Eterno, misterioso, cósmico, material do futuro - todos esses e muitos outros epítetos são atribuídos ao titânio em várias fontes. A história da descoberta desse metal não foi trivial: ao mesmo tempo, vários cientistas trabalharam para isolar o elemento em sua forma pura. O processo de estudo das propriedades físicas, químicas e determinação das áreas de sua aplicação ainda não foi concluído. O titânio é o metal do futuro, seu lugar na vida humana ainda não foi definitivamente determinado, o que dá aos pesquisadores modernos um enorme escopo para criatividade e pesquisa científica.
Característica
O elemento químico titânio (Titânio) é indicado na tabela periódica de D. I. Mendeleev pelo símbolo Ti. Está localizado no subgrupo secundário do grupo IV do quarto período e possui número de série 22. A substância simples titânio é um metal branco-prateado, leve e durável. A configuração eletrônica de um átomo tem a seguinte estrutura: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Assim, o titânio tem vários estados de oxidação possíveis: 2,3, 4, nos compostos mais estáveis é tetravalente.
Titânio - liga ou metal?
Esta questão interessa a muitos. Em 1910, o químico americano Hunter obteve o primeiro titânio puro. O metal continha apenas 1% de impurezas, mas, ao mesmo tempo, sua quantidade acabou sendo insignificante e não possibilitou um estudo mais aprofundado de suas propriedades. A plasticidade da substância obtida foi alcançada apenas sob a influência de altas temperaturas; em condições normais (temperatura ambiente), a amostra era muito frágil. De fato, esse elemento não interessou os cientistas, pois as perspectivas de seu uso pareciam muito incertas. A dificuldade de obtenção e pesquisa reduziu ainda mais o potencial de sua aplicação. Somente em 1925, os químicos da Holanda I. de Boer e A. Van Arkel receberam o metal titânio, cujas propriedades atraíram a atenção de engenheiros e designers de todo o mundo. A história do estudo deste elemento começa em 1790, exatamente nesta época, em paralelo, independentemente um do outro, dois cientistas descobrem o titânio como elemento químico. Cada um deles recebe um composto (óxido) de uma substância, deixando de isolar o metal em sua forma pura. O descobridor do titânio é o mineralogista inglês William Gregor. No território de sua paróquia, localizada no sudoeste da Inglaterra, o jovem cientista começou a estudar a areia preta do Vale Menaken. O resultado dos experimentos com um ímã foi a liberação de grãos brilhantes, que eram um composto de titânio. Ao mesmo tempo, na Alemanha, o químico Martin Heinrich Klaproth isolou uma nova substância do mineralrutilo. Em 1797, ele também provou que os elementos abertos em paralelo são semelhantes. O dióxido de titânio tem sido um mistério para muitos químicos por mais de um século, e mesmo Berzelius não conseguiu obter metal puro. As últimas tecnologias do século XX aceleraram significativamente o processo de estudo do referido elemento e determinaram as direções iniciais para seu uso. Ao mesmo tempo, o escopo de aplicação está em constante expansão. Apenas a complexidade do processo de obtenção de uma substância como titânio puro pode limitar seu escopo. O preço das ligas e do metal é bastante alto, então hoje não pode substituir o ferro e o alumínio tradicionais.
Origem do nome
Menakin - o primeiro nome para titânio, que foi usado até 1795. É assim que, por filiação territorial, W. Gregor chamou o novo elemento. Martin Klaproth dá ao elemento o nome de "titânio" em 1797. Nessa época, seus colegas franceses, liderados por um químico bastante respeitável A. L. Lavoisier, propuseram nomear as substâncias recém-descobertas de acordo com suas propriedades básicas. O cientista alemão não concordou com essa abordagem, ele acreditava razoavelmente que no estágio de descoberta é bastante difícil determinar todas as características inerentes a uma substância e refleti-las no nome. No entanto, deve-se reconhecer que o termo escolhido intuitivamente por Klaproth corresponde totalmente ao metal - isso foi repetidamente enfatizado pelos cientistas modernos. Existem duas teorias principais para a origem do nome titânio. O metal poderia ser designado assim em homenagem à rainha élfica Titânia(personagem da mitologia germânica). Este nome simboliza a leveza e a força da substância. A maioria dos cientistas está inclinada a usar a versão do uso da mitologia grega antiga, na qual os poderosos filhos da deusa da terra Gaia eram chamados de titãs. O nome do elemento previamente descoberto, urânio, também fala a favor desta versão.
