ما هي أعلى حالة أكسدة من التيتانيوم. مركبات التيتانيوم والزركونيوم والهافنيوم

تم اكتشاف TiO 2 بشكل متزامن ومستقل تقريبًا بواسطة الإنجليزي دبليو جريجور والكيميائي الألماني M.G. قام دبليو جريجور ، بدراسة تكوين الرمل الحديدي المغناطيسي (كريد ، كورنوال ، إنجلترا ، 1789) ، بعزل "أرض" جديدة (أكسيد) من معدن غير معروف ، والذي سماه مناكن. في عام 1795 ، اكتشف الكيميائي الألماني كلابروث عنصرًا جديدًا في معدن الروتيل وأطلق عليه اسم التيتانيوم ، وأثبت لاحقًا أن روتيل الأرض والميناكين هما أكاسيد من نفس العنصر. تم الحصول على أول عينة من التيتانيوم المعدني في عام 1825 بواسطة J. Ya. Berzelius. تم الحصول على عينة Ti نقية بواسطة الهولندي A. van Arkel و J. de Boer في عام 1925 عن طريق التحلل الحراري لأبخرة يوديد التيتانيوم TiI 4.

الخصائص الفيزيائية:

التيتانيوم معدن خفيف أبيض فضي. بلاستيك ، ملحوم في جو خامل.
تتميز بلزوجة عالية ، أثناء المعالجة تكون عرضة للالتصاق بأداة القطع ، وبالتالي فإن تطبيق طلاء خاص على الأداة يتطلب مواد تشحيم مختلفة.

الخواص الكيميائية:

في درجة الحرارة العادية ، يتم تغطيتها بطبقة واقية من أكسيد التخميل ، وهي مقاومة للتآكل ، ولكن عندما يتم سحقها في مسحوق ، فإنها تحترق في الهواء. يمكن أن ينفجر غبار التيتانيوم (نقطة الوميض 400 درجة مئوية). عند تسخينه في الهواء إلى 1200 درجة مئوية ، يحترق التيتانيوم مع تكوين أطوار أكسيد ذات تركيبة متغيرة TiOx.
التيتانيوم مقاوم للمحاليل المخففة للعديد من الأحماض والقلويات (باستثناء HF ، H 3 PO 4 والمركزة H 2 SO 4) ، ومع ذلك ، فإنه يتفاعل بسهولة حتى مع الأحماض الضعيفة في وجود عوامل معقدة ، على سبيل المثال ، مع حمض الهيدروفلوريك HF يشكل أنيون معقد 2-.
عند تسخينه ، يتفاعل التيتانيوم مع الهالوجينات. مع النيتروجين فوق 400 درجة مئوية ، يشكل التيتانيوم نيتريد TiN x (x = 0.58-1.00). عندما يتفاعل التيتانيوم مع الكربون ، يتشكل كربيد التيتانيوم TiC x (x = 0.49-1.00).
يمتص التيتانيوم الهيدروجين ، مكونًا مركبات ذات تركيبة متغيرة TiH x. عند تسخينها ، تتحلل هذه الهيدرات مع إطلاق H 2.
التيتانيوم يشكل سبائك مع العديد من المعادن.
في المركبات ، يُظهر التيتانيوم حالات أكسدة +2 و +3 و +4. حالة الأكسدة الأكثر استقرارًا هي +4.

أهم الروابط:

ثاني أكسيد التيتانيوم، TiO 2. مسحوق أبيض ، أصفر عند التسخين ، بكثافة 3.9-4.25 جم / سم 3. أمفوترين. في H 2 SO 4 المركز يذوب فقط بالتسخين لفترات طويلة. عندما تنصهر مع الصوديوم Na 2 CO 3 أو البوتاس K 2 CO 3 ، فإن أكسيد TiO2 يشكل تيتانات:
TiO 2 + K 2 CO 3 \ u003d K 2 TiO 3 + CO 2
هيدروكسيد التيتانيوم (IV)، TiO (OH) 2 * xH 2 O ، يترسب من محاليل أملاح التيتانيوم ، يتم تكليسها بعناية للحصول على أكسيد TiO2. هيدروكسيد التيتانيوم (IV) مذبذب.
رباعي كلوريد التيتانيوم، TiCl4 ، في ظل الظروف العادية - سائل مصفر شديد الدخان في الهواء ، والذي يفسره التحلل المائي القوي لـ TiCl4 مع بخار الماء وتكوين قطرات صغيرة من HCl ومعلق من هيدروكسيد التيتانيوم. يتحلل الماء المغلي إلى حمض التيتانيوم (؟؟). يتميز كلوريد التيتانيوم (IV) بتكوين منتجات إضافية ، على سبيل المثال ، TiCl 4 * 6NH 3 ، TiCl 4 * 8NH 3 ، TiCl 4 * PCl 3 ، إلخ. عندما يذوب كلوريد التيتانيوم (IV) في حمض الهيدروكلوريك ، يتشكل حمض H 2 المركب ، وهو أمر غير معروف في الحالة الحرة ؛ تتبلور أملاح Me 2 جيدًا ومستقرة في الهواء.
يتم الحصول على اختزال TiCl4 مع الهيدروجين والألمنيوم والسيليكون وعوامل الاختزال القوية الأخرى ، وثلاثي كلوريد التيتانيوم وثاني كلوريد TiCl 3 و TiCl 2 - مواد صلبة ذات خصائص اختزال قوية.
نيتريد التيتانيوم- هي طور خلالي بمساحة واسعة من التجانس ، بلورات ذات شعرية مكعبة الوجه. الحصول - عن طريق نيترة التيتانيوم عند 1200 درجة مئوية أو بطرق أخرى. يتم استخدامه كمواد مقاومة للحرارة لإنشاء طلاءات مقاومة للتآكل.

تطبيق:

على شكل سبائك.يستخدم المعدن في الصناعة الكيميائية (المفاعلات ، خطوط الأنابيب ، المضخات) ، السبائك الخفيفة ، تركيبات العظام. إنها أهم مادة هيكلية في الطائرات والصواريخ وبناء السفن.
التيتانيوم هو إضافة صناعة السبائك في بعض درجات الصلب.
النيتينول (نيكل تيتانيوم) عبارة عن سبيكة ذاكرة للشكل تستخدم في الطب والتكنولوجيا.
تيتانيوم ألومينيوم شديدة المقاومة للأكسدة ومقاومة للحرارة ، والتي بدورها تحدد استخدامها في صناعة الطيران والسيارات كمواد هيكلية.
في شكل وصلاتيستخدم ثاني أكسيد التيتانيوم الأبيض في الدهانات (على سبيل المثال ، التيتانيوم الأبيض) ، وكذلك في إنتاج الورق والبلاستيك. المضافات الغذائية E171.
تُستخدم مركبات التيتانيوم العضوية (مثل رباعي بوتوكسي تيتانيوم) كمحفز ومقوي في الصناعات الكيميائية وصناعات الطلاء.
تستخدم مركبات التيتانيوم غير العضوية في صناعة الألياف الزجاجية الكيميائية والإلكترونية كمادة مضافة.

ماتيجوروف أ.
جامعة ولاية تيومين HF

يشكل الزركونيوم والهافنيوم مركبات في حالة الأكسدة +4 ، كما أن التيتانيوم قادر على تكوين مركبات في حالة الأكسدة +3.

مركبات ذات حالة أكسدة +3. يتم الحصول على مركبات التيتانيوم (III) عن طريق اختزال مركبات التيتانيوم (IV). علي سبيل المثال:

1200 درجة مئوية 650 درجة مئوية

2TiO 2 + H 2 ¾® Ti 2 O 3 + H 2 O ؛ 2TiCl 4 + H 2 ® 2TiCl 3 + 2HCl

مركبات التيتانيوم (III) أرجوانية. لا يذوب أكسيد التيتانيوم عمليًا في الماء ، فهو يعرض الخصائص الأساسية. أكسيد ، كلوريد ، أملاح Ti 3+ عوامل اختزال قوية:

4Ti +3 Cl 3 + O 2 + 2H 2 O \ u003d 4Ti +4 OCl 2 + 4HCl

بالنسبة لمركبات التيتانيوم (III) ، من الممكن حدوث تفاعلات غير متناسبة:

2Ti +3 Cl 3 (t) ¾® Ti +4 Cl 4 (g) + Ti +2 Cl 2 (t)

عند التسخين الإضافي ، لا يتناسب كلوريد التيتانيوم (II) أيضًا:

2Ti +2 Cl 2 (t) \ u003d Ti 0 (t) + Ti +4 Cl 4 (ز)

مركبات ذات حالة أكسدة +4.أكاسيد التيتانيوم (IV) ، الزركونيوم (IV) والهافنيوم (IV) هي مواد مقاومة للحرارة ، كيميائيًا وليس مواد خاملة. تعرض خصائص الأكاسيد المذبذبة: تتفاعل ببطء مع الأحماض أثناء الغليان المطول وتتفاعل مع القلويات أثناء الاندماج:

TiO 2 + 2H 2 SO 4 \ u003d Ti (SO 4) 2 + 2H 2 O ؛

TiO 2 + 2NaOH \ u003d Na 2 TiO 3 + H 2 O

يجد أكسيد التيتانيوم TiO 2 أوسع استخدامات ؛ فهو يستخدم كحشو في إنتاج الدهانات والمطاط والبلاستيك. يستخدم أكسيد الزركونيوم ZrO 2 لتصنيع البوتقات والألواح المقاومة للحرارة.

هيدروكسيداتالتيتانيوم (IV) ، الزركونيوم (IV) والهافنيوم (IV) - مركبات غير متبلورة ذات تركيبة متغيرة - EO 2 × nH 2 O. المواد التي تم الحصول عليها حديثًا تفاعلية تمامًا وتذوب في الأحماض ، وهيدروكسيد التيتانيوم قابل للذوبان أيضًا في القلويات. الرواسب القديمة خاملة للغاية.

هاليدات(كلوريدات ، بروميدات ، يوديد) Ti (IV) ، Zr (IV) و Hf (IV) لها بنية جزيئية ، متطايرة ومتفاعلة ، ويمكن تحللها بسهولة. عند تسخينها ، تتحلل اليودات لتشكل معادن ، والتي تستخدم في إنتاج معادن عالية النقاء. علي سبيل المثال:

TiI 4 = Ti + 2I 2

فلوريد التيتانيوم والزركونيوم والهافنيوم بوليمرية وسيئة التفاعل.

ملحتكون عناصر مجموعة التيتانيوم الفرعية في حالة الأكسدة +4 قليلة وغير مستقرة هيدروليتيًا. عادة ، عندما تتفاعل الأكاسيد أو الهيدروكسيدات مع الأحماض ، لا تتشكل الأملاح المتوسطة ، بل تتشكل مشتقات أوكسو أو هيدروكسيد. علي سبيل المثال:

TiO 2 + 2H 2 SO 4 \ u003d TiOSO 4 + H 2 O ؛ Ti (OH) 4 + 2HCl \ u003d TiOСl 2 + H 2 O

تم وصف عدد كبير من المجمعات الأنيونية من التيتانيوم والزركونيوم والهافنيوم. الأكثر ثباتًا في المحاليل ومركبات الفلوريد سهلة التكوين:

EO 2 + 6HF \ u003d H 2 [EF 6] + 2H 2 O ؛ EF 4 + 2KF \ u003d K 2 [EF 6]

يتميز التيتانيوم ونظائره بمركبات التنسيق التي يلعب فيها أنيون البيروكسيد دور الترابط:

E (SO 4) 2 + H 2 O 2 \ u003d H 2 [E (O 2) (SO 4) 2]

في هذه الحالة ، تكتسب محاليل مركبات التيتانيوم (IV) لونًا أصفر برتقاليًا ، مما يجعل من الممكن تحليليًا الكشف عن كاتيونات التيتانيوم (IV) وبيروكسيد الهيدروجين.

الهيدريدات (EN 2) والكربيدات (ES) والنتريد (EN) ومبيدات السيليكون (ESi 2) والبوريدات (EV ، EV 2) هي مركبات ذات تكوين متغير ، تشبه المعدن. للمركبات الثنائية خصائص قيمة تسمح باستخدامها في التكنولوجيا. على سبيل المثال ، سبيكة من 20٪ HfC و 80٪ TiC هي واحدة من أكثر سبائك مقاومة للحرارة ، m.p. 4400 درجة مئوية.

تعريف

التيتانيومتقع في الفترة الرابعة من المجموعة الرابعة من المجموعة الفرعية الثانوية (ب) من الجدول الدوري. التعيين - Ti. في شكل مادة بسيطة ، التيتانيوم معدن أبيض فضي.

يشير إلى المعادن الخفيفة. المواد المقاومة للحرارة. الكثافة - 4.50 جم / سم 3. نقاط الانصهار والغليان هي 1668 درجة مئوية و 3330 درجة مئوية على التوالي.

التيتانيوم مقاوم للتآكل عند تعرضه للهواء في درجة الحرارة العادية ، وهو ما يفسره وجود طبقة واقية من تركيبة TiO2 على سطحه. مستقر كيميائيًا في العديد من البيئات العدوانية (محاليل الكبريتات والكلوريدات ومياه البحر وما إلى ذلك).

حالة أكسدة التيتانيوم في المركبات

يمكن أن يوجد التيتانيوم على شكل مادة بسيطة - معدن ، وحالة أكسدة المعادن في الحالة الأولية هي صفر، لأن توزيع كثافة الإلكترون فيها منتظم.

التيتانيوم في مركباته قادر على إظهار حالات الأكسدة (+2) (Ti +2 H 2 ، Ti +2 O ، Ti +2 (OH) 2 ، Ti +2 F 2 ، Ti +2 Cl 2 ، Ti +2 Br 2) ، (+3) (Ti +3 2 O 3 ، Ti +3 (OH) 3 ، Ti +3 F 3 ، Ti +3 Cl 3 ، Ti +3 2 S 3) و (+4) (Ti +4 F 4 ، Ti +4 H 4 ، Ti +4 Cl 4 ، Ti +4 Br4).

أمثلة على حل المشكلات

مثال 1

يمارس	يظهر التكافؤ III وحالة الأكسدة (-3) نيتروجين في المركب: أ) N 2 H 4 ؛ ب) NH3 ؛ ج) NH 4 Cl ؛ د) N 2 O 5
قرار	من أجل إعطاء إجابة صحيحة على السؤال المطروح ، سنحدد بالتناوب حالة التكافؤ وحالة الأكسدة للنيتروجين في المركبات المقترحة. أ) تكافؤ الهيدروجين دائمًا يساوي I. العدد الإجمالي لوحدات تكافؤ الهيدروجين هو 4 (1 × 4 = 4). اقسم القيمة التي تم الحصول عليها على عدد ذرات النيتروجين في الجزيء: 4/2 \ u003d 2 ، وبالتالي فإن تكافؤ النيتروجين هو II. هذه الإجابة غير صحيحة. ب) تكافؤ الهيدروجين دائمًا يساوي I. العدد الإجمالي لوحدات تكافؤ الهيدروجين هو 3 (1 × 3 = 3). نقسم القيمة التي تم الحصول عليها على عدد ذرات النيتروجين في الجزيء: 3/1 \ u003d 2 ، وبالتالي ، فإن تكافؤ النيتروجين هو III. حالة أكسدة النيتروجين في الأمونيا هي (-3): هذا هو الجواب الصحيح.
إجابه	الخيار (ب).

مثال 2

يمارس	الكلور له نفس حالة الأكسدة في كل من المركبين: أ) FeCl 3 و Cl 2 O 5 ؛ ب) KClO 3 و Cl 2 O 5 ؛ ج) كلوريد الصوديوم و HClO ؛ د) KClO 2 و CaCl 2.
قرار	لإعطاء إجابة صحيحة على السؤال المطروح ، سنحدد بالتناوب درجة أكسدة الكلور في كل زوج من المركبات المقترحة. أ) حالة أكسدة الحديد (+3) والأكسجين - (-2). لنأخذ قيمة حالة أكسدة الكلور كـ "x" و "y" في كلوريد الحديد (III) وأكسيد الكلور ، على التوالي: ص × 2 + (-2) × 5 = 0 ؛ الجواب غير صحيح. ب) حالات أكسدة البوتاسيوم والأكسجين هي (+1) و (-2) على التوالي. لنأخذ قيمة حالة أكسدة الكلور كـ "x" و "y" في المركبات المقترحة: 1 + س + (-2) × 3 = 0 ؛ ص × 2 + (-2) × 5 = 0 ؛ الجواب صحيح.
إجابه	الخيار (ب).

أبدية ، غامضة ، كونية - كل هذه الصفات والعديد من الصفات الأخرى مخصصة للتيتانيوم في مصادر مختلفة. لم يكن تاريخ اكتشاف هذا المعدن تافهاً: في الوقت نفسه ، عمل العديد من العلماء على عزل العنصر في شكله النقي. عملية دراسة الخواص الفيزيائية والكيميائية وتحديد مجالات تطبيقها اليوم. التيتانيوم هو معدن المستقبل ، ولم يتم تحديد مكانته في حياة الإنسان بعد بشكل نهائي ، مما يمنح الباحثين المعاصرين مجالًا كبيرًا للإبداع والبحث العلمي.

صفة مميزة

يُشار إلى العنصر الكيميائي في الجدول الدوري لـ D. I. Mendeleev بواسطة الرمز Ti. وهي تقع في المجموعة الفرعية الثانوية للمجموعة الرابعة من الفترة الرابعة ولها الرقم التسلسلي 22. التيتانيوم معدن أبيض-فضي وخفيف ومتين. يحتوي التكوين الإلكتروني للذرة على الهيكل التالي: +22) 2) 8) 10) 2 ، 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 2 4S 2. وفقًا لذلك ، يحتوي التيتانيوم على العديد من حالات الأكسدة المحتملة: 2 ، 3 ، 4 ؛ في أكثر المركبات استقرارًا ، يكون رباعي التكافؤ.

التيتانيوم - سبيكة أم معدن؟

هذا السؤال يثير اهتمام الكثيرين. في عام 1910 ، حصل الكيميائي الأمريكي هانتر على أول تيتانيوم نقي. احتوى المعدن على 1٪ فقط من الشوائب ، ولكن في الوقت نفسه ، تبين أن كميته ضئيلة للغاية ولم تجعل من الممكن إجراء مزيد من الدراسة لخصائصه. تم تحقيق مرونة المادة التي تم الحصول عليها فقط تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة ؛ في ظل الظروف العادية (درجة حرارة الغرفة) ، كانت العينة هشة للغاية. في الواقع ، لم يكن هذا العنصر مهمًا للعلماء ، لأن احتمالات استخدامه بدت غير مؤكدة للغاية. أدت صعوبة الحصول عليها والبحث إلى تقليل إمكانية تطبيقها. فقط في عام 1925 ، تلقى الكيميائيون من هولندا I. de Boer و A. Van Arkel معدن التيتانيوم ، وقد جذبت خصائصه انتباه المهندسين والمصممين في جميع أنحاء العالم. يبدأ تاريخ دراسة هذا العنصر في عام 1790 ، بالضبط في هذا الوقت ، وبالتوازي ، وبشكل مستقل عن بعضهما البعض ، اكتشف عالمان التيتانيوم كعنصر كيميائي. يتلقى كل منهم مركب (أكسيد) من مادة ، ويفشل في عزل المعدن في شكله النقي. مكتشف التيتانيوم هو الراهب الإنجليزي ويليام جريجور عالم المعادن. في أراضي رعيته الواقعة في الجزء الجنوبي الغربي من إنجلترا ، بدأ العالم الشاب بدراسة الرمال السوداء لوادي ميناكن. وكانت النتيجة إطلاق حبيبات لامعة ، وهي عبارة عن مركب من التيتانيوم. في الوقت نفسه ، عزل الكيميائي مارتن هاينريش كلابروث في ألمانيا مادة جديدة من معدن الروتيل. في عام 1797 ، أثبت أيضًا أن العناصر المفتوحة على التوازي متشابهة. كان ثاني أكسيد التيتانيوم لغزا للعديد من الكيميائيين لأكثر من قرن ، وحتى برزيليوس لم يتمكن من الحصول على معدن نقي. أدت أحدث تقنيات القرن العشرين إلى تسريع عملية دراسة العنصر المذكور بشكل كبير وتحديد الاتجاهات الأولية لاستخدامه. في الوقت نفسه ، يتوسع نطاق التطبيق باستمرار. فقط تعقيد عملية الحصول على مادة مثل التيتانيوم الخالص يمكن أن يحد من نطاقها. سعر السبائك والمعادن مرتفع للغاية ، لذلك لا يمكن أن يحل محل الحديد والألمنيوم التقليديين اليوم.

أصل الاسم

Menakin هو الاسم الأول للتيتانيوم ، والذي كان يستخدم حتى عام 1795. هكذا ، من خلال الانتماء الإقليمي ، أطلق دبليو جريجور على العنصر الجديد. أعطى مارتن كلابروث العنصر اسم "تيتانيوم" في عام 1797. في هذا الوقت ، اقترح زملاؤه الفرنسيون ، بقيادة الكيميائي ذائع الصيت أ. إل لافوازييه ، تسمية المواد المكتشفة حديثًا وفقًا لخصائصها الأساسية. لم يوافق العالم الألماني على هذا النهج ، فقد كان يعتقد بشكل معقول أنه في مرحلة الاكتشاف ، من الصعب جدًا تحديد جميع الخصائص الكامنة في مادة ما وعكسها في الاسم. ومع ذلك ، يجب أن ندرك أن المصطلح الذي اختاره كلابروث بشكل حدسي يتوافق تمامًا مع المعدن - وقد أكد العلماء المعاصرون هذا مرارًا وتكرارًا. هناك نوعان من النظريات الرئيسية لأصل اسم التيتانيوم. كان من الممكن تخصيص المعدن تكريما لملكة Elven Titania (شخصية في الأساطير الجرمانية). يرمز هذا الاسم إلى خفة وقوة المادة. يميل معظم العلماء إلى استخدام نسخة من استخدام الأساطير اليونانية القديمة ، حيث أطلق على الأبناء الأقوياء لإلهة الأرض غايا اسم جبابرة. يتحدث اسم العنصر المكتشف سابقًا ، اليورانيوم ، أيضًا لصالح هذا الإصدار.

التواجد في الطبيعة

من بين المعادن ذات القيمة الفنية للإنسان ، يحتل التيتانيوم المرتبة الرابعة من حيث وفرة القشرة الأرضية. فقط الحديد والمغنيسيوم والألمنيوم تتميز بنسبة كبيرة في الطبيعة. لوحظ أعلى محتوى من التيتانيوم في قشرة البازلت ، وأقل قليلاً في طبقة الجرانيت. في مياه البحر ، محتوى هذه المادة منخفض - حوالي 0.001 ملغم / لتر. عنصر التيتانيوم الكيميائي نشط للغاية ، لذلك لا يمكن العثور عليه في شكله النقي. غالبًا ما يكون موجودًا في مركبات تحتوي على الأكسجين ، بينما يبلغ تكافؤه أربعة. يختلف عدد المعادن المحتوية على التيتانيوم من 63 إلى 75 (في مصادر مختلفة) ، بينما في المرحلة الحالية من البحث ، يواصل العلماء اكتشاف أشكال جديدة من مركباته. للاستخدام العملي ، تعتبر المعادن التالية ذات أهمية قصوى:

1. إلمنيت (FeTiO 3).
2. الروتيل (TiO 2).
3. التيتانيوم (CaTiSiO 5).
4. بيروفسكايت (كاتيو 3).
5. Titanomagnetite (FeTiO 3 + Fe 3 O 4) ، إلخ.

تنقسم جميع الخامات الموجودة المحتوية على التيتانيوم إلى غرينية وأساسية. هذا العنصر مهاجر ضعيف ، يمكنه السفر فقط في شكل شظايا صخرية أو صخور قاع صخرية متحركة. في المحيط الحيوي ، توجد أكبر كمية من التيتانيوم في الطحالب. في ممثلي الحيوانات الأرضية ، يتراكم العنصر في الأنسجة القرنية والشعر. يتميز جسم الإنسان بوجود مادة التيتانيوم في الطحال والغدد الكظرية والمشيمة والغدة الدرقية.

الخصائص الفيزيائية

التيتانيوم معدن غير حديدي ذو لون أبيض فضي يشبه الفولاذ. عند درجة حرارة 0 0 درجة مئوية ، تبلغ كثافتها 4.517 جم / سم 3. المادة لها ثقل نوعي منخفض ، وهو نموذجي للمعادن القلوية (الكادميوم ، الصوديوم ، الليثيوم ، السيزيوم). من حيث الكثافة ، يحتل التيتانيوم موقعًا وسيطًا بين الحديد والألمنيوم ، بينما يكون أداؤه أعلى من كلا العنصرين. الخصائص الرئيسية للمعادن ، التي تؤخذ في الاعتبار عند تحديد نطاق تطبيقها ، هي الصلابة. التيتانيوم أقوى 12 مرة من الألمنيوم ، وأقوى بأربع مرات من الحديد والنحاس ، بينما أخف بكثير. تسمح اللدونة وقوة الخضوع بالمعالجة في درجات حرارة منخفضة وعالية ، كما هو الحال في المعادن الأخرى ، مثل التثبيت ، والتزوير ، واللحام ، والدرفلة. السمة المميزة للتيتانيوم هي انخفاض الموصلية الحرارية والكهربائية ، بينما يتم الحفاظ على هذه الخصائص في درجات حرارة مرتفعة تصل إلى 500 درجة مئوية في المجال المغناطيسي ، يعتبر التيتانيوم عنصرًا مغناطيسيًا ، ولا ينجذب مثل الحديد ، ولا يتم دفعه خارج مثل النحاس. يعتبر الأداء العالي جدًا في مقاومة التآكل في البيئات العدوانية وتحت الضغط الميكانيكي فريدًا من نوعه. أكثر من 10 سنوات من التواجد في مياه البحر لم يغير مظهر وتكوين صفيحة التيتانيوم. سوف يتم تدمير الحديد في هذه الحالة تمامًا بسبب التآكل.

الخصائص الديناميكية الحرارية للتيتانيوم

1. الكثافة (في ظل الظروف العادية) 4.54 جم / سم 3.
2. العدد الذري هو 22.
3. مجموعة المعادن - المقاومة للحرارة والضوء.
4. الكتلة الذرية للتيتانيوم هي 47.0.
5. نقطة الغليان (0 درجة مئوية) - 3260.
6. الحجم المولي سم 3 / مول - 10.6.
7. نقطة انصهار التيتانيوم (0 درجة مئوية) هي 1668.
8. الحرارة النوعية للتبخر (كيلوجول / مول) - 422.6.
9. المقاومة الكهربائية (عند 20 درجة مئوية) أوم * سم * 10 -6-45.

الخواص الكيميائية

تفسر مقاومة التآكل المتزايدة للعنصر من خلال تكوين طبقة أكسيد صغيرة على السطح. يمنع (في ظل الظروف العادية) الغازات (الأكسجين والهيدروجين) في الغلاف الجوي المحيط لعنصر مثل معدن التيتانيوم. تتغير خصائصه تحت تأثير درجة الحرارة. عندما ترتفع إلى درجة 600 درجة مئوية ، يحدث تفاعل تفاعل مع الأكسجين ، مما يؤدي إلى تكوين أكسيد التيتانيوم (TiO2). في حالة امتصاص الغازات الجوية ، يتم تشكيل مفاصل هشة ليس لها تطبيقات عملية ، ولهذا السبب يتم إجراء لحام وصهر التيتانيوم في ظروف الفراغ. التفاعل العكسي هو عملية إذابة الهيدروجين في المعدن ، ويحدث بشكل أكثر فاعلية مع زيادة درجة الحرارة (من 400 درجة مئوية وما فوق). التيتانيوم ، وخاصة جزيئاته الصغيرة (لوحة رقيقة أو سلك) ، يحترق في جو من النيتروجين. لا يمكن حدوث تفاعل كيميائي للتفاعل إلا عند درجة حرارة 700 درجة مئوية ، مما يؤدي إلى تكوين نيتريد TiN. يشكل سبائك شديدة الصلابة مع العديد من المعادن ، غالبًا كعنصر صناعة السبائك. يتفاعل مع الهالوجينات (الكروم والبروم واليود) فقط في وجود محفز (درجة حرارة عالية) ويخضع للتفاعل مع مادة جافة. في هذه الحالة ، يتم تشكيل سبائك شديدة المقاومة للحرارة. مع محاليل معظم القلويات والأحماض ، التيتانيوم غير نشط كيميائيًا ، باستثناء الكبريتيك المركز (مع الغليان لفترات طويلة) ، الهيدروفلوريك ، العضوي الساخن (الفورميك ، الأكساليك).

مكان الميلاد

خامات الإلمنيت هي الأكثر شيوعًا في الطبيعة - تقدر احتياطياتها بنحو 800 مليون طن. تعتبر رواسب رواسب الروتيل أكثر تواضعًا ، لكن الحجم الإجمالي - مع الحفاظ على نمو الإنتاج - يجب أن يزود البشرية لمدة 120 عامًا بمعدن مثل التيتانيوم. يعتمد سعر المنتج النهائي على الطلب وزيادة مستوى قابلية التصنيع ، ولكنه يختلف في المتوسط ​​من 1200 إلى 1800 روبل / كجم. في ظروف التحسين الفني المستمر ، يتم تقليل تكلفة جميع عمليات الإنتاج بشكل كبير مع تحديثها في الوقت المناسب. تمتلك الصين وروسيا أكبر احتياطيات ، كما تمتلك اليابان وجنوب إفريقيا وأستراليا وكازاخستان والهند وكوريا الجنوبية وأوكرانيا وسيلان قاعدة موارد معدنية. تختلف الرواسب في حجم الإنتاج ونسبة التيتانيوم في الخام ، المسوحات الجيولوجية جارية ، مما يجعل من الممكن افتراض انخفاض في القيمة السوقية للمعدن واستخدامه على نطاق أوسع. تعد روسيا إلى حد بعيد أكبر منتج للتيتانيوم.

إيصال

لإنتاج التيتانيوم ، غالبًا ما يستخدم ثاني أكسيد التيتانيوم ، الذي يحتوي على الحد الأدنى من الشوائب. يتم الحصول عليها عن طريق إثراء مركزات الإلمنيت أو خامات الروتيل. في فرن القوس الكهربائي ، تتم المعالجة الحرارية للخام ، مصحوبة بفصل الحديد وتكوين الخبث المحتوي على أكسيد التيتانيوم. تُستخدم طريقة الكبريتات أو الكلوريد لمعالجة الجزء الخالي من الحديد. أكسيد التيتانيوم مسحوق رمادي (انظر الصورة). يتم الحصول على معدن التيتانيوم من خلال معالجته المرحلية.

المرحلة الأولى هي عملية تلبيد الخبث بفحم الكوك والتعرض لبخار الكلور. يتم تقليل TiCl4 الناتج مع المغنيسيوم أو الصوديوم عند تعريضه لدرجة حرارة 850 ْم. الإسفنج التيتانيوم (الكتلة المنصهرة المسامية) الذي تم الحصول عليه نتيجة تفاعل كيميائي يتم تنقيته أو صهره إلى سبائك. اعتمادًا على الاتجاه الإضافي للاستخدام ، يتم تكوين سبيكة أو معدن نقي (تتم إزالة الشوائب بالتسخين إلى 1000 درجة مئوية). لإنتاج مادة تحتوي على شوائب بنسبة 0.01٪ ، يتم استخدام طريقة اليوديد. يعتمد على عملية تبخر بخار الإسفنج التيتانيوم المعالج مسبقًا بالهالوجين.

التطبيقات

درجة حرارة انصهار التيتانيوم عالية جدًا ، والتي ، نظرًا لخفة المعدن ، ميزة لا تقدر بثمن لاستخدامها كمواد هيكلية. لذلك ، تجد التطبيق الأكبر في بناء السفن ، وصناعة الطيران ، وصناعة الصواريخ ، والصناعات الكيماوية. غالبًا ما يستخدم التيتانيوم كمادة مضافة لصناعة السبائك في سبائك مختلفة ، مما زاد من خصائص الصلابة ومقاومة الحرارة. الخصائص العالية المضادة للتآكل والقدرة على تحمل أكثر البيئات عدوانية تجعل هذا المعدن لا غنى عنه للصناعة الكيميائية. يستخدم التيتانيوم (سبائكه) في صناعة خطوط الأنابيب والخزانات والصمامات والمرشحات المستخدمة في تقطير ونقل الأحماض والمواد الفعالة كيميائياً الأخرى. إنه مطلوب عند إنشاء أجهزة تعمل في ظروف مؤشرات درجات الحرارة المرتفعة. تُستخدم مركبات التيتانيوم في صناعة أدوات القطع ، والدهانات ، والبلاستيك والورق ، والأدوات الجراحية ، والغرسات ، والمجوهرات ، ومواد التشطيب ، وتستخدم في صناعة المواد الغذائية. يصعب وصف كل الاتجاهات. الطب الحديث ، بسبب السلامة البيولوجية الكاملة ، غالبًا ما يستخدم معدن التيتانيوم. السعر هو العامل الوحيد الذي يؤثر حتى الآن على اتساع نطاق تطبيق هذا العنصر. من الإنصاف القول إن التيتانيوم هو مادة المستقبل ، من خلال دراسته التي ستنتقل بها البشرية إلى مرحلة جديدة من التطور.

1941 درجة حرارة الغليان 3560 العود. حرارة الانصهار 18.8 كيلوجول / مول العود. حرارة التبخر 422.6 كيلوجول / مول السعة الحرارية المولية 25.1 جول / (ك مول) الحجم المولي 10.6 سم مكعب / مول شعرية بلورية من مادة بسيطة بنية شعرية سداسي الشكل
معبأة قريبة (α-Ti) معلمات شعرية أ = 2.951 ج = 4.697 (α-Ti) سلوك ج/أ 1,587 ديباي درجة الحرارة 380 مميزات وخصائص اخرى توصيل حراري (300 كلفن) 21.9 واط / (م · ك) لا CAS 7440-32-6

موسوعي يوتيوب

1 / 5

✪ تيتانيوم / تيتانيوم. الكيمياء سهلة

✪ التيتانيوم هو أقوى معدن على الأرض!

✪ الكيمياء 57. العنصر هو التيتانيوم. عنصر الزئبق - أكاديمية العلوم الترفيهية

✪ انتاج التيتانيوم. التيتانيوم من أقوى المعادن في العالم!

✪ إيريديوم - أكثر المعادن ندرة على وجه الأرض!

ترجمات

مرحبًا! ألكسندر إيفانوف معك وهذا هو مشروع "الكيمياء بسيطة" والآن سنضيئه قليلاً بالتيتانيوم! هكذا تبدو بضعة جرامات من التيتانيوم الخالص ، والتي تم الحصول عليها منذ فترة طويلة في جامعة مانشستر ، عندما لم تكن حتى جامعة بعد. هذه العينة من نفس المتحف. هذه هي الطريقة التي يتم من خلالها المعدن الرئيسي يشبه استخراج التيتانيوم. إنه روتيل. يحتوي على التيتانيوم في عام 1867 ، كل ما يعرفه الناس عن التيتانيوم يتناسب مع كتاب مدرسي في صفحة واحدة بحلول بداية القرن العشرين ، لم يتغير شيء حقًا في عام 1791 ، اكتشف الكيميائي وعالم المعادن الإنجليزي ويليام جريجور عنصر جديد في ميناكينيت المعدني وأطلق عليه اسم "ميناكين" بعد ذلك بقليل ، في عام 1795 ، اكتشف الكيميائي الألماني مارتن كلابروث عنصرًا كيميائيًا جديدًا في معدن آخر - الروتيل. حصل التيتانيوم على اسمه من Klaproth ، الذي أطلق عليه اسمًا تكريماً لـ ملكة الجان تيتانيا. ومع ذلك ، وفقًا لإصدار آخر ، فإن اسم العنصر يأتي من جبابرة ، الأبناء الأقوياء لإلهة الأرض - الشواذ ، ومع ذلك ، في عام 1797 ، اتضح أن جريجور وكلابروث اكتشفوا نفس العنصر الكيميائي .. لكن الاسم التي أعطاها كلابروث بقيت. لكن لم يكن غريغور ولا كلابروث قادرين على الحصول على التيتانيوم المعدني. لقد حصلوا على مسحوق بلوري أبيض ، وهو ثاني أكسيد التيتانيوم. ولأول مرة ، حصل العالم الروسي د. ك. كيريلوف في عام 1875 ولكن نظرًا لأنه يحدث بدون تغطية مناسبة ، لم يتم ملاحظة عمله. بعد ذلك ، حصل السويديان L. Nilsson و O. Peterson على التيتانيوم النقي ، وكذلك في عام 1910 ، الكيميائي الأمريكي قام M. Hunter بتحسين الطرق السابقة للحصول على التيتانيوم وحصل على عدة جرامات من التيتانيوم النقي بنسبة 99٪. ولهذا السبب في معظم الكتب ، فإن Hunter هو الذي يشير إلى أن العالم الذي تلقى التيتانيوم المعدني لم يتنبأ أحد بمستقبل عظيم للتيتانيوم ، منذ أدنى شوائب في تركيبته جعله هشًا وهشًا للغاية ، مما لم يسمح بالمعالجة الميكانيكية ، لذلك وجدت بعض مركبات التيتانيوم استخدامها على نطاق واسع قبل المعدن نفسه.استخدم رابع كلوريد التيتانيوم في الحرب العالمية الأولى لإنشاء شاشات الدخان. في الهواء الطلق ، التيتانيوم يتحلل رباعي كلوريد الماء لتشكيل أكسيد التيتانيوم وأكسيد التيتانيوم. الدخان الأبيض الذي نراه هو جزيئات أوكسي كلوريد. وأكسيد التيتانيوم ما هي هذه الجسيمات بالضبط يمكننا تأكيد ما إذا كنا قد أسقطنا بضع قطرات من رباعي كلوريد التيتانيوم في الماء. يستخدم رباعي كلوريد التيتانيوم حاليًا للحصول على التيتانيوم المعدني. لم تتغير طريقة الحصول على التيتانيوم النقي منذ مائة عام. أولاً ، يتم تحويل ثاني أكسيد التيتانيوم مع الكلور إلى رباعي كلوريد التيتانيوم الذي تحدثنا عنه سابقًا. ثم بمساعدة المغنيسيوم الحراري ، يتم الحصول على معدن التيتانيوم من رباعي كلوريد التيتانيوم ، والذي يتم تشكيله على شكل إسفنج.تتم هذه العملية عند درجة حرارة 900 درجة مئوية في معوجات فولاذية بسبب ظروف التفاعل القاسية ، للأسف ليس لدينا الفرصة لإظهار هذه العملية. ونتيجة لذلك ، يتم الحصول على إسفنجة من التيتانيوم ، والتي يتم صهرها في معدن مضغوط. للحصول على التيتانيوم عالي النقاوة ، يتم استخدام طريقة تنقية اليوديد ، والتي سنقوم بها ناقش بالتفصيل في الفيديو حول الزركونيوم.كما لاحظت بالفعل ، فإن رباعي كلوريد التيتانيوم عبارة عن سائل شفاف عديم اللون في ظل الظروف العادية ، ولكن إذا أخذنا ثلاثي كلوريد التيتانيوم ، فهو مادة أرجوانية صلبة. sity فقط ذرة كلور أقل في الجزيء ، وفي حالة مختلفة بالفعل ، يكون ثلاثي كلوريد التيتانيوم مرطبًا. لذلك ، يمكنك العمل معه فقط في جو خامل. يذوب ثلاثي كلوريد التيتانيوم جيدًا في حمض الهيدروكلوريك. أنت الآن تراقب هذه العملية. يتكون أيون معقد 3 في المحلول. ما هي الأيونات المعقدة ، سأخبرك في وقت آخر المرة التالية. في غضون ذلك ، كن مرعوبًا :) إذا أضفت القليل من حمض النيتريك إلى المحلول الناتج ، فسيتم تكوين نترات التيتانيوم ويتم إطلاق الغاز البني ، وهو ما نراه بالفعل. هناك تفاعل نوعي مع أيونات التيتانيوم. نسقط بيروكسيد الهيدروجين كما ترون ، يحدث تفاعل مع تكوين مركب ذي ألوان زاهية وهو حمض البريتانيك. في عام 1908 ، تم استخدام ثاني أكسيد التيتانيوم في الولايات المتحدة لإنتاج الأبيض ، والذي حل محل الأبيض ، والذي كان يعتمد على الرصاص والزنك. كان التيتانيوم الأبيض متفوقًا في الجودة على نظرائه من الرصاص والزنك. أيضًا ، تم استخدام أكسيد التيتانيوم لإنتاج المينا ، والذي تم استخدامه لطلاء المعادن والخشب في بناء السفن حاليًا ، يستخدم ثاني أكسيد التيتانيوم في صناعة المواد الغذائية كصبغة بيضاء - هذا هي مادة مضافة E171 ، والتي يمكن العثور عليها في عصي سرطان البحر ، وحبوب الإفطار ، والمايونيز ، وعلكة المضغ ، ومنتجات الألبان ، وما إلى ذلك أيضًا ، يستخدم ثاني أكسيد التيتانيوم في مستحضرات التجميل - يدخل في sos وجود واقي من الشمس "كل ما يلمع ليس ذهبًا" - نحن نعرف هذا القول منذ الطفولة وفيما يتعلق بالكنيسة الحديثة والتيتانيوم ، فهو يعمل حرفيًا ويبدو ، ما الذي يمكن أن يكون مشتركًا بين الكنيسة والتيتانيوم؟ وإليك ما يلي: جميع القباب الحديثة للكنائس المتلألئة بالذهب ، في الواقع ، لا علاقة لها بالذهب. في الواقع ، كل القباب مطلية بنتريد التيتانيوم. أيضًا ، تم طلاء المثاقب المعدنية بنتريد التيتانيوم. فقط في عام 1925 ، كان ارتفاع - تم الحصول على تيتانيوم نقاء مما جعل من الممكن دراسته.الخصائص الفيزيائية والكيميائية واتضح أنها رائعة. واتضح أن التيتانيوم ، لكونه تقريبًا ضعف الحديد ، يتفوق على العديد من الفولاذ. أيضًا ، على الرغم من التيتانيوم هو أثقل مرة ونصف من الألمنيوم ، وهو أقوى منه بست مرات ويحتفظ بقوته حتى 500 درجة مئوية - بسبب الموصلية الكهربائية العالية وعدم المغناطيسية ، فإن التيتانيوم له أهمية كبيرة في الهندسة الكهربائية. مقاومة عالية للتآكل نظرًا لخصائصه ، فقد أصبح التيتانيوم مادة لتكنولوجيا الفضاء في روسيا ، في Verkhnyaya Salda ، هناك شركة VSMPO-AVISMA ، التي تنتج التيتانيوم لصناعة الطيران العالمية من Verkhne Salda Titanium تصنع Boeings ، Airbuses ، Rolls -رو مكعبات ثلج ومعدات كيميائية مختلفة والعديد من الخردة باهظة الثمن الأخرى ، ومع ذلك ، يمكن لكل واحد منكم شراء مجرفة أو مخل مصنوع من التيتانيوم الخالص! وهي ليست مزحة! وهذه هي الطريقة التي يتفاعل بها مسحوق التيتانيوم المشتت بدقة مع الأكسجين الجوي بفضل هذا الاحتراق الملون ، وجد التيتانيوم تطبيقًا في الألعاب النارية وهذا كل شيء ، اشترك ، ارفع إصبعك ، ولا تنس دعم المشروع وإخبار أصدقائك! حتى!

قصة

تم اكتشاف TiO 2 بشكل متزامن ومستقل تقريبًا بواسطة رجل إنجليزي دبليو جريجور ؟!والكيميائي الألماني إم جي كلابروث. قام دبليو جريجور ، بدراسة تكوين الرمل الحديدي المغناطيسي (كريد ، كورنوال ، إنجلترا) ، بعزل "أرض" جديدة (أكسيد) من معدن غير معروف ، والذي أسماه ميناكين. في عام 1795 ، اكتشف الكيميائي الألماني كلابروث عنصرًا جديدًا في معدن الروتيل وأطلق عليه اسم التيتانيوم. بعد ذلك بعامين ، أثبت كلابروث أن الروتيل والتراب المهين هما أكاسيد من نفس العنصر ، وظل وراءها اسم "التيتانيوم" الذي اقترحه كلابروث. بعد 10 سنوات ، تم اكتشاف التيتانيوم للمرة الثالثة. اكتشف العالم الفرنسي L. Vauquelin التيتانيوم في anatase وأثبت أن الروتيل والأنتاز أكاسيد التيتانيوم متطابقة.

تم الحصول على أول عينة من التيتانيوم المعدني في عام 1825 بواسطة J. Ya. Berzelius. بسبب النشاط الكيميائي العالي للتيتانيوم وتعقيد تنقيته ، حصل الهولندي A. van Arkel و I. de Boer على عينة نقية من Ti في عام 1925 عن طريق التحلل الحراري لبخار يوديد التيتانيوم TiI 4.

أصل الاسم

حصل المعدن على اسمه تكريما للجبابرة ، وشخصيات الأساطير اليونانية القديمة ، وأطفال غايا. تم إعطاء اسم العنصر بواسطة Martin Klaproth وفقًا لآرائه حول التسميات الكيميائية ، على عكس المدرسة الفرنسية للكيمياء ، حيث حاولوا تسمية العنصر بخصائصه الكيميائية. بما أن الباحث الألماني نفسه لاحظ استحالة تحديد خصائص عنصر جديد إلا بأكسيده ، فقد اختار اسمًا له من الميثولوجيا ، على غرار اليورانيوم الذي اكتشفه سابقًا.

التواجد في الطبيعة

التيتانيوم هو العاشر الأكثر وفرة في الطبيعة. المحتوى في قشرة الأرض 0.57٪ بالكتلة ، في مياه البحر - 0.001 ملغم / لتر. 300 جم / طن في الصخور فائقة القاعدة ، 9 كجم / طن في الصخور الأساسية ، 2.3 كجم / طن في الصخور الحمضية ، 4.5 كجم / طن في الطين والصخر الزيتي. في قشرة الأرض ، يكون التيتانيوم دائمًا رباعي التكافؤ ولا يوجد إلا في مركبات الأكسجين. لا يحدث في شكل حر. التيتانيوم تحت ظروف التجوية وهطول الأمطار له صلة جيوكيميائية لـ Al 2 O 3. يتركز في البوكسيت من قشرة التجوية وفي الرواسب الطينية البحرية. يتم نقل التيتانيوم في شكل شظايا ميكانيكية من المعادن وفي شكل غرويات. يتراكم ما يصل إلى 30٪ TiO 2 بالوزن في بعض الطين. معادن التيتانيوم مقاومة للعوامل الجوية وتشكل تركيزات كبيرة في الغرينيات. من المعروف أن أكثر من 100 معدن يحتوي على التيتانيوم. أهمها: الروتيل TiO 2 ، الإلمنيت FeTiO 3 ، التيتانيوم المغنطيسي FeTiO 3 + Fe 3 O 4 ، perovskite CaTiO 3 ، التيتانيوم CaTiSiO 5. توجد خامات التيتانيوم الأولية - الإلمنيت - تيتانوماغنتيت والغرينية - الروتيل - الإلمنيت - الزركون.

مكان الميلاد

توجد رواسب التيتانيوم على أراضي جنوب إفريقيا وروسيا وأوكرانيا والصين واليابان وأستراليا والهند وسيلان والبرازيل وكوريا الجنوبية وكازاخستان. في بلدان رابطة الدول المستقلة ، يحتل الاتحاد الروسي (58.5٪) وأوكرانيا (40.2٪) مكان الصدارة من حيث احتياطيات خامات التيتانيوم المستكشفة. أكبر إيداع في روسيا هو Yaregskoye.

الاحتياطيات والإنتاج

في عام 2002 ، تم استخدام 90٪ من التيتانيوم المستخرج لإنتاج ثاني أكسيد التيتانيوم TiO 2. بلغ الإنتاج العالمي من ثاني أكسيد التيتانيوم 4.5 مليون طن سنويًا. تبلغ الاحتياطيات المؤكدة من ثاني أكسيد التيتانيوم (بدون روسيا) حوالي 800 مليون طن. بالنسبة لعام 2006 ، وفقًا للمسح الجيولوجي الأمريكي ، من حيث ثاني أكسيد التيتانيوم وباستثناء روسيا ، يبلغ احتياطي خامات الإلمنيت 603-673 مليون طن ، والروتيل. - 49.7-52.7 مليون طن. وبالتالي ، وفقًا لمعدل الإنتاج الحالي ، ستكون احتياطيات العالم المؤكدة من التيتانيوم (باستثناء روسيا) كافية لأكثر من 150 عامًا.

تمتلك روسيا ثاني أكبر احتياطي من التيتانيوم في العالم بعد الصين. تتكون قاعدة الموارد المعدنية للتيتانيوم في روسيا من 20 رواسب (11 منها أساسية و 9 غرينية) ، موزعة بالتساوي في جميع أنحاء البلاد. تقع أكبر الرواسب المستكشفة (Yaregskoye) على بعد 25 كم من مدينة أوختا (جمهورية كومي). تقدر احتياطيات الرواسب بنحو 2 مليار طن من الخام بمتوسط ​​محتوى من ثاني أكسيد التيتانيوم يبلغ حوالي 10٪.

أكبر منتج للتيتانيوم في العالم هو شركة VSMPO-AVISMA الروسية.

إيصال

كقاعدة عامة ، فإن المادة الأولية لإنتاج التيتانيوم ومركباته هي ثاني أكسيد التيتانيوم مع كمية صغيرة نسبيًا من الشوائب. على وجه الخصوص ، يمكن أن يكون تركيز الروتيل الذي تم الحصول عليه أثناء إثراء خامات التيتانيوم. ومع ذلك ، فإن احتياطيات الروتيل في العالم محدودة للغاية ، وغالبًا ما يتم استخدام ما يسمى بخبث الروتيل الصناعي أو خبث التيتانيوم ، الذي يتم الحصول عليه أثناء معالجة مركزات الإلمنيت. للحصول على خبث التيتانيوم ، يتم تقليل تركيز الإلمنيت في فرن القوس الكهربائي ، بينما يتم فصل الحديد إلى طور معدني (الحديد الزهر) ، ولا تشكل أكاسيد التيتانيوم والشوائب المختزلة مرحلة الخبث. تتم معالجة الخبث الغني بطريقة الكلوريد أو حمض الكبريتيك.

يخضع تركيز خامات التيتانيوم لحمض الكبريتيك أو المعالجة المعدنية الحرارية. منتج معالجة حامض الكبريتيك هو مسحوق ثاني أكسيد التيتانيوم TiO 2. باستخدام طريقة المعالجة المعدنية الحرارية ، يتم تلبيد الخام بفحم الكوك ومعالجته بالكلور ، والحصول على زوج من رباعي كلوريد التيتانيوم TiCl 4:

T i O 2 + 2 C + 2 C l 2 → T i C l 4 + 2 C O (\ displaystyle (\ mathsf (TiO_ (2) + 2C + 2Cl_ (2) \ rightarrow TiCl_ (4) + 2CO)))

يتم تقليل أبخرة TiCl4 المتكونة عند 850 درجة مئوية بالمغنيسيوم:

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)))

بالإضافة إلى ذلك ، فإن ما يسمى بعملية FFC Cambridge ، التي سميت على اسم مطوريها Derek Frey و Tom Farthing و George Chen ، وجامعة Cambridge حيث تم إنشاؤها ، بدأت الآن تكتسب شعبية. تسمح هذه العملية الكهروكيميائية بالاختزال المستمر المباشر للتيتانيوم من الأكسيد في خليط ذائب من كلوريد الكالسيوم والجير الحي. تستخدم هذه العملية حمامًا إلكتروليتيًا مملوءًا بمزيج من كلوريد الكالسيوم والجير ، مع قطب موجب من الجرافيت (أو محايد) وقطب كاثود مصنوع من أكسيد ليتم تقليله. عندما يمر تيار خلال الحمام ، تصل درجة الحرارة بسرعة إلى ~ 1000-1100 درجة مئوية ، ويتحلل أكسيد الكالسيوم عند الأنود إلى أكسجين وكالسيوم معدني:

2 C a O → 2 C a + O 2 (\ displaystyle (\ mathsf (2CaO \ rightarrow 2Ca + O_ (2))))

يؤكسد الأكسجين الناتج الأنود (في حالة استخدام الجرافيت) ، وينتقل الكالسيوم في الذوبان إلى القطب السالب ، حيث يستعيد التيتانيوم من الأكسيد:

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)))

يتفكك أكسيد الكالسيوم الناتج مرة أخرى إلى أكسجين ومعدن الكالسيوم ، وتتكرر العملية حتى التحول الكامل للكاثود إلى إسفنجة تيتانيوم ، أو استنفاد أكسيد الكالسيوم. يستخدم كلوريد الكالسيوم في هذه العملية كإلكتروليت لنقل الموصلية الكهربائية إلى ذوبان أيونات الكالسيوم والأكسجين النشطة وتنقلها. عند استخدام الأنود الخامل (على سبيل المثال ، أكسيد القصدير) ، بدلاً من ثاني أكسيد الكربون ، يتم إطلاق الأكسجين الجزيئي عند الأنود ، مما يؤدي إلى تقليل تلوث البيئة ، ولكن العملية في هذه الحالة تصبح أقل استقرارًا ، بالإضافة إلى ذلك ، في ظل ظروف معينة ، يصبح تحلل الكلوريد أكثر ملاءمة من أكسيد الكالسيوم ، مما يؤدي إلى إطلاق الكلور الجزيئي.

يتم صهر "الإسفنج" الناتج من التيتانيوم وتنقيته. يتم تنقية التيتانيوم بواسطة طريقة اليوديد أو بواسطة التحليل الكهربائي ، وفصل Ti من TiCl4. للحصول على سبائك التيتانيوم ، يتم استخدام القوس أو شعاع الإلكترون أو معالجة البلازما.

الخصائص الفيزيائية

التيتانيوم معدن أبيض فضي فاتح. يوجد في تعديلين بلوريين: α-Ti مع شبكة سداسية معبأة قريبة (أ = 2.951 Å ؛ ج = 4.679 Å ؛ ض = 2 ؛ مجموعة فضاء C6mmc) ، β-Ti مع تعبئة مكعبة محورها الجسم (أ = 3.269 Å ؛ ض = 2 ؛ مجموعة الفضاء Im3m) ، درجة حرارة الانتقال α↔β 883 درجة مئوية ، انتقال ΔH 3.8 كيلوجول / مول. نقطة الانصهار 1660 ± 20 درجة مئوية ، نقطة الغليان 3260 درجة مئوية ، كثافة α-Ti و β-Ti على التوالي 4.505 (20 درجة مئوية) و 4.32 (900 درجة مئوية) جم / سم مكعب ، الكثافة الذرية 5.71-10 22 عند / سم³ [ ]. بلاستيك ، ملحوم في جو خامل. المقاومة 0.42 µ أوم مفي 20 درجة مئوية

تتميز بلزوجة عالية ، أثناء المعالجة تكون عرضة للالتصاق بأداة القطع ، وبالتالي فهي مطلوبة لتطبيق طلاء خاص على الأداة ، ومواد التشحيم المختلفة.

في درجة الحرارة العادية ، يتم تغطيتها بطبقة واقية من التخميل من أكسيد TiO2 ، مما يجعلها مقاومة للتآكل في معظم البيئات (باستثناء القلوية).

يميل غبار التيتانيوم إلى الانفجار. نقطة الوميض - 400 درجة مئوية. نشارة التيتانيوم قابلة للاشتعال.

التيتانيوم ، إلى جانب الفولاذ والتنغستن والبلاتين ، شديد المقاومة للفراغ ، مما يجعله ، إلى جانب خفته ، واعدًا جدًا في تصميم المركبات الفضائية.

الخواص الكيميائية

التيتانيوم مقاوم للمحاليل المخففة للعديد من الأحماض والقلويات (باستثناء H 3 PO 4 وتركيز H 2 SO 4).

يتفاعل بسهولة حتى مع الأحماض الضعيفة في وجود عوامل معقدة ، على سبيل المثال ، مع حمض الهيدروفلوريك ، يتفاعل بسبب تكوين أنيون معقد 2−. التيتانيوم هو الأكثر عرضة للتآكل في الوسائط العضوية ، لأنه في وجود الماء ، يتشكل فيلم كثيف سلبي من الأكاسيد وهيدريد التيتانيوم على سطح منتج التيتانيوم. إن الزيادة الملحوظة في مقاومة التيتانيوم للتآكل ملحوظة مع زيادة محتوى الماء في بيئة عدوانية من 0.5 إلى 8.0٪ ، وهو ما تؤكده الدراسات الكهروكيميائية لإمكانات القطب الكهربائي للتيتانيوم في محاليل الأحماض والقلويات في الماء المختلط - الوسائط العضوية.

