Дійсно, за багатьма характеристиками, і перш за все по корозійної стійкості, титан перевершує переважна більшість металів і сплавів. Іноді (особливо в популярній літературі) титан називають вічним металом. Але розповімо спочатку про історію цього елемента.
Оксид або НЕ окисел?
До 1795 р елемент № 22 називався «менакін». Так назвав його в 1791 р англійський хімік і мінералог Вільям Грегор, що відкрив новий елемент у мінералі менаканіте (не шукайте цю назву в сучасних мінералогічних довідниках - менаканіт теж перейменований, зараз він називається ільменітом).
За іншою версією назва елемента походить від титанів, могутніх синів богині землі - Геп (грецька міфологія),
У 1797 р з'ясувалося, що Грегор і Клапрот відкрили один і той же елемент, і хоча Грегор зробив це раніше, за новим елементом утвердилося ім'я, дане йому Клапротом.
Але ні Грегору, ні Клапроту не вдалося отримати елементний титан. Виділений ними білий кристалічний порошок був двоокисом титану TiO2. Відновити цей оксид, виділити з нього чистий метал довгий час не вдавалося нікому з хіміків.
У 1823 р англійський учений У.Волластон повідомив, що кристали, виявлені ним у металургійних шлаках заводу «Мертир-Тідвіль», - не що інше, як чистий титан. А через 33 роки відомий німецький хімік Ф. Нд-лер довів, що і ці кристали були знову-таки з'єднанням титану, на цей раз - металоподібними карбонітриду.
Багато років вважалося, що металевий титан вперше був отриманий Берцелиусом в 1825 р при відновленні фтортітаната калію металевим натрієм. Однак сьогодні, порівнюючи властивості титану та продукту, отриманого Берцелиусом, можна стверджувати, що президент Шведської академії наук помилявся, бо чистий титан швидко розчиняється в плавикової кислоті (на відміну від багатьох інших кислот), а металевий титан Берцеліуса успішно опирався її дії.
У 1895 р французький хімік А. Муассан, відновлюючи двоокис титану вуглецем в дугового печі і піддаючи отриманий матеріал дворазовому рафінування, отримав титан, який містив лише 2% домішок, в основному вуглецю. Нарешті, в 1910 р американський хімік М. Хан-тер, удосконаливши спосіб Нільсона і Петерсона, зумів отримати кілька грамів титану чистотою близько 99%. Саме тому в більшості книг пріоритет отримання металевого титану приписується Хантера, а не Кирилову, Нільсон або Муассану.
Однак ні Хантер, ні його сучасники не передбачали титану великого майбутнього. Всього кілька десятих відсотка домішок містилося в.металле, але ці домішки робили титан крихким, неміцним, непридатним до механічної обробки. Тому деякі сполуки титану знайшли застосування раніше, ніж сам метал. Пари-реххлорістий титан, наприклад, широко використовували в першу світову війну для створення димових завіс.
У 1908 р в США і Норвегії почалося виготовлення білил не з сполук свинцю і цинку, як робилося раніше, а з двоокису титану. Такими білилами можна забарвити в кілька разів більшу поверхню, ніж тією ж кількістю свинцевих або цинкових білил. До того ж у титанових білил більше відбивна здатність, вони не отруйні і не темніють під дією сірководню. У медичній літературі описаний випадок, коли людина за один раз «прийняв» 460 г двоокису титану! (Цікаво, з чим він її сплутав?) «Аматор» двоокису титану не зазнав при цьому ніяких хворобливих відчуттів. Двоокис титану входить до складу деяких медичних препаратів, зокрема мазей проти шкірних хвороб.
Однак не медицина, а лакофарбова промисловість споживає найбільші кількості ТiO2. Світове виробництво цього з'єднання набагато перевищила півмільйона тонн на рік. Емалі на основі двоокису титану широко використовують в якості захисних і декоративних покриттів по металу і дереву в суднобудуванні, будівництві та машинобудуванні. Термін служби споруд і деталей при цьому значно підвищується. Титановими білилами забарвлюють тканини, шкіру та інші матеріали.
Двоокис титану входить до складу порцелянових мас, тугоплавких стекол, керамічних матеріалів з високою діелектричної проникністю. Як наповнювач, що підвищує міцність і термостійкість, її вводять в гумові суміші. Однак всі достоїнства сполук титану здаються несуттєвими на тлі унікальних властивостей чистого металевого титану.
