Věčný, tajemný, vesmírný, materiál budoucnosti – všechna tato a mnoho dalších epitet jsou v různých zdrojích přiřazována titanu. Historie objevu tohoto kovu nebyla triviální: ve stejné době několik vědců pracovalo na izolaci prvku v jeho čisté formě. Proces studia fyzikálních, chemických vlastností a stanovení oblastí jeho použití nebyl do dnešního dne ukončen. Titan je kovem budoucnosti, jeho místo v lidském životě ještě nebylo definitivně určeno, což dává moderním výzkumníkům obrovský prostor pro kreativitu a vědecký výzkum.
Charakteristika
Chemický prvek titan (Titanium) je označen v periodické tabulce D. I. Mendělejeva symbolem Ti. Nachází se v sekundární podskupině skupiny IV čtvrtého období a má pořadové číslo 22. Jednoduchá hmota titan je bílo-stříbrný kov, lehký a odolný. Elektronická konfigurace atomu má následující strukturu: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. V souladu s tím má titan několik možných oxidačních stavů: 2,3, 4, v nejstabilnějších sloučeninách je čtyřmocný.
Titan – slitina nebo kov?
Tato otázka zajímá mnohé. V roce 1910 získal americký chemik Hunter první čistý titan. Kov obsahoval pouze 1 % nečistot, ale zároveň se jeho množství ukázalo jako zanedbatelné a neumožňovalo dále studovat jeho vlastnosti. Plastičnosti získané látky bylo dosaženo pouze vlivem vysokých teplot, za normálních podmínek (pokojová teplota) byl vzorek příliš křehký. Ve skutečnosti tento prvek vědce nezajímal, protože vyhlídky na jeho použití se zdály příliš nejisté. Obtížnost získávání a výzkumu dále snižovala potenciál pro jeho aplikaci. Teprve v roce 1925 dostali chemici z Nizozemska I. de Boer a A. Van Arkel titanový kov, jehož vlastnosti přitahovaly pozornost inženýrů a konstruktérů po celém světě. Historie studia tohoto prvku začíná v roce 1790, přesně v této době paralelně, nezávisle na sobě, dva vědci objevují titan jako chemický prvek. Každý z nich přijímá sloučeninu (oxid) látky, která nedokáže izolovat kov v jeho čisté formě. Objevitelem titanu je anglický mineralog mnich William Gregor. Na území své farnosti, která se nachází v jihozápadní části Anglie, začal mladý vědec studovat černý písek údolí Menaken. Výsledkem pokusů s magnetem bylo uvolnění lesklých zrn, což byla sloučenina titanu. Ve stejné době v Německu chemik Martin Heinrich Klaproth izoloval z minerálu novou látkurutil. V roce 1797 také dokázal, že paralelně otevřené prvky jsou podobné. Oxid titaničitý byl pro mnoho chemiků po více než století záhadou a ani Berzelius nedokázal získat čistý kov. Nejnovější technologie 20. století výrazně urychlily proces studia zmíněného prvku a určily prvotní směry jeho použití. Rozsah použití se přitom neustále rozšiřuje. Pouze složitost procesu získávání takové látky, jako je čistý titan, může omezit jeho rozsah. Cena slitin a kovu je poměrně vysoká, takže dnes nemůže nahradit tradiční železo a hliník.
Původ jména
Menakin - první název pro titan, který se používal až do roku 1795. Tak podle územní příslušnosti nazval nový prvek W. Gregor. Martin Klaproth dal prvku jméno „titan“v roce 1797. V této době jeho francouzští kolegové v čele s dosti uznávaným chemikem A. L. Lavoisierem navrhli nově objevené látky pojmenovat podle jejich základních vlastností. Německý vědec s tímto přístupem nesouhlasil, docela rozumně se domníval, že ve fázi objevu je poměrně obtížné určit všechny vlastnosti obsažené v látce a promítnout je do názvu. Je však třeba uznat, že termín, který Klaproth intuitivně zvolil, plně odpovídá kovu - to bylo opakovaně zdůrazňováno moderními vědci. Existují dvě hlavní teorie původu názvu titan. Kov by tak mohl být označen na počest elfí královny Titanie(postava germánské mytologie). Tento název symbolizuje jak lehkost, tak sílu látky. Většina vědců se přiklání k použití verze použití starověké řecké mytologie, ve které byli mocní synové bohyně země Gaia nazýváni titány. Ve prospěch této verze hovoří i název dříve objeveného prvku, uranu.
