ТИТАН

ТИТАН (лат. Titanium), Ti,
хим. элемент IV гр. периодич. системы Менделеева; ат. н. 22, ат. м. 47,90;
имеет серебристобелый цвет, относится к лёгким металлам. Природный
Т. состоит из смеси пяти стабильных изотопов: ⁴⁶Ti (7,95%),
⁴⁷Ti
(7,75%), ⁴⁸Ti (73,45%), ⁴⁹Ti (5,51%),
⁵⁰Ti
(5,34%). Известны искусственные радиоактивные изотопы ⁴⁵Ti (T= = 3,09ч), ⁵¹Ti (Т,мин) и др.

Историческая справка. Т. в виде двуокиси
был открыт англ, любителем-минералогом У. Грегором в 1791 в магнитных железистых
песках местечка Менакан (Англия); в 1795 нем. химик М. Г. Клапрот
установил, что минерал рутил представляет собой природный окисел
этого же металла, названного им "титаном" [в греч. мифологии титаны - дети
Урана (Неба) и Геи (Земли)]. Выделить Т. в чистом виде долго
не удавалось; лишь в 1910 амер. учёный М. А. Хантер получил металлический
Т. нагреванием его хлорида с натрием в герметичной стальной бомбе; полученный
им металл был пластичен только при повышенных темп-рах и хрупок при комнатной
из-за высокого содержания примесей. Возможность изучать свойства чистого
Т. появилась только в 1925, когда нидерл. учёные А. Ван-Аркел и И. де Бур
методом термич. диссоциации иодида титана получили металл высокой чистоты,
пластичный при низких темп-рах.

Распространение в природе. Т.- один
из распространённых элементов, ср. содержание его в земной коре (кларк)
составляет
0,57% по массе (среди конструкционных металлов по распространённости занимает
4-е место, уступая железу, алюминию и магнию). Больше всего Т. в
основных породах т. н. "базальтовой оболочки" (0,9%), меньше в породах
"гранитной оболочки" (0,23%) и ещё меньше в ультраосновных породах
(0,03%) и др. К горным породам, обогащённым Т., относятся пегматиты
основных пород, щелочные породы, сиениты и связанные с ними пегматиты и
др. Известно 67 минералов Т., в основном магматич. происхождения; важнейшие
- рутил и ильменит (см. также Титановые руды).

В биосфере Т. в основном рассеян.
В мор. воде его содержится 10-⁷%; Т.- слабый мигрант.

Физические свойства. Т. существует
в виде двух аллотропических модификаций: ниже темп-ры 882,5 °С устойчива
а-форма с гексагональной плотноупакованной решёткой (а = 2,951А,
с
= 4,679А), a выше этой темп-ры -в-форма с кубич. объёмно-центрированной
решёткой а = 3,269 А. Примеси и легирующие добавки могут существенно
изменять температуру а/Р превращения.

Плотность а-формы при 20 °С 4,505
г/см³, a при 870 °С 4,35 г/см³; в-формы
при 900 °С 4,32 г/см³; ат. радиус Ti 1,46 А, ионные радиусы
Ti+ 0,94 А, Ti²⁺ 0,78 A, Ti³+ 0,69 A, Ti⁴+
0,64 А; Тпл 1668±5 С, Ткип 3227 °С; теплопроводность в интервале 20-25
°С 22,065

вт/(м -К) [0,0527 кал/(см
-сек
-°С)];
температурный коэфф. линейного расширения при 20 °С 8,5 -10-⁶,
в интервале 20-700 °С 9,7-10-⁶; теплоёмкость 0,523 кдж/(кг
-К) [0,1248 кал/(г°С)]; удельное электросопротивление
42,1-10-⁶ ом-см при 20 °С; температурный коэфф.
электросопротивления 0,0035 при 20 °С; обладает сверхпроводимостью ниже
0,38 ±0,01 К. Т. парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость (3,2±0,4)-
10-⁶ при 20 °С. Предел прочности 256 Мн/м²
(25,6 кгс/мм²), относительное удлинение
72% , твёрдость по Бринеллю менее 1000 Мн/м²(100 кгс/мм²).
Модуль
нормальной упругости 108 000
Мн/м² (10 800
кгс/мм²).
Металл высокой степени чистоты ковок при обычной темп-ре.

Применяемый в пром-сти технич. Т.
содержит примеси кислорода, азота, железа, кремния и углерода, повышающие
его прочность, снижающие пластичность и влияющие на темп-ру полиморфного
превращения, к-рое происходит в интервале 865-920 °С. Для технич. Т. марок
ВТ1-00 и ВТ1-0 плотность ок. 4,32 г/см³, предел прочности
300-550 Мн/м² (30-55кгс/мм²),
относительное удлинение не ниже 25%, твёрдость по Бринеллю 1150-1650 Мн/м²(115-165
кгс/мм²).
Конфигурация внешней электронной оболочки атома Ti 3d²4s².

