Реферат Титан (реферат)


СкачатиСкачать (DOC|ZIP):
Титан (реферат)

РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ:

“Т И Т А Н”

З історії відкриття титану

Навряд чи можна знайти ще один такий метал, історія відкриття і вивчення якого були б так повны драматичних подій, помилок і оман, як історія титану.

Першовідкривачем титану вважається 28-літній англійський чернець Вільям Грегор. У 1790 р., проводячи мінералогічні вишукування у своєму приході, він звернув увагу на поширеність і незвичайні властивості чорного піску в долині Менакена на південному-заході Англії і прийнявся його досліджувати. У піску священик знайшов крупиці чорного блискучого мінералу, що притягається звичайним магнітом. Будучи мінералогом-аматором і маючи свою невелику мінералогічну лабораторію, Грегор зробив з цим магнітним мінералом кілька досвідів: розчинив його спочатку в соляній, потім у сірчаній кислоті, упарив розчин і одержав білий порошок, що при прокалці жовтів, а при спіканні з вугіллям отримував блакитний колір. Досліджене природне утворення чорного кольору Грегор прийняв за новий, невідомий раніше мінерал, а виділений з нього білий порошок – за новий елемент. Мінералу й елементу дали назву по місцевості, де вони були знайдені: мінерал «менакеніт» і елемент «менакін». По сьогоднішніх представленнях «менакеніт» був сумішшю ільменіту (FeTi3) і магнетиту (FeTi3×nFe3O4), а білий порошок «менакін» – діоксидом титану.

У 1795 р. німецький дослідник-хімік Мартін Генріх Клапрот, вивчаючи рутил, виділив з нього діоксид нового металу – білий порошок, схожий на описаний раніше Грегором. І хоча до одержання чистого металу було ще дуже далеко – майже півтора сторіччя, Клапрот сповістив світ про відкриття нового металу, якому дали назву «титан».

Жоден конструкційний метал не знав такий тривалої історії досліджень, як титан. Перші спроби виділити чистий матеріал закінчувалися невдало. Дослідники одержували метал з високим змістом домішок кисню, азоту, сірки, фосфору, водню й ін., у результаті чого, виділений метал був дуже тендітним і визнавався марним для подальшого використання. Чистий титан (зміст домішок менш 0,1%) уперше був отриманий у 1875 році російським ученим Д.К. Кирилов, але його робота залишилася непоміченою. Отриманий у 1925 р. Ван Аркелем і де Буром іодідним методом найчистіший титан виявився пластичним і технологичним металом з багатьма коштовними властивостями, що залучили до нього уваги широке кола конструкторів і інженерів.

У 1940 р. Кролль запропонував магніетермічний спосіб витягування титану з руд, що є основним і в даний час. У 1947 р. були випущені перші 45 кг технічно чистого титану.

Властивості титану

У періодичній системі елементів Менделєєва титан має порядковий номер 22. Атомна маса природного титану, обчислена за результатами досліджень його ізотопів, складає 47,926. Отже, ядро нейтрального атома титану містить 22 протона. Кількість же нейтронів, тобто нейтральних незаряджених часток, по-різному: частіше 26, але може коливатися від 24 до 28. Тому і число ізотопів титану по-різному. Усього зараз відомо 13 ізотопів елемента № 22. Природний титан складається із суміші п'яти стабільних ізотопів, найбільше широко представлений титан-48, його частка в природних рудах 73,99%. Є в природі також ізотопи з масовими числами 46, 47, 49 і 50. Серед радіоактивних ізотопів титану самий довгоживучий – титан-44 з періодом напіврозпаду близько 1000 років.

Крім природних, титан може мати і цілий ряд штучних ізотопів, одержуваних за допомогою його радіоактивного опромінення. Деякі з них сильнорадіоактивні, з різними термінами напіврозпаду.

Навколо позитивно зарядженого ядра титану на чотирьох орбітах розташовуються електрони: на ДО – двох електрона, на L – вісьмох, на М – 10, на N – два. З орбіт N і М атом титану може вільно віддавати по двох електрона. Таким чином, найбільш стійкий іон титану – четирьохвалентний. П'ятий електрон з орбіти М «вирвати» неможливо, тому титан ніколи не буває більше чим чотирьохвалентним іоном. У той же час з орбіт N і М атом титану може віддавати не чотири, а три, два чи один електрони. У цих випадках він стає трьох-, двох- чи одновалентним іоном.