عند تسخينه في الهواء إلى 1200 درجة مئوية ، يشتعل Ti بلهب أبيض ناصع مع تكوين أطوار أكسيد ذات تركيبة متغيرة TiOx. هيدروكسيد TiO (OH) 2 · xH 2 O يترسب من محاليل أملاح التيتانيوم ، عن طريق التكليس الدقيق الذي يتم الحصول عليه من أكسيد TiO2. TiO (OH) 2 هيدروكسيد xH 2 O وثاني أكسيد TiO2 مذبذب.

تطبيق

في شكل نقي وفي شكل سبائك

• التيتانيوم على شكل سبائك هو أهم مادة هيكلية في الطائرات والصواريخ وبناء السفن.
• يستخدم المعدن في: الصناعة الكيميائية (المفاعلات ، خطوط الأنابيب ، المضخات ، تجهيزات خطوط الأنابيب) ، الصناعة العسكرية (الدروع الواقية للبدن ، الدروع وحواجز الحريق في الطيران ، هياكل الغواصات) ، العمليات الصناعية (محطات تحلية المياه ، عمليات اللب والورق) ، صناعة السيارات ، الصناعة الزراعية ، الصناعات الغذائية ، صناعة المجوهرات الثاقبة ، الصناعة الطبية (الأطراف الاصطناعية ، ترقيع العظام) ، أدوات طب الأسنان وطب الأسنان ، زراعة الأسنان ، السلع الرياضية ، المجوهرات ، الهواتف المحمولة ، السبائك الخفيفة ، إلخ.
• يتم صب التيتانيوم في أفران مفرغة من الهواء في قوالب الجرافيت. كما يستخدم صب الاستثمار الفراغي. بسبب الصعوبات التكنولوجية في الصب الفني ، يتم استخدامه إلى حد ما. أول تمثال ضخم من التيتانيوم المصبوب في العالم هو النصب التذكاري ليوري غاغارين في الساحة التي سميت باسمه في موسكو.
• التيتانيوم هو إضافة في صناعة السبائك في العديد من سبائك الفولاذ ومعظم السبائك الخاصة [ ماذا؟] .
• النيتينول (نيكل تيتانيوم) عبارة عن سبيكة ذاكرة للشكل تستخدم في الطب والتكنولوجيا.
• تيتانيوم ألومينيوم شديدة المقاومة للأكسدة ومقاومة للحرارة ، والتي بدورها تحدد استخدامها في صناعة الطيران والسيارات كمواد هيكلية.
• التيتانيوم هو أحد أكثر المواد المستخدمة في مضخات التفريغ العالي شيوعًا.

في شكل وصلات

• يستخدم ثاني أكسيد التيتانيوم الأبيض (TiO2) في الدهانات (مثل التيتانيوم الأبيض) وكذلك في صناعة الورق والبلاستيك. المضافات الغذائية E171.
• تستخدم مركبات التيتانيوم العضوي (على سبيل المثال ، رباعي بوتوكسي تيتانيوم) كمحفز ومصلب في الصناعات الكيميائية وصناعات الطلاء.
• تستخدم مركبات التيتانيوم غير العضوية في الصناعات الكيميائية والإلكترونية وصناعات الألياف الزجاجية كإضافات أو طلاءات.
• يعتبر كربيد التيتانيوم وثنائي بوريد التيتانيوم وكربونيتريد التيتانيوم مكونات مهمة للمواد فائقة الصلابة لمعالجة المعادن.
• يستخدم نيتريد التيتانيوم في طلاء الأدوات وقباب الكنائس وفي صناعة المجوهرات ، حيث له لون شبيه بالذهب.
• تيتانات الباريوم BaTiO 3 ، تيتانات الرصاص PbTiO 3 وعدد من التيتانات الأخرى عبارة عن مواد كهربائية كهربائية.

هناك العديد من سبائك التيتانيوم مع معادن مختلفة. تنقسم عناصر السبائك إلى ثلاث مجموعات ، اعتمادًا على تأثيرها على درجة حرارة التحول متعدد الأشكال: مثبتات بيتا ومثبتات ألفا ومصلبات متعادلة. الأول يخفض درجة حرارة التحول ، والأخير يزيدها ، والأخير لا يؤثر عليه ، ولكنه يؤدي إلى تصلب المحلول في المصفوفة. أمثلة على مثبتات ألفا: الألومنيوم والأكسجين والكربون والنيتروجين. مثبتات بيتا: الموليبدينوم ، الفاناديوم ، الحديد ، الكروم ، النيكل. مقويات متعادلة: الزركونيوم والقصدير والسيليكون. مثبتات بيتا ، بدورها ، تنقسم إلى بيتا متشابه وبيتا eutectoid تشكيل.

سبائك التيتانيوم الأكثر شيوعًا هي سبيكة Ti-6Al-4V (في التصنيف الروسي - VT6).

تحليل أسواق المستهلك

عادة ما يتم تحديد درجة نقاء ودرجة التيتانيوم الخام (التيتانيوم الإسفنجي) من خلال صلابته ، والتي تعتمد على محتوى الشوائب. العلامات التجارية الأكثر شيوعًا هي TG100 و TG110 [ ] .

العمل الفسيولوجي

كما ذكرنا سابقًا ، يستخدم التيتانيوم أيضًا في طب الأسنان. السمة المميزة لاستخدام التيتانيوم لا تكمن فقط في القوة ، ولكن أيضًا في قدرة المعدن نفسه على النمو مع العظم ، مما يجعل من الممكن ضمان شبه صلابة قاعدة السن.

النظائر

يتكون التيتانيوم الطبيعي من خليط من خمسة نظائر مستقرة: 46 Ti (7.95٪) ، 47 Ti (7.75٪) ، 48 Ti (73.45٪) ، 49 Ti (5.51٪) ، 50 Ti (5 ، 34٪).

النظائر المشعة الاصطناعية 45 Ti (T ½ = 3.09 ساعة) ، 51 Ti (T ½ = 5.79 دقيقة) وغيرها معروفة.

ملاحظات

1. مايكل إي فيزر ، نورمان هولدن ، تايلر ب.كوبلن ، جون ك.بولكه ، مايكل بيرغلوند ، ويلي أ.براند ، بول دي بيفر ، مانفريد جرونينج ، روبرت دي لوس ، يوريس ميجا ، تاكافومي هيراتا ، توماس بروهاسكا ، روني شوينبيرج ، غليندا أوكونور ، توماس والتشيك ، شيجي يونيدا ، شيانغ كون تشو.الأوزان الذرية للعناصر 2011 (IUPAC Technical Report) (الإنجليزية) // الكيمياء البحتة والتطبيقية. - 2013. - المجلد. 85 ، لا. 5. - ص 1047-1078. - DOI: 10.1351 / PAC-REP-13-03-02.
2. هيئة التحرير: Zefirov N. S. (رئيس التحرير).الموسوعة الكيميائية: في 5 مجلدات - موسكو: الموسوعة السوفيتية ، 1995. - T. 4. - S. 590-592. - 639 ص. - 20000 نسخة. - ردمك 5-85270-039-8.
3. التيتانيوم- مقال من الموسوعة الفيزيائية
4. ج. رايلي وسكيرو ج.علوم المحيطات الكيميائية V.1 ، 1965
5. إيداع التيتانيوم.
6. إيداع التيتانيوم.
7. إلمنيت ، روتيل ، تيتانوماجنتيت - 2006
8. التيتانيوم (غير محدد) . مركز المعلومات التحليلية "المعدنية". تم الاسترجاع 19 نوفمبر ، 2010. مؤرشفة من الأصلي في 21 أغسطس 2011.
9. شركة VSMPO-AVISMA
10. كونكز ، سانت ؛ سزانتو ، سانت ؛ والدهاوزر ، هـ. ، دير Sauerstoffgehalt von Titan-jodidstäben ، Naturwiss. 42 (1955) ص 368 - 369
11. التيتانيوم - معدن المستقبل (الروسية).
12. التيتانيوم - مقال من الموسوعة الكيميائية
13. تأثير الماء على عملية تخميل التيتانيوم - 26 فبراير 2015 - الكيمياء والتكنولوجيا الكيميائية في الحياة (غير محدد) . www.chemfive.ru تم الاسترجاع 21 أكتوبر 2015.
14. صب الفن في القرن العشرين
15. استقرت أسعار التيتانيوم في السوق العالمية للشهرين الماضيين (مراجعة)

الروابط

• التيتانيوم في المكتبة الشعبية للعناصر الكيميائية

ح هو لي يكون ب ج ن ا F ني نا ملغ ال سي ص س