Титан — химический элемент и металл¶

Титан — химический элемент с атомным номером 22 в периодической системе Д. И. Менделеева, обозначается символом Ti и относится к группе переходных металлов (побочная подгруппа IV группы). Простое вещество титан — серебристо-белый лёгкий металл с высокой прочностью, коррозионной стойкостью и тугоплавкостью. Название происходит от титанов — персонажей древнегреческой мифологии.

¶История открытия

Титан был открыт дважды независимо друг от друга. В 1791 году английский химик и минералог Уильям Грегор исследовал чёрный магнитный песок из Корнуолла и выделил из него оксид неизвестного металла, назвав его «менакином». В 1795 году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот, изучая минерал рутил, получил оксид того же элемента и дал ему название «титан» в честь титанов. Клапрот установил тождество своего оксида с «менакином» Грегора, и за элементом закрепилось название «титан».

Чистый металлический титан долгое время не удавалось получить из-за высокой химической активности элемента. Только в 1910 году американский химик Мэттью Хантер получил относительно чистый титан восстановлением тетрахлорида титана натрием. В 1925 году нидерландские учёные Антон Эдуард ван Аркель и Ян Хендрик де Бур получили титан высокой чистоты термическим разложением иодида титана. Промышленный способ производства — магнийтермическое восстановление тетрахлорида титана (процесс Кролла) — был разработан в 1940 году и применяется до сих пор.

¶Физические и химические свойства

Титан — лёгкий металл плотностью около 4,5 г/см³, что примерно в 1,7 раза больше плотности алюминия, но значительно меньше плотности железа. Температура плавления составляет около 1668 °C, температура кипения — около 3270 °C. Титан обладает высокой механической прочностью, которая сохраняется при высоких температурах, и низкой теплопроводностью по сравнению с алюминием и сталью.

Химически титан довольно активен, но на его поверхности при обычных условиях образуется прочная оксидная плёнка, которая делает металл коррозионно-стойким. Титан устойчив к действию воды, разбавленных кислот, щелочей и морской воды. Он растворяется в плавиковой и концентрированных серной и соляной кислотах. При высоких температурах титан активно реагирует с кислородом, азотом, водородом и углеродом, образуя твёрдые и хрупкие соединения, что затрудняет его сварку и обработку.

Титан существует в двух аллотропных модификациях: α-титан с гексагональной плотноупакованной решёткой устойчив до 882 °C, выше этой температуры переходит в β-титан с объёмно-центрированной кубической решёткой.

¶Нахождение в природе

Титан занимает десятое место по распространённости среди всех элементов земной коры (около 0,57 % по массе) и четвёртое среди металлов после алюминия, железа и магния. В свободном виде в природе не встречается, присутствует в основном в виде оксидов и титанатов. Основные минералы: рутил (TiO₂), ильменит (FeTiO₃), титанит (сфен), перовскит. Крупные месторождения ильменита и рутила находятся в Австралии, ЮАР, Канаде, Норвегии, Украине, России. Также титан содержится в морской воде и в живых организмах.

¶Производство

Промышленное получение титана включает несколько стадий. Сначала из руды получают тетрахлорид титана TiCl₄ хлорированием в присутствии углерода. Затем TiCl₄ очищают ректификацией и восстанавливают магнием (процесс Кролла) или натрием в атмосфере инертного газа. Полученную губчатую массу титана переплавляют в вакуумных дуговых или электронно-лучевых печах. Для особо чистого титана применяют иодидное рафинирование. Основные производители титана — США, Россия, Япония, Китай, Казахстан.

¶Применение

Благодаря сочетанию лёгкости, прочности и коррозионной стойкости титан широко применяется в разных отраслях.

• Авиация и космонавтика: титановые сплавы используются в конструкции самолётов, ракет, космических аппаратов; на титан приходится значительная доля массы современных авиационных двигателей.
• Медицина: титан биосовместим, из него изготавливают имплантаты (эндопротезы суставов, зубные имплантаты, костные пластины, штифты), хирургические инструменты.
• Химическая и нефтегазовая промышленность: титановое оборудование применяется в агрессивных средах — реакторы, теплообменники, трубопроводы.
• Судостроение: титан используют для корпусов подводных лодок, гребных винтов, деталей морской техники.
• Военная техника: броня, элементы вооружения, корпуса подводных лодок.
• Бытовая и спортивная продукция: титановые оправы очков, часы, посуда, велосипедные рамы, альпинистское снаряжение.
• Пигменты: диоксид титана TiO₂ — один из самых распространённых белых пигментов для лакокрасочных материалов, пластмасс, бумаги, косметики, пищевой промышленности (как добавка E171).

¶Сплавы титана

Титановые сплавы делят на три группы в зависимости от структуры: α-сплавы (например, Ti-5Al-2,5Sn), β-сплавы (Ti-15V-3Cr) и двухфазные α+β-сплавы (наиболее известный — Ti-6Al-4V, на который приходится значительная часть мирового производства титана). Легирование алюминием, ванадием, молибденом, хромом, оловом, цирконием позволяет целенаправленно изменять прочность, пластичность, жаропрочность и коррозионную стойкость.

¶Биологическая роль и безопасность

Титан не является жизненно необходимым элементом для человека, но в малых количествах присутствует в организме. Металлический титан и его сплавы биологически инертны, что обеспечивает их применение в имплантологии. Порошок титана пожаро- и взрывоопасен. Диоксид титана при вдыхании в больших количествах может вызывать пневмокониоз; вопрос о безопасности пищевой добавки E171 обсуждается в разных странах, в Европейском союзе её использование в пище с 2022 года запрещено.

¶Интересные факты

• Титан горит в атмосфере азота, поэтому сварка возможна только в инертной среде или вакууме.
• Титан называют «металлом будущего» из-за сочетания свойств, но его широкое применение ограничивает высокая стоимость производства.
• В организме человека содержится около 20 мг титана.
• Титан не магнитен, что важно для ряда технических применений.