У періодичній системі елементів Менделєєва титан розташований у групі ІVВ, у яку, крім нього, входять цирконій, гафній, курчатовий. Елементи даної групи на відміну від елементів групи вуглецю (ІVА) мають металеві властивості. Хоча титан займає саме верхнє місце у своїй підгрупі, він є найменш активним металевим елементом. Так, двоокис титану амфотерна, а двоокису цирконію і гафнію мають слабко виражені основні властивості. Титан більше, ніж інші елементи підгрупи ІVВ, близький до елементів підгрупи ІVА – кремнію, германію, олову. Четирьохвалентний титан відрізняється від кремнію і германія більшою схильністю до утворення комплексних з'єднань різних типів, чим особливо подібний з оловом. Титан і інші елементи підгрупи IVВ дуже близькі по властивостях до елементів підгрупи IIIВ (групи скандію), хоча і відрізняються від останніх здатністю виявляти велику валентність. Подібність титану зі скандієм, іттрієм, а також з елементами підгрупи VВ – ванадієм і ніобієм виражається й у тім, що в природних мінералах титан часто зустрічається разом з цими елементами.

Хімічні сполуки титану

З одновалентними галогенами (фтором, бромом, хлором і йодом) він може утворювати ди- три- і , тетраз’єднання, із сіркою й елементами її групи (селеном, телуром) – моно- і дисульфіди, з киснем – оксиди, діоксиди і триоксиди. Титан утворить також з'єднання з воднем (гідриди), азотом (нітриди), вуглецем (карбіди), фосфором (фосфіди), миш'яком (арсіді), а також з'єднання з багатьма металами – інтерметалліді. Утворить титан не тільки прості, але і численні комплексні з'єднання, відомо чимало його з'єднань з органічними речовинами.

Як видно з переліку з'єднань, у яких може брати участь титан, він хімічно дуже активний. І в той же час титан є одним з деяких металів з винятково високою корозійною стійкістю: він практично вічний в атмосфері повітря, у холодній і киплячій воді, дуже стійок у морській воді, у розчинах багатьох солей, неорганічних і органічних кислотах. По своїй корозійній стійкості в морській воді він перевершує всі метали, за винятком шляхетних – золота, платини і т.п., більшість видів нержавіючої сталі, нікелеві, мідні й інші сплави. У воді, у багатьох агресивних середовищах чистий титан не підданий корозії. Чому ж це відбувається? Чому так активно, а нерідко і бурхливо, з вибухами, що реагує майже з всіма елементами періодичної системи титан стійок до корозії? Справа в тім, що реакцій титану з багатьма елементами відбуваються тільки при високих температурах. При звичайних температурах хімічна активність титану надзвичайно мала і він практично не вступає в реакції. Зв'язано це з тим, що на свіжій поверхні чистого титану, як тільки вона утвориться, дуже швидко з'являється інертна, що добре зростається з металом найтонша (у трохи ангстрем (1А=10-10м) плівка диоксидe титану, що охороняє його від подальшого окислювання. Якщо навіть цю плівку зняти, то в будь-якім середовищі, що містить чи кисень інші сильні окислювачі (наприклад, в азотній чи хромовій кислоті), ця плівка з'являється знову, і метал, як говорять, нею «пасивується», тобто захищає сам себе від подальшого руйнування.

Розглянемо трохи докладніше поводження чистого титану в різних агресивних середовищах. Протистоїть титан і ерозійної корозії, що відбуває в результаті сполучення хімічного і механічного впливу на метал. У цьому відношенні він не уступає кращим маркам нержавіючих сталей, сплавам на основі міді й інших конструкційних матеріалів. Добре протистоїть титан і усталостной корозії, що виявляється часто у виді порушень цілісності і міцності металу (розтріскування, локальні вогнища корозії і т.п.). Поводження титану в багатьох агресивних середовищах, у таких, як азотна, соляна, сірчана, «царська горілка» і інші кислоти і луги, викликає подив і замилування цим металом.

В азотній кислоті, що є сильним окислювачем, у якому швидко розчиняються дуже багато металів, титан винятково стійкий. При будь-якій концентрації азотної кислоти (від 10 до 99%-ний), при будь-яких температурах швидкість корозії титану не перевищує 0,1–0,2 мм/рік. Небезпечна тільки червона азотна кислота, що димить, пересичена (20% і більш) вільними диоксидами азоту: у ній чистий титан бурхливо, з вибухом, реагує. Однак варто додати в таку кислоту хоча б небагато води (1–2% і більш), як реакція закінчується і корозія титану припиняється.

