en la tabla periódica elemento químico El titanio se designa como Ti (Titanio) y se ubica en un subgrupo secundario del grupo IV, en el cuarto período bajo el número atómico 22. Es un metal sólido de color blanco plateado que forma parte de gran cantidad minerales. Puedes comprar titanio en nuestra web.
El titanio fue descubierto a finales del siglo XVIII por los químicos de Inglaterra y Alemania William Gregor y Martin Klaproth, independientemente uno del otro con una diferencia de seis años. El nombre del elemento fue dado por Martin Klaproth en honor a los antiguos personajes griegos de los titanes (criaturas enormes, fuertes e inmortales). Al final resultó que, el nombre se volvió profético, pero la humanidad tardó más de 150 años en familiarizarse con todas las propiedades del titanio. Sólo tres décadas después fue posible obtener la primera muestra de metal titanio. En aquella época prácticamente no se utilizaba debido a su fragilidad. En 1925, después de una serie de experimentos, utilizando el método del yoduro, los químicos Van Arkel y De Boer extrajeron titanio puro.
Debido a las valiosas propiedades del metal, los ingenieros y diseñadores inmediatamente le prestaron atención. Fue un verdadero avance. En 1940, Kroll desarrolló un método térmico de magnesio para obtener titanio a partir del mineral. Este método sigue siendo relevante hoy.
Propiedades físicas y mecánicas.
El titanio es un metal bastante refractario. Su punto de fusión es 1668±3°C. En este indicador, es inferior a metales como tantalio, tungsteno, renio, niobio, molibdeno, tantalio y circonio. El titanio es un metal paramagnético. En un campo magnético no se magnetiza, pero tampoco se expulsa de él. Imagen 2
El titanio tiene baja densidad (4,5 g/cm³) y alta resistencia (hasta 140 kg/mm²). Estas propiedades prácticamente no cambian a altas temperaturas. Es más de 1,5 veces más pesado que el aluminio (2,7 g/cm³), pero 1,5 veces más ligero que el hierro (7,8 g/cm³). En términos de propiedades mecánicas, el titanio es muy superior a estos metales. En términos de resistencia, el titanio y sus aleaciones están a la par de muchos grados de aceros aleados.
El titanio es tan resistente a la corrosión como el platino. El metal tiene una excelente resistencia a las condiciones de cavitación. Las burbujas de aire que se forman en un medio líquido durante el movimiento activo de una pieza de titanio prácticamente no la destruyen.
Es un metal duradero que puede resistir fracturas y deformaciones plásticas. Es 12 veces más duro que el aluminio y 4 veces más duro que el cobre y el hierro. Otro indicador importante es el límite elástico. A medida que aumenta este indicador, mejora la resistencia de las piezas de titanio a las cargas operativas.
En aleaciones con ciertos metales (especialmente níquel e hidrógeno), el titanio es capaz de "recordar" la forma del producto creado a una determinada temperatura. Un producto de este tipo puede entonces deformarse y conservar esta posición durante mucho tiempo. Si el producto se calienta a la temperatura a la que se fabricó, entonces el producto tomará su forma original. Esta propiedad se llama "memoria".
La conductividad térmica del titanio es relativamente baja y, en consecuencia, el coeficiente de expansión lineal es bajo. De esto se deduce que el metal es un mal conductor de la electricidad y el calor. Pero a bajas temperaturas es un superconductor de electricidad, lo que le permite transmitir energía a distancias considerables. El titanio también tiene una alta resistencia eléctrica.
El metal de titanio puro está sujeto a varios tipos Procesamiento en frío y en caliente. Se puede trefilar y cablear, forjar, enrollar en tiras, láminas y láminas con un espesor de hasta 0,01 mm. Los siguientes tipos de productos laminados están hechos de titanio: cinta de titanio, alambre de titanio, tubos de titanio, casquillos de titanio, circulo de titanio, varilla de titanio.
Propiedades químicas
El titanio puro es un elemento químicamente activo. Debido a que se forma una densa película protectora en su superficie, el metal es muy resistente a la corrosión. No sufre oxidación en el aire, en agua salada. agua de mar, no cambia en muchos ambientes químicos agresivos (por ejemplo: ácido nítrico diluido y concentrado, agua regia). A altas temperaturas, el titanio interactúa con los reactivos de forma mucho más activa. En el aire a una temperatura de 1200°C, se enciende. Cuando se enciende, el metal emite un brillo brillante. También se produce una reacción activa con el nitrógeno, con la formación de una película de nitruro de color marrón amarillento en la superficie del titanio.
Las reacciones con los ácidos clorhídrico y sulfúrico a temperatura ambiente son débiles, pero cuando se calienta, el metal se disuelve intensamente. Como resultado de la reacción, se forman cloruros inferiores y monosulfato. También se producen interacciones débiles con el fósforo y ácidos nítricos. El metal reacciona con los halógenos. La reacción con el cloro se produce a 300°C.
Se produce una reacción activa con hidrógeno a una temperatura ligeramente superior a la temperatura ambiente. El titanio absorbe activamente el hidrógeno. 1 g de titanio puede absorber hasta 400 cm³ de hidrógeno. El metal calentado descompone el dióxido de carbono y el vapor de agua. La interacción con el vapor de agua se produce a temperaturas superiores a 800°C. Como resultado de la reacción, se forma óxido metálico y el hidrógeno se evapora. A temperaturas más altas, el titanio caliente absorbe dióxido de carbono y forma carburo y óxido.
Métodos de obtención
El titanio es uno de los elementos más abundantes en la Tierra. Su contenido en las entrañas del planeta en masa es del 0,57%. La mayor concentración del metal se observa en la “cáscara de basalto” (0,9%), en rocas graníticas (0,23%) y en rocas ultramáficas (0,03%). Hay alrededor de 70 minerales de titanio en los que se encuentra en forma de ácido o dióxido de titanio. Los principales minerales de los minerales de titanio son: ilmenita, anatasa, rutilo, brookita, loparita, leucoxeno, perovskita y esfena. Los principales productores de titanio del mundo son el Reino Unido, Estados Unidos, Francia, Japón, Canadá, Italia, España y Bélgica.
Hay varias formas de obtener titanio. Todos ellos se utilizan en la práctica y son bastante eficaces.