У 1925 р голландські вчені ван Аркель і де Бур іодідним способом (про нього - нижче) отримали титан високого ступеня чістоти- 99,9%. На відміну від титану, отриманого Хантером, він мав пластичністю; його можна було кувати на холоді, прокатувати бляхи, стрічку, дріт і навіть найтоншу фольгу. Але навіть не це головне.
Дослідження фізико-хімічних властивостей металевого титану приводили до майже фантастичним результатами.
Виявилося, наприклад, що титан, будучи майже вдвічі легше заліза (щільність титану 4,5 г / см3), по міцності перевершує багато хто став. Порівняння з алюмінієм теж виявилося на користь титану: титан лише у півтора рази важче алюмінію, але зате в шість разів міцніше і, що особливо важливо, він зберігає свою міцність при температурах до 500 ° С (а при добавці легуючих елементів -до 650 ° С ), в той час як міцність алюмінієвих і магнієвих сплавів різко падає вже при 300 ° С.
Титан володіє і значною твердістю: він у 12 разів твердіше алюмінію, в 4 рази - заліза і міді. Ще одна важлива характеристика металу - межа плинності. Чим він вищий, тим краще деталі з цього металу пручаються експлуатаційним навантаженням, тим довше вони зберігають свої форми та розміри. Межа текучості в титану майже в 18 разів вище, ніж у алюмінію.
На відміну від більшості металів титан володіє значним електроопору: якщо електропровідність срібла прийняти за 100, то електропровідність міді дорівнює 94, алюмінію - 60, заліза і платини-15, а титану - всього 3,8. Навряд чи потрібно пояснювати, що це властивість, як і немагнитность титану, представляє інтерес для радіоелектроніки і електротехніки.
Чудова стійкість титану проти корозії. На платівці з цього металу за 10 років перебування в морській воді не з'явилося і слідів корозії.
З титанових сплавів зроблені несучі гвинти сучасних важких вертольотів. Рулі повороту, елерони і деякі інші відповідальні деталі надзвукових літаків теж виготовлені з цих сплавів. На багатьох хімічних виробництвах сьогодні можна зустріти цілі апарати і колони, виконані з титану.
Як отримують титан
Ціна - ось що ще гальмує виробництво і споживання титану. Власне, висока вартість - не вроджена вада титану. У земній корі його багато - 0,63%. Все ще висока ціна титану - наслідок складності витягу його з руд. Пояснюється вона високою спорідненістю титану до багатьох елементів і міцністю хімічних зв'язків в його природних з'єднаннях. Звідси складності технології. Ось як виглядає магніетермі-ний спосіб виробництва титану, розроблений в 1940 р американським ученим В. Кроллем.
Двоокис титану за допомогою хлору (у присутності вуглецю) переводять в чотирихлористий титан:
Процес йде в шахтних електропечах при 800-1250 ° С. Другий варіант - хлорування в розплаві солей лужних металів NaCl і КС1. Наступна операція (в однаковій мірі важлива і трудомістка) - очищення TiCl4 від домішок - проводиться різними способами і речовинами. Чотирихлористий ти-тав в звичайних умовах являє собою рідину з температурою кипіння 136 ° С.
Розірвати зв'язок титану з хлором легше, ніж з киснем. Це можна зробити за допомогою магнію по реакції
Ця реакція йде в сталевих реакторах при 900 ° С. У результаті утворюється так звана титанова губка, просочена магнієм і хлоридом магнію. Їх випаровують в герметичному вакуумному апараті при 950 ° С, а титанову губку потім спекают або переплавляють в компактний метал.
Натріетерміческій метод отримання металевого титану в принципі мало чим відрізняється від магніетерміче-ського. Ці два методи найбільш широко застосовуються в промисловості.
Для отримання більш чистого титану і понині використовується іодідний метод, запропонований ван Аркелем і де Буром. Металотермічних губчастий титан перетворюють на йодид TiI4, який потім возгоняют в вакуумі. На своєму шляху пари иодида титану зустрічають розпечену до 1400 ° С титанову дріт. При цьому йодид розкладається, і на дроті наростає шар чистого титану. Етсф метод виробництва титану малопроизводителен і доріг, тому в промисловості він застосовується вкрай обмежено. Незважаючи на трудомісткість і енергоємність виробництва титану. воно вже стало однією з найважливіших підгалузей кольорової металургії.