ТИТАН (химический элемент)

ТИТАН (химический элемент)

ТИТА́Н (лат. Titanium, по имени исполинов греческой мифологии — титанов), Ti (читается «титан»), химический элемент с атомным номером 22, атомная масса 47,88. Расположен в группе IVB, в 4 периоде периодической системы элементов. Природный титан состоит из пяти стабильных изотопов с массовыми числами 46 (7,95%), 47 (7,75%), 48 (73,45%), 49 (5,51%) и 50 (5,34%). Конфигурация внешнего и предвнешнего электронных слоев 3s²p⁶d²4s². Степени окисления +4, +3, +2 (валентность IV,III, II). Радиус атома 0,149 нм, радиус иона Ti⁴⁺ 0,065 нм (координационное число 6) и 0,088 нм (8) и 0,098 нм (8), радиус иона Ti³⁺ 0,081 нм (6) и радиус иона Ti²⁺0,100 нм (6). Энергии последовательной ионизации 6,820, 13,58, 27,48, 43,25 и 99,3 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 1,5. Сродство к электрону 0,39 эВ.
Открытие TiO ₂ сделали одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор (1789), который обнаружил TiO₂в минерале ильмените (см. ИЛЬМЕНИТ), и берлинский химик Клапрот (см. КЛАПРОТ Мартин Генрих) (1795—1797) — в минерале рутил (см. РУТИЛ). Название для элемента предложил Клапрот. Первый образец металлического титана получил в 1825 Й. Я. Берцелиус (см. БЕРЦЕЛИУС Йенс Якоб). Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркель и И. де Бур в 1925 термическим разложением паров иодида титана TiI₄.
Содержание в земной коре 0,57% по массе. В свободном виде не встречается. Известно более 100 минералов. Важнейшие из них: рутил TiO₂, ильменит (см. ИЛЬМЕНИТ) FeTiO₃, титаномагнетит (см. ТИТАНОМАГНЕТИТ) FeTiO₃ + Fe₃O₄, перовскит (см. ПЕРОВСКИТ) CaTiO₃и титанит (сфен) (см. ТИТАНИТ) CaTiOSiO₄. Различают коренные руды титана — ильментит-титано-магнетитовые и россыпные — рутил-ильменит-циркониевые.
Получение
Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки — порошок диоксида титана TiO₂. Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором, получая пары тетрахлорида титана TiCl₄:
TiO₂+ 2C + 2Cl₂ =TiCl₄ + 2CO
Образующиеся пары TiCl₄при 850°C восстанавливают Mg (см. МАГНИЙ):
TiCl₄+ 2Mg = 2MgCl₂+ Ti
Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Ильменитовые концентраты восстанавливают в электродуговых печах с последующим хлорированием возникающих титановых шлаков. Рaфинируют титан иодидным способом или электролизом, выделяя Ti из TiCl₄. Для получения титановых слитков применяют дуговую, электроннолучевую или плазменную переработку.
Физические и химические свойства
Титан — серебристо-белый металл. Существует в двух модификациях. Ниже 883°C устойчива гексагональная a-модификация, a = 0,2951 нм, c = 0,4697 нм. Плотность 4,505 кг/дм³. Выше 883°C устойчива b-модификация с кубической объемно-центрированной решеткой, а = 0,3269 нм. Плотность (при 900°C) 4,32кг/дм³. Температура плавления 1671°C, кипения 3260°C. Тi пластичен, сваривается в инертной атмосфере.
При обычной температуре покрывается защитной пленкой оксида TiO₂, благодаря этому коррозионностоек. Стандартный электродный потенциал пары Ti^o/Ti³⁺ -1,63 B, Ti³⁺/Ti⁴⁺ — 0,20 В. Ti устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей. Легко реагирует с плавиковой кислотой (см. ФТОРИСТОВОДОРОДНАЯ КИСЛОТА), HF, образуя комплексный анион [TiCl₆]^2-.
При нагревании на воздухе до 1200°C Ti загорается с образованием оксидных фаз переменного состава TiO_x. Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH)₂·xH₂O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO₂. Гидроксид TiO(OH)₂·xH₂O и диоксид TiO₂ амфотерны (см. АМФОТЕРНОСТЬ). TiO₂ взаимодействует с серной кислотой при длительном кипячении. При сплавлении с содой Na₂CO₃ или поташом K₂CO₃ оксид TiO₂ образует титанат:
TiO₂+K₂CO₃=K₂TiO₃+CO₂
При нагревании Ti взаимодействует с галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ). Тетрахлорид титана TiCl₄ при обычных условиях — желтоватая сильно дымящая на воздухе жидкость, что объясняется сильным гидролизом TiCl₄ содержащимися в воздухе парами воды и образованием мельчайших капелек HCl и взвеси гидроксида титана. Восстановлением TiCl₄водородом (см. ВОДОРОД), Al (см. АЛЮМИНИЙ), Si (см. КРЕМНИЙ) (другими сильными восстановителями) получен трихлорид и дихлорид титана (TiCl₃, TiCl₂) — твердые вещества с сильно-восстановительными свойствами. Ti взаимодействует с бромом (см. БРОМ) и иодом (см. ИОД).
С N₂ выше 400°C титан образует нитрид TiN_x(x=0,58—1,00). При взаимодействии титана с C (см. УГЛЕРОД) образуется карбид титана TiC_x (x=0,49—1,00). При нагревании Ti поглощает H₂ с образованием соединения переменного состава TiH_х (х=1,0). При нагревании эти гидриды разлагаются с выделением H₂. Тi образует сплавы со многими металлами.
Большая часть производимого Ti используется для изготовления сплавов с алюминием, ванадием, молибденом, марганцем, хромом и другими металлами, коррозионно-стойких покрытий. Диоксид TiO₂ применяется при изготовлении титановых белил. Гидрид и дисульфид TiS₂,титана находят применение при создании источников тока.