO4). Титан устойчив к влажному хлору и водным растворам хлора.

Легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой HF он взаимодействует благодаря образованию комплексного аниона [TiF6]2−. Титан наиболее подвержен коррозии в органических средах, так как в присутствии воды на поверхности титанового изделия образуется плотная пассивная пленка из оксидов и гидрида титана. Наиболее заметное повышение коррозионной стойкости титана заметно при повышении содержания воды в агрессивной среде с 0,5 до 8,0 %, что подтверждается электрохимическими исследованиями электродных потенциалов титана в растворах кислот и щелочей в смешанных водно-органических средах.

При нагревании на воздухе до 1200 °C Ti загорается ярким белым пламенем с образованием оксидных фаз переменного состава TiOx. Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH)2·xH2O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO2. Гидроксид TiO(OH)2·xH2O и диоксид TiO2амфотерны.

TiO2 взаимодействует с серной кислотой при длительном кипячении. При сплавлении с содой Na2CO3 или поташом K2CO3 оксид TiO2 образует титанаты:

TiO2+K2CO3→K2TiO3+CO2{\displaystyle {\mathsf {TiO_{2}+K_{2}CO_{3}\rightarrow K_{2}TiO_{3}+CO_{2}}}}

При нагревании Ti взаимодействует с галогенами (например, с хлором — при 550 °C). Тетрахлорид титана TiCl4 при обычных условиях — бесцветная жидкость, сильно дымящая на воздухе, что объясняется гидролизом TiCl4, содержащимися в воздухе парами воды и образованием мельчайших капелек HCl и взвеси гидроксида титана.

Восстановлением TiCl4водородом, алюминием, кремнием, другими сильными восстановителями, получен трихлорид и дихлорид титана TiCl3 и TiCl2 — твёрдые вещества, обладающие сильными восстановительными свойствами. Ti взаимодействует с Br2 и I2.

С азотом N2 выше 400 °C титан образует нитрид TixNx = (Ti25N13 — TiN). Титан — единственный элемент, который горит в атмосфере азота.

При взаимодействии титана с углеродом образуется карбид титана TixCx(x = Ti20C9 — TiC.

При нагревании Ti поглощает H2 с образованием соединения переменного состава TixHx(x = Ti10H13 — TiH2. При нагревании эти гидриды разлагаются с выделением H2.

Титан образует сплавы и интерметаллические соединения со многими металлами.

Производство и изготовление

Благодаря распространённости в природе добывать руду, содержащую титан, не сложно. Самые распространённые виды руды, в которых содержится этот металл — брукит, ильменит, анатаз и рутил. Однако дальнейшие способы обработки титана (плавка, закалка и старение) считаются дорогостоящими. Существует несколько этапов получения чистого металла из руды:

  1. В первую очередь добывается титановый шлак, с помощью разогревания ильменита до 1650 градусов.
  2. Далее шлак проходит процесс хлорирования.
  3. После этого с помощью печей сопротивления производится титановая губка.
  4. Для получения чистого металла заключительным этапом обработки является процесс рафинирования.

Если нужно получить слитки титана, губку на его основе переплавляют в вакуумной печи.

Магниетермический процесс

Магниетермическое восстановление — популярный метод получения металла. Проведение технологического процесса:

  1. Расплавляется оборотный магниевый конденсат.
  2. Сливается конденсат хлористого магния.
  3. При температуре 800 градусов, жидкий тетрахлорид титана с жидким магнием подаются в форму для застывания. Скорость подачи — 2,1–2,3 г/ч см2.

Постепенно температура снижается до 600 градусов.

Гидридно-кальциевый метод

Это промышленный метод восстановления металла. Процесс проведения работ:

  1. При температуре 500 градусов Цельсия металлический кальций насыщается водородом.
  2. Далее его смешивают с двуокисью титана. Компоненты нагревают в реторте, постепенно повышая температуру до 1100 градусов.
  3. Спекшиеся компоненты вымывают из реторты.
  4. Далее проводится обработка соляной кислотой.
  5. Титановый порошок сушат, запекают в индукционных печах при температуре около 1400 градусов.

На спекшуюся массу должно воздействовать давление 10в-3 мм.

Электролизный метод

Способ получения сплава, основанный на применении электрического тока. Напряжение воздействует на ТiO2, ТiСl4. До этого их растворяют с помощью расплавленных солей фторидов.

Йодидный метод

Способ получения металла после термической диссоциации TiJ4. Изначально его получают при реакции паров йода с металлическим титаном.

Какими способами получают титан?

Материал занимает 10 место по распространению в природе. Существует около 70 минералов, содержащих титан в виде титановой кислоты или его двуокиси. Наиболее распространенные из них и содержащие высокий процент производных металла:

  • ильменит;
  • рутил;
  • анатаз;
  • перовскит;
  • брукит.

Основные залежи титановых руд находятся в США, Великобритании, Японии, большие месторождения их открыты в России, Украине, Канаде, Франции, Испании, Бельгии.

Добыча титана – дорогой и трудозатратный процесс

Получение металла из них стоит очень дорого. Ученые разработали 4 способа производства титана, каждый из которых рабочий и эффективно используется в промышленности:

  1. Магниетермический способ. Добытое сырье, содержащее титановые примеси, перерабатывают и получают диоксид титана. Это вещество подвергается хлорированию в шахтных или солевых хлораторах при повышенном температурном режиме. Процесс очень медленный, ведется в присутствии углеродного катализатора. При этом твердый диоксид переводится в газообразное вещество – тетрахлорид титана. Полученный материал восстанавливается магнием или натрием. Сплав, образовавшийся при реакции, подвергают нагреванию в вакуумной установке до сверхвысоких температур. В результате реакции происходит испарение магния и его соединений с хлором. В конце процесса получают губкоподобный материал. Его плавят и получают титан высокого качества.
  2. Гидридно-кальциевый способ. Руду подвергают химической реакции и получают гидрид титана. Следующий этап – разделение вещества на составляющие. Титан и водород выделяют в процессе нагревания в вакуумных установках. По окончании процесса получают оксид кальция, который отмывают слабыми кислотами. Первые два способа относятся к промышленному производству. Они позволяют получать в кратчайшие сроки чистый титан с относительно небольшими издержками.
  3. Электролизный метод. Титановые соединения подвергают воздействию током большой силы. В зависимости от исходного сырья, соединения разделяются на составляющие: хлор, кислород и титан.
  4. Йодидный способ или рафинирование. Полученный из минералов диоксид титана обдают парами йода. В результате реакции образуется йодид титана, который нагревают до высокой температуры – +1300…+1400°С и воздействуют на него электрическим током. При этом из исходного материала выделяются составляющие: йод и титан. Металл, полученный данным способом, не имеет примесей и добавок.
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации