נצחי, מסתורי, קוסמי, חומר העתיד - כל אלה ורבים אחרים מוקצים לטיטניום במקורות שונים. ההיסטוריה של גילוי המתכת הזו לא הייתה טריוויאלית: במקביל, כמה מדענים עבדו על בידוד היסוד בצורתו הטהורה. תהליך לימוד התכונות הפיזיקליות, הכימיות וקביעת תחומי היישום שלו לא הושלם עד היום. טיטניום היא מתכת העתיד, מקומה בחיי האדם טרם נקבע סופית, מה שנותן לחוקרים מודרניים מרחב עצום ליצירתיות ולמחקר מדעי.
אופייני
היסוד הכימי טיטניום (טיטניום) מצוין בטבלה המחזורית של D. I. Mendeleev בסמל Ti. הוא ממוקם בתת-הקבוצה המשנית של קבוצה IV של התקופה הרביעית ויש לו מספר סידורי 22. החומר הפשוט טיטניום הוא מתכת לבנה-כסף, קלה ועמידה. לתצורה האלקטרונית של אטום יש את המבנה הבא: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. בהתאם, לטיטניום יש מספר מצבי חמצון אפשריים: 2,3, 4, בתרכובות היציבות ביותר הוא ארבע ערכי.
טיטניום - סגסוגת או מתכת?
שאלה זו מעניינת רבים. בשנת 1910, הכימאי האמריקני האנטר השיג את הטיטניום הטהור הראשון. המתכת הכילה רק 1% זיהומים, אך יחד עם זאת, התבררה כמותה כזניחה ולא אפשרה להמשיך ולחקור את תכונותיה. הפלסטיות של החומר המתקבל הושגה רק בהשפעת טמפרטורות גבוהות; בתנאים רגילים (טמפרטורת החדר), המדגם היה שביר מדי. למעשה, אלמנט זה לא עניין את המדענים, מכיוון שהסיכויים לשימוש בו נראו לא ודאיים מדי. הקושי להשיג ולמחקר הפחית עוד יותר את הפוטנציאל ליישומו. רק בשנת 1925, כימאים מהולנד I. de Boer ו-A. Van Arkel קיבלו מתכת טיטניום, שתכונותיה משכו את תשומת לבם של מהנדסים ומעצבים ברחבי העולם. ההיסטוריה של חקר יסוד זה מתחילה בשנת 1790, בדיוק בזמן הזה, במקביל, ללא תלות זה בזה, מגלים שני מדענים טיטניום כיסוד כימי. כל אחד מהם מקבל תרכובת (תחמוצת) של חומר, לא מצליח לבודד את המתכת בצורתה הטהורה. מגלה הטיטניום הוא הנזיר המינרלוג האנגלי ויליאם גרגור. בשטח הקהילה שלו, הממוקמת בחלק הדרום-מערבי של אנגליה, החל המדען הצעיר לחקור את החול השחור של עמק מנקן. התוצאה של ניסויים עם מגנט הייתה שחרור של גרגרים מבריקים, שהיו תרכובת טיטניום. במקביל בגרמניה, הכימאי מרטין היינריך קלפרוט בודד חומר חדש מהמינרלרוטיל. ב-1797, הוא גם הוכיח שאלמנטים שנפתחו במקביל דומים. טיטניום דו חמצני היה תעלומה עבור כימאים רבים במשך יותר ממאה שנה, ואפילו ברזליוס לא הצליח להשיג מתכת טהורה. הטכנולוגיות העדכניות ביותר של המאה ה-20 האיצו באופן משמעותי את תהליך לימוד האלמנט הנזכר וקבעו את הכיוונים הראשוניים לשימוש בו. במקביל, היקף היישום מתרחב כל הזמן. רק המורכבות של תהליך השגת חומר כזה כמו טיטניום טהור יכולה להגביל את היקפו. המחיר של סגסוגות ומתכת די גבוה, ולכן כיום הוא אינו יכול לעקור ברזל ואלומיניום מסורתיים.