1. Proceso térmico-magnesio.
El mineral que contiene titanio se extrae y se transforma en dióxido, que se somete lentamente y a temperaturas muy altas a cloración. La cloración se lleva a cabo en un ambiente de carbono. El cloruro de titanio formado como resultado de la reacción se reduce a continuación con magnesio. El metal resultante se calienta en un equipo de vacío a alta temperatura. Como resultado, el magnesio y el cloruro de magnesio se evaporan, dejando al titanio con muchos poros y huecos. La esponja de titanio se funde para producir metal de alta calidad.
2. Método del hidruro de calcio.
Primero se obtiene el hidruro de titanio y luego se separa en sus componentes: titanio e hidrógeno. El proceso ocurre en un espacio sin aire a altas temperaturas. Se forma óxido de calcio, que se lava con ácidos débiles.
Los métodos térmicos de hidruro de calcio y magnesio se utilizan comúnmente a escala industrial. Estos métodos permiten obtener una cantidad importante de titanio en un corto período de tiempo, con costes monetarios mínimos.
3. Método de electrólisis.
El cloruro o dióxido de titanio está expuesto a alta resistencia actual. Como resultado, los compuestos se descomponen.
4. Método del yoduro.
El dióxido de titanio reacciona con el vapor de yodo. A continuación, el yoduro de titanio se expone a altas temperaturas, lo que da como resultado titanio. Este método es el más eficaz, pero también el más caro. El titanio se obtiene de altísima pureza sin impurezas ni aditivos.
Aplicación de titanio
Debido a sus buenas propiedades anticorrosión, el titanio se utiliza para la fabricación de equipos químicos. La alta resistencia al calor del metal y sus aleaciones facilita su uso en tecnología moderna. Las aleaciones de titanio son un material excelente para la construcción de aviones, cohetes y barcos.
Los monumentos están hechos de titanio. Y las campanas hechas de este metal son conocidas por su extraordinario y muy hermoso sonido. El dióxido de titanio es un componente de algunos medicamentos, por ejemplo: ungüentos contra enfermedades de la piel. También tienen una gran demanda los compuestos metálicos con níquel, aluminio y carbono.
El titanio y sus aleaciones han encontrado aplicación en áreas como la industria química y alimentaria, la metalurgia no ferrosa, la electrónica, la ingeniería nuclear, la ingeniería energética y la galvanoplastia. Armas, placas de armadura, instrumentos e implantes quirúrgicos, sistemas de irrigación, equipos deportivos e incluso joyas se fabrican con titanio y sus aleaciones. Durante el proceso de nitruración, se forma una película dorada en la superficie del metal, que no es inferior en belleza ni siquiera al oro real.
El titanio (Ti), es un elemento químico del grupo IV de la tabla periódica de elementos de D. I. Mendeleev. Número de serie 22, peso atómico 47,90. Consta de 5 isótopos estables; También se han obtenido isótopos radiactivos artificialmente.
En 1791, el químico inglés W. Gregor encontró una nueva “tierra” en la arena de la ciudad de Menakan (Inglaterra, Cornualles), a la que llamó menakan. En 1795, el químico alemán M. Clairot descubrió en el mineral rutilo una tierra aún desconocida, a cuyo metal llamó Titán [en griego. En la mitología, los Titanes son hijos de Urano (Cielo) y Gaia (Tierra)]. En 1797 Klaproth demostró la identidad de esta tierra con la descubierta por W. Gregor. El titanio puro fue aislado en 1910 por el químico estadounidense Hunter reduciendo tetracloruro de titanio con sodio en una bomba de hierro.
Estar en la naturaleza
El titanio es uno de los elementos más comunes en la naturaleza, su contenido en corteza terrestre es 0,6% (en peso). Se encuentra principalmente en forma de dióxido de TiO 2 o sus compuestos: titanatos. Se conocen más de 60 minerales que contienen titanio. También se encuentra en el suelo y en organismos animales y vegetales. Ilmenita FeTiO 3 y rutilo El TiO 2 sirve como principal materia prima para la producción de titanio. Las escorias de fundición están adquiriendo importancia como fuente de titanio. magnetitas-de-titanio e ilmenita.
Propiedades físicas y químicas.
El titanio existe en dos estados: amorfo, polvo gris oscuro, densidad 3,392-3,395 g/cm 3, y cristalino, densidad 4,5 g/cm 3. Para el titanio cristalino, se conocen dos modificaciones con un punto de transición a 885° (por debajo de 885°, una forma hexagonal estable, por encima, una cúbica); t° pl alrededor de 1680°; t° bale por encima de 3000°. El titanio absorbe activamente gases (hidrógeno, oxígeno, nitrógeno), lo que lo hace muy frágil. El metal técnico se puede conformar en caliente. El metal absolutamente puro se puede laminar en frío. En el aire a temperaturas normales, el titanio no cambia cuando se calienta, forma una mezcla de óxido de Ti 2 O 3 y nitruro de TiN. En una corriente de oxígeno al rojo vivo se oxida a dióxido de TiO 2. A altas temperaturas reacciona con carbono, silicio, fósforo, azufre, etc. Resistente al agua de mar, ácido nítrico, cloro húmedo, ácidos orgánicos y álcalis fuertes. Se disuelve en ácidos sulfúrico, clorhídrico y fluorhídrico, mejor en una mezcla de HF y HNO 3. Agregar un agente oxidante a los ácidos protege el metal de la corrosión a temperatura ambiente. Halogenuros de titanio tetravalentes, con excepción de TiCl 4 - cuerpos cristalinos Los fusibles y volátiles en una solución acuosa se hidrolizan, propensos a la formación de compuestos complejos, de los cuales el fluorotitanato de potasio K 2 TiF 6 es importante en la tecnología y la práctica analítica. El carburo de TiC y el nitruro de TiN son sustancias similares a los metales que se distinguen por su alta dureza (el carburo de titanio es más duro que el carborundo), su refractariedad (TiC, t° pl = 3140°; TiN, t° pl = 3200°) y su buena conductividad eléctrica. .
Elemento químico nº 22. Titanio.
La fórmula electrónica del titanio es: 1s 2 |2s 2 2p 6 |3s 2 3p 6 3d 2 |4s 2.
El número de serie del titanio en la tabla periódica de elementos químicos D.I. Mendeleev - 22. El número del elemento indica la carga de la yarda, por lo tanto, el titanio tiene una carga nuclear de +22 y una masa nuclear de 47,87. Titán está en el cuarto periodo, en un subgrupo secundario. El número de período indica el número de capas electrónicas. El número de grupo indica el número de electrones de valencia. El subgrupo lateral indica que el titanio pertenece a los elementos d.
El titanio tiene dos electrones de valencia en el orbital s de la capa exterior y dos electrones de valencia por encima del orbital d de la capa exterior.
Números cuánticos para cada electrón de valencia:
4s4sCon halógenos e hidrógeno, el Ti(IV) forma compuestos del tipo TiX 4, que tienen el tipo de hibridación sp 3 →q 4.
El titanio es un metal. Es el primer elemento del grupo d. El más estable y común es el Ti +4. También hay compuestos con estados de oxidación más bajos: Ti 0, Ti -1, Ti +2, Ti +3, pero estos compuestos se oxidan fácilmente con aire, agua u otros reactivos a Ti +4. La eliminación de cuatro electrones requiere mucha energía, por lo que el ion Ti+4 en realidad no existe y los compuestos de Ti(IV) suelen implicar enlaces de naturaleza covalente. El Ti(IV) es similar en algunos aspectos a los elementos –Si, Ge,. Sn y Pb, especialmente Sn.
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Historia
El descubrimiento del dióxido de titanio (TiO 2) lo realizaron casi simultáneamente e independientemente el inglés W. Gregor y el químico alemán M. G. Klaproth. W. Gregor, al estudiar la composición de la arena ferruginosa magnética (Creed, Cornwall, Inglaterra), aisló una nueva "tierra" (óxido) de un metal desconocido, al que llamó menaken. En 1795, el químico alemán Klaproth descubrió un nuevo elemento en el mineral rutilo y lo llamó titanio. Dos años más tarde, Klaproth estableció que el rutilo y la tierra menaken son óxidos del mismo elemento, lo que dio origen al nombre “titanio” propuesto por Klaproth. Diez años más tarde, el descubrimiento del titanio tuvo lugar por tercera vez: el científico francés L. Vauquelin descubrió el titanio en la anatasa y demostró que el rutilo y la anatasa son óxidos de titanio idénticos.
La primera muestra de metal titanio fue obtenida en 1825 por el sueco J. J. Berzelius. Debido a la alta actividad química del titanio y la dificultad de su purificación, los holandeses A. van Arkel e I. de Boer obtuvieron en 1925 una muestra pura de Ti mediante la descomposición térmica del vapor de yoduro de titanio TiI 4 .
El titanio no encontró uso industrial hasta el luxemburgués G. Kroll. (Inglés) ruso no patentó un método térmico simple con magnesio para la reducción de titanio metálico a partir de tetracloruro en 1940; este método (proceso Kroll (Inglés) ruso) hasta el día de hoy sigue siendo uno de los principales en la producción industrial de titanio.
Origen del nombre
El metal recibió su nombre en honor a los titanes, personajes de la mitología griega antigua, los hijos de Gaia. El nombre del elemento lo dio Martin Klaproth de acuerdo con sus puntos de vista sobre la nomenclatura química, a diferencia de la escuela de química francesa, donde intentaron nombrar el elemento por su propiedades quimicas. Dado que el propio investigador alemán notó la imposibilidad de determinar las propiedades de un nuevo elemento solo a partir de su óxido, eligió un nombre para él de la mitología, por analogía con el uranio que había descubierto anteriormente.
Estar en la naturaleza
El titanio ocupa el décimo lugar en términos de prevalencia en la naturaleza. El contenido en la corteza terrestre es de 0,57% en peso, en el agua de mar, de 0,001 mg/l. En rocas ultrabásicas 300 g/t, en rocas básicas - 9 kg/t, en rocas ácidas 2,3 kg/t, en arcillas y lutitas 4,5 kg/t. En la corteza terrestre, el titanio casi siempre es tetravalente y está presente sólo en compuestos de oxígeno. No se encuentra en forma libre. En condiciones de erosión y precipitación, el titanio tiene una afinidad geoquímica con el Al 2 O 3 . Se concentra en bauxitas de la corteza erosionada y en sedimentos arcillosos marinos. El titanio se transporta en forma de fragmentos mecánicos de minerales y en forma de coloides. En algunas arcillas se acumula hasta un 30% de TiO 2 en peso. Los minerales de titanio son resistentes a la intemperie y forman grandes concentraciones en los placeres. Se conocen más de 100 minerales que contienen titanio. Los más importantes son: rutilo TiO 2, ilmenita FeTiO 3, titanomagnetita FeTiO 3 + Fe 3 O 4, perovskita CaTiO 3, titanita (esfena) CaTiSiO 5. Hay minerales primarios de titanio: ilmenita-titanio-magnetita y minerales de placer: rutilo-ilmenita-circón.
Depósitos
Grandes depósitos primarios de titanio se encuentran en Sudáfrica, Rusia, Ucrania, Canadá, Estados Unidos, China, Noruega, Suecia, Egipto, Australia, India, Corea del Sur, Kazajstán; Los depósitos de placer se encuentran en Brasil, India, Estados Unidos, Sierra Leona y Australia. En los países de la CEI lugar líder En términos de reservas exploradas de minerales de titanio, se encuentran la Federación de Rusia (58,5%) y Ucrania (40,2%). El depósito más grande de Rusia es Yaregskoye.
Reservas y producción
En 2002, el 90% del titanio extraído se utilizaba para producir dióxido de titanio TiO 2 . La producción mundial de dióxido de titanio fue de 4,5 millones de toneladas por año. Las reservas confirmadas de dióxido de titanio (excluida Rusia) ascienden a unos 800 millones de toneladas. En 2006, según el Servicio Geológico de Estados Unidos, en términos de dióxido de titanio y excluyendo Rusia, las reservas de minerales de ilmenita ascienden a 603-673 millones de toneladas y de minerales de rutilo. - 49,7-52,7 millones de toneladas. Por lo tanto, al ritmo actual de extracción, las reservas probadas de titanio en el mundo (excluida Rusia) durarán más de 150 años.
Rusia tiene las segundas mayores reservas de titanio del mundo, después de China. La base de recursos minerales de titanio en Rusia consta de 20 depósitos (de los cuales 11 son primarios y 9 aluviales), distribuidos de manera bastante uniforme por todo el país. El mayor de los depósitos explorados (Yaregskoye) se encuentra a 25 km de la ciudad de Ukhta (República de Komi). Las reservas del depósito se estiman en 2 mil millones de toneladas de mineral con un contenido promedio de dióxido de titanio de alrededor del 10%.
El mayor productor de titanio del mundo es la empresa rusa VSMPO-AVISMA.
Recibo
Como regla general, el material de partida para la producción de titanio y sus compuestos es el dióxido de titanio con una cantidad relativamente pequeña de impurezas. En particular, puede tratarse de un concentrado de rutilo obtenido a partir del enriquecimiento de minerales de titanio. Sin embargo, las reservas de rutilo en el mundo son muy limitadas y se utiliza con mayor frecuencia la denominada escoria de rutilo sintético o titanio, obtenida del procesamiento de concentrados de ilmenita. Para obtener escoria de titanio, el concentrado de ilmenita se reduce en un horno de arco eléctrico, mientras que el hierro se separa en la fase metálica (hierro fundido) y los óxidos de titanio sin reducir y las impurezas forman la fase de escoria. La escoria rica se procesa mediante el método del cloruro o del ácido sulfúrico.
El concentrado de mineral de titanio se somete a ácido sulfúrico o procesamiento pirometalúrgico. El producto del tratamiento con ácido sulfúrico es dióxido de titanio en polvo TiO 2. Mediante el método pirometalúrgico, el mineral se sinteriza con coque y se trata con cloro, produciendo vapor de tetracloruro de titanio TiCl 4:
T yo O 2 + 2 C + 2 C l 2 → T yo C l 4 + 2 C O (\displaystyle (\mathsf (TiO_(2)+2C+2Cl_(2)\rightarrow TiCl_(4)+2CO)))Los vapores de TiCl 4 resultantes se reducen con magnesio a 850 °C:
T i C l 4 + 2 M g → 2 M g C l 2 + T i (\displaystyle (\mathsf (TiCl_(4)+2Mg\rightarrow 2MgCl_(2)+Ti)))Además, el llamado proceso FFC Cambridge, que lleva el nombre de sus desarrolladores Derek Fray, Tom Farthing y George Chen de la Universidad de Cambridge, donde se creó, está empezando a ganar popularidad. Este proceso electroquímico permite la reducción directa y continua del titanio a partir de su óxido en una mezcla fundida de cloruro de calcio y cal viva (óxido de calcio). Este proceso utiliza un baño electrolítico lleno de una mezcla de cloruro de calcio y cal, con un ánodo de sacrificio (o neutro) de grafito y un cátodo hecho de un óxido reducible. Cuando la corriente pasa a través del baño, la temperatura alcanza rápidamente ~1000-1100 °C y el óxido de calcio fundido se descompone en el ánodo en oxígeno y calcio metálico:
2 C a O → 2 C a + O 2 (\displaystyle (\mathsf (2CaO\rightarrow 2Ca+O_(2))))El oxígeno resultante oxida el ánodo (en el caso de utilizar grafito) y el calcio migra en la masa fundida al cátodo, donde reduce el titanio de su óxido:
O 2 + C → C O 2 (\displaystyle (\mathsf (O_(2)+C\rightarrow CO_(2)))) T i O 2 + 2 C a → T i + 2 C a O (\displaystyle (\mathsf (TiO_(2)+2Ca\rightarrow Ti+2CaO)))El óxido de calcio resultante se disocia nuevamente en oxígeno y calcio metálico, y el proceso se repite hasta que el cátodo se convierte completamente en una esponja de titanio o se agota el óxido de calcio. En este proceso, el cloruro de calcio se utiliza como electrolito para impartir conductividad eléctrica a la masa fundida y movilidad de los iones activos de calcio y oxígeno. Cuando se utiliza un ánodo inerte (por ejemplo, dióxido de estaño), en lugar de dióxido de carbono, se libera oxígeno molecular en el ánodo, lo que contamina menos el medio ambiente, pero el proceso en este caso se vuelve menos estable y, además, en algunas condiciones. , la descomposición del cloruro se vuelve más favorable energéticamente que la del óxido de calcio, lo que resulta en la liberación de cloro molecular.
La “esponja” de titanio resultante se funde y se limpia. El titanio se refina mediante el método del yoduro o electrólisis, separando el Ti del TiCl 4 . Para obtener lingotes de titanio se utiliza procesamiento por arco, haz de electrones o plasma.
Propiedades físicas
El titanio es un metal ligero de color blanco plateado. A presión normal, existe en dos modificaciones cristalinas: α-Ti de baja temperatura con una red hexagonal compacta (sistema hexagonal, grupo espacial do 6mmc, parámetros de celda a= 0,2953 nm, do= 0,4729 nm, z = 2 ) y β-Ti de alta temperatura con empaquetadura cúbica centrada en el cuerpo (sistema cúbico, grupo espacial Soy 3metro, parámetros de celda a= 0,3269 nanómetro, z = 2 ), temperatura de transición α↔β 883 °C, calor de transición Δ h=3,8 kJ/mol (87,4 kJ/kg). La mayoría de los metales, cuando se disuelven en titanio, estabilizan la fase β y reducen la temperatura de la transición α↔β. A presiones superiores a 9 GPa y temperaturas superiores a 900 °C, el titanio se transforma en la fase hexagonal (ω -Ti). Las densidades de α-Ti y β-Ti son respectivamente 4,505 g/cm³ (a 20 °C) y 4,32 g/cm³ (a 900 °C). La densidad atómica del α-titanio es 5,67⋅10 22 at/cm³.