Химические свойства. Чистый Т.-химически
активный переходный элемент, в соединениях имеет степени окисления
+ 4, реже + 3 и + 2. При обычной темп-ре и вплоть до 500-550 °С коррозионно
устойчив, что объясняется наличием на его поверхности тонкой, но прочной
окисной плёнки.

С кислородом воздуха заметно взаимодействует
при темп-ре выше 600 °С с образованием ТiOТитана
окислы). Тонкая титановая стружка при недостаточной смазке может загораться
в процессе механической обработки. При достаточной концентрации кислорода
в окружающей среде и повреждении окисной плёнки путём удара или трения
возможно загорание металла при комнатной темп-ре и в сравнительно крупных
кусках.

Окисная плёнка не защищает Т. в жидком
состоянии от дальнейшего взаимодействия с кислородом (в отличие, напр.,
от алюминия), и поэтому его плавка и сварка должны проводиться в
вакууме, в атмосфере нейтрального газа или под флюсом. Т. обладает способностью
поглощать атм. газы и водород, образуя хрупкие сплавы, непригодные для
практич. использования; при наличии активированной поверхности поглощение
водорода происходит уже при комнатной темп-ре с небольшой скоростью, к-рая
значительно возрастает при 400 °С и выше. Растворимость водорода в Т. является
обратимой, и этот газ можно удалить почти полностью отжигом в вакууме.
С азотом Т. реагирует при темп-ре выше 700 °С, причём получаются нитриды
типа TiN; в виде тонкого порошка или проволоки Т. может гореть в атмосфере
азота. Скорость диффузии азота и кислорода в Т. значительно ниже, чем водорода.
Получаемый в результате взаимодействия с этими газами слой отличается повышенными
твёрдостью и хрупкостью и должен удаляться с поверхности титановых изделий
путём травления или механич. обработки. Т. энергично взаимодействует с
сухими галогенами (см. Титана галогениды), по отношению к влажным
галогенам устойчив, т. к. влага играет роль ингибитора.

Металл устойчив в азотной к-те всех
концентраций (за исключением красной дымящейся, вызывающей коррозионное
растрескивание Т., причём реакция иногда идёт со взрывом}, в слабых растворах
серной к-ты (до 5% по массе). Соляная, плавиковая, концентрированная
серная, а также горячие органич. к-ты: щавелевая, муравьиная и трихлоруксусная
реагируют с Т.

Т. коррозионно устойчив в атмосферном
воздухе, мор. воде и мор. атмосфере, во влажном хлоре, хлорной воде, горячих
и холодных растворах хлоридов, в различных технологич. растворах и реагентах,
применяемых в химич., нефтяной, бумагоделательной и др. отраслях пром-сти,
а также в гидрометаллургии. Т. образует с С, В, Se, Si металлоподобные
соединения, отличающиеся тугоплавкостью и высокой твёрдостью. Карбид
TiC (tax 3140 °С) получают нагреванием смеси TiOс сажей при 1900-2000 °С в атмосфере водорода; нитрид TiN (tan 2950
°С) - нагреванием порошка Т. в азоте при темп-ре выше 700 °С. Известны
силициды TiSiTiBтвёрдых растворов и гидридов (TiH, TiH). При сплавлении
ТЮ(напр., Na), а также
полититанаты (напр., Na).
К титанатам относятся важнейшие минералы Т., напр, ильменит РеТ10з, перовскит
СаТЮз. Все титанаты малорастворимы в воде. Двуокись Т., титановые к-ты
(осадки), а также титанаты растворяются в серной к-те с образованием растворов,
содержащих титанилсульфат TiOSOрастворов в результате гидролиза осаждается Нполучают двуокись Т. При добавлении перекиси водорода в кислые растворы,
содержащие соединения Ti (IV), образуются перекисные (надтитановые)
к-ты
состава Ним соли; эти соединения окрашены в жёлтый или оранжево-красный цвет (в
зависимости от концентрации Т.), что используется для аналитич. определения
Т.

Получение. Наиболее распространённым
методом получения металлич. Т. является магниетермич. метод, т. е. восстановление
тетрахлорида Т. металлич. магнием (реже - натрием):

В обоих случаях исходным сырьём служат
окисные руды Т.- рутил, ильменит и др. В случае руд типа ильменитов Т.
в форме шлака отделяется от железа путём плавки в электропечах. Шлак (так
же, как рутил) подвергают хлорированию в присутствии углерода с образованием
тетрахлорида Т., к-рый после очистки поступает в восстановительный реактор
с нейтральной атмосферой.