מקור השם
מנקין - השם הפרטי לטיטניום, שהיה בשימוש עד 1795. כך, לפי השתייכות טריטוריאלית, קרא וו.גרגור לאלמנט החדש. מרטין קלפרות' נותן ליסוד את השם "טיטניום" בשנת 1797. בשלב זה, עמיתיו הצרפתים, בראשות כימאי בעל מוניטין למדי A. L. Lavoisier, הציעו לקרוא לחומרים החדשים שהתגלו בהתאם לתכונות הבסיסיות שלהם. המדען הגרמני לא הסכים עם גישה זו, הוא בהחלט האמין שבשלב הגילוי די קשה לקבוע את כל המאפיינים הטמונים בחומר ולשקף אותם בשם. עם זאת, יש להכיר בכך שהמונח שנבחר באופן אינטואיטיבי על ידי Klaproth מתאים באופן מלא למתכת - זה הודגש שוב ושוב על ידי מדענים מודרניים. קיימות שתי תיאוריות עיקריות למקור השם טיטניום. המתכת יכולה להיות מיועדת כך לכבוד מלכת האלפים טיטאניה(דמות המיתולוגיה הגרמאנית). שם זה מסמל הן את הקלילות והן את החוזק של החומר. רוב המדענים נוטים להשתמש בגרסה של השימוש במיתולוגיה היוונית העתיקה, שבה נקראו בניה החזקים של אלת האדמה גאיה טיטאנים. גם שמו של היסוד שהתגלה בעבר, אורניום, מדבר בעד גרסה זו.
להיות בטבע
מבין המתכות בעלות ערך טכני לבני אדם, טיטניום הוא הרביעי בשכיחותו בקרום כדור הארץ. רק ברזל, מגנזיום ואלומיניום מאופיינים באחוז גדול בטבע. התכולה הגבוהה ביותר של טיטניום מצוינת בקליפת הבזלת, מעט פחות בשכבת הגרניט. במי ים, התוכן של חומר זה נמוך - כ 0.001 מ ג לליטר. היסוד הכימי טיטניום פעיל למדי, ולכן לא ניתן למצוא אותו בצורתו הטהורה. לרוב, הוא קיים בתרכובות עם חמצן, בעוד שיש לו ערכיות של ארבע. מספר המינרלים המכילים טיטניום משתנה בין 63 ל-75 (במקורות שונים), בעוד שבשלב המחקר הנוכחי, מדענים ממשיכים לגלות צורות חדשות של התרכובות שלו. לשימוש מעשי, המינרלים הבאים הם בעלי החשיבות הגדולה ביותר:
- Ilmenite (FeTiO3).
- Rutile (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskite (CaTiO3).
- Titanomagnetite (FeTiO3+Fe3O4) וכו'.
כל העפרות הקיימות הנושאות טיטניום מחולקות לסחף ובסיסי. יסוד זה הוא מהגר חלש, הוא יכול לנוע רק בצורה של שברי סלעים או סלעים תחתונים מלוחים. בביוספרה, הכמות הגדולה ביותר של טיטניום נמצאת באצות. אצל נציגי החי היבשתי, היסוד מצטבר ברקמות הקרניות, השיער. גוף האדם מאופיין בנוכחות טיטניום בטחול, בלוטות יותרת הכליה, השליה, בלוטת התריס.