El punto de fusión del titanio a presión normal es 1670 ± 2 °C, o 1943 ± 2 K (adoptado como uno de los puntos de calibración secundarios de la escala de temperatura ITS-90 (Inglés) ruso). Punto de ebullición 3287 °C. A temperaturas bastante bajas (-80°C), el titanio se vuelve bastante quebradizo. Capacidad calorífica molar en condiciones normales. Cp= 25,060 kJ/(mol·K), que corresponde a una capacidad calorífica específica de 0,523 kJ/(kg·K). Calor de fusión 15 kJ/mol, calor de evaporación 410 kJ/mol. La temperatura característica de Debye es de 430 K. Conductividad térmica 21,9 W/(mK) a 20 °C. El coeficiente de temperatura de expansión lineal es 9,2·10 −6 K −1 en el rango de −120 a +860 °C. Entropía molar del α-titanio S 0 = 30,7 kJ/(mol·K). Para el titanio en fase gaseosa, la entalpía de formación es Δ h0
F= 473,0 kJ/mol, energía de Gibbs Δ GRAMO0
F= 428,4 kJ/mol, entropía molar S 0 = 180,3 kJ/(mol·K), capacidad calorífica a presión constante Cp= 24,4 kJ/(mol·K)
Plástico, soldable en atmósfera inerte. Las características de resistencia dependen poco de la temperatura, pero dependen en gran medida de la pureza y el tratamiento previo. Para el titanio técnico, la dureza Vickers es 790-800 MPa, el módulo elástico normal es 103 GPa y el módulo de corte es 39,2 GPa. El titanio de alta pureza, prerrecocido al vacío, tiene un límite elástico de 140-170 MPa, un alargamiento relativo del 55-70% y una dureza Brinell de 716 MPa.
Tiene una alta viscosidad, durante el mecanizado es propenso a adherirse a la herramienta de corte y, por lo tanto, requiere la aplicación de recubrimientos especiales a la herramienta y diversos lubricantes.
A temperaturas normales, está cubierto con una película protectora pasivante de óxido de TiO 2, lo que lo hace resistente a la corrosión en la mayoría de los entornos (excepto los alcalinos).
Propiedades químicas
Reacciona fácilmente incluso con ácidos débiles en presencia de agentes complejantes, por ejemplo, interactúa con el ácido fluorhídrico debido a la formación de un anión complejo 2−. El titanio es más susceptible a la corrosión en ambientes orgánicos, ya que en presencia de agua se forma una densa película pasiva de óxidos e hidruro de titanio en la superficie de un producto de titanio. El aumento más notable en la resistencia a la corrosión del titanio se nota cuando el contenido de agua en un ambiente agresivo aumenta del 0,5 al 8,0%, lo que se confirma mediante estudios electroquímicos de los potenciales de los electrodos del titanio en soluciones de ácidos y álcalis en mezclas acuosas-orgánicas. medios de comunicación.
Cuando se calienta al aire a 1200 °C, el Ti se enciende con una llama blanca brillante con la formación de fases de óxido de composición variable TiO x. El hidróxido de TiO(OH) 2·xH 2 O se precipita a partir de soluciones de sales de titanio y, mediante una calcinación cuidadosa, se obtiene óxido de TiO 2. El hidróxido TiO(OH) 2 xH 2 O y el dióxido de TiO 2 son anfóteros.
Cuando el titanio interactúa con el carbono, se forma carburo de titanio Ti x C x (x = Ti 20 C 9 - TiC.
- El titanio en forma de aleaciones es el material estructural más importante en la construcción de aviones, cohetes y barcos.
- El metal se utiliza en industria química(reactores, tuberías, bombas, accesorios de tuberías), industria militar (armadura corporal, armaduras y mamparas cortafuegos en aviación, cascos submarinos), procesos industriales (desaladoras, procesos de celulosa y papel), industria automotriz, industria agrícola, industria alimentaria, artículos deportivos, joyas, teléfonos móviles, aleaciones ligeras, etc.
- El titanio es fisiológicamente inerte, por lo que se utiliza en medicina (prótesis, osteoprótesis, implantes dentales), en instrumentos dentales y de endodoncia y en joyería para piercing.
- La fundición de titanio se realiza en hornos de vacío en moldes de grafito. También se utiliza la fundición a la cera perdida al vacío. Debido a dificultades tecnológicas, se utiliza de forma limitada en casting artístico. La primera escultura monumental de titanio en la práctica mundial es el monumento a Yuri Gagarin en la plaza que lleva su nombre en Moscú.
- El titanio es un aditivo de aleación en muchos aceros aleados y en la mayoría de las aleaciones especiales. cuales?] .
- El nitinol (níquel-titanio) es una aleación con memoria de forma utilizada en medicina y tecnología.
- Los aluminuros de titanio son muy resistentes a la oxidación y al calor, lo que, a su vez, determinó su uso en la aviación y la fabricación de automóviles como materiales estructurales.
- El titanio es uno de los más comunes.
El monumento en honor a los exploradores espaciales fue erigido en Moscú en 1964. Se dedicaron casi siete años (1958-1964) al diseño y construcción de este obelisco. Los autores tuvieron que resolver no sólo problemas arquitectónicos y artísticos, sino también problemas técnicos. El primero de ellos fue la elección de los materiales, incluido el revestimiento. Después de mucha experimentación, nos decidimos por láminas de titanio pulidas hasta brillar.
De hecho, en muchas características y, sobre todo, en la resistencia a la corrosión, el titanio es superior a la gran mayoría de metales y aleaciones. A veces (especialmente en la literatura popular) al titanio se le llama el metal eterno. Pero hablemos primero de la historia de este elemento.
¿Oxidado o no oxidado?
Hasta 1795, el elemento nº 22 se llamaba "menakin". Así lo llamó en 1791 el químico y mineralogista inglés William Gregor, quien descubrió un nuevo elemento en el mineral menacanita (no busque este nombre en los libros de referencia mineralógica modernos; la menacanita también pasó a llamarse, ahora se llama ilmenita). ).
Cuatro años después del descubrimiento de Gregor, el químico alemán Martin Klaproth descubrió un nuevo elemento químico en otro mineral, el rutilo, y lo llamó titanio en honor a la reina elfa Titania (mitología alemana).
Según otra versión, el nombre del elemento proviene de los Titanes, los poderosos hijos de la diosa de la tierra Gaia (mitología griega).
