Титан цены, встречаемость, добыча и использование

Титан - химический элемент с символом элемента Ti и атомным номером 22. Он относится к переходным металлам и находится в 4-й подгруппе (группа 4) или группе титана в периодической таблице. Металл блестящий, белый и металлический, легкий, прочный, гибкий, устойчивый к коррозии и температуре. Поэтому он особенно подходит для применений, требующих высокой коррозионной стойкости, прочности и небольшого веса. Из-за сложного производственного процесса титан в десять раз дороже обычной стали.

Титан был открыт в 1791 году в Англии священником и химиком-любителем Уильямом Грегором в титановом железе. В 1795 году немецкий химик Генрих Клапрот также обнаружил его в рутиловой руде и дал элементу его нынешнее название - в честь греческих богов титанов.

Однако только в 1831 году Юстусу фон Либиху удалось извлечь металлический титан из руды. Чистый металлический титан (99,9%) был впервые произведен Мэтью А. Хантером в 1910 году путем нагревания тетрахлорида титана с натрием до 700-800 ° C в стальной бомбе.

Только в 1940-х годах Уильяму Джастину Кроллу удалось открыть титан для коммерческого применения с помощью процесса Кролла, внедрив крупномасштабное восстановление тетрахлорида титана магнием.

Вхождение

Титан встречается в земной коре только в связи с кислородом в виде оксида. Это отнюдь не редкость, с содержанием 0,565% занимает 9 место по содержанию элементов в континентальной коре. Обычно он доступен только в низких концентрациях.

Важными минералами являются:

• Ильменит (титановая железная руда), FeTiO3
• Лейкоксен, ильменит с низким содержанием железа
• Перовскит, CaTiO3
• Рутил, TiO2
• Титанит (сфен), CaTi [SiO4] O
• Титанаты, такие как титанат бария (BaTiO3)
• Компаньон в железных рудах.

Основные месторождения находятся в Австралии, Скандинавии, Северной Америке, на Урале и в Малайзии. Месторождения были обнаружены в Парагвае в 2010 году, но их разработка только планируется.

Метеориты могут содержать титан. Титан обнаружен также на Солнце и в звездах спектрального класса М. Есть также месторождения на Луне Земли. Образцы горных пород из лунной миссии Apollo 17 содержали до 12,1% TiO.₂. Есть соображения по добыче астероидов.

Он также содержится в угольной золе, растениях и в организме человека.

Производство титана в тысячах тонн

Позиция	Земля	2003	2004	2005
1	Австралия	1 300	2 110	2 230
2	ЮАР	1 070	1 130	1 130
3	Канада	810	870	870
4	Китай	400	840	820
5	Норвегия	380	370	420

восстановление 

Чистый титан почти не встречается на Земле. Титан получают из ильменита или рутила. Используемый производственный процесс очень сложен, что отражается в высокой цене на титан. В 2008 году тонна титановой губки стоила в среднем 12.000 XNUMX евро.

Производственный процесс практически не изменился с момента открытия процесса Кролла. Обычно на основе ильменита или рутила обогащенный диоксид титана превращается при нагревании с хлором и углеродом в хлорид титана (IV) и монооксид углерода. Затем происходит восстановление до титана с использованием жидкого магния. Для производства обрабатываемых сплавов полученную титановую губку необходимо переплавить в дуговой вакуумной печи.

Крупнейшим производителем титана и титановых сплавов является ВСМПО-АВИСМА со штаб-квартирой в Верхней Салде или Екатеринбурге на Урале, которая с 12 сентября 2006 года косвенно принадлежит российскому государству через холдинговую компанию «Рособоронэкспорт».

Чистейший титан получают с помощью процесса Ван Аркеля де Бура.

Свойства 

На воздухе титан образует чрезвычайно стойкий оксидный защитный слой, который делает его коррозионно-стойким во многих средах. Замечательна высокая прочность при относительно низкой плотности. Однако выше температуры 400 ° C прочностные свойства быстро ухудшаются. Сверхчистый титан пластичен. При более высоких температурах он очень быстро становится хрупким из-за поглощения кислорода, азота и водорода. Также следует учитывать высокую реакционную способность титана со многими средами при повышенных температурах или повышенном давлении, если пассивный слой не способен противостоять химическому воздействию. Здесь скорость реакции может увеличиваться до взрыва. В чистом кислороде при 25 ° C и 25 бар титан полностью сгорает от свежеотрезанной кромки с образованием диоксида титана. Несмотря на пассивирующий слой, он реагирует с кислородом при температуре выше 880 ° C и с хлором при температуре выше 550 ° C. Титан также реагирует («горит») с чистым азотом, что необходимо учитывать при механической обработке, например, из-за выделяемого тепла.

Титан устойчив к разбавленной серной кислоте, соляной кислоте, растворам, содержащим хлорид, холодную азотную кислоту и большинство органических кислот и оснований, таких как гидроксид натрия. Напротив, он медленно растворяется в концентрированной серной кислоте с образованием фиолетового сульфата титана. Из-за опасности взрыва необходимо строго соблюдать условия эксплуатации при использовании газообразного хлора.

Механические свойства и коррозионное поведение можно значительно улучшить, добавляя в основном второстепенные сплавы алюминия, ванадия, марганца, молибдена, палладия, меди, циркония и олова.

Титан становится сверхпроводящим ниже температуры 0,4 К.

Ниже 880 ° C титан присутствует в плотнейшей гексагональной упаковке сфер. При температуре выше 880 ° C образуется объемноцентрированная кубическая структура решетки.

титановые сплавы 

Титановые сплавы часто используются в соответствии со стандартом США ASTM. Класс 1 в 35 характеризует. Класс 1–4 обозначают чистый титан различной степени чистоты.

Чистый титан имеет номер материала 3.7034; наиболее экономически важный используемый материал (также для лопаток турбокомпрессора) Ti-6Al-4V (6% алюминия, 4% ванадия, ASTM:Класс 5) имеет номера 3.7165 (промышленное применение) и 3.7164 (аэрокосмическое применение).

Другие важные титановые сплавы, в основном используемые в аэрокосмической промышленности:

Нитинол (никель-титан) - это так называемый сплав с памятью формы.

Использовать 

Титан в основном используется в качестве микролегированного компонента стали. Он придает стали высокую вязкость, прочность и пластичность даже в концентрациях 0,01-0,1 процента по массе. В нержавеющих сталях титан предотвращает межкристаллитную коррозию.

Сплавы на основе титана значительно дороже суперсплавов - около 45 евро / кг. Поэтому они используются только для самых высоких требований:

Применения в морской воде и средах, содержащих хлорид

• Детали судового гребного винта, такие как валы и распорки для морского применения
• Встроенные детали в опреснительных установках морской воды
• Компоненты для испарения растворов хлорида калия
• Аноды подводных кабельных передач HVDC
• Аппаратура на предприятиях химии хлора

Уличные и спортивные товары

• для высококачественных велосипедов в сочетании с алюминием и ванадием в качестве материала рамы
• (Дайвинг) ножи с лезвиями из титана или титанового сплава, а также столовые приборы
• как колышки для палаток (высокая прочность, несмотря на небольшой вес)
• для клюшек в качестве головки клюшки
• с теннисными ракетками в раме
• в стрельбе из палки в качестве чрезвычайно стабильной палки с палкой для льда
• как особо легкий ледобур для альпинизма
• как голенище для лакросса для большей прочности и меньшего веса
• как твердый лидер при ловле хищной рыбы с острыми зубами

Использование в виде соединений

• Производство относительно мягких искусственных драгоценных камней
• Монокристаллы сапфира, легированного титаном, служат активной средой в титан-сапфировом лазере для ультракоротких импульсов фемтосекундного диапазона.
• как тетрахлорид титана для производства стеклянных зеркал и искусственного тумана
• Образование интерметаллических фаз (Ni₃Ti) в жаропрочных никелевых сплавах
• сверхпроводящие ниобий-титановые сплавы (например, в качестве сверхпроводящих кабелей в электромагнитах от HERA в DESY)
• в пиротехнике
• Более 90% производимой титановой руды в основном перерабатывается в диоксид титана с использованием хлорида и, в меньшей степени, сульфатного процесса.
• в качестве титановых титритов для покрытий индексируемых вставок и фрез в технологии производства

Титановые соединения

с бором, углеродом или азотом используются как твердые материалы. Соединения титана также используются для производства металлокерамики, композиционных материалов из керамики и металла.

