ไททาเนียมเป็นโลหะ คุณสมบัติของไททาเนียม การประยุกต์ใช้ไททาเนียม เกรดและองค์ประกอบทางเคมีของไททาเนียม

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

นิรันดร์ ลึกลับ จักรวาล วัสดุแห่งอนาคต - สิ่งเหล่านี้และอื่น ๆ อีกมากมายถูกกำหนดให้กับไททาเนียมในแหล่งต่างๆ ประวัติการค้นพบโลหะนี้ไม่ใช่เรื่องเล็กน้อย ในเวลาเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์หลายคนทำงานเพื่อแยกธาตุออกในรูปแบบที่บริสุทธิ์ กระบวนการศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพ เคมี และการกำหนดขอบเขตการใช้งานยังไม่เสร็จสิ้นจนถึงปัจจุบัน ไททาเนียมเป็นโลหะแห่งอนาคต ตำแหน่งในชีวิตมนุษย์ยังไม่เป็นที่แน่ชัด ซึ่งทำให้นักวิจัยสมัยใหม่มีขอบเขตมหาศาลสำหรับความคิดสร้างสรรค์และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์

ลักษณะเฉพาะ

ธาตุเคมีไททาเนียม (ไททาเนียม) ระบุไว้ในตารางธาตุของ D. I. Mendeleev ด้วยสัญลักษณ์ Ti ตั้งอยู่ในกลุ่มย่อยรองของกลุ่ม IV ของช่วงที่สี่และมีหมายเลขซีเรียล 22 สารไททาเนียมอย่างง่ายคือโลหะเงินสีขาว เบาและทนทาน โครงแบบอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมมีโครงสร้างดังนี้: +22)2)8)10)2, 1S²2S²2P 6 ^3S2^3P6^3d2^4S 2. ดังนั้น ไททาเนียมจึงมีสถานะออกซิเดชันที่เป็นไปได้หลายประการ: 2,3, 4 ในสารประกอบที่เสถียรที่สุดคือเตตระวาเลนต์

ไทเทเนี่ยม - โลหะผสมหรือโลหะ?

คำถามนี้ถูกใจใครหลายคน ในปี 1910 นักเคมีชาวอเมริกัน Hunter ได้รับไทเทเนียมบริสุทธิ์เป็นครั้งแรก โลหะนั้นมีสิ่งเจือปนเพียง 1% แต่ในขณะเดียวกันปริมาณของมันก็กลายเป็นเพียงเล็กน้อยและไม่ได้ทำให้สามารถศึกษาคุณสมบัติของมันเพิ่มเติมได้ ความเป็นพลาสติกของสารที่ได้รับทำได้ภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิสูงเท่านั้น ภายใต้สภาวะปกติ (อุณหภูมิห้อง) ตัวอย่างมีความเปราะบางเกินไป อันที่จริง องค์ประกอบนี้ไม่น่าสนใจสำหรับนักวิทยาศาสตร์ เนื่องจากโอกาสสำหรับการใช้งานนั้นดูไม่แน่นอนเกินไป ความยากในการได้มาและการวิจัยลดศักยภาพในการสมัครลงอีก เฉพาะในปี 1925 นักเคมีจากเนเธอร์แลนด์ I. de Boer และ A. Van Arkel ได้รับโลหะไททาเนียมซึ่งคุณสมบัติดังกล่าวดึงดูดความสนใจของวิศวกรและนักออกแบบทั่วโลก ประวัติของการศึกษาธาตุนี้เริ่มต้นขึ้นในปี พ.ศ. 2333 ในเวลานี้ นักวิทยาศาสตร์สองคนค้นพบไททาเนียมเป็นองค์ประกอบทางเคมีควบคู่กันไปโดยแยกอิสระจากกันโดยเป็นอิสระจากกัน พวกเขาแต่ละคนได้รับสารประกอบ (ออกไซด์) ของสารไม่สามารถแยกโลหะออกในรูปแบบบริสุทธิ์ได้ ผู้ค้นพบไททาเนียมคือวิลเลียม เกรเกอร์ นักธรณีวิทยาชาวอังกฤษ ในอาณาเขตของตำบลของเขาซึ่งตั้งอยู่ทางตะวันตกเฉียงใต้ของอังกฤษ นักวิทยาศาสตร์รุ่นเยาว์เริ่มศึกษาทรายสีดำของหุบเขา Menaken ผลของการทดลองด้วยแม่เหล็กคือการปล่อยเมล็ดพืชที่เป็นมันเงา ซึ่งเป็นสารประกอบไททาเนียม ในเวลาเดียวกันในเยอรมนี นักเคมี Martin Heinrich Klaproth ได้แยกสารใหม่ออกจากแร่รูไทล์ ในปี ค.ศ. 1797 เขายังได้พิสูจน์ว่าองค์ประกอบที่เปิดขนานกันนั้นมีความคล้ายคลึงกัน ไททาเนียมไดออกไซด์เป็นปริศนาสำหรับนักเคมีหลายคนมานานกว่าศตวรรษ และแม้แต่ Berzelius ก็ไม่สามารถหาโลหะบริสุทธิ์ได้ เทคโนโลยีล่าสุดของศตวรรษที่ 20 ช่วยเร่งกระบวนการศึกษาองค์ประกอบดังกล่าวอย่างมีนัยสำคัญและกำหนดทิศทางเริ่มต้นสำหรับการใช้งาน ในขณะเดียวกัน ขอบเขตของการใช้งานก็ขยายตัวอย่างต่อเนื่อง ความซับซ้อนของกระบวนการได้มาซึ่งสารเช่นไททาเนียมบริสุทธิ์เท่านั้นที่สามารถจำกัดขอบเขตได้ ราคาของโลหะผสมและโลหะค่อนข้างสูง ดังนั้นวันนี้จึงไม่สามารถแทนที่เหล็กและอลูมิเนียมแบบเดิมได้

ที่มาของชื่อ

Menakin - ชื่อแรกของไททาเนียมซึ่งใช้จนถึง พ.ศ. 2338 นั่นคือวิธีที่ W. Gregor เรียกองค์ประกอบใหม่โดยความร่วมมือในอาณาเขต Martin Klaproth ตั้งชื่อธาตุนี้ว่า "titanium" ในปี ค.ศ. 1797 ในเวลานี้ เพื่อนร่วมงานชาวฝรั่งเศสของเขา ซึ่งนำโดยนักเคมีที่มีชื่อเสียงอย่าง A. L. Lavoisier ได้เสนอให้ตั้งชื่อสารที่ค้นพบใหม่ตามคุณสมบัติพื้นฐานของสารดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันไม่เห็นด้วยกับแนวทางนี้ เขาค่อนข้างเชื่ออย่างสมเหตุสมผลว่าในขั้นตอนการค้นพบนั้นค่อนข้างยากที่จะกำหนดลักษณะทั้งหมดที่มีอยู่ในสารและสะท้อนให้เห็นในชื่อ อย่างไรก็ตาม ควรตระหนักว่าคำที่ Klaproth เลือกโดยสัญชาตญาณนั้นสอดคล้องกับโลหะอย่างสมบูรณ์ - สิ่งนี้ได้รับการเน้นย้ำซ้ำแล้วซ้ำอีกโดยนักวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ มีสองทฤษฎีหลักสำหรับที่มาของชื่อไททาเนียม สามารถกำหนดโลหะเพื่อเป็นเกียรติแก่ราชินีพราย Titania(ตัวละครในตำนานดั้งเดิม). ชื่อนี้เป็นสัญลักษณ์ของความเบาและความแข็งแรงของสาร นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่มีแนวโน้มที่จะใช้รุ่นของการใช้ตำนานเทพเจ้ากรีกโบราณซึ่งเรียกว่าไททันบุตรผู้ทรงพลังของเทพธิดาแห่งโลกไกอา ชื่อของธาตุที่ค้นพบก่อนหน้านี้ ยูเรเนียม ก็สนับสนุนเวอร์ชันนี้เช่นกัน

อยู่ในธรรมชาติ

โลหะที่มีคุณค่าทางเทคนิคต่อมนุษย์ ไททาเนียมมีมากเป็นอันดับสี่ในเปลือกโลก มีเพียงเหล็ก แมกนีเซียม และอลูมิเนียมเท่านั้นที่มีลักษณะพิเศษตามธรรมชาติ เนื้อหาสูงสุดของไททาเนียมอยู่ในเปลือกบะซอลต์ น้อยกว่าเล็กน้อยในชั้นหินแกรนิต ในน้ำทะเลเนื้อหาของสารนี้ต่ำ - ประมาณ 0.001 มก. / ล. ไททาเนียมองค์ประกอบทางเคมีค่อนข้างแอคทีฟ ดังนั้นจึงไม่สามารถพบได้ในรูปแบบบริสุทธิ์ ส่วนใหญ่มักมีอยู่ในสารประกอบที่มีออกซิเจนในขณะที่มีความจุสี่ตัว จำนวนของแร่ธาตุที่ประกอบด้วยไททาเนียมจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ 63 ถึง 75 (ในแหล่งต่างๆ) ในขณะที่ในขั้นตอนการวิจัยปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ยังคงค้นพบสารประกอบรูปแบบใหม่ๆ สำหรับการใช้งานจริง แร่ธาตุต่อไปนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง:

1. Ilmenite (FeTiO₃).
2. Rutile (TiO₂).
3. Titanit (CaTiSiO₅).
4. Perovskite (CaTiO₃).
5. ไททาโนแม่เหล็ก (FeTiO₃+Fe₃O4_{) เป็นต้น}

แร่ที่มีไทเทเนียมที่มีอยู่ทั้งหมดแบ่งออกเป็นลุ่มน้ำและพื้นฐาน องค์ประกอบนี้เป็นผู้อพยพที่อ่อนแอ มันสามารถเดินทางได้เฉพาะในรูปของเศษหินหรือหินก้นป่องที่เคลื่อนที่ได้ ในชีวมณฑลพบไททาเนียมในปริมาณมากที่สุดในสาหร่าย ในตัวแทนของสัตว์บกองค์ประกอบจะสะสมในเนื้อเยื่อที่มีเขาผม ร่างกายมนุษย์มีลักษณะเฉพาะด้วยการปรากฏตัวของไททาเนียมในม้าม ต่อมหมวกไต รก ต่อมไทรอยด์

สมบัติทางกายภาพ

ไททาเนียมเป็นโลหะที่ไม่ใช่เหล็กที่มีสีขาวเงินซึ่งดูเหมือนเหล็ก ที่อุณหภูมิ 0 ⁰C ความหนาแน่น 4.517 g/cm³ สารมีความถ่วงจำเพาะต่ำ ซึ่งเป็นเรื่องปกติสำหรับโลหะอัลคาไล (แคดเมียม โซเดียม ลิเธียม ซีเซียม) ในแง่ของความหนาแน่น ไททาเนียมอยู่ในตำแหน่งตรงกลางระหว่างเหล็กและอะลูมิเนียม ในขณะที่ประสิทธิภาพของไททาเนียมนั้นสูงกว่าของทั้งสององค์ประกอบ คุณสมบัติหลักของโลหะที่นำมาพิจารณาในการพิจารณาขอบเขตของการใช้งานคือความแข็งแรงและความแข็งของผลผลิต ไทเทเนียมแข็งแกร่งกว่าอะลูมิเนียม 12 เท่า แข็งแกร่งกว่าเหล็กและทองแดง 4 เท่า และเบากว่ามาก ความเป็นพลาสติกของสารบริสุทธิ์และความแข็งแรงของผลผลิตทำให้สามารถแปรรูปที่อุณหภูมิต่ำและสูงได้ เช่นเดียวกับในกรณีของโลหะอื่นๆ เช่น โดยการโลดโผน การตีขึ้นรูป การเชื่อม การกลิ้ง ลักษณะเด่นของไททาเนียมคือการนำความร้อนและไฟฟ้าต่ำ ในขณะที่คุณสมบัติเหล่านี้จะถูกเก็บรักษาไว้ที่อุณหภูมิสูงถึง 500 ⁰С ในสนามแม่เหล็ก ไททาเนียมเป็นองค์ประกอบพาราแมกเนติก ไม่ใช่ถูกดึงดูดเหมือนเหล็ก ไม่ถูกผลักออกเหมือนทองแดง ประสิทธิภาพการป้องกันการกัดกร่อนที่สูงมากในสภาพแวดล้อมที่ก้าวร้าวและภายใต้ความเค้นทางกลนั้นมีเอกลักษณ์เฉพาะ กว่า 10 ปีของการอยู่ในน้ำทะเลไม่ได้เปลี่ยนรูปลักษณ์และองค์ประกอบของแผ่นไททาเนียม เหล็กในกรณีนี้จะถูกทำลายอย่างสมบูรณ์โดยการกัดกร่อน

คุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของไทเทเนียม

1. ความหนาแน่น (ภายใต้สภาวะปกติ) คือ 4.54g/cm³.
2. เลขอะตอมคือ 22.
3. กลุ่มโลหะ - ทนไฟ, เบา
4. มวลอะตอมของไททาเนียมคือ 47.0.
5. จุดเดือด (⁰С) – 3260.
6. ปริมาตรของฟันกราม³/mol – 10, 6.
7. จุดหลอมเหลวไททาเนียม (⁰С) – 1668.
8. ความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอ (kJ/mol) – 422, 6.
9. ความต้านทานไฟฟ้า (ที่ 20 ⁰С) Ohmcm10^-6 – 45.

คุณสมบัติทางเคมี

ความต้านทานการกัดกร่อนที่เพิ่มขึ้นขององค์ประกอบเกิดจากการก่อตัวของฟิล์มออกไซด์ขนาดเล็กบนพื้นผิว ป้องกัน (ภายใต้สภาวะปกติ) ปฏิกิริยาเคมีกับก๊าซ (ออกซิเจน ไฮโดรเจน) ในบรรยากาศโดยรอบของธาตุ เช่น โลหะไททาเนียม คุณสมบัติของมันเปลี่ยนไปภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิ เมื่อเพิ่มเป็น 600 ⁰С จะเกิดปฏิกิริยาโต้ตอบกับออกซิเจน ส่งผลให้เกิดไททาเนียมออกไซด์ (TiO₂) ในกรณีของการดูดซึมของก๊าซในบรรยากาศ สารประกอบเปราะจะเกิดขึ้นซึ่งไม่มีการใช้งานจริง ซึ่งเป็นสาเหตุว่าทำไมการเชื่อมและการหลอมของไททาเนียมจึงดำเนินการภายใต้สภาวะสุญญากาศ ปฏิกิริยาย้อนกลับเป็นกระบวนการของการละลายของไฮโดรเจนในโลหะ มันเกิดขึ้นอย่างแข็งขันมากขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น (จาก 400 ⁰С และสูงกว่า) ไทเทเนียม โดยเฉพาะอนุภาคขนาดเล็ก (แผ่นบางหรือลวด) เผาไหม้ในบรรยากาศไนโตรเจน ปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิ 700 ⁰С ทำให้เกิด TiN nitride เกิดเป็นโลหะผสมที่มีความแข็งสูงกับโลหะหลายชนิด มักเป็นส่วนประกอบในการผสม ทำปฏิกิริยากับฮาโลเจน (โครเมียม โบรมีน ไอโอดีน) เฉพาะเมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยา (อุณหภูมิสูง) และอาจมีปฏิกิริยากับสารแห้ง ในกรณีนี้จะเกิดโลหะผสมที่ทนไฟได้ยากมาก ด้วยสารละลายของด่างและกรดส่วนใหญ่ ไททาเนียมจะไม่ใช้งานทางเคมี ยกเว้นซัลฟิวริกเข้มข้น (ที่มีการเดือดเป็นเวลานาน), ไฮโดรฟลูออริก, อินทรีย์ร้อน (ฟอร์มิก, ออกซาลิก)

เงินฝาก

แร่อิลเมไนต์มีอยู่ทั่วไปในธรรมชาติ - ปริมาณสำรองของพวกมันอยู่ที่ประมาณ 800 ล้านตัน แหล่งสะสมของรูไทล์นั้นเรียบง่ายกว่ามาก แต่ปริมาณรวม - ในขณะที่ยังคงการเติบโตของการผลิต - ควรให้โลหะเช่นไททาเนียมแก่มนุษยชาติในอีก 120 ปีข้างหน้า ราคาของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปจะขึ้นอยู่กับความต้องการและระดับการผลิตที่เพิ่มขึ้น แต่โดยเฉลี่ยแล้วจะแตกต่างกันไปในช่วง 1200 ถึง 1800 รูเบิล/กก. ในเงื่อนไขของการปรับปรุงทางเทคนิคอย่างต่อเนื่อง ต้นทุนของกระบวนการผลิตทั้งหมดจะลดลงอย่างมากด้วยการปรับปรุงให้ทันสมัยในเวลาที่เหมาะสม จีนและรัสเซียมีแร่ไททาเนียมสำรองที่ใหญ่ที่สุด เช่นเดียวกับแร่ญี่ปุ่น แอฟริกาใต้ ออสเตรเลีย คาซัคสถาน อินเดีย เกาหลีใต้ ยูเครน ศรีลังกา มีฐานวัตถุดิบ ปริมาณแร่ที่แตกต่างกันในปริมาณการผลิตและเปอร์เซ็นต์ของไททาเนียมในแร่ การสำรวจทางธรณีวิทยายังดำเนินอยู่ ซึ่งทำให้สามารถสันนิษฐานได้ว่ามูลค่าตลาดของโลหะลดลงและการใช้งานที่กว้างขึ้น รัสเซียเป็นผู้ผลิตไททาเนียมรายใหญ่ที่สุด

รับ

สำหรับการผลิตไททาเนียม มักใช้ไททาเนียมไดออกไซด์ซึ่งมีปริมาณสิ่งเจือปนขั้นต่ำ ได้มาจากการเพิ่มคุณค่าของอิลเมไนต์เข้มข้นหรือแร่รูไทล์ ในเตาอาร์คไฟฟ้า การอบชุบแร่ด้วยความร้อนจะเกิดขึ้น ซึ่งมาพร้อมกับการแยกเหล็กและการเกิดตะกรันที่มีไททาเนียมออกไซด์ วิธีซัลเฟตหรือคลอไรด์ใช้ในการประมวลผลเศษส่วนที่ไม่มีธาตุเหล็ก ไทเทเนียมออกไซด์เป็นผงสีเทา (ดูรูป) โลหะไททาเนียมได้มาจากการแปรรูปเป็นขั้นๆ

ระยะแรกเป็นกระบวนการเผาตะกรันด้วยโค้กและสัมผัสกับไอคลอรีน ผลลัพธ์ TiCl₄ จะลดลงด้วยแมกนีเซียมหรือโซเดียมเมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิ 850 ⁰C ไทเทเนียมฟองน้ำ (มวลหลอมรวมที่มีรูพรุน) ซึ่งได้มาจากปฏิกิริยาเคมี ถูกกลั่นหรือหลอมเป็นแท่ง ขึ้นอยู่กับทิศทางการใช้งานต่อไป โลหะผสมหรือโลหะบริสุทธิ์จะเกิดขึ้น (สิ่งเจือปนจะถูกลบออกโดยความร้อนถึง 1,000 ⁰С) สำหรับการผลิตสารที่มีปริมาณเจือปน 0.01% จะใช้วิธีไอโอไดด์ มันขึ้นอยู่กับกระบวนการการระเหยจากฟองน้ำไททาเนียมที่เคลือบด้วยฮาโลเจนและไอระเหยของมัน

พื้นที่สมัคร

จุดหลอมเหลวของไทเทเนียมค่อนข้างสูง ซึ่งเมื่อพิจารณาจากความเบาของโลหะแล้ว จึงเป็นข้อได้เปรียบที่ประเมินค่าไม่ได้ของการใช้มันเป็นวัสดุโครงสร้าง ดังนั้นจึงพบว่ามีการใช้งานมากที่สุดในการต่อเรือ อุตสาหกรรมการบิน การผลิตจรวด และอุตสาหกรรมเคมี ไททาเนียมมักถูกใช้เป็นสารเติมแต่งในการเจือในโลหะผสมต่างๆ ซึ่งมีความแข็งและคุณสมบัติต้านทานความร้อนเพิ่มขึ้น คุณสมบัติป้องกันการกัดกร่อนสูงและความสามารถในการทนต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรงที่สุด ทำให้โลหะนี้ขาดไม่ได้สำหรับอุตสาหกรรมเคมี ไททาเนียม (โลหะผสม) ใช้ทำท่อ แท็งก์ วาล์ว ตัวกรองที่ใช้ในการกลั่นและขนส่งกรดและสารเคมีอื่นๆ เป็นที่ต้องการเมื่อสร้างอุปกรณ์ที่ทำงานในสภาวะของตัวบ่งชี้อุณหภูมิที่สูงขึ้น สารประกอบไททาเนียมใช้ทำเครื่องมือตัดที่ทนทาน สี พลาสติกและกระดาษ เครื่องมือผ่าตัด รากฟันเทียม เครื่องประดับ วัสดุตกแต่ง และใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร ทุกทิศทางยากที่จะอธิบาย ยาแผนปัจจุบันเนื่องจากความปลอดภัยทางชีวภาพอย่างสมบูรณ์มักใช้โลหะไททาเนียม ราคาเป็นปัจจัยเดียวที่ส่งผลต่อความกว้างของการใช้องค์ประกอบนี้ พูดได้ว่าไททาเนียมเป็นวัสดุแห่งอนาคตโดยศึกษาว่ามนุษย์คนใดจะผ่านไปได้สู่ขั้นใหม่ของการพัฒนา