נכסים פיזיים
טיטניום היא מתכת לא ברזלית עם צבע לבן-כסוף שנראה כמו פלדה. בטמפרטורה של 0 0C, הצפיפות שלו היא 4.517 גרם/ס מ3. החומר בעל משקל סגולי נמוך, האופייני למתכות אלקליות (קדמיום, נתרן, ליתיום, צסיום). מבחינת צפיפות, הטיטניום תופס עמדת ביניים בין ברזל לאלומיניום, בעוד הביצועים שלו גבוהים משל שני היסודות. התכונות העיקריות של מתכות הנלקחות בחשבון בעת קביעת היקף היישום שלהן הן חוזק התפוקה והקשיות. טיטניום חזק פי 12 מאלומיניום, פי 4 חזק יותר מברזל ונחושת, תוך שהוא הרבה יותר קל. הפלסטיות של חומר טהור וחוזק התפוקה שלו מאפשרים עיבוד בטמפרטורות נמוכות וגבוהות, כמו במקרה של מתכות אחרות, כלומר על ידי ריתוך, חישול, ריתוך, גלגול. מאפיין ייחודי של טיטניום הוא המוליכות התרמית והחשמלית הנמוכה שלו, בעוד שתכונות אלו נשמרות בטמפרטורות גבוהות, עד 500 0С. בשדה מגנטי, טיטניום הוא יסוד פרמגנטי, הוא לאנמשך כמו ברזל, ואינו נדחק החוצה כמו נחושת. ביצועים גבוהים מאוד נגד קורוזיה בסביבות אגרסיביות ותחת לחץ מכני הם ייחודיים. יותר מ-10 שנים של שהייה במי ים לא שינו את המראה וההרכב של לוח הטיטניום. ברזל במקרה זה ייהרס לחלוטין על ידי קורוזיה.
מאפיינים תרמודינמיים של טיטניום
- צפיפות (בתנאים רגילים) היא 4.54g/cm3.
- המספר האטומי הוא 22.
- קבוצת מתכת - עקשן, קל.
- מסה האטומית של טיטניום היא 47.0.
- נקודת רתיחה (0С) – 3260.
- נפח מולארי cm3/מול – 10, 6.
- נקודת התכה של טיטניום (0С) – 1668.
- חום אידוי ספציפי (kJ/mol) – 422, 6.
- התנגדות חשמלית (ב-20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
מאפיינים כימיים
העמידות המוגברת בפני קורוזיה של האלמנט נובעת מהיווצרות של סרט תחמוצת קטן על פני השטח. זה מונע (בתנאים רגילים) תגובות כימיות עם גזים (חמצן, מימן) באטמוספירה שמסביב של יסוד כמו מתכת טיטניום. תכונותיו משתנות בהשפעת הטמפרטורה. כאשר הוא עולה ל-600 0С, מתרחשת תגובת אינטראקציה עם חמצן, וכתוצאה מכך היווצרות תחמוצת טיטניום (TiO2). במקרה של ספיגת גזים אטמוספריים נוצרות תרכובות שבירות שאין להן יישום מעשי, ולכן ריתוך והיתוך טיטניום מתבצעים בתנאי ואקום. תגובה הפיכההוא תהליך של פירוק מימן במתכת, הוא מתרחש בצורה פעילה יותר עם עלייה בטמפרטורה (מ-400 0С ומעלה). טיטניום, במיוחד החלקיקים הקטנים שלו (לוח דק או חוט), נשרף באווירת חנקן. תגובה כימית של אינטראקציה אפשרית רק בטמפרטורה של 700 0С, וכתוצאה מכך היווצרות של ניטריד TiN. יוצר סגסוגות קשות מאוד עם מתכות רבות, לעתים קרובות כאלמנט מתג. הוא מגיב עם הלוגנים (כרום, ברום, יוד) רק בנוכחות זרז (טמפרטורה גבוהה) ובכפוף לאינטראקציה עם חומר יבש. במקרה זה, נוצרות סגסוגות עקשנות קשות מאוד. עם תמיסות של רוב האלקליות והחומצות, טיטניום אינו פעיל מבחינה כימית, למעט גופרית מרוכזת (עם רתיחה ממושכת), הידרופלואורית, אורגנית חמה (פורמית, אוקסלית).