строительные детали

• Изнашиваемые детали в системах пайки, прямой контакт с электрическим припоем до 500 ° C
• Пружины в шасси автомобилей
• в самолетах и ​​космических кораблях для особо нагруженных деталей, которые все еще должны быть легкими (внешняя обшивка на сверхзвуковых скоростях, лопатки компрессора и другие детали двигателя)
• в паровых турбин для наиболее нагруженной лопастей со стороны низкого давления
• в броне: некоторые типы подводных лодок бывшего Советского Союза имели прочный корпус из титанового сплава (например, класс Mike, класс Alfa, класс Papa или класс Sierra). Кроме того, в военной авиации титан используется чаще, чем в гражданской. В результате на пике производства советских вооружений большая часть титана, добываемого во всем мире, производилась в России и перестраивалась.
• из-за его низкой плотности при производстве указателей уровня и поплавков

Медицина

• В качестве биоматериала для имплантатов в медицинской технике и стоматологии (дентальные имплантаты, около 200.000 XNUMX штук в год только в Германии) из-за его очень хорошей коррозионной стойкости по сравнению с другими металлами. Нет иммунологической реакции отторжения (аллергия на имплант). Он также используется для изготовления зубных коронок и зубных мостов из-за его значительно более низкой стоимости по сравнению с сплавами золота. В хирургической ортопедии с металлическими протезами ног (протезы тазобедренного сустава) и заменой головки бедренной кости, заменой коленного сустава после остеоартроза применяется массово. Слой оксида титана позволяет костям прочно врастать в имплант (остеоинтеграция) и, таким образом, позволяет искусственному имплантату прочно закрепиться в теле человека.
• В хирургии среднего уха титан является предпочтительным материалом для протезов слуховых косточек и тимпаностомических трубок.
• В нейрохирургии титановые зажимы (для операций при аневризме) в значительной степени заменили зажимы из нержавеющей стали из-за их более благоприятных свойств ЯМР.

электроника

• В 2002 году Nokia выпустила мобильный телефон 8910, а годом позже - мобильный телефон 8910i в титановом корпусе.
• В апреле 2002 года Apple Inc. выпустила на рынок ноутбук PowerBook G4 Titanium. Крупные части корпуса были выполнены из титана, а версия с экраном 15,2 дюйма и толщиной 1 дюйм весила всего 2,4 кг.
• Некоторые ноутбуки серии ThinkPad от Lenovo (ранее IBM) имеют корпус из армированного титаном пластика или раму корпуса из титано-магниевого композита.

Другие приложения

• Ювелирные изделия, оправы для часов и очков из титана
• Монеты с титановым сердечником (например, австрийские монеты номиналом 200 шиллингов)
• Насос для сублимации титана для создания сверхвысокого вакуума
• Гальваника как опора для анодного окисления алюминия (ELOXAL)
• В составе пуленепробиваемых жилетов, стандартизированных по CRISAT

доказательство 

TiO²⁺ образует характерный желто-оранжевый комплекс с перекисью водорода (комплекс триаквогидроксооксотитана (IV)), который также подходит для фотоспектрометрического обнаружения.

Стандартизировать

Титан и титановые сплавы стандартизированы в:

• DIN 17850, издание: 1990-11 Титан; химический состав
• ASTM B 348: Стандартные спецификации для титана и титановых сплавов, прутков и заготовок
• ASTM B 265: Стандартные спецификации для титана и титанового сплава, листов и плит
• ASTM F 67: Стандартная спецификация для нелегированного титана, для применения в хирургических имплантатах
• ASTM F 136: Стандартная спецификация для деформируемого сплава титан-6Алюминий-4-ванадий ELI (сверхнизкий интерстициальный) для применения в хирургических имплантатах
• ASTM B 338: Стандартная спецификация для бесшовных и сварных труб из титана и титанового сплава для конденсаторов и теплообменников
• ASTM B 337: Технические условия на бесшовные и сварные трубы из титана и титановых сплавов

безопасности

Титан легко воспламеняется в виде порошка и безвреден. Большинство солей титана считаются безвредными. Несовместимые соединения, такие как трихлорид титана, очень агрессивны, поскольку они образуют соляную кислоту со следами воды.

Тетрахлорид титана используется в дымовых свечах и дымовых гранатах; он вступает в реакцию с влажностью и образует белый дым из диоксида титана, а также туман соляной кислоты.