Estar na natureza
Dos metais que são tecnicamente valiosos para os seres humanos, o titânio é o quarto mais abundante na crosta terrestre. Apenas ferro, magnésio e alumínio são caracterizados por uma grande porcentagem na natureza. O maior teor de titânio é observado na casca de bas alto, ligeiramente menor na camada de granito. Na água do mar, o teor dessa substância é baixo - aproximadamente 0,001 mg / l. O elemento químico titânio é bastante ativo, por isso não pode ser encontrado em sua forma pura. Na maioria das vezes, está presente em compostos com oxigênio, enquanto tem uma valência de quatro. O número de minerais contendo titânio varia de 63 a 75 (em várias fontes), enquanto no atual estágio de pesquisa, os cientistas continuam descobrindo novas formas de seus compostos. Para uso prático, os seguintes minerais são de grande importância:
- Ilmenita (FeTiO3).
- Rutilo (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskita (CaTiO3).
- Titanomagnetita (FeTiO3+Fe3O4) etc.
Todos os minérios de titânio existentes são divididos emaluvial e básico. Este elemento é um migrante fraco, pode viajar apenas na forma de fragmentos de rocha ou rochas de fundo siltoso em movimento. Na biosfera, a maior quantidade de titânio é encontrada em algas. Em representantes da fauna terrestre, o elemento se acumula nos tecidos córneos, cabelos. O corpo humano é caracterizado pela presença de titânio no baço, glândulas supra-renais, placenta, glândula tireóide.
Propriedades físicas
Titânio é um metal não ferroso com uma cor branco-prateada que parece aço. A uma temperatura de 0 0C, sua densidade é 4,517 g/cm3. A substância tem uma gravidade específica baixa, típica dos metais alcalinos (cádmio, sódio, lítio, césio). Em termos de densidade, o titânio ocupa uma posição intermediária entre o ferro e o alumínio, enquanto seu desempenho é superior ao de ambos os elementos. As principais propriedades dos metais que são levadas em consideração ao determinar o escopo de sua aplicação são a resistência ao escoamento e a dureza. O titânio é 12 vezes mais forte que o alumínio, 4 vezes mais forte que o ferro e o cobre, sendo muito mais leve. A plasticidade de uma substância pura e seu limite de escoamento permitem processar em baixas e altas temperaturas, como no caso de outros metais, ou seja, por rebitagem, forjamento, soldagem, laminação. Uma característica distintiva do titânio é sua baixa condutividade térmica e elétrica, enquanto essas propriedades são preservadas em temperaturas elevadas, até 500 0С. Em um campo magnético, o titânio é um elemento paramagnético, nãoé atraído como o ferro e não é empurrado para fora como o cobre. O desempenho anticorrosivo muito alto em ambientes agressivos e sob estresse mecânico é único. Mais de 10 anos na água do mar não alteraram a aparência e a composição da placa de titânio. O ferro neste caso seria completamente destruído pela corrosão.
Propriedades termodinâmicas do titânio
- Densidade (em condições normais) é 4,54g/cm3.
- O número atômico é 22.
- Grupo metal - refratário, leve.
- A massa atômica do titânio é 47,0.
- Ponto de ebulição (0С) – 3260.
- Volume molar cm3/mol – 10, 6.
- Ponto de fusão do titânio (0С) – 1668.
- Calor específico de vaporização (kJ/mol) – 422, 6.
- Resistência elétrica (em 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Propriedades Químicas
O aumento da resistência à corrosão do elemento é devido à formação de uma pequena película de óxido na superfície. Impede (sob condições normais) reações químicas com gases (oxigênio, hidrogênio) na atmosfera circundante de um elemento como o metal titânio. Suas propriedades mudam sob a influência da temperatura. Quando sobe para 600 0С, ocorre uma reação de interação com o oxigênio, resultando na formação de óxido de titânio (TiO2). No caso da absorção de gases atmosféricos, formam-se compostos frágeis que não têm aplicação prática, razão pela qual a soldagem e a fusão do titânio são realizadas sob condições de vácuo. reação reversívelé o processo de dissolução do hidrogênio no metal, ocorre mais ativamente com o aumento da temperatura (de 400 0С e superior). O titânio, especialmente suas pequenas partículas (placa fina ou fio), queima em uma atmosfera de nitrogênio. Uma reação química de interação só é possível a uma temperatura de 700 0С, resultando na formação de nitreto de TiN. Forma ligas altamente duras com muitos metais, muitas vezes como elemento de liga. Ele reage com halogênios (cromo, bromo, iodo) apenas na presença de um catalisador (alta temperatura) e sujeito à interação com uma substância seca. Neste caso, ligas refratárias muito duras são formadas. Com soluções da maioria dos álcalis e ácidos, o titânio é quimicamente inativo, com exceção do sulfúrico concentrado (com ebulição prolongada), fluorídrico, orgânico quente (fórmico, oxálico).