У соляній кислоті титан стійок лише в розведених її розчинах. Наприклад, у 0,5%-ний соляній кислоті навіть при нагріванні до 100° С швидкість корозії титану не перевищує 0,01 мм/рік, у 10%-ний при кімнатній температурі швидкість корозії досягає 0,1 мм/рік, а в 20%-ний при 20° С–0,58 мм/рік. При нагріванні швидкість корозії титану в соляній кислоті різко підвищується. Так, навіть у 1,5%-ний соляній кислоті при 100° С швидкість корозії титану складає 4,4 мм/рік, а в 20%-ний при нагріванні до 60° С – уже 29,8 мм/рік. Це порозумівається тим, що соляна кислота, особливо при нагріванні, розчиняє плівку, що пасивує, диоксида титану і починається розчинення металу. Однак швидкість корозії титану в соляній кислоті при всіх умовах залишається нижче, ніж у нержавіючих сталей.

У сірчаній кислоті слабкої концентрації (до 0,5–1% ) титан стійок навіть при температурі розчину до 50–95° С. Стійок він і в більш концентрованих розчинах (10–20%-них) при кімнатній температурі, у цих умовах швидкість корозії титану не перевищує 0,005–0,01 мм/рік. Але з підвищенням температури розчину титан у сірчаній кислоті навіть порівняно слабкої концентрації (10–20%-ний) починає розчинятися, причому швидкість корозії досягає 9–10 мм/рік. Сірчана кислота, так само як і соляна, руйнує захисну плівку диоксиду титану і підвищує його розчинність. Її можна різко понизити, якщо в розчини цих кислот додавати визначена кількість азотної, хромової, марганцевий кислот, з'єднань чи хлору інших окислювачів, що швидко пасивують поверхня титану захисною плівкою і припиняють його подальше розчинення. От чому титан практично єдиний метал, що не розчиняється в «царській горілці»: у ній при звичайних температурах (10–20° С) корозія титану не перевищує 0,005 мм/рік. Слабко коризує титан і в киплячій «царській горілці», але ж у ній, як відомо, багато металів, і навіть такі, як золото, розчиняються майже миттєво.

Дуже слабко коризує титан у більшості органічних кислот (оцтової, молочної, винної), у розведених лугах, у розчинах багатьох хлористих солей, у фізіологічному розчині. А от з розплавами хлоридів при температурі вище 375° С титан взаємодіє дуже бурхливо.

У розплаві багатьох металів чистий титан виявляє дивну стійкість. У рідких гарячі магнії, олові, галії, ртуті, літії, натрії, калії, у розплавленій сірці титан практично не коризує, і лише при дуже високих температурах розплавів (вище 300–400° С) швидкість його корозії в них може досягати 1 мм/рік. Однак є чимало агресивних розчинів і розплавів, у яких титан розчиняється дуже інтенсивно. Головний «ворог» титану – плавикова кислота (HF). Навіть у 1%-ному її розчині швидкість корозії титану дуже висока, а в більш концентрованих розчинах титан «тане», як лід у гарячій воді. Фтор – цей «руйнуючий усе» (гречок.) елемент – бурхливо реагує практично з усіма металами і спалює їх.

Не може протистояти титан кремнефтористоводородной і фосфорної кислотам навіть слабкої концентрації, перекису водню, сухим хлору і брому, спиртам, у тому числі спиртовій настойці йоду, розплавленому цинку. Однак стійкість титану можна збільшити, якщо додати різні окислювачі – так називані інгібітори, наприклад у розчини соляної і сарною кислот – азотну і хромову. Інгібіторами можуть бути й іони різних металів у розчині: залізо, мідь і ін.

У титан можна вводити деякі метали, що підвищують його стійкість у десятки і сотні разів, наприклад до 10% цирконію, гафнію, танталу, вольфраму. Введення в титан 20–30% молібдену робить, цей сплав настільки стійким до будь-яких концентрацій соляний, сарною й іншими кислотами, що він може замінити навіть золото в роботі з цими кислотами. Найбільший ефект досягається завдяки добавкам у титан чотирьох металів платинової групи: платини, палладія, родію і рутенію. Досить всього 0,2% цих металів, щоб знизити швидкість корозії титану в киплячих концентрованих соляний і сарною кислотах у десятки разів. Слід зазначити, що шляхетні платиноїди впливають лише на стійкість титану, а якщо додавати їх, скажемо, у залізо, алюміній, магній, руйнування і корозія цих конструкційних металів не зменшуються.