Биологические недостатки титана в организме человека в настоящее время неизвестны. Таким образом, титановые тазобедренные суставы или челюстные имплантаты, в отличие от никеля, не вызывали аллергии.

Связи

В то время как металлический титан предназначен только для сложных технических применений из-за его высокой стоимости производства, относительно недорогой и нетоксичный цветной пигмент диоксид титана стал спутником в повседневной жизни. Практически все белые пластмассы и краски сегодня, включая пищевые красители, содержат диоксид титана (его можно найти в продуктах питания как E 171). Однако соединения титана также используются в электротехнике и технологиях материалов, а в последнее время при производстве высокоэффективных батарей для силовых установок транспортных средств (литий-титанатные батареи).

• Титанат бария, BaTiO₃
• титанат лития
• Хлорид титана (III), TiCl₃
• Борид титана, TiB
• Карбид титана, TiC
• Нитрид титана, TiN
• Хлорид титана (IV), TiCl₄
• Оксид титана (II) TiO
• Оксид титана (III) Ti₂O₃
• Оксид титана (IV) (титановый белила), TiO₂
• Субоксиды титана состава от TiO до Ti.₂O
• Оксид сульфата титана (IV) (титанилсульфат), TiOSO₄
• ферротитана
• Нитинол, металл с памятью
• Гидрид титана, TiH₂

Общий
Имя, символ, атомный номер	Титан, Ti, 22
серия	Переходные металлы
Группа, период, блок	4, 4, д
Внешний вид	серебристый металлик
номер CAS	7440-32-6
Массовая доля земной оболочки	0,41%
ядерной
атомная масса	47,867 XNUMX человека
Атомный радиус (рассчитанный)	140 (176) вечера
Ковалентный радиус	160 м.
электронная конфигурация	[Ar] 3d2 4s2
работа	4,33 eV
1. ионизация	658,8 кДж / моль
2. ионизация	1309,8 кДж / моль
3. ионизация	2652,5 кДж / моль
4. ионизация	4174,6 кДж / моль
физически
Физическое состояние	Праздник
кристаллическая структура	шестиугольный (до 882 ° C, выше короткий)
плотность	4,50 г / см3 (25 ° С)
твердость по Моосу	6
магнетизм	парамагнитный ( = 1,8 10-4)
точка плавления	1941 К (1668 ° С)
Температура кипения	3560 К (3287 ° С)
Молярный объем	10,64 · 10-6 m3/ моль
Теплота парообразования	425 кДж / моль
теплота плавления	18,7 кДж / моль
скорость звука	4140 м / с на 293,15 K
Удельная теплоемкость	523 Дж / (кг · К)
Электропроводность	2,5 · 106 А / (В · м)
теплопроводность	22 Вт / (м · К)
машинально
модуль	105 ГПа (= 105 кН / мм2)
Пуассон	0,34
Химический
состояния окисления	+ 2, + 3, +4
Оксиды (основность)	TiO2 (Амфотерные)
нормальный потенциал	−0,86 В (TiO2+ + 2 H.+ + 4 е- → Ti + H2O)
электроотрицательность	1,54 (шкала Полинга)
Изотоп
изотоп NH t1/2 ZA ZE (МэВ) ZP 44Ti {Син.} 49 а ε 0,268 44Sc 45Ti {Син.} 184,8 мин ε 2,062 45Sc 46Ti 8,0% стабильный 47Ti 7,3% стабильный 48Ti 73,8 % стабильный 49Ti 5,5% стабильный 50Ti 5,4% стабильный 51Ti {Син.} 5,76 мин β- 2,471 51V 52Ti {Син.} 1,7 мин β- 1,973 52V
свойства ЯМР
Вращение γ в рад * Т-1· с-1 Er(1H) fL в W = 4,7 т в МГц 47Ti -5 / 2 1,508 · 107 0,00209 11,3 49Ti -7 / 2 1,508 · 107 0,00376 11,3
безопасности
СГС опасные вещества маркировки порошка

Фразы опасности H и P H: 250EUH: нет ставок EUHP: 222-231-422 Маркировка опасных веществ (порошок)Порошок

легкий легковоспламеняющийся	прекрасный
(F)	(Xi)

R- und S-SätzeR: 17-36/37/38S: 26 (Pulver)

Титан цены

Цена титана -> цены на стратегические металлы