Украина привязала к себе Россию титаном. А еще — цирконием и каолином

Физические свойства

Титан — лёгкий серебристо-белый металл. При нормальном давлении существует в двух кристаллических модификациях: низкотемпературный α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (гексагональная сингония, пространственная группа C6mmc, параметры ячейки a = 0,2953 нм, c = 0,4729 нм, Z = 2) и высокотемпературный β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой (кубическая сингония, пространственная группа Im3m, параметры ячейки a = 0,3269 нм, Z = 2), температура перехода α↔β 883°C, теплота перехода ΔH=3,8 кДж/моль (87,4 кДж/кг). Большинство металлов при растворении в титане стабилизируют β-фазу и снижают температуру перехода α↔β. При давлении выше 9 ГПа и температуре выше 900°C титан переходит в гексагональную фазу (ω-Ti).

Плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 г/см³ (при 20°C) и 4,32 г/см³ (при 900°C). Атомная плотность α-титана 5,67·1022 ат/см³.

Температура плавления титана при нормальном давлении равна 1670 ± 2°C (1943 ± 2 К) принята в качестве одной из вторичных калибровочных точек температурной шкалы ITS-90.

Температура кипения 3287°C.

Молярная теплоёмкость при нормальных условиях Cp = 25,060 кДж/(моль·K), что соответствует удельной теплоёмкости 0,523 кДж/(кг·K). Теплота плавления 15 кДж/моль, теплота испарения 410 кДж/моль. Характеристическая дебаевская температура 430 К. Теплопроводность 21,9 Вт/(м·К) при 20°C.

Температурный коэффициент линейного расширения 9,2·10−6 К−1 в интервале от −120 до +860°C. Молярная энтропия α-титана S0 = 30,7 кДж/(моль·К). Для титана в газовой фазе энтальпия формирования ΔH0

f = 473,0 кДж/моль, энергия Гиббса ΔG0

f = 428,4 кДж/моль, молярная энтропия S0 = 180,3 кДж/(моль·К), теплоёмкость при постоянном давлении Cp = 24,4 кДж/(моль·K).

Удельное электрическое сопротивление титана при 20°C составляет 0,58 мкОм·м (по другим данным 0,42 мкОм·м), при 800°C 1,80 мкОм·м. Температурный коэффициент сопротивления 0,003 К−1 в диапазоне 0…20°C.

Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Прочностные характеристики мало зависят от температуры, однако сильно зависят от чистоты и предварительной обработки. Для технического титана твёрдость по Виккерсу составляет 790—800 МПа, модуль нормальной упругости 103 ГПа, модуль сдвига 39,2 ГПа. У высокочистого предварительно отожжённого в вакууме титана предел текучести 140—170 МПа, относительное удлинение 55—70%, твёрдость по Бринеллю 175 МПа. Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

Титан обладает высокой устойчивостью к испарению в вакууме, что наряду с его лёгкостью делает его перспективным при конструировании космических кораблей.

Температура перехода в сверхпроводящее состояние 0,387 К. При температурах выше 73 К титан парамагнитен. Магнитная восприимчивость при 20°C составляет 3,2·10−6. Постоянная Холла α-титана равна +1,82·10−13.

История открытия

Явление нового элемента связано с именами Грегора и Клапрота. Оба выделили его практически одновременно 1791 и 1795 гг. соответственно.

Мартин Генрих Клапрот

В 1805 г. был выделен вновь Вокленом из анатаза. При этом чистый титан был получен в Голландии более чем через век после выделения.

Химические свойства

При обычной температуре титан покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO2, благодаря чему устойчив к коррозии, кроме щелочной среды. При измельчении в порошок, а также в тонкой стружке или проволоке титан пирофорен. Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки — 400°C. Титановая стружка пожароопасна.

Титан устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме HF, H3PO4 и концентрированной H2SO4). Титан устойчив к влажному хлору и водным растворам хлора. Легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой HF он взаимодействует благодаря образованию комплексного аниона [TiF6]2−.

При нагревании на воздухе до 1200°C Ti загорается ярким белым пламенем с образованием оксидных фаз переменного состава TiOx. Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH)2·xH2O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO2. Гидроксид TiO(OH)2·xH2O и диоксид TiO2 амфотерны.

TiO2 взаимодействует с серной кислотой при длительном кипячении. При сплавлении с содой Na2CO3 или поташом K2CO3 оксид TiO2 образует титанаты.

При нагревании титан взаимодействует с галогенами (например, с хлором — при 550°C). С азотом N2 выше 400°C титан образует нитрид TiNx (x = 0,58—1,00). Титан — единственный элемент, который горит в атмосфере азота.

При взаимодействии титана с углеродом образуется карбид титана TiCx (x = 0,49—1,00).

Титан образует сплавы и интерметаллические соединения со многими металлами.

Титан считается физиологически инертным, благодаря чему применяется в протезировании как металл, непосредственно контактирующий с тканями организма. В частности, титан применяется в стоматологии. Отличительная черта применения титана в медицине заключается не только в прочности, но и способности самого металла сращиваться с костью, что даёт возможность обеспечить квазимонолитность основы зуба.