הפקדות
עפרות אילמניטים הן הנפוצות ביותר בטבע - עתודותיהן מוערכות ב-800 מיליון טון. המרבצים של מרבצי הרוטיל צנועים הרבה יותר, אבל הנפח הכולל - תוך שמירה על צמיחה בייצור - אמור לספק לאנושות במשך 120 השנים הבאות מתכת כמו טיטניום. המחיר של המוצר המוגמר יהיה תלוי בביקוש ובעלייה ברמת הייצור, אך בממוצע הוא משתנה בטווח שבין 1200 ל 1800 רובל/ק ג. בתנאים של שיפור טכני מתמיד, העלות של כל תהליכי הייצור מופחתת באופן משמעותי עם המודרניזציה שלהם בזמן. לסין ולרוסיה יש את המאגרים הגדולים ביותר של עפרות טיטניום, כמו גם מינרליםליפן, דרום אפריקה, אוסטרליה, קזחסטן, הודו, דרום קוריאה, אוקראינה, ציילון יש בסיס חומר גלם. המרבצים שונים בהיקף הייצור ובאחוז הטיטניום בעפרה, נמשכים סקרים גיאולוגיים המאפשרים להניח ירידה בערך השוק של המתכת ושימוש רחב יותר בה. רוסיה היא ללא ספק היצרנית הגדולה ביותר של טיטניום.
קבל
ליצור טיטניום, לרוב נעשה שימוש בטיטניום דו חמצני, המכיל כמות מינימלית של זיהומים. הוא מתקבל על ידי העשרת תרכיזי אילמניט או עפרות רוטיל. בכבשן הקשת החשמלי מתבצע טיפול החום בעפרה המלווה בהפרדת ברזל ויצירת סיגים המכילים תחמוצת טיטניום. שיטת הסולפט או הכלוריד משמשת לעיבוד השבר ללא ברזל. תחמוצת טיטניום היא אבקה אפורה (ראה תמונה). מתכת טיטניום מתקבלת על ידי עיבוד מדורג שלה.
השלב הראשון הוא תהליך סינון סיגים עם קולה וחשיפה לאדי כלור. ה-TiCl4 המתקבל מופחת עם מגנזיום או נתרן כאשר הוא נחשף לטמפרטורה של 850 0C. ספוג טיטניום (מסה מתמזגת נקבובי), המתקבל כתוצאה מתגובה כימית, מזוקק או נמס למטילים. בהתאם לכיוון השימוש הנוסף, נוצרת סגסוגת או מתכת טהורה (הסרת זיהומים על ידי חימום ל-1000 0С). לייצור חומר עם תכולת טומאה של 0.01%, נעשה שימוש בשיטת יודיד. זה מבוסס על התהליךאידוי מספוג טיטניום שטופל מראש בהלוגן, האדים שלו.
אזורי יישום
נקודת ההיתוך של טיטניום גבוהה למדי, מה שבהתחשב בקלילות המתכת, הוא יתרון שלא יסולא בפז בשימוש בה כחומר מבני. לכן, הוא מוצא את היישום הגדול ביותר בבניית ספינות, תעשיית התעופה, ייצור רקטות ותעשיות כימיות. טיטניום משמש לעתים קרובות למדי כתוסף סגסוגת בסגסוגות שונות, בעלות תכונות קשיות ועמידות בחום מוגברות. תכונות אנטי קורוזיה גבוהות והיכולת לעמוד בפני רוב הסביבות האגרסיביות הופכות את המתכת הזו לחובה עבור התעשייה הכימית. טיטניום (הסגסוגות שלו) משמש לייצור צינורות, מיכלים, שסתומים, מסננים המשמשים בזיקוק והובלה של חומצות וחומרים פעילים כימית אחרים. זה מבוקש בעת יצירת מכשירים הפועלים בתנאים של מחווני טמפרטורה גבוהים. תרכובות טיטניום משמשות לייצור כלי חיתוך עמידים, צבעים, פלסטיק ונייר, מכשירים כירורגיים, שתלים, תכשיטים, חומרי גימור, ומשמשות בתעשיית המזון. קשה לתאר את כל הכיוונים. הרפואה המודרנית, בשל בטיחות ביולוגית מלאה, משתמשת לעתים קרובות במתכת טיטניום. המחיר הוא הגורם היחיד שמשפיע עד כה על רוחב היישום של אלמנט זה. זה הוגן לומר שטיטניום הוא החומר של העתיד, על ידי לימוד איזה האנושות תעבורלשלב חדש של פיתוח.
