Eterno, misterioso, cósmico, material del futuro: todos estos y muchos otros epítetos se asignan al titanio en varias fuentes. La historia del descubrimiento de este metal no fue baladí: al mismo tiempo, varios científicos trabajaron en aislar el elemento en su forma pura. El proceso de estudio de las propiedades físicas, químicas y determinación de las áreas de su aplicación no ha concluido a la fecha. El titanio es el metal del futuro, su lugar en la vida humana aún no se ha determinado definitivamente, lo que brinda a los investigadores modernos un gran margen para la creatividad y la investigación científica.
Característica
El elemento químico titanio (Titanium) se indica en la tabla periódica de D. I. Mendeleev con el símbolo Ti. Se ubica en el subgrupo secundario del grupo IV del cuarto período y tiene el número de serie 22. La sustancia simple titanio es un metal blanco-plateado, liviano y duradero. La configuración electrónica de un átomo tiene la siguiente estructura: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. En consecuencia, el titanio tiene varios estados de oxidación posibles: 2,3, 4, en los compuestos más estables es tetravalente.
Titanio - ¿aleación o metal?
Esta pregunta interesa a muchos. En 1910, el químico estadounidense Hunter obtuvo el primer titanio puro. El metal contenía solo el 1% de impurezas, pero al mismo tiempo, su cantidad resultó ser insignificante y no permitió seguir estudiando sus propiedades. La plasticidad de la sustancia obtenida se logró solo bajo la influencia de altas temperaturas, en condiciones normales (temperatura ambiente), la muestra era demasiado frágil. De hecho, este elemento no interesó a los científicos, ya que las perspectivas de su uso parecían demasiado inciertas. La dificultad de obtención e investigación redujo aún más el potencial de su aplicación. Solo en 1925, los químicos de los Países Bajos I. de Boer y A. Van Arkel recibieron metal de titanio, cuyas propiedades atrajeron la atención de ingenieros y diseñadores de todo el mundo. La historia del estudio de este elemento comienza en 1790, exactamente en este momento, en paralelo, independientemente el uno del otro, dos científicos descubren el titanio como elemento químico. Cada uno de ellos recibe un compuesto (óxido) de una sustancia, no logrando aislar el metal en su forma pura. El descubridor del titanio es el monje mineralogista inglés William Gregor. En el territorio de su parroquia, ubicada en la parte suroeste de Inglaterra, el joven científico comenzó a estudiar la arena negra del valle de Menaken. El resultado de los experimentos con un imán fue la liberación de granos brillantes, que eran un compuesto de titanio. Al mismo tiempo en Alemania, el químico Martin Heinrich Klaproth aisló una nueva sustancia del mineralrutilo En 1797, también demostró que los elementos abiertos en paralelo son similares. El dióxido de titanio ha sido un misterio para muchos químicos durante más de un siglo, e incluso Berzelius no pudo obtener metal puro. Las últimas tecnologías del siglo XX aceleraron significativamente el proceso de estudio del elemento mencionado y determinaron las direcciones iniciales para su uso. Al mismo tiempo, el ámbito de aplicación se amplía constantemente. Solo la complejidad del proceso de obtención de una sustancia como el titanio puro puede limitar su alcance. El precio de las aleaciones y el metal es bastante alto, por lo que hoy en día no puede desplazar al hierro y al aluminio tradicionales.
Origen del nombre
Menakin: el primer nombre del titanio, que se usó hasta 1795. Así es como, por filiación territorial, W. Gregor llamó al nuevo elemento. Martin Klaproth le da al elemento el nombre de "titanio" en 1797. En ese momento, sus colegas franceses, dirigidos por un químico de bastante reputación, A. L. Lavoisier, propusieron nombrar las sustancias recién descubiertas de acuerdo con sus propiedades básicas. El científico alemán no estaba de acuerdo con este enfoque, creía razonablemente que en la etapa de descubrimiento es bastante difícil determinar todas las características inherentes a una sustancia y reflejarlas en el nombre. Sin embargo, debe reconocerse que el término elegido intuitivamente por Klaproth corresponde completamente al metal; los científicos modernos lo han enfatizado repetidamente. Hay dos teorías principales sobre el origen del nombre titanio. El metal podría designarse así en honor a la reina elfa Titania(personaje de la mitología germánica). Este nombre simboliza tanto la ligereza como la fuerza de la sustancia. La mayoría de los científicos se inclinan por usar la versión del uso de la mitología griega antigua, en la que los poderosos hijos de la diosa de la tierra Gaia fueron llamados titanes. El nombre del elemento previamente descubierto, uranio, también habla a favor de esta versión.