Разработка крупнейшего в России Пижемского месторождения титана планируется с 2026 года

СЫКТЫВКАР, 14 декабря. /ТАСС/. планирует начать разработку крупнейшего в России Пижемского месторождения титана, расположенного в Усть-Цилемском районе Республики Коми, в 2026 году, сообщили ТАСС в правительстве региона. Проект включен в Стратегию развития арктической зоны РФ до 2035 года.

«В 2021-2026 годы планируется разведка и подготовка месторождения к промышленной разработке, изыскательские работы, проектирование и строительство горно-металлургического комбината. С 2026 года — промышленная разработка по добыче и переработке полезных ископаемых. Планируемый срок разработки — более 500 лет», — сообщили ТАСС в правительстве региона.

В ноябре 2021 года Федеральное агентство по недропользованию утвердило протокол Государственной комиссии по запасам полезных ископаемых (ФБУ «ГКЗ») об открытии крупнейшего в России месторождения титановых руд и стекольных песчаников пользователя недр АО «Русские титановые ресурсы» (АО «Руститан»). Госкомиссия утвердила запасы в количестве 300,4 млн тонн титановых руд, 345 млн тонн стекольных песчаников. Оценены прогнозные ресурсы в пределах лицензионной площади, которые составили 1 012,5 млн тонн титановых руд, сообщили в региональном правительстве.

«Руститан» с 2011 года реализует крупный инфраструктурный проект по строительству вертикально интегрированного горно-металлургического комплекса по переработке титановых руд и кварцевых песчаников Пижемского месторождения. Совместно с правительством Коми холдинг создает национальный горнопромышленный кластер, его цель — объединение недропользователей и создание необходимых условий для освоения минерально-сырьевой базы в Коми.

В сентябре 2021 года подписано соглашение о сотрудничестве между «Руститаном», правительством Республики Коми и ФСИН России по вопросам взаимодействия при строительстве инфраструктуры для освоения Пижемского месторождения и национального горнопромышленного кластера, которое также направлено на профессиональную переподготовку осужденных, их трудоустройство и социальную адаптацию после освобождения.

C 2021 года по 2021 год был детально изучен вещественный и минеральный составы руд месторождения, диагностировано более 40 минералов, что позволило «Руститану» совместно с Институтом металлургии и материаловедения РАН выйти на новую схему обогащения титановых руд. Помимо титановых песков в месторождении содержатся также кварцевые пески, каолинит-кварцевые песчаники, редкие и редкоземельные элементы, базальты, а также золото и алмазы. Компания проводила поисковые и разведочные работы. Для освоения месторождения планируется строительство горнопромышленного комплекса — горно-обогатительного и гидрометаллургического комбинатов. Одну технологическую площадку планировалось создать непосредственно на месторождении, вторую — вблизи города Ухта. Проект оценивался в 35 млрд рублей по ценам 2021 года.

Где используется

Титан так же прочен, как сталь, но вполовину легче. Он вдвое превосходит по прочности алюминий, но тяжелее всего на 60%. Этими достоинствами обусловлено использование человеком титана как металла.

Промышленность

Титановые сплавы – конструкционный материал номер один для строителей ракет, самолетов, океанских лайнеров. Чаще их выполняют из сплавов с другими металлами (особенно никелем и алюминием).

Заготовка титанового шпангоута истребителя F-15 до и после прессования на штамповочном прессе компании Alcoa усилием 45 тыс. тонн, май 1985

Титан легче других металлов, но способен работать при высоких температурах.

Есть и другие области применения металла:

Трубы, насосы, другое оборудование для работы с агрессивными жидкостями.
Военно-промышленный комплекс – бронированные жилеты, корпусы субмарин, детали ракет, самолетов.
Установки для опреснения воды, очистки воздуха.
Исходник при производстве целлюлозы, бумаги.
Детали автомобилей, сельхозтехники, оборудование пищепрома.
Спортивный инвентарь.

Более половины соединений вещества забирают производители лаков и красок. Это, например, титановые белила.

Все больше продукции из титана припадает на IT-сферу: корпус, начинка мобильных телефонов, других гаджетов.

Медицина

Прочный металл дружелюбен к процессам, протекающим в организме человека. Поэтому его активно задействуют как материал протезов конечностей, зубных имплантов. Медицина ценит его свойство безболезненно сращиваться с костной тканью. Поэтому титан относится к металлам будущего.

Безопасность для тканей организма человека сделала возможным применение металла для пирсинга.

Другие сферы

Из титана изготавливают корпусы часов класса люкс. Это материал ювелирных изделий.

Часы из титанового сплава

Нитридом вещества «золотят» купола храмов, предметы декора. Четырехвалентный хлорид «создает» дымовую завесу и дымчатость стекла.

Пищевая добавка Е171 – это белый диоксид титана (TiO2), пищевой краситель.

Производство титанового шлака

Основное назначение этого процесса – отделение оксидов железа от оксида титана. Для этого ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углём и антрацитом в электропечах, где оксиды железа и часть титана восстанавливаются по реакции:

3(FeO·TiO2) + 4C = 3Fe + Ti3O5 + 4CO

Восстановленное железо науглероживается, образуя чугун, который собирается на дне ванны печи, отделяясь от остальной массы шлака вследствие различия их удельных весов. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы. Полученный титановый шлак содержит 80 – 90% TiO2.