التيتانيوم معدن. خصائص التيتانيوم. تطبيق التيتانيوم. الدرجات والتركيب الكيميائي للتيتانيوم

2024 مؤلف: Angel Austin | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 05:16

مادة أبدية ، غامضة ، كونية ، للمستقبل - 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. لم تكتمل حتى الآن عملية دراسة الخواص الفيزيائية والكيميائية وتحديد مجالات تطبيقها. التيتانيوم معدن المستقبل ، مكانه في حياة الإنسان لم يتحدد بعد بشكل نهائي ، مما يمنح الباحثين المعاصرين مجالاً واسعاً للإبداع والبحث العلمي.

مميزة

العنصر الكيميائي التيتانيوم (التيتانيوم) يشار إليه 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. المادة البسيطة التيتانيوم هي معدن أبيض-فضي وخفيف ومتين. التكوين الإلكتروني للذرة له الهيكل التالي: +22) 2) 8) 10) 2، 1S²2S²2P6^3S2^3P6^3d2^4S2. 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 يهم الكثير. 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. كانت نتيجة التجارب باستخدام المغناطيس إطلاق حبيبات لامعة ، وهي عبارة عن مركب تيتانيوم. في نفس الوقت في ألمانيا عزل الكيميائي مارتن هاينريش كلابروث مادة جديدة من المعدنالروتيل. 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 والمعدن مرتفع للغاية ، لذلك لا يمكن أن يحل محل الحديد والألمنيوم التقليدي.

أصل الاسم

Menakin - 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 يصعب 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. يمكن تعيين المعدن تكريما لملكة الجان تيتانيا(طابع 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. اسم العنصر الذي تم اكتشافه سابقًا ، اليورانيوم ، يتحدث أيضًا لصالح هذا الإصدار.

التواجد في الطبيعة

من المعادن ذات القيمة التقنية للإنسان ، يعتبر التيتانيوم رابع أكثر المعادن وفرة في قشرة الأرض. 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 ، في حين أنه يحتوي على أربعة تكافؤ. 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. Ilmenite (FeTiO₃).
2. روتيل (TiO₂).
3. Titanit (CaTiSiO₅).
4. بيروفسكايت (كاتيو₃).
5. Titanomagnetite (FeTiO₃+ Fe₃O₄) وما إلى ذلك

يتم تقسيم جميع الخامات الحاملة للتيتانيوم إلىالغريني والأساسي. 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 الانسان بوجود مادة التيتانيوم في الطحال والغدد الكظرية والمشيمة والغدة الدرقية.

الخصائص الفيزيائية

التيتانيوم هو معدن غير حديدي ذو لون أبيض فضي يشبه الفولاذ. عند درجة حرارة 0⁰C ، تبلغ كثافتها 4.517 جم / سم³. 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 أداء كلا العنصرين. الخصائص الرئيسية للمعادن التي تؤخذ في الاعتبار عند تحديد نطاق تطبيقها هي قوة الخضوع والصلابة. التيتانيوم أقوى 12 مرة من الألمنيوم ، وأقوى بأربع مرات من الحديد والنحاس ، بينما أخف بكثير. تجعل لدونة المادة النقية وقوتها الإنتاجية من الممكن معالجتها في درجات حرارة منخفضة وعالية ، كما في حالة المعادن الأخرى ، أي عن طريق التثبيت ، والتزوير ، واللحام ، والدرفلة. السمة المميزة للتيتانيوم هي انخفاض الموصلية الحرارية والكهربائية ، بينما يتم الحفاظ على هذه الخصائص في درجات حرارة مرتفعة تصل إلى 500⁰С. في المجال المغناطيسي ، يعتبر التيتانيوم عنصرًا مغناطيسيًا ، ولكنه ليس كذلكينجذب كالحديد ولا يدفع للخارج كالنحاس. 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. الحديد في هذه الحالة سيتلف تماما بالتآكل.

الخصائص الديناميكية الحرارية للتيتانيوم

1. الكثافة (في ظل الظروف العادية) هي 4.54 جم / سم³.
2. العدد الذري هو 22.
3. مجموعة معدنية - مقاومة للحرارة ، خفيفة.
4. الكتلة الذرية من التيتانيوم 47.0.
5. نقطة الغليان (⁰С) - 3260.
6. الحجم المولي سم³/ مول - 10 ، 6.
7. نقطة انصهار التيتانيوم (⁰С) - 1668.
8. حرارة التبخر المحددة (كيلوجول / مول) - 422، 6.
9. المقاومة الكهربائية (عند 20⁰С) أومسم10^-6- 45.

الخصائص الكيميائية

ترجع مقاومة التآكل المتزايدة للعنصر إلى تكوين طبقة أكسيد صغيرة على السطح. يمنع (في ظل الظروف العادية) التفاعلات الكيميائية مع الغازات (الأكسجين والهيدروجين) في الغلاف الجوي المحيط لعنصر مثل معدن التيتانيوم. تتغير خصائصه تحت تأثير درجة الحرارة. عندما يرتفع إلى 600⁰С ، يحدث تفاعل تفاعل مع الأكسجين ، مما يؤدي إلى تكوين أكسيد التيتانيوم (TiO₂). في حالة امتصاص غازات الغلاف الجوي ، يتم تكوين مركبات هشة ليس لها تطبيقات عملية ، ولهذا السبب يتم إجراء لحام وصهر التيتانيوم في ظروف الفراغ. رد فعل عكسيهي عملية انحلال الهيدروجين في المعدن ، وتحدث بشكل أكثر فاعلية مع زيادة درجة الحرارة (من 400 0^{С 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 0}С ، 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).

الودائع

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 من خامات التيتانيوم ، فضلاً عن المعادنتمتلك اليابان وجنوب إفريقيا وأستراليا وكازاخستان والهند وكوريا الجنوبية وأوكرانيا وسيلان قاعدة من المواد الخام. 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.

تلقي

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 على مراحل.

المرحلة الأولى هي عملية تلبيد الخبث بفحم الكوك والتعرض لبخار الكلور. يتم تقليل TiCl₄الناتج مع المغنيسيوم أو الصوديوم عند تعرضه لدرجة حرارة 850 0^{C. إسفنجة التيتانيوم (الكتلة المنصهرة المسامية) ، التي يتم الحصول عليها نتيجة تفاعل كيميائي ، يتم تكريرها أو صهرها في سبائك. اعتمادًا على الاتجاه الإضافي للاستخدام ، يتم تشكيل سبيكة أو معدن نقي (تتم إزالة الشوائب بالتسخين إلى 1000 0}С). لإنتاج مادة تحتوي على شوائب بنسبة 0.01٪ ، يتم استخدام طريقة اليوديد. يعتمد على العمليةالتبخر من إسفنجة من التيتانيوم مُعالجة مُسبقًا بالهالوجين وأبخاره.

مجالات التطبيق

نقطة انصهار التيتانيوم عالية جدًا ، والتي ، نظرًا لخفة المعدن ، تعد ميزة لا تقدر بثمن لاستخدامها كمادة هيكلية. لذلك ، تجد التطبيق الأكبر في بناء السفن ، وصناعة الطيران ، وصناعة الصواريخ ، والصناعات الكيماوية. غالبًا ما يستخدم التيتانيوم كمادة مضافة لصناعة السبائك في مختلف السبائك ، 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 المتينة ، والدهانات ، والبلاستيك والورق ، والأدوات الجراحية ، والغرسات ، والمجوهرات ، ومواد التشطيب ، وتستخدم في صناعة الأغذية. 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 ، بدراسة ما ستمر به البشريةإلى مرحلة جديدة من التطور.