En 1797 resultó que Gregor y Klaproth habían descubierto el mismo elemento y, aunque Gregor lo había hecho antes, se estableció el nombre que le dio Klaproth para el nuevo elemento.
Pero ni Gregor ni Klaproth lograron obtener el elemento elemental. titanio. El polvo cristalino blanco que aislaron fue dióxido de titanio TiO 2 . Durante mucho tiempo, ninguno de los químicos logró reducir este óxido y aislar de él el metal puro.
En 1823, el científico inglés W. Wollaston informó que los cristales que descubrió en la escoria metalúrgica de la planta Merthyr Tydfil no eran más que titanio puro. Y 33 años después, el famoso químico alemán F. Wöhler demostró que estos cristales eran nuevamente un compuesto de titanio, esta vez un carbonitruro similar a un metal.
Durante muchos años se creyó que el metal El titanio fue obtenido por primera vez por Berzelius en 1825. en la reducción de fluorotitanato de potasio con sodio metálico. Sin embargo, hoy, al comparar las propiedades del titanio y el producto obtenido por Berzelius, se puede argumentar que el presidente de la Academia Sueca de Ciencias se equivocó, porque el titabnum puro se disuelve rápidamente en ácido fluorhídrico (a diferencia de muchos otros ácidos), y el de Berzelius El titanio metálico resistió con éxito su acción.
De hecho, el Ti no fue obtenido por primera vez hasta 1875 por el científico ruso D.K. Los resultados de este trabajo fueron publicados en su folleto “Investigación sobre el titanio”. Pero el trabajo del poco conocido científico ruso pasó desapercibido. Otros 12 años después, los compatriotas de Berzelius, los famosos químicos L. Nilsson y O. Peterson, obtuvieron un producto bastante puro, aproximadamente un 95% de titanio, que redujeron el tetracloruro de titanio con sodio metálico en una bomba hermética de acero.
En 1895, el químico francés A. Moissan, reduciendo el dióxido de titanio con carbono en un horno de arco y sometiendo el material resultante a un doble refinado, obtuvo titanio que contenía sólo un 2% de impurezas, principalmente carbono. Finalmente, en 1910, el químico estadounidense M. Hunter, habiendo mejorado el método de Nilsson y Peterson, logró obtener varios gramos de titanio con una pureza de alrededor del 99%. Por eso, en la mayoría de los libros, la prioridad para la obtención de titanio metálico se atribuye a Hunter y no a Kirillov, Nilsson o Moissan.
Sin embargo, ni Hunter ni sus contemporáneos auguraron un gran futuro para el titán. El metal sólo contenía unas pocas décimas de porcentaje de impurezas, pero estas impurezas hacían que el titanio fuera quebradizo, frágil e inadecuado para el mecanizado. Por lo tanto, algunos compuestos de titanio encontraron aplicación antes que el propio metal. El tetracloruro de Ti, por ejemplo, se utilizó ampliamente en los primeros años. guerra mundial para crear cortinas de humo.
No. 22 en medicina
En 1908, en Estados Unidos y Noruega, la producción de blanco no comenzó a partir de compuestos de plomo y zinc, como se hacía antes, sino a partir de dióxido de titanio. Este tipo de blanco se puede utilizar para pintar varias veces. gran superficie que la misma cantidad de blanco de plomo o zinc. Además, el blanco de titanio tiene una mayor reflectividad, no es venenoso y no se oscurece bajo la influencia del sulfuro de hidrógeno. EN literatura medica¡Se describió un caso en el que una persona “tomó” 460 g de dióxido de titanio a la vez! (Me pregunto con qué lo confundió.) El "amante" del dióxido de titanio no experimentó ninguna sensación dolorosa. El TiO 2 se incluye en algunos medicamentos, en particular en ungüentos contra enfermedades de la piel.
Sin embargo, no es la medicina, sino la industria de pinturas y barnices la que consume cantidades más grandes TiO2. La producción mundial de este compuesto ha superado con creces el medio millón de toneladas al año. Los esmaltes a base de dióxido de titanio se utilizan ampliamente como revestimientos protectores y decorativos para metales y madera en la construcción naval, la construcción y la ingeniería mecánica. La vida útil de estructuras y piezas aumenta significativamente. El blanco titanio se utiliza para colorear telas, cuero y otros materiales.
Ti en la industria
El dióxido de titanio forma parte de masas de porcelana, vidrios refractarios y materiales cerámicos de alta constante dieléctrica. Como relleno que aumenta la resistencia y la resistencia al calor, se introduce en los compuestos de caucho. Sin embargo, todas las ventajas de los compuestos de titanio parecen insignificantes en el contexto de las propiedades únicas del metal de titanio puro.
Titán elemental
En 1925, los científicos holandeses van Arkel y de Boer obtuvieron titanio mediante el método del yoduro (más información más adelante). alto grado pureza - 99,9%. A diferencia del titanio obtenido por Hunter, tenía ductilidad: podía forjarse en frío, enrollarse en láminas, cinta adhesiva, alambre e incluso la lámina más fina. Pero eso ni siquiera es lo principal. Los estudios de las propiedades fisicoquímicas del metal titanio han dado resultados casi fantásticos. Resultó, por ejemplo, que el titanio, al ser casi dos veces más ligero que el hierro (densidad del titanio 4,5 g/cm3), tiene una resistencia superior a muchos aceros. La comparación con el aluminio también resultó favorable al titanio: el titanio es sólo una vez y media más pesado que el aluminio, pero es seis veces más resistente y, lo que es especialmente importante, conserva su resistencia a temperaturas de hasta 500°C ( y con la adición de elementos de aleación - hasta 650°C ), mientras que la resistencia de las aleaciones de aluminio y magnesio cae bruscamente ya a 300°C.
El titanio también tiene una dureza importante: es 12 veces más duro que el aluminio, 4 veces más duro que el hierro y el cobre. Otra característica importante de un metal es su límite elástico. Cuanto más alto es, mejor resisten las cargas operativas las piezas de este metal y más tiempo conservan su forma y tamaño. El límite elástico del titanio es casi 18 veces mayor que el del aluminio.
