Titano cheminės ir fizinės savybės

Titanas yra stiprus ir lengvas ugniai atsparus metalas. Titano lydiniai yra gyvybiškai svarbūs aviacijos ir kosmoso pramonei, taip pat naudojami medicinos, chemijos ir karinės įrangos, taip pat sporto įrangoje.

Aviacijos ir kosmoso reikmėms sunaudojama 80 % titano, o 20 % metalo naudojama šarvams, medicinos įrangai ir plataus vartojimo gaminiams.

Titano savybės

Kalbant apie titano savybes, negalime ignoruoti jo unikalių fizinių savybių. Titanas yra lengvas metalas, kurio tankis yra 4,5 gramo kubiniame centimetre, todėl jis yra labai tvirtas. Dėl tokio stiprumo ir svorio santykio balanso titanas tampa pastolių medžiaga aviacijos ir kosmoso srityje ir skatina šiuolaikinių orlaivių kūrimą.

Atominis simbolis: Ti

Atominis skaičius: 22

Elemento kategorija: pereinamasis metalas

Tankis: 4,506/cm3

Lydymosi temperatūra: 3038 laipsnių F (1670 laipsnių)

Virimo temperatūra: 5949 laipsniai F (3287 laipsniai)

Moho kietumas: 6

funkcija

Titano turintys lydiniai yra žinomi dėl didelio stiprumo, lengvo svorio ir puikaus atsparumo korozijai. Nors titanas yra toks pat tvirtas kaip plienas, jis yra apie 40% lengvesnis.

Tai, kartu su atsparumu kavitacijai (staigiems slėgio pokyčiams, sukeliantiems smūgio bangas, kurios laikui bėgant susilpnina arba pažeidžia metalą) ir erozija, daro jį svarbiu konstrukciniu metalu aviacijos ir kosmoso inžinieriams.

Titanas taip pat yra labai atsparus vandens ir cheminių medžiagų korozijai. Tokį atsparumą sukelia plono titano dioksido (TiO 2) sluoksnio susidarymas ant jo paviršiaus, todėl šios medžiagos itin sunkiai prasiskverbia.

Titanas turi mažesnį elastingumo modulį. Tai reiškia, kad titanas yra labai lankstus ir po lenkimo gali grįžti į pradinę formą. Atminties lydiniai (lydiniai, kurie deformuojasi šaltai, bet grįžta į pradinę formą kaitinant) yra svarbūs daugeliui šiuolaikinių pritaikymų.

Titanas yra nemagnetinis ir biologiškai suderinamas (netoksiškas, nesukeliantis alergijos), todėl jis vis dažniau naudojamas medicinos srityje.

istorija

Norėdami suprasti pramoninę titano svarbą, turime atsigręžti į jo istoriją. Titano atradimas datuojamas XVIII amžiuje, tačiau jo destruktyvi forma buvo sėkmingai izoliuota tik XX amžiuje. Per pastaruosius kelis dešimtmečius titanas pamažu išpopuliarėjo ir tapo pagrindiniu mokslo ir technologijų atrama. Kylant aviacijos pramonei, titano lydiniai tapo idealiu orlaivių konstrukcijų pasirinkimu. Dėl jų lengvumo ir didelio stiprumo orlaiviai ne tik taupo energiją, bet ir yra saugesni.

Titano naudojimas bet kokia forma iš tikrųjų buvo išplėtotas tik po Antrojo pasaulinio karo. Tiesą sakant, titanas kaip metalas nebuvo išskirtas iki 1910 m., kai amerikiečių chemikas Matthew Hunteris pagamino titaną, redukuodamas titano tetrachloridą (TiCl 4 ) natriu; metodas, dabar žinomas kaip Hunter procesas.

Tačiau komercinė gamyba nebuvo įmanoma iki 1930-ųjų, kai Williamas Justinas Krollas parodė, kad magnis taip pat gali būti naudojamas titanui redukuoti iš chlorido. Kroll procesas šiandien išlieka dažniausiai naudojamas komercinės gamybos būdas.

