Титан

Титан — один из наиболее распространенных элементов в природе. В земной коре масса титана составляет 0,61% массы Земли. В одном музее исследовали имеющиеся в коллекции минералы и обнаружили, что из 1000 различных минералов около 800 содержат титан. Однако полтора века назад об истинных свойствах этого элемента почти ничего не знали.

Открытие титана было необычно: оно состоялось трижды. В 1789—1791 гг. английский химик У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка из района Менакен в Корнуэле (Южная Англия), выделил новую «землю» (окись) неизвестного металла, которую назвал менакеновои. В 1795 г. немецкий химик М. Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля — окислы одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан».

Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз. Французский ученый Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз — идентичные окислы титана. Интересно отметить, что еще в 1799 г. появилась статья русского ученого Товия Ловица, который вел наблюдения над титаново-магнетитовыми рудами Урала,— «Показание некоторых замечаний о титане». В ней рассказывалось о свойствах титана. Естественно, что и в этой работе и в дальнейших исследованиях речь шла о титане, загрязненном различными примесями.

Слабое развитие аналитических способов определения титана нередко приводило к грубым ошибкам: например, до 1848 г. за титан принимали кристаллы из шлаков доменных печей, пока немецкий химик Ф. ВЈлер не доказал, что эти кристаллы — карбонитрид титана.

До 1870 г. даже атомная масса титана была определена неправильно, и только великий русский химик Д. И. Менделеев на основании положения титана в периодической системе элементов предсказал его действительную атомную массу (48 вместо 52). Сравнительно чистый металлический титан был получен лишь в 1910 г. американским химиком Хантером. Но и этот металл содержал еще ряд примесей, резко искажавших его подлинные физические и химические свойства.

В первой четверти нашего века во всех справочниках и учебниках по химии и металлургии титан характеризовался как очень хрупкий металл, с трудом поддающийся механической обработке. Лишь в 1925 г. голландские ученые А.-Ван Аркель и де Бур, применив разработанный ими метод термической диссоциации иодидов металлов, получили титан очень высокой чистоты. На первых образцах этого металла были определены истинные физические свойства титана. Металл оказался удивительно пластичным, прочным, легким, жаростойким. Эти ценные свойства давали возможность предположить, что настанет время и титан будет широко применяться и технике. Но даже в 40-х годах XX в., когда уже научились получать титан в значительных количествах, широкого использования он не находил. Это был металл будущего.

Росла скорость самолетов. Перед авиацией встала проблема звукового и теплового барьеров. Все выше перемещался и «потолок» полетов. Потребовался материал легкий и прочный. Алюминий, алюминиевые и магнитные сплавы, которые использовались в самолетостроении, новым требованиям не удовлетворяли. Для реактивного двигателя требовался жаропрочный и легкий материал. Этим требованиям отвечал титан. Его высокая точка плавления (1725° С) сочетается с низкой плотностью и большой прочностью, в шесть раз превышающей прочность стали. Внешне же титан похож на сталь. Благодаря сочетанию легкости с механической прочностью и трудней окисляемостью титан и его соединения стали ценнейшими строительными материалами в новой технике. Из него делают лопасти газовых турбин реактивных двигателей, фюзеляжей и кабины высотных самолетов, перегородки, трубы и части различной аппаратуры. Так, в одном из американских сверхзвуковых самолетов из титановых сплавов сделано более 20 тыс. различных деталей. Замена титановыми сплавами стальных деталей двигателей снижает удельную массу самолетов на 30— 40%.

В ракетостроении титан используют для изготовления корпусов двигателей ракет, емкостей для жидкого водорода и другой аппаратуры. Неоценимым материалом оказался титан и в судостроении. В титановой пластинке, погруженной в морскую воду, через 10 лет не было обнаружено никаких изменений, а ведь от стальной пластины остались бы одни воспоминания. Обшивка кораблей титановыми пластинами не требует никакой антикоррозийной защиты. Титановыми листами покрыт монумент в честь покорителей космоса в Москве.

Титановые сплавы применяют при изготовлении навигационных приборов, насосов и трубопроводов, а также для обшивки судов и подводных лодок. В обычной воде титан подвергается коррозии лишь при 800° С. Да что вода, даже концентрированная серная кислота против титана бессильна. Способность титана жадно поглощать газы и давать прочные соединения с азотом и углеродом (это обстоятельство, кстати, затрудняет получение титана в чистом виде) также стали использовать в технике — для удаления газов из расплавленных металлов там, где вакуум-насосы не могут поймать и удалить остатки газов. Чистый титан в виде проволоки, ленты и других изделий используют в электровакуумной технике для изготовления анодов, сеток, антикатодов рентгеновских трубок и других деталей.

Титан и его сплавы обладают повышенной коррозионной стойкостью против ряда химических реагентов — влажного хлора, азотной кислоты, органических кислот и др. Поэтому титан широко применяют в химическом машиностроении. В производстве хлора из титановых сплавов изготовляют трубопроводы, теплообменники, насосы для перекачки хлорных и солевых растворов. Стойкость этой аппаратуры в 10—20 раз выше, чем аналогичных насосов из нержавеющей стали. В производстве азотной кислоты применяют титановую аппаратуру для хранения и перевозки 60—70-процентной НМО₃! в дымящей кислоте титан взрывоопасен.

Аппаратурой из титана пользуются при получении уксусной, муравьиной и других кислот, в производстве мочевины и органических красителей. С добавлением титана сталь становится тверже и эластичнее. Из такой стали изготовляют рельсы, вагонные оси, колеса. Титан и его сплавы широко применяют в черной и цветной металлургии. Ферротитан — сплав железа с титаном — служит для раскисления и деазотизации стали. Титан связывает не только кислород и азот, но и серу. Титан добавляют в сплавы цветных металлов, чтобы улучшить их механические свойства и сопротивление коррозии. Карбид титана обладает высокой твердостью и тугоплавкостью. Он входит в состав титано-вольфрамовых и инструментальных твердых сплавов. В последнее время очень важное значение приобретают сверхпроводящие сплавы ниобия с титаном.

Оригинальное применение получил титан в медицине — для изготовления внутренних протезов. Установлено, что присутствие титана в живом организме вполне допустимо, кости и мышечная ткань срастаются с ним. Двуокись титана используют как белый пигмент титановых белил. Раньше в живописи применялись свинцовые белила. Со временем они портятся: темнеют и теряют кроющую способность. В результате этого картины многих выдающихся живописцев утратили свой первоначальный вид. Титановые же белил^ очень стойкие, и полотна наших выдающихся современников смогут сохраняться многие века.

В изготовлении твердых диэлектриков (производство конденсаторов, радиоаппаратуры и высокочастотных печей) используют различные кристаллические формы двуокиси титана — анатаз и рутил. Метатитанат бария ВаТiO₃ отличается сверхвысокой диэлектрической постоянной и применяется для изготовления электрических конденсаторов.

Известно не менее 65 минералов, содержащих титан, который находится обычно в четырехвалентной форме. Промышленное значение имеют минералы рутил, ильменит, перовскит и сфен. Рутил, анатаз и брукит — это аллотропические модификации двуокиси титана. Ильменит (метатитанат железа) FeTiO₃ и рутил TiO₂ — наиболее распространенные минералы титана, из которых его в основном получают.

Промышленное производство металлического титана началось с 1948 г. Сначала в США, затем в Англии и Японии, а с 1954 г. в СССР работают предприятия, выпускающие титан и его сплавы. Наша страна по производству титана вышла на одно из первых мест в мире.

перейти к началу страницы