Титан и его физические свойства

Образовательное учреждение

Реферат

Тема: Титан

Выполнил: .

Проверил: .

Город: 20 г.

Содержание

Введение

1 История

2 Происхождение названия

3 Нахождение в природе

4 Запасы и добыча

5 Получение

6 Физические свойства

7 Химические свойства

8 Применение

8.1 В виде сплавов

8.2 В виде соединений

8.3 Анализ рынков потребления

8.4 Цены

Заключение

Список литературы

Введение

Титамн -- элемент побочной подгруппы четвёртой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 22. Обозначается символом Ti (лат. Titanium). Простое вещество титан (CAS-номер: 7440-32-6) -- лёгкий металл серебристо-белого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: б-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, в-Ti с кубической объемно-центрированной упаковкой, температура перехода б-в 883 °C[1].

Свойства атома

Атомная масса

(молярная масса) 47,88 а. е. м. (г/моль)

Радиус атома 147 пм

Энергия ионизации

(первый электрон) 657,8(6,82) кДж/моль (эВ)

Электронная конфигурация [Ar] 3d2 4s2

Химические свойства

Ковалентный радиус 132 пм

Радиус иона (+4e)68 (+2e)94 пм

Электроотрицательность

(по Полингу) 1,54

Электродный потенциал -1,63

Степени окисления 4, 3

Термодинамические свойства простого вещества

Плотность 4,54 г/смі

Молярная теплоёмкость 25,1[1] Дж/(K·моль)

Теплопроводность 21.9 Вт/(м·K)

Температура плавления 1933 K

Теплота плавления 18.8 кДж/моль

Температура кипения 3560 K

Теплота испарения 422,6 кДж/моль

Молярный объём 10,6 смі/моль

Кристаллическая решётка простого вещества

Структура решётки гексагональная

плотноупакованная (б-Ti)

Параметры решётки a=2,951 с=4,697 (б-Ti) Е

Отношение c/a 1,587

Температура Дебая 380 K

1. История

Открытие TiO2 сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М.Г. Клапрот. У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, 1789), выделил новую «землю» (окись) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 г. немецкий химик 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», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз. Французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз -- идентичные окислы титана.

Первый образец металлического титана получил в 1825 году Й. Я. Берцелиус. Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 термическим разложением паров иодида титана TiI4.

2. Происхождение названия

Металл получил своё название в честь титанов, персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи. Название элементу дал Мартин Клапрот, в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру в противоход французской химической школе, где элемент старались называть по его химическим свойствам. Поскольку немецкий исследователь сам отметил невозможность определения свойств нового элемента только по его оксиду, он подобрал для него имя из мифологии, по аналогии с открытым им ранее ураном.

Однако согласно другой версии, публиковавшейся в журнале «Техника-Молодежи» в конце 80-х, новооткрытый металл обязан своим именем не могучим титанам из древнегреческих мифов, а Титании -- королеве фей в германской мифологии (жена Оберона в шекспировском «Сне в летнюю ночь»). Такое название связано с необычайной «лёгкостью» (малой плотностью) металла

3. Нахождение в природе

Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре 0,57 % по массе. В свободном виде не встречается. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит CaTiOSiO4, танталит (Fe,Mn)2+Ta2O6 и манганотанталит MnT2O6. Различают коренные руды титана -- ильменит-титаномагнетитовые и россыпные -- рутил-ильменит-цирконовые.

4. Запасы и добыча

Основные руды: ильменит (FeTiO3), рутил (TiO2), титанит (CaTiSiO5).

На 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO2. Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтвержденные запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т.[2]. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603--673 млн т., а рутиловых -- 49.7--52.7 млн т.[3] Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта России) хватит более чем на 150 лет.

Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), достаточно равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн.

Крупнейший в мире производитель титана -- российская компания «ВСМПО-АВИСМА».[4]

5. 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 TiCl4 при 850 °C восстанавливают

Mg: TiCl4+ 2Mg = 2MgCl2+ Ti

Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Ильменитовые концентраты восстанавливают в электродуговых печах с последующим хлорированием возникающих титановых шлаков. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом, выделяя Ti из TiCl4. Для получения титановых слитков применяют дуговую, электроннолучевую или плазменную переработку.

6. Физические свойства

Титан -- легкий серебристо-белый металл. Существует в двух кристаллических модификациях: б-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (a=2,951 Е; с=4,697 Е; z=2; пространственная группа C6mmc), в-Ti с кубической объёмноцентрированной упаковкой (a=3,269 Е; z=2; пространственная группа Im3m), температура перехода б-в 883 °C, ДH перехода 3,8 кДж/моль. Точка плавления 1671 °C, точка кипения 3260 °C, плотность б-Ti и в-Ti соответственно равна 4,505 (20 °C) и 4,32 (900 °C) г/смі[1], атомная плотность 5,71Ч1022 ат/смі[источник не указан 53 дня]. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере.

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей пленкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки 400°С.

7. Химические свойства

Устойчив к коррозии благодаря оксидной плёнке, но при измельчении в порошок горит на воздухе.

Титан устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме HF,H3PO4 и концентрированной H2SO4).

Легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой HF он взаимодействует благодаря образованию комплексного аниона [TiF6]2-.

При нагревании на воздухе до 1200°C Ti загорается с образованием оксидных фаз переменного состава TiOx. 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.

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. 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 TiCl4 водородом, Al, Si, другими сильными восстановителями, получен трихлорид и дихлорид титана TiCl3 и TiCl2 -- твердые вещества с сильно восстановительными свойствами. Ti взаимодействует с Br2 и I2.

С N2 выше 400 °C титан образует нитрид TiNx(x=0,58-1,00). При взаимодействии титана с C образуется карбид титана TiCx (x=0,49-1,00).

При нагревании Ti поглощает H2 с образованием соединения переменного состава TiHх (x=1,0). При нагревании эти гидриды разлагаются с выделением H2. Титан образует сплавы со многими металлами.

8. Применение

8.1 В виде сплавов

Металл применяется в химической промышленности (реакторы, трубопроводы, насосы), лёгких сплавах, остеопротезах. Является важнейшим конструкционным материалом в авиа-, ракето-, кораблестроении.

Титан является легирующей добавкой в некоторых марках стали.

Нитинол (никель-титан) -- сплав, обладающий памятью формы, применяемый в медицине и технике.

Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов.

8.2 В виде соединений

Белый диоксид титана (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Пищевая добавка E171.

Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности.

Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки или покрытий.

Диборид титана -- важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов.

Нитрид титана применяется для покрытия инструментов.

Титанат бария BaTiO3, титанат свинца PbTiO3 и ряд других титанатов --- сегнетоэлектрики.

8.3 Анализ рынков потребления

В 2005 компания Titanium Corporation опубликовала следующую оценку потребления титана в мире:

60 % -- краска;

20 % -- пластик;

13 % -- бумага;

7 % -- машиностроение.

8.4 Цены

15-25 $ за килограмм, в зависимости от чистоты.

Чистота и марка чернового титана (титановой губки) обычно определяется по степени её пластичности.

Заключение

Как индивидуальный представитель периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева, элемент характеризуется уникальными химическими и физическими свойствами

Элемент имеет большое народнохозяйственное значение и играет большую роль в мировой культуре

Список литературы

1. Редкол.: Зефиров Н.С. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. -- Москва: Советская энциклопедия, 1995. -- Т. 4. -- С. 590-592. -- 639 с. -- 20 000 экз. -- ISBN 5--85270--039--8

2. Мировой рынок пигментного диоксида титана

3. Ильменит, рутил, титаномагнетит -- 2006 г.

4. http://www.vsmpo.ru/