Být v přírodě
Z kovů, které jsou pro člověka technicky cenné, je titan čtvrtým nejrozšířenějším v zemské kůře. Pouze železo, hořčík a hliník se v přírodě vyznačují velkým procentem. Nejvyšší obsah titanu je zaznamenán v čedičové skořápce, o něco méně ve vrstvě žuly. V mořské vodě je obsah této látky nízký – přibližně 0,001 mg/l. Chemický prvek titan je poměrně aktivní, takže jej nelze nalézt v čisté formě. Nejčastěji je přítomen ve sloučeninách s kyslíkem, přičemž má čtyřmocnost. Počet minerálů obsahujících titan se pohybuje od 63 do 75 (v různých zdrojích), zatímco v současné fázi výzkumu vědci pokračují v objevování nových forem jeho sloučenin. Pro praktické použití mají největší význam následující minerály:
- Ilmenit (FeTiO3).
- Rutile (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perovskit (CaTiO3).
- Titanomagnetit (FeTiO3+Fe3O4) atd.
Všechny existující rudy obsahující titan jsou rozděleny naaluviální a základní. Tento prvek je slabým migrantem, může cestovat pouze ve formě úlomků hornin nebo pohyblivých bahnitých spodních hornin. V biosféře se největší množství titanu nachází v řasách. U zástupců suchozemské fauny se prvek hromadí v rohovitých tkáních, vlasech. Lidské tělo je charakterizováno přítomností titanu ve slezině, nadledvinách, placentě, štítné žláze.
Fyzikální vlastnosti
Titan je neželezný kov se stříbřitě bílou barvou, který vypadá jako ocel. Při teplotě 0 0C je jeho hustota 4,517 g/cm3. Látka má nízkou specifickou hmotnost, která je typická pro alkalické kovy (kadmium, sodík, lithium, cesium). Pokud jde o hustotu, titan zaujímá mezipolohu mezi železem a hliníkem, přičemž jeho výkon je vyšší než u obou prvků. Hlavní vlastnosti kovů, které se berou v úvahu při určování rozsahu jejich použití, jsou mez kluzu a tvrdost. Titan je 12krát pevnější než hliník, 4krát pevnější než železo a měď a přitom je mnohem lehčí. Plastičnost čisté látky a její mez kluzu umožňuje zpracovávat při nízkých i vysokých teplotách jako u jiných kovů, tedy nýtováním, kováním, svařováním, válcováním. Charakteristickým znakem titanu je jeho nízká tepelná a elektrická vodivost, přičemž tyto vlastnosti jsou zachovány při zvýšených teplotách až do 500 0С. V magnetickém poli je titan paramagnetickým prvkem, není tomu takje přitahován jako železo a není vytlačován jako měď. Jedinečný je velmi vysoký antikorozní výkon v agresivním prostředí a při mechanickém namáhání. Více než 10 let pobytu v mořské vodě nezměnilo vzhled a složení titanové desky. Železo by v tomto případě bylo korozí zcela zničeno.
Termodynamické vlastnosti titanu
- Hustota (za normálních podmínek) je 4,54 g/cm3.
- Atomové číslo je 22.
- Kovová skupina – žáruvzdorné, lehké.
- Atomová hmotnost titanu je 47,0.
- Bod varu (0С) – 3260.
- Molární objem cm3/mol – 10, 6.
- Bod tání titanu (0С) – 1668.
- Specifické výparné teplo (kJ/mol) – 422, 6.
- Elektrický odpor (při 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Chemické vlastnosti
Zvýšená odolnost prvku proti korozi je způsobena tvorbou malého oxidového filmu na povrchu. Zabraňuje (za normálních podmínek) chemickým reakcím s plyny (kyslík, vodík) v okolní atmosféře prvku, jako je kovový titan. Jeho vlastnosti se mění vlivem teploty. Když stoupne na 600 0С, dochází k interakční reakci s kyslíkem, jejímž výsledkem je vznik oxidu titaničitého (TiO2). V případě absorpce atmosférických plynů vznikají křehké sloučeniny, které nemají praktické uplatnění, proto se svařování a tavení titanu provádí ve vakuu. vratná reakceje proces rozpouštění vodíku v kovu, k němu dochází aktivněji se zvýšením teploty (od 400 0С a výše). Titan, zejména jeho malé částice (tenká deska nebo drát), hoří v dusíkové atmosféře. Chemická reakce interakce je možná pouze při teplotě 700 0С, výsledkem je vznik nitridu TiN. Vytváří vysoce tvrdé slitiny s mnoha kovy, často jako legující prvek. Reaguje s halogeny (chrom, brom, jod) pouze za přítomnosti katalyzátoru (vysoká teplota) a za interakce se suchou látkou. V tomto případě vznikají velmi tvrdé žáruvzdorné slitiny. S roztoky většiny zásad a kyselin je titan chemicky neaktivní, s výjimkou koncentrované kyseliny sírové (s prodlouženým varem), fluorovodíkové, horké organické (mravenčí, šťavelová).