Фізичні і механічні властивості титану

Титан дуже тугоплавкий метал. Довгий час вважався, що він плавиться при 1800° С, однак у середині 50-х рр. англійські вчені Діардорф і Хейс установили температуру плавлення для чистого елементарного титану. Вона склала 1668±3° С. По своїй тугоплавкості титан уступає лише таким металам, як вольфрам, тантал, ніобій, реній, молібден, платиноїди, цирконій, а серед основних конструкційних металів він коштує на першому місці:

Найважливішою особливістю титану як металу є його унікальні фізико-хімічні властивості: низька щільність, висока міцність, твердість і ін. Головне ж, що ці властивості не міняються істотно при високих температурах.

Титан-легкий метал, його щільність при 0° С складає всього 4,517 г/см8, а при 100° С – 4,506 г/см3. Титан відноситься до групи металів з питомою масою менш 5 г/см3. Сюди входять усі лужні метали (натрій, кадій, літій, рубідій, цезій) з питомою масою 0,9–1,5 г/см3, магній (1,7 г/см3), алюміній (2,7 г/см3) і ін. Титан більш ніж у 1,5 рази важчий алюмінію, і в цьому він, звичайно, йому програє, але зате в 1,5 рази легше заліза (7,8 г/см3). Однак, займаючи по питомій щільності проміжне положення між алюмінієм і залізом, титан по своїх механічних властивостях у багато разів їх перевершує.

Які ж ці властивості, що дозволяють широко використовувати титан як конструкційний матеріал? Насамперед міцність металу, тобто його здатність пручатися руйнуванню, а також необоротній зміні форми (пластичні деформації). Титан має значну твердість: він у 12 разів твердіше алюмінію, у 4 раз-залоза і міді. Ще одна важлива характеристика металу – границя текучості. Чим він вище тим краще деталі з цього металу пручаються експлуатаційним навантаженням. Границя текучості в титану майже в 18 разів вище, ніж в алюмінію. Питома міцність сплавів титану може бути підвищена в 1,5–2 рази. Його високі механічні властивості добре зберігаються при температурах аж до кількох сотень градусів.

Чистий титан придатний для будь-яких видів обробки в гарячому і холодному стані: його можна кувати, як залізо, витягати і навіть робити з нього дріт, прокочувати в аркуші, стрічки, у фольгу товщиною до 0,01 мм.

Цікаво відзначити, що титан довгі роки, аж до одержання чистого металу, розглядали як дуже тендітний матеріал. Зв'язано це було з наявністю в титані домішок, особливо водню азоту, кисню, вуглецю й ін. Якщо збільшення змісту кисню й азоту відразу позначається на їхніх механічних властивостях, то вплив водню більш складне і може виявлятися не відразу, а в процесі експлуатації виробу. Недооцінка цього впливу при перших кроках застосування титану привела до серйозних аварій. Численні випадки несподіваних тендітних руйнувань готових титанових конструкцій в авіації США навіть стали причиною деякої кризи у виробництві титану в 1945–1955 р. Сьогодні ж водень спеціально вводять у титанові сплави, як тимчасовий чи постійний легуючий елемент. Це дозволяє сильно спростити багато технологічних операцій при виготовленні титанових виробів (гарячу обробку тиском, різання, зварювання, формування) і поліпшити їхньої властивості. При необхідності водень видаляють випалюванням у вакуумі.

Титан має ще одна чудова властивість – виняткову стійкість в умовах кавітації, тобто при посиленій «бомбардуванні» металу в рідкому середовищі пухирцями повітря, що утворяться при швидкому чи русі обертанні металевої деталі в рідкому середовищі. Ці пухирці повітря, лопаючись на поверхні металу, викликають дуже сильні мікроудари рідини об поверхню тіла, що рухається. Вони швидко руйнують багато матеріалів, і метали в тому числі, а от титан прекрасно протистоїть кавітації. Іспиту в морській воді швидкообертаючихся дисків з титану й інших металів показали, що при обертанні протягом двох місяців титановий диск практично не втратив у масі. Зовнішні краї його, де швидкість обертання, а отже, і кавітація максимальні, не змінилися. Інші диски не витримали іспиту: у всіх зовнішні краї виявилися ушкодженими, а багато хто з них зовсім зруйнувалися.