A diferencia de la mayoría de los metales, el titanio tiene una resistencia eléctrica significativa: si la conductividad eléctrica de la plata se considera 100, entonces la conductividad eléctrica del cobre es 94, el aluminio - 60, el hierro y el platino - 15, y el titanio - solo 3,8. No hace falta explicar que esta propiedad, al igual que el no magnetismo del titanio, es de interés para la radioelectrónica y la ingeniería eléctrica.
La resistencia del titanio a la corrosión es notable. Después de 10 años de exposición al agua de mar, no aparecieron rastros de corrosión en la placa de este metal. Los rotores de los helicópteros pesados modernos están hechos de aleaciones de titanio. Los timones, alerones y algunas otras partes críticas de los aviones supersónicos también se fabrican con estas aleaciones. Hoy en día, en muchas plantas químicas se pueden encontrar aparatos y columnas enteras de titanio.
Cómo obtener titanio
El precio es otro factor que frena la producción y el consumo de titanio. En realidad, el alto coste no es un defecto inherente al titanio. Hay mucho en la corteza terrestre: 0,63%. El precio aún elevado del titanio es consecuencia de la dificultad de extraerlo de los minerales. Esto se explica por la gran afinidad del titanio por muchos elementos y su resistencia. enlaces químicos en sus compuestos naturales. De ahí la complejidad de la tecnología. Así es el método térmico de magnesio para la producción de titanio, desarrollado en 1940 por el científico estadounidense V. Kroll.
El dióxido de titanio se convierte en tetracloruro de titanio usando cloro (en presencia de carbono):
HO 2 + C + 2CI 2 → HCl 4 + CO 2.
El proceso se lleva a cabo en hornos de cuba eléctricos a una temperatura de 800-1250°C. Otra opción es la cloración de sales de metales alcalinos NaCl y KCl en una masa fundida. Se lleva a cabo la siguiente operación (igualmente importante y que requiere mucho tiempo): la purificación de TiCl 4 de impurezas. de diferentes maneras y sustancias. El tetracloruro de titanio en condiciones normales es un líquido con un punto de ebullición de 136°C.
Es más fácil romper el vínculo entre el titanio y el cloro que con el oxígeno. Esto se puede hacer usando magnesio mediante la reacción.
TiCl 4 + 2 Mg → T + 2 MgCl 2.
Esta reacción tiene lugar en reactores de acero a 900°C. El resultado es una denominada esponja de titanio impregnada de magnesio y cloruro de magnesio. Se evaporan en un aparato de vacío sellado a 950°C y luego la esponja de titanio se sinteriza o se funde hasta obtener un metal compacto.
El método térmico de sodio para producir titanio metálico no es, en principio, muy diferente del método térmico de magnesio. Estos dos métodos son los más utilizados en la industria. Para obtener titanio más puro se sigue utilizando el método del yoduro propuesto por van Arkel y de Boer. La esponja metalotérmica de titanio se convierte en yoduro de TiI 4, que luego se sublima al vacío. En su camino, el vapor de yoduro de titap encuentra alambre de titanio calentado a 1400°C. En este caso, el yoduro se descompone y crece una capa de titanio puro en el alambre. Este método de producción de titanio es poco productivo y caro, por lo que se utiliza en la industria de forma muy limitada.
A pesar de la intensidad laboral y energética de la producción de titanio, ya se ha convertido en uno de los subsectores más importantes de la metalurgia no ferrosa. La producción mundial de titanio se está desarrollando a un ritmo muy rápido. Esto se puede juzgar incluso a partir de la información fragmentaria que acaba impresa.
Se sabe que en 1948 solo se fundieron 2 toneladas de titanio en el mundo, y 9 años después, ya 20 mil toneladas. Esto significa que en 1957 se produjeron 20 mil toneladas de titanio en todos los países, y en 1980 solo Estados Unidos consumió. . 24,4 mil toneladas de titanio... Parece que hasta hace poco el titanio se consideraba un metal raro; ahora es el material estructural más importante. Esto sólo puede explicarse por una cosa: una rara combinación propiedades útiles elemento No. 22. Y, por supuesto, las necesidades de la tecnología.
El papel del titanio como material estructural, base de aleaciones de alta resistencia para la aviación, la construcción naval y la cohetería, está aumentando rápidamente. Es en aleaciones donde se utiliza la mayor parte del titanio fundido en el mundo. Una aleación muy conocida para la industria de la aviación, compuesta por 90% de titanio, 6% de aluminio y 4% de vanadio. En 1976, aparecieron en la prensa estadounidense noticias sobre una nueva aleación con el mismo propósito: 85% titanio, 10% vanadio, 3% aluminio y 2% hierro. Afirman que esta aleación no sólo es mejor, sino también más económica.
En general, las aleaciones de titanio incluyen muchos elementos, incluidos platino y paladio. Estos últimos (en una cantidad de 0,1-0,2%) aumentan la ya alta resistencia química de las aleaciones de titanio.
La resistencia del titanio también aumenta mediante "aditivos de aleación" como nitrógeno y oxígeno. Pero junto con la resistencia, aumentan la dureza y, lo más importante, la fragilidad del titanio, por lo que su contenido está estrictamente regulado: no se permite en la aleación más del 0,15% de oxígeno y el 0,05% de nitrógeno.
A pesar de que el titanio es caro, sustituirlo por materiales más baratos resulta en muchos casos rentable. He aquí un ejemplo típico. El cuerpo de un aparato químico hecho de acero inoxidable cuesta 150 rublos y uno de aleación de titanio cuesta 600 rublos. Pero al mismo tiempo, un reactor de acero dura solo 6 meses y uno de titanio, 10 años. Agregue los costos de reemplazar los reactores de acero y el tiempo de inactividad forzado de los equipos, y resulta obvio que el uso de titanio costoso puede ser más rentable que el acero.
La metalurgia utiliza cantidades importantes de titanio. Hay cientos de grados de acero y otras aleaciones que contienen titanio como aditivo de aleación. Se introduce para mejorar la estructura de los metales, aumentar la resistencia y la resistencia a la corrosión.
Algunas reacciones nucleares deben tener lugar en un vacío casi absoluto. Utilizando bombas de mercurio, el vacío se puede llevar a varias milmillonésimas de atmósfera. Pero esto no es suficiente y las bombas de mercurio no pueden hacer más. El bombeo adicional de aire se realiza mediante bombas especiales de titanio. Además, para conseguir un vacío aún mayor, se pulveriza titanio finamente disperso sobre la superficie interior de la cámara donde tienen lugar las reacciones.