Depósitos
Os minérios de ilmenita são os mais comuns na natureza - suas reservas são estimadas em 800 milhões de toneladas. As jazidas de rutilo são bem mais modestas, mas o volume total - mantendo o crescimento da produção - deve fornecer à humanidade pelos próximos 120 anos um metal como o titânio. O preço do produto acabado dependerá da demanda e do aumento do nível de fabricação, mas em média varia na faixa de 1200 a 1800 rublos/kg. Em condições de constante aprimoramento técnico, o custo de todos os processos de produção é significativamente reduzido com sua modernização oportuna. China e Rússia possuem as maiores reservas de minérios de titânio, além de mineraisJapão, África do Sul, Austrália, Cazaquistão, Índia, Coreia do Sul, Ucrânia, Ceilão têm uma base de matérias-primas. As jazidas diferem no volume de produção e no percentual de titânio no minério, pesquisas geológicas estão em andamento, o que permite supor uma diminuição do valor de mercado do metal e sua maior utilização. A Rússia é de longe o maior produtor de titânio.
Receber
Para a produção de titânio, o dióxido de titânio é o mais utilizado, contendo uma quantidade mínima de impurezas. É obtido por enriquecimento de concentrados de ilmenita ou minérios de rutilo. No forno elétrico a arco ocorre o tratamento térmico do minério, que é acompanhado pela separação do ferro e a formação de escória contendo óxido de titânio. O método de sulfato ou cloreto é usado para processar a fração livre de ferro. O óxido de titânio é um pó cinza (ver foto). O metal titânio é obtido por seu processamento em fases.
A primeira fase é o processo de sinterização da escória com coque e exposição ao vapor de cloro. O TiCl resultante4 é reduzido com magnésio ou sódio quando exposto a uma temperatura de 850 0C. A esponja de titânio (massa fundida porosa), obtida como resultado de uma reação química, é refinada ou derretida em lingotes. Dependendo da outra direção de uso, uma liga ou metal puro é formado (as impurezas são removidas por aquecimento a 1000 0С). Para a produção de uma substância com um teor de impurezas de 0,01%, é usado o método do iodeto. É baseado no processoevaporação de uma esponja de titânio pré-tratada com halogênio, seus vapores.
Áreas de aplicação
O ponto de fusão do titânio é bastante elevado, o que, dada a leveza do metal, é uma vantagem inestimável de utilizá-lo como material estrutural. Portanto, encontra a maior aplicação na construção naval, na indústria da aviação, na fabricação de foguetes e na indústria química. O titânio é frequentemente usado como aditivo de liga em várias ligas, que possuem características de dureza e resistência ao calor aumentadas. As altas propriedades anticorrosivas e a capacidade de resistir aos ambientes mais agressivos tornam este metal indispensável para a indústria química. O titânio (suas ligas) é utilizado na fabricação de tubulações, tanques, válvulas, filtros utilizados na destilação e transporte de ácidos e outras substâncias quimicamente ativas. Está em demanda ao criar dispositivos que operam em condições de indicadores de temperatura elevada. Compostos de titânio são usados para fazer ferramentas de corte duráveis, tintas, plásticos e papel, instrumentos cirúrgicos, implantes, joias, materiais de acabamento e são usados na indústria alimentícia. Todas as direções são difíceis de descrever. A medicina moderna, devido à completa segurança biológica, geralmente usa titânio metálico. O preço é o único fator que até agora afeta a amplitude de aplicação deste elemento. É justo dizer que o titânio é o material do futuro, estudando por qual humanidade passarápara um novo estágio de desenvolvimento.