Титан володіє ще однією дивною властивістю–«пам'яттю». У сплаві з деякими металами (наприклад, з нікелем, і особливо з нікелем і воднем) він «запам'ятовує» форму виробу, що з нього зробили при визначеній температурі. Якщо такий виріб потім деформувати, наприклад, згорнути в пружину, зігнути, то воно залишиться в такім положенні на довгий час. Після нагрівання до тієї температури, при якій цей виріб був зроблений, воно приймає первісну форму. Це властивість титану широко використовується в космічній техніці (на кораблі розвертаються винесені в космічний простір великі антени, до цього компактно складені). Недавно ця властивість титану стали використовувати медики для безкровних операцій на судинах: у хворій, звужений судина вводиться дротик з титанового сплаву, а потім вона, розігріваючи до температури тіла, скручується в первісну пружинку і розширює судину.

Температурні, електричні і магнітні властивості титану.

Титан має порівняно низьку теплопровідність, всього 22,07 Ут/(мк), що приблизно в 3 рази нижче теплопровідності заліза, у 7 разу-магнію, у 17–20 разу-алюмінію і міді. Відповідно і коефіцієнт лінійного термічного розширення в титану нижче, ніж в інших конструкційних матеріалів: при 20 С він у 1,5 рази нижче чим у заліза, у 2 - у міді і майже в 3 - в алюмінію. Таким чином, титан – поганий провідник електрики і тепла. Проводів з нього не зробиш, а от те, що він один з далеко не всіх металів є при низьких температурах надпровідником електрики, відкриває йому великі перспективи в електричній техніці, передачі енергії на великі відстані. Титан – парамагнітний метал: він не намагнічується, як залізо, у магнітному полі, але і не виштовхується з нього, як мідь. Його магнітна сприйнятливість дуже слабка, ця властивість можна використовувати при будівництві, наприклад, немагнітних кораблів, приладів, апаратів.

На відміну від більшості металів титан володіє значним електроопором: 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 ця властивість, як і немагнітність, становить інтерес для радіоелектроніки й електротехніки.

Отримання титану

Ціна – от що ще гальмує виробництво і споживання, титану. Власне, висока вартість – не уроджений порок титану. У земній корі його багато – 0,63%. Мінерали, що містять титан знаходяться повсюдно. Найважливіші з них титаномагнетити FeTi3×nFe3O4, ільменіт FeTi3, сфен CaTiSi5 і рутил Ti2. (У Росії родовища титанових руд знаходяться на Уралі, а найбільший виробник Верхне-Салдинське ПО). Серед конструкційних металів титан по поширеності займає четверте місце, уступаючи лише алюмінію, залізу і магнію. Висока ціна титану – наслідок складності витягу його з руд і застосування вакуумного устаткування при переплавлянні. При промисловому одержанні титану чи руду концентрат переводять у диоксид титану, що потім хлорують. Однак навіть при 800-1000°Із хлорування протікає повільно. З достатньої для практичних цілей швидкістю воно відбувається в присутності вуглецю, що зв'язує кисень в основному в CO2:

Ti2+2Cl2+2C=TiCl4+2CO2


СкачатиСкачати:Титан (реферат)


Схожі реферати:
  • Шляхи реформування державної служби України (реферат)
  • Касове виконання бюджету У процесі виконання бюджету як державного, так і місцевого рівнів у самостійну сферу виділяється касове його виконання.
  • Якість і конкурентоспроможність продукції (реферат)
  • Основи житлового права України ПЛАН Житлове право України: поняття і предмет його правового регулювання Житл
  • КУРСОВА РОБОТА на тему: Роль внутрішнього мовлення у мисленні студентів Зміст Вступ 1. Природа внутрішнього мовлення 2. Роль внутрішн
  • Порушення законодавства про референдум. Порушення рівноправності громадян залежно від їх расової, національної належності або ставле
  • Основа економічної системи суверенної держави (реферат)
  • Організація спортивної гурткової роботи (курсова робота)
  • ІКІТ: Цифрові ЕОМ. Проектування кодера, декодера асинхронно-згорткових сигналів, розрядність М-послідовності М=7 (asm) (курсова)
  • Інфляція (курсова)




  • Скористайтеся пошуком:
    Loading

    Пошук :

    0.043550