Estar en la naturaleza
De los metales técnicamente valiosos para los humanos, el titanio es el cuarto más abundante en la corteza terrestre. Sólo el hierro, el magnesio y el aluminio se caracterizan por un gran porcentaje en la naturaleza. El mayor contenido de titanio se observa en la capa de bas alto, un poco menos en la capa de granito. En el agua de mar, el contenido de esta sustancia es bajo, aproximadamente 0,001 mg / l. El elemento químico titanio es bastante activo, por lo que no se puede encontrar en su forma pura. Muy a menudo, está presente en compuestos con oxígeno, mientras que tiene una valencia de cuatro. El número de minerales que contienen titanio varía de 63 a 75 (en varias fuentes), mientras que en la etapa actual de investigación, los científicos continúan descubriendo nuevas formas de sus compuestos. Para uso práctico, los siguientes minerales son de gran importancia:
- Ilmenita (FeTiO3).
- Rutilo (TiO2).
- Titanito (CaTiSiO5).
- Perovskita (CaTiO3).
- Titanomagnetita (FeTiO3+Fe3O4) etc.
Todos los minerales que contienen titanio existentes se dividen enaluviales y básicos. Este elemento es un migrante débil, puede viajar solo en forma de fragmentos de roca o rocas de fondo limoso en movimiento. En la biosfera, la mayor cantidad de titanio se encuentra en las algas. En los representantes de la fauna terrestre, el elemento se acumula en los tejidos córneos, el cabello. El cuerpo humano se caracteriza por la presencia de titanio en el bazo, las glándulas suprarrenales, la placenta y la glándula tiroides.
Propiedades físicas
El titanio es un metal no ferroso con un color blanco plateado que parece acero. A una temperatura de 0 0C, su densidad es de 4,517 g/cm3. La sustancia tiene una gravedad específica baja, que es típica de los metales alcalinos (cadmio, sodio, litio, cesio). En términos de densidad, el titanio ocupa una posición intermedia entre el hierro y el aluminio, mientras que sus prestaciones son superiores a las de ambos elementos. Las principales propiedades de los metales que se tienen en cuenta al determinar el alcance de su aplicación son el límite elástico y la dureza. El titanio es 12 veces más resistente que el aluminio, 4 veces más resistente que el hierro y el cobre, y es mucho más ligero. La plasticidad de una sustancia pura y su límite elástico hacen posible su procesamiento a bajas y altas temperaturas, como en el caso de otros metales, es decir, por remachado, forjado, soldado, laminado. Una característica distintiva del titanio es su baja conductividad térmica y eléctrica, mientras que estas propiedades se conservan a temperaturas elevadas, hasta 500 0С. En un campo magnético, el titanio es un elemento paramagnético, nose atrae como el hierro y no se expulsa como el cobre. El rendimiento anticorrosivo muy alto en entornos agresivos y bajo estrés mecánico es único. Más de 10 años de estar en agua de mar no cambiaron la apariencia y composición de la placa de titanio. El hierro en este caso quedaría completamente destruido por la corrosión.
Propiedades termodinámicas del titanio
- La densidad (en condiciones normales) es de 4,54 g/cm3.
- El número atómico es 22.
- Grupo metálico - refractario, ligero.
- La masa atómica del titanio es 47,0.
- Punto de ebullición (0С) – 3260.
- Volumen molar cm3/mol – 10, 6.
- Punto de fusión del titanio (0С) – 1668.
- Calor específico de vaporización (kJ/mol) – 422, 6.
- Resistencia eléctrica (a 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Propiedades químicas
La mayor resistencia a la corrosión del elemento se debe a la formación de una pequeña película de óxido en la superficie. Previene (en condiciones normales) reacciones químicas con gases (oxígeno, hidrógeno) en la atmósfera circundante de un elemento como el titanio metálico. Sus propiedades cambian bajo la influencia de la temperatura. Cuando sube a 600 0С, se produce una reacción de interacción con el oxígeno, lo que resulta en la formación de óxido de titanio (TiO2). En el caso de absorción de gases atmosféricos se forman compuestos quebradizos que no tienen aplicación práctica, por lo que la soldadura y fusión del titanio se realizan en condiciones de vacío. Reacción reversiblees el proceso de disolución de hidrógeno en el metal, ocurre más activamente con un aumento de temperatura (desde 400 0С y más). El titanio, especialmente sus partículas pequeñas (placa delgada o alambre), se quema en una atmósfera de nitrógeno. Una reacción química de interacción es posible solo a una temperatura de 700 0С, lo que resulta en la formación de nitruro de TiN. Forma aleaciones muy duras con muchos metales, a menudo como elemento de aleación. Reacciona con halógenos (cromo, bromo, yodo) solo en presencia de un catalizador (alta temperatura) y sujeto a interacción con una sustancia seca. En este caso, se forman aleaciones refractarias muy duras. Con soluciones de la mayoría de los álcalis y ácidos, el titanio es químicamente inactivo, con la excepción del sulfúrico concentrado (con ebullición prolongada), el fluorhídrico, el orgánico caliente (fórmico, oxálico).
