Сторінка
1

Титан

З історії відкриття титану

Навряд чи можна знайти ще один такий метал, історія відкриття і вивчення якого були б так повны драматичних подій, помилок і оман, як історія титану.

Першовідкривачем титану вважається 28-літній англійський чернець Вільям Грегор. У 1790 р., проводячи мінералогічні вишукування у своєму приході, він звернув увагу на поширеність і незвичайні властивості чорного піску в долині Менакена на південному-заході Англії і прийнявся його досліджувати. У піску священик знайшов крупиці чорного блискучого мінералу, що притягається звичайним магнітом. Будучи мінералогом-аматором і маючи свою невелику мінералогічну лабораторію, Грегор зробив з цим магнітним мінералом кілька досвідів: розчинив його спочатку в соляній, потім у сірчаній кислоті, упарив розчин і одержав білий порошок, що при прокалці жовтів, а при спіканні з вугіллям отримував блакитний колір. Досліджене природне утворення чорного кольору Грегор прийняв за новий, невідомий раніше мінерал, а виділений з нього білий порошок – за новий елемент. Мінералу й елементу дали назву по місцевості, де вони були знайдені: мінерал «менакеніт» і елемент «менакін». По сьогоднішніх представленнях «менакеніт» був сумішшю ільменіту (FeTi3) і магнетиту (FeTi3´nFe3O4), а білий порошок «менакін» – діоксидом титану.

У 1795 р. німецький дослідник-хімік Мартін Генріх Клапрот, вивчаючи рутил, виділив з нього діоксид нового металу – білий порошок, схожий на описаний раніше Грегором. І хоча до одержання чистого металу було ще дуже далеко – майже півтора сторіччя, Клапрот сповістив світ про відкриття нового металу, якому дали назву «титан».

Жоден конструкційний метал не знав такий тривалої історії досліджень, як титан. Перші спроби виділити чистий матеріал закінчувалися невдало. Дослідники одержували метал з високим змістом домішок кисню, азоту, сірки, фосфору, водню й ін., у результаті чого, виділений метал був дуже тендітним і визнавався марним для подальшого використання. Чистий титан (зміст домішок менш 0,1%) уперше був отриманий у 1875 році російським ученим Д.К. Кирилов, але його робота залишилася непоміченою. Отриманий у 1925 р. Ван Аркелем і де Буром іодідним методом найчистіший титан виявився пластичним і технологичним металом з багатьма коштовними властивостями, що залучили до нього уваги широке кола конструкторів і інженерів.

У 1940 р. Кролль запропонував магніетермічний спосіб витягування титану з руд, що є основним і в даний час. У 1947 р. були випущені перші 45 кг технічно чистого титану.

Властивості титану

У періодичній системі елементів Менделєєва титан має порядковий номер 22. Атомна маса природного титану, обчислена за результатами досліджень його ізотопів, складає 47,926. Отже, ядро нейтрального атома титану містить 22 протона. Кількість же нейтронів, тобто нейтральних незаряджених часток, по-різному: частіше 26, але може коливатися від 24 до 28. Тому і число ізотопів титану по-різному. Усього зараз відомо 13 ізотопів елемента № 22. Природний титан складається із суміші п'яти стабільних ізотопів, найбільше широко представлений титан-48, його частка в природних рудах 73,99%. Є в природі також ізотопи з масовими числами 46, 47, 49 і 50. Серед радіоактивних ізотопів титану самий довгоживучий – титан-44 з періодом напіврозпаду близько 1000 років.

Крім природних, титан може мати і цілий ряд штучних ізотопів, одержуваних за допомогою його радіоактивного опромінення. Деякі з них сильнорадіоактивні, з різними термінами напіврозпаду.

Навколо позитивно зарядженого ядра титану на чотирьох орбітах розташовуються електрони: на ДО – двох електрона, на L – вісьмох, на М – 10, на N – два. З орбіт N і М атом титану може вільно віддавати по двох електрона. Таким чином, найбільш стійкий іон титану – четирьохвалентний. П'ятий електрон з орбіти М «вирвати» неможливо, тому титан ніколи не буває більше чим чотирьохвалентним іоном. У той же час з орбіт N і М атом титану може віддавати не чотири, а три, два чи один електрони. У цих випадках він стає трьох-, двох- чи одновалентним іоном.

У періодичній системі елементів Менделєєва титан розташований у групі ІVВ, у яку, крім нього, входять цирконій, гафній, курчатовий. Елементи даної групи на відміну від елементів групи вуглецю (ІVА) мають металеві властивості. Хоча титан займає саме верхнє місце у своїй підгрупі, він є найменш активним металевим елементом. Так, двоокис титану амфотерна, а двоокису цирконію і гафнію мають слабко виражені основні властивості. Титан більше, ніж інші елементи підгрупи ІVВ, близький до елементів підгрупи ІVА – кремнію, германію, олову. Четирьохвалентний титан відрізняється від кремнію і германія більшою схильністю до утворення комплексних з'єднань різних типів, чим особливо подібний з оловом. Титан і інші елементи підгрупи IVВ дуже близькі по властивостях до елементів підгрупи IIIВ (групи скандію), хоча і відрізняються від останніх здатністю виявляти велику валентність. Подібність титану зі скандієм, іттрієм, а також з елементами підгрупи VВ – ванадієм і ніобієм виражається й у тім, що в природних мінералах титан часто зустрічається разом з цими елементами.

Хімічні сполуки титану

З одновалентними галогенами (фтором, бромом, хлором і йодом) він може утворювати ди- три- і , тетраз’єднання, із сіркою й елементами її групи (селеном, телуром) – моно- і дисульфіди, з киснем – оксиди, діоксиди і триоксиди. Титан утворить також з'єднання з воднем (гідриди), азотом (нітриди), вуглецем (карбіди), фосфором (фосфіди), миш'яком (арсіді), а також з'єднання з багатьма металами – інтерметалліді. Утворить титан не тільки прості, але і численні комплексні з'єднання, відомо чимало його з'єднань з органічними речовинами.

Як видно з переліку з'єднань, у яких може брати участь титан, він хімічно дуже активний. І в той же час титан є одним з деяких металів з винятково високою корозійною стійкістю: він практично вічний в атмосфері повітря, у холодній і киплячій воді, дуже стійок у морській воді, у розчинах багатьох солей, неорганічних і органічних кислотах. По своїй корозійній стійкості в морській воді він перевершує всі метали, за винятком шляхетних – золота, платини і т.п., більшість видів нержавіючої сталі, нікелеві, мідні й інші сплави. У воді, у багатьох агресивних середовищах чистий титан не підданий корозії. Чому ж це відбувається? Чому так активно, а нерідко і бурхливо, з вибухами, що реагує майже з всіма елементами періодичної системи титан стійок до корозії? Справа в тім, що реакцій титану з багатьма елементами відбуваються тільки при високих температурах. При звичайних температурах хімічна активність титану надзвичайно мала і він практично не вступає в реакції. Зв'язано це з тим, що на свіжій поверхні чистого титану, як тільки вона утвориться, дуже швидко з'являється інертна, що добре зростається з металом найтонша (у трохи ангстрем (1А=10-10м) плівка диоксидe титану, що охороняє його від подальшого окислювання. Якщо навіть цю плівку зняти, то в будь-якім середовищі, що містить чи кисень інші сильні окислювачі (наприклад, в азотній чи хромовій кислоті), ця плівка з'являється знову, і метал, як говорять, нею «пасивується», тобто захищає сам себе від подальшого руйнування.