Vklady
Ilmenitové rudy jsou v přírodě nejrozšířenější – jejich zásoby se odhadují na 800 milionů tun. Ložiska rutilových ložisek jsou mnohem skromnější, ale celkový objem – při zachování růstu produkce – by měl lidstvu zajistit na dalších 120 let takový kov, jakým je titan. Cena hotového výrobku bude záviset na poptávce a zvýšení úrovně vyrobitelnosti, ale v průměru se pohybuje v rozmezí od 1200 do 1800 rublů/kg. V podmínkách neustálého technického zdokonalování se výrazně snižují náklady na všechny výrobní procesy s jejich včasnou modernizací. Čína a Rusko mají největší zásoby titanových rud a také nerostůSurovinovou základnu mají Japonsko, Jižní Afrika, Austrálie, Kazachstán, Indie, Jižní Korea, Ukrajina, Cejlon. Ložiska se liší objemem těžby a procentem titanu v rudě, probíhají geologické průzkumy, což umožňuje předpokládat pokles tržní hodnoty kovu a jeho širší využití. Rusko je zdaleka největším producentem titanu.
Přijmout
Pro výrobu titanu se nejčastěji používá oxid titaničitý obsahující minimální množství nečistot. Získává se obohacováním koncentrátů ilmenitu nebo rutilových rud. V elektrické obloukové peci probíhá tepelné zpracování rudy, které je doprovázeno oddělováním železa a tvorbou strusky obsahující oxid titaničitý. Pro zpracování frakce bez železa se používá síranová nebo chloridová metoda. Oxid titaničitý je šedý prášek (viz foto). Kovový titan se získává jeho fázovým zpracováním.
První fází je proces slinování strusky s koksem a vystavení parám chlóru. Výsledný TiCl4 je redukován hořčíkem nebo sodíkem, když je vystaven teplotě 850 0C. Titanová houba (porézní tavená hmota), získaná jako výsledek chemické reakce, se rafinuje nebo taví do ingotů. V závislosti na dalším směru použití vzniká slitina nebo čistý kov (nečistoty se odstraní zahřátím na 1000 0С). Pro výrobu látky s obsahem nečistot 0,01 % se používá jodidová metoda. Vychází z procesuodpařování z titanové houby předem upravené halogenem, jeho výpary.
Oblasti použití
Bod tání titanu je poměrně vysoký, což je vzhledem k lehkosti kovu neocenitelnou výhodou jeho použití jako konstrukčního materiálu. Největší uplatnění proto nachází ve stavbě lodí, leteckém průmyslu, výrobě raket a chemickém průmyslu. Titan se poměrně často používá jako legovací přísada do různých slitin, které mají zvýšenou tvrdost a tepelnou odolnost. Vysoké antikorozní vlastnosti a schopnost odolávat většině agresivních prostředí činí tento kov nepostradatelný pro chemický průmysl. Titan (jeho slitiny) se používá k výrobě potrubí, nádrží, ventilů, filtrů používaných při destilaci a dopravě kyselin a dalších chemicky aktivních látek. Je požadován při vytváření zařízení pracujících v podmínkách zvýšených teplotních indikátorů. Sloučeniny titanu se používají k výrobě odolných řezných nástrojů, barev, plastů a papíru, chirurgických nástrojů, implantátů, šperků, dokončovacích materiálů a používají se v potravinářském průmyslu. Všechny směry se těžko popisují. Moderní medicína kvůli naprosté biologické bezpečnosti často používá kovový titan. Cena je jediným faktorem, který zatím ovlivňuje šíři uplatnění tohoto prvku. Je spravedlivé říci, že titan je materiálem budoucnosti, jehož studiem lidstvo projdedo nové fáze vývoje.