Depósitos
Los minerales de ilmenita son los más comunes en la naturaleza: sus reservas se estiman en 800 millones de toneladas. Los depósitos de rutilo son mucho más modestos, pero el volumen total, manteniendo el crecimiento de la producción, debería proporcionar a la humanidad durante los próximos 120 años un metal como el titanio. El precio del producto terminado dependerá de la demanda y del aumento en el nivel de fabricación, pero en promedio varía en el rango de 1200 a 1800 rublos/kg. En condiciones de mejora técnica constante, el costo de todos los procesos de producción se reduce significativamente con su oportuna modernización. China y Rusia tienen las mayores reservas de minerales de titanio, así como mineralesJapón, Sudáfrica, Australia, Kazajstán, India, Corea del Sur, Ucrania, Ceilán tienen una base de materias primas. Los yacimientos difieren en el volumen de producción y el porcentaje de titanio en el mineral, los estudios geológicos están en curso, lo que permite suponer una disminución en el valor de mercado del metal y su uso más amplio. Rusia es, con diferencia, el mayor productor de titanio.
Recibir
Para la producción de titanio, se utiliza con mayor frecuencia dióxido de titanio, que contiene una cantidad mínima de impurezas. Se obtiene por enriquecimiento de concentrados de ilmenita o minerales de rutilo. En el horno de arco eléctrico tiene lugar el tratamiento térmico del mineral, que va acompañado de la separación del hierro y la formación de escorias que contienen óxido de titanio. El método de sulfato o cloruro se utiliza para procesar la fracción libre de hierro. El óxido de titanio es un polvo gris (ver foto). El titanio metálico se obtiene mediante su procesamiento por etapas.
La primera fase es el proceso de sinterización de la escoria con coque y exposición al vapor de cloro. El TiCl4 resultante se reduce con magnesio o sodio cuando se expone a una temperatura de 850 0C. La esponja de titanio (masa fundida porosa), obtenida como resultado de una reacción química, se refina o se funde en lingotes. Dependiendo de la dirección de uso posterior, se forma una aleación o metal puro (las impurezas se eliminan calentando a 1000 0С). Para la producción de una sustancia con un contenido de impurezas del 0,01 %, se utiliza el método del yoduro. Se basa en el procesoevaporación de una esponja de titanio pretratada con halógeno, sus vapores.
Áreas de aplicación
El punto de fusión del titanio es bastante alto, lo que, dada la ligereza del metal, es una ventaja invaluable para usarlo como material estructural. Por lo tanto, encuentra la mayor aplicación en la construcción naval, la industria de la aviación, la fabricación de cohetes y las industrias químicas. El titanio se usa con bastante frecuencia como aditivo de aleación en varias aleaciones, que tienen características de mayor dureza y resistencia al calor. Las altas propiedades anticorrosivas y la capacidad de soportar los ambientes más agresivos hacen que este metal sea indispensable para la industria química. El titanio (sus aleaciones) se utiliza para fabricar tuberías, tanques, válvulas, filtros utilizados en la destilación y transporte de ácidos y otras sustancias químicamente activas. Tiene demanda cuando se crean dispositivos que funcionan en condiciones de indicadores de temperatura elevados. Los compuestos de titanio se utilizan para fabricar herramientas de corte duraderas, pinturas, plásticos y papel, instrumentos quirúrgicos, implantes, joyas, materiales de acabado y se utilizan en la industria alimentaria. Todas las direcciones son difíciles de describir. La medicina moderna, debido a la completa seguridad biológica, a menudo usa metal titanio. El precio es el único factor que hasta ahora afecta la amplitud de aplicación de este elemento. Es justo decir que el titanio es el material del futuro, estudiando por el que pasará la humanidada una nueva etapa de desarrollo.