Pirmą kartą titanas buvo plačiai naudojamas kariniuose orlaiviuose po to, kai buvo sukurtas ekonomiškas gamybos metodas. Sovietų Sąjunga ir JAV pradėjo naudoti titano lydinius kariniuose lėktuvuose ir povandeniniuose laivuose, sukurtuose šeštajame ir šeštajame dešimtmečiuose. Iki septintojo dešimtmečio pradžios komerciniai orlaivių gamintojai taip pat pradėjo naudoti titano lydinius.

Švedų gydytojo Per-Ingvaro Branemarko tyrimai, datuojami šeštajame dešimtmetyje, parodė, kad titanas nesukelia neigiamo imuninio atsako žmogaus organizme, todėl metalas gali integruotis į mūsų organizmą. Tai vadinama osseointegracija.

Gamyba

Titanas yra plačiai naudojamas lengvasis metalas, kurio gamyba daugiausia priklauso nuo chloravimo metodo. Šiame procese titano rūda paprastai reaguoja su chloro dujomis ir koksu, kad susidarytų titano chloridas, kuris vėliau aukštoje temperatūroje redukuojamas į gryną metalinį titaną. Šis unikalus ir sudėtingas gamybos procesas suteikia mums tvirtą, lengvą titano medžiagą, kuri padės pagrindą pritaikyti įvairiose srityse.

Nors titanas yra ketvirtas labiausiai paplitęs metalinis elementas žemės plutoje (po aliuminio, geležies ir magnio), titano metalo gamyba yra itin jautri taršai, ypač deguoniui, todėl jo kūrimas yra palyginti naujas ir brangus.

Pagrindinės rūdos, naudojamos pirminėje titano gamyboje, yra ilmenitas ir rutilas, kurie sudaro atitinkamai apie 90% ir 10% produkcijos.

2015 m. ilmenito koncentrato gamyba buvo beveik 10 milijonų tonų, nors tik nedidelė dalis (apie 5%) kasmet pagaminamo ilmenito koncentrato galiausiai paverčiama titano metalu. Vietoj to, dauguma jų yra naudojami gaminant titano dioksidą (TiO 2 ), balinamąjį pigmentą, naudojamą dažuose, maiste, farmacijoje ir kosmetikoje.

Pirmajame Kroll proceso etape titano rūda susmulkinama ir kaitinama koksine anglimi chloro atmosferoje, kad susidarytų titano tetrachloridas (TiCl 4 ). Tada chloridas sugaunamas ir praleidžiamas per kondensatorių, todėl gaunamas iki 99% grynumo titano chlorido skystis.

Tada titano tetrachloridas tiekiamas tiesiai į indą, kuriame yra išlydyto magnio. Kad išvengtumėte užteršimo deguonimi, padarykite jį inertišku pridėdami argono.

Tolesnis distiliavimo procesas gali užtrukti kelias dienas, per kurį indas įkaitinamas iki 1832 laipsnių F (1000 laipsnių). Magnis reaguoja su titano chloridu, pašalindamas chloridą ir gamindamas elementinį titaną ir magnio chloridą.

Gautas pluoštinis titanas vadinamas kempinės titanu. Norint gaminti titano lydinius ir didelio grynumo titano luitus, titano kempinę su įvairiais legiravimo elementais galima naudoti elektronų pluošto, plazmos lanko arba vakuuminio lanko lydymui.

naudoti

Titano metalo panaudojimas sporto prekių srityje daugiausia atsispindi aukščiausios klasės dviračiuose, golfo lazdose, teniso raketėse ir kitoje įrangoje. Dėl lengvo titano metalo savybių sporto įranga tampa lankstesnė ir patogesnė, gerėja sportininkų konkurencinis lygis.

Titano metalas plačiai naudojamas kosmoso, automobilių pramonės, medicinos įrangos, chemijos pramonės, elektronikos ir sporto prekių ir kitose srityse. Nuolat tobulėjant mokslui ir technologijoms bei tobulėjant technologijoms, titano metalo taikymo sritys ir toliau plėsis. Dėl puikių titano metalo savybių ir universalumo jis yra nepakeičiama šiuolaikinių inžinerinių medžiagų dalis.

 

"Citata" Varpelis, Terence. "Titano savybės ir savybės". ThoughtCo, 2023 m. balandžio 4 d., thinkco.com/metal-profile-titanium-2340158.