Al titanio se le suele llamar el metal del futuro. Los hechos que la ciencia y la tecnología ya tienen a su disposición nos convencen de que esto no es del todo cierto: el titanio ya se ha convertido en el metal del presente.
Perovskita y esfena. Ilmenita (metatitanato de hierro FeTiO 3) contiene 52,65% de TiO 2. El nombre de este mineral se debe a que fue encontrado en los Urales en las montañas de Ilmen. Los mayores depósitos de arenas de ilmenita se encuentran en la India. Otro mineral importante, el rutilo, es el dióxido de titanio. Las titanomagnetitas, una mezcla natural de ilmenita con minerales de hierro, también son de importancia industrial. Hay ricos depósitos de minerales de titanio en la URSS, EE.UU., India, Noruega, Canadá, Australia y otros países. No hace mucho, los geólogos descubrieron un nuevo mineral que contiene titanio en la región del norte de Baikal, que recibió el nombre de landauita en honor al físico soviético L. D. Landau. En total, se conocen en todo el mundo más de 150 yacimientos importantes de mineral y placer de titanio.
El titanio (lat. Titanio; denotado por el símbolo Ti) es un elemento del subgrupo secundario del cuarto grupo, el cuarto período de la tabla periódica de elementos químicos, con número atómico 22. La sustancia simple titanio (número CAS: 7440- 32-6) es un metal ligero de color blanco plateado.
Historia
El descubrimiento del TiO 2 lo realizaron casi simultáneamente e independientemente el inglés W. Gregor y el químico alemán M. G. Klaproth. W. Gregor, al estudiar la composición de la arena ferruginosa magnética (Creed, Cornwall, Inglaterra, 1789), aisló una nueva "tierra" (óxido) de un metal desconocido, al que llamó menaken. En 1795, el químico alemán Klaproth descubrió un nuevo elemento en el mineral rutilo y lo llamó titanio. Dos años más tarde, Klaproth estableció que el rutilo y la tierra menaken son óxidos del mismo elemento, lo que dio origen al nombre “titanio” propuesto por Klaproth. Diez años después, se descubrió el titanio por tercera vez. El científico francés L. Vauquelin descubrió el titanio en la anatasa y demostró que el rutilo y la anatasa son óxidos de titanio idénticos.
La primera muestra de metal titanio fue obtenida en 1825 por J. Ya. Debido a la alta actividad química del titanio y la dificultad de su purificación, los holandeses A. van Arkel e I. de Boer obtuvieron en 1925 una muestra pura de Ti mediante la descomposición térmica del vapor de yoduro de titanio TiI 4 .
Origen del nombre
El metal recibió su nombre en honor a los titanes, personajes de la mitología griega antigua, los hijos de Gaia. El nombre del elemento lo dio Martin Klaproth, de acuerdo con sus opiniones sobre la nomenclatura química, en oposición a la escuela francesa de química, donde intentaban nombrar un elemento por sus propiedades químicas. Dado que el propio investigador alemán notó la imposibilidad de determinar las propiedades de un nuevo elemento solo a partir de su óxido, eligió un nombre para él de la mitología, por analogía con el uranio que había descubierto anteriormente.
Sin embargo, según otra versión publicada en la revista Tekhnika-Molodezhi a finales de los años 1980, el metal recién descubierto no debe su nombre a a los poderosos titanes de los antiguos mitos griegos, y Titania, la reina de las hadas de la mitología germánica (la esposa de Oberón en El sueño de una noche de verano de Shakespeare). Este nombre está asociado a la extraordinaria “ligereza” (baja densidad) del metal.
Recibo
Como regla general, el material de partida para la producción de titanio y sus compuestos es el dióxido de titanio con una cantidad relativamente pequeña de impurezas. En particular, puede tratarse de un concentrado de rutilo obtenido a partir del enriquecimiento de minerales de titanio. Sin embargo, las reservas de rutilo en el mundo son muy limitadas y se utiliza con mayor frecuencia el llamado rutilo sintético o escoria de titanio, obtenida del procesamiento de concentrados de ilmenita. Para obtener escoria de titanio, el concentrado de ilmenita se reduce en un horno de arco eléctrico, mientras que el hierro se separa en la fase metálica (hierro fundido) y los óxidos de titanio sin reducir y las impurezas forman la fase de escoria. La escoria rica se procesa mediante el método del cloruro o del ácido sulfúrico.
El concentrado de mineral de titanio se somete a ácido sulfúrico o procesamiento pirometalúrgico. El producto del tratamiento con ácido sulfúrico es dióxido de titanio en polvo TiO 2. Mediante el método pirometalúrgico, el mineral se sinteriza con coque y se trata con cloro, lo que produce vapor de tetracloruro de titanio TiCl 4:
TiO 2 + 2C + 2Cl 2 =TiCl 2 + 2CO
Los vapores de TiCl 4 resultantes se reducen con magnesio a 850 °C:
TiCl4 + 2Mg = 2MgCl2 + Ti
La “esponja” de titanio resultante se funde y se limpia. El titanio se refina mediante el método del yoduro o electrólisis, separando el Ti del TiCl 4 . Para obtener lingotes de titanio se utiliza procesamiento por arco, haz de electrones o plasma.
Propiedades físicas
El titanio es un metal ligero de color blanco plateado. Existe en dos modificaciones cristalinas: α-Ti con una red hexagonal compacta, β-Ti con empaquetamiento cúbico centrado en el cuerpo, la temperatura de la transformación polimórfica α↔β es 883 °C.
Tiene una alta viscosidad y, durante el mecanizado, es propenso a adherirse a la herramienta de corte, por lo que requiere la aplicación de recubrimientos especiales a la herramienta y diversos lubricantes.
A temperaturas normales, está cubierto con una película protectora pasivante de óxido de TiO 2, lo que lo hace resistente a la corrosión en la mayoría de los entornos (excepto los alcalinos).
El polvo de titanio tiende a explotar. Punto de inflamación 400 °C. Las virutas de titanio son peligrosas para el fuego.