Т. по этому процессу получается в
губчатом виде и после измельчения переплавляется в вакуумных дуговых печах
на слитки с введением легирующих добавок, если требуется получить сплав.
Магниетермич. метод позволяет создать крупное промышленное производство
Т. с замкнутым технологич. циклом, т. к. образующийся при восстановлении
побочный продукт - хлорид магния направляется на электролиз для получения
магния и хлора.

В ряде случаев для произ-ва изделий
из Т. и его сплавов выгодно применять методы порошковой металлургии. Для
получения особо тонких порошков (напр., для радиоэлектроники) можно использовать
восстановление двуокиси Т. гидридом кальция.

Мировое произ-во металлич. Т. развивалось
весьма быстро: ок. 2 т в 1948, 2100 т в 1953, 20 000 т
в
1957; в 1975 оно превысило 50 000 т.

Применение. Основные преимущества
Т. перед др. конструкционными металлами: сочетание лёгкости, прочности
и коррозионной стойкости. Титановые сплавы по абсолютной, а тем более по
удельной прочности (т. е. прочности, отнесённой к плотности) превосходят
большинство сплавов на основе др. металлов (напр., железа или никеля) при
темп-pax от -250 до 550 °С, а по коррозионности они сравнимы со сплавами
благородных металлов (см. также Лёгкие сплавы). Однако как самостоятельный
конструкционный материал Т. стал применяться только в 50-е гг. 20 в. в
связи с большими технич. трудностями его извлечения из руд и переработки
(именно поэтому Т. условно относили к редким металлам). Осн. часть
Т. расходуется на нужды авиац. и ракетной техники и мор. судостроения (см.
также Титановые сплавы). Сплавы Т. с железом, известные под назв.
"ферротитан" (20-50% Т.), в металлургии качественных сталей и специальных
сплавов служат легирующей добавкой и раскислителем.

Технич. Т. идёт на изготовление ёмкостей,
хим. реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов и др. изделий, работающих
в агрессивных средах, напр, в химическом машиностроении. В гидрометаллургии
цветных металлов применяется аппаратура из Т. Он служит для покрытия изделий
из стали (см. Титанирование). Использование Т. даёт во мн. случаях
большой технико-экономич. эффект не только благодаря повышению срока службы
оборудования, но и возможности интенсификации процессов (как, напр., в
гидрометаллургии никеля). Биологич. безвредность Т. делает его превосходным
материалом для изготовления оборудования для пищ. пром-сти и в восстановительной
хирургии. В условиях глубокого холода прочность Т. повышается при сохранении
хорошей пластичности, что позволяет применять его как конструкционный материал
для криогенной техники. Т. хорошо поддаётся полировке, цветному анодированию
и др. методам отделки поверхности и поэтому идёт на изготовление различных
художественных изделий, в т. ч. и монументальной скульптуры. Примером может
служить памятник в Москве, сооружённый в честь запуска первого искусственного
спутника Земли. Из соединений титана практич. значение имеют окислы Т.,
галогениды Т., а также силициды Т., используемые в технике высоких темп-р;
бориды Т. и их сплавы, применяемые в качестве замедлителей в ядерных энергетич.
установках благодаря их тугоплавкости и большому сечению захвата нейтронов.
Карбид Т., обладающий высокой твёрдостью, входит в состав инструментальных
твёрдых сплавов, используемых для изготовления режущих инструментов и в
качестве абразивного материала.

Двуокись титана и титанат бария служат
основой титановой керамики, а титанат бария - важнейший сегнетоэлектрик.
С. Г. Глазунов.

Титан в организме. Т. постоянно присутствует
в тканях растеяий и животных. В наземных растениях его концентрация - ок.
10⁴ % , в морских- от 1,2-10³ до8-10²%,
в тканях наземных животных - менее 2-10⁴%, морских - от 2-10-⁴
до 2-10-²%. Накапливается у позвоночных животных преимущественно
в роговых образоваяиях, селезёнке, надпочечниках, щитовидной железе, плаценте;
плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека суточное поступление
Т. с продуктами питания и водой составляет 0,85 мг; выводится с
мочой и калом (0,33 и 0,52 мг соответственно). Относительно
малотоксичен.

Лит.: Глазунов С. Г., Моисеев
В. H., Конструкционные титановые сплавы, М., 1974; Металлургия титана,
М., 1968; ГорощенкоЯ. Г., Химия титана, [ч. 1-2]. К., 1970-72; Z wicker
U., Titan und Titanlegierungen, В., 1974; В о w e п H. I. М., Trace elements
in biochemistry, L.- N. Y., 1966.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я