Титан: химический элемент

 
 

Муниципальное Общеобразовательное 

учреждение

«Лицей  №5» 
 
 
 

Реферат 

«Титан» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Выполнил:

Ученик 9 в класса

Хисаметдинов  Тимур

Проверил:

Учитель химии

Хмара С.Б. 
 
 
 

г.Оренбург 2010г.

Содержание

1. Историческая справка…………………………………………. 3
2. Нахождение в природе…………………………………………. 5
3. Общая характеристика элемента………………………………. 6
4. Физические свойства………………………………………….... 7
5. Химические свойства…………………………………………... 8
6. Способы получения…………………………………………….. 13
7. Применение……………………………………………………... 15
8. Биороль, токсикология………………………………………….

9)  Приложения……………………………………………………... 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Историческая  справка. 

Не раз  предпринимались попытки рассказать обо всех элементов

сразу, но в этом реферате рассказано о  металле будущего - титане.

До 1795 г. элемент №22 назывался "менакином". Так назвал его в 1791 г.

английский  химик и минеролог Уильям Грегор, открывший новый элемент в

минерале  менаканите. Спустя четыре года после открытия Грегора немецкий химик Мартин Клапрот обнаружил новый химический элемент в другом минерале – рутиле – и в честь царицы эльфов Титании, (германская мифология) назвал его титаном. По другой версии название элемента происходит от титанов, могучих сыновней богини земли _ Геи (греческая мифология). В 1797 г. выяснилось, что Грегор и Клапрот открыли один и тот же элемент, и хотя Грегор сделал это раньше, за новым элементом утвердилось имя, данное ему Клапротом. Но ни Грегору, ни Клапроту не удалось получить элементарный титан. Выделенный ими белый кристаллический порошок был двуокисьютитана ТiO₂. Восстановить этот окисел, выделить из него чистый металл долгое время не удавалось никому из химиков.

В 1823 г. английский ученый У. Волластон сообщил, что кристаллы, обнаруженные им в металлургических шлаках завода "Мортир – Тидвиль", - не что иное, как чистый титан. А спустя 33 года известный немецкий химик Ф. Вёлер доказал, что и эти кристаллы были опять – таки соединением титана, на этот раз – металлоподобным карбонитридом.

Много лет считалось, что металлический  титан впервые был получен Берцелиусом в 1825 г. при восстановлении фтортитана  калия металлическим натрием. Однако сегодня, сравнивая свойства титана и продукта, полученного Берцелиусом, можно утверждать, что президент Шведской академии наук ошибался, ибо чистый титан быстро растворяется в плавиковой кислоте (в отличии от многих других кислот), а металлический титан Берцелиуса успешно сопротивлялся её действию. В действительности титан был впервые получен лишь в 1875 г. русским учёным Д.К. Кирилловым. Результаты этой работы опубликованы в его брошюре "Исследование над титаном". Но работа малоизвестного русского ученого осталась незамеченной. Ещё через 12 лет довольно чистый продукт – около 95% титана – получили соотечественники Берцелиуса, известные химики Л. Нильсон и О. Петерсон, восстанавливавшие четырёххлористый титан металлическим натрием в стальной геометрической бомбе.

В 1895 г. французский химик А. Муассан, восстанавливая двуокись титана

углеродом в дуговой печи и подвергая  полученный материал двукратному

рафинированию, получил титан, содержавший всего 2%примесей, в основном углерода. Наконец в 1910 г. американский химик М. Хантер, усовершенствовав способ Нильсона и Петерсона, сумел получить несколько граммов титана чистой около 99%. Именно поэтому в большинстве книг приоритет получения металлического титана приписывается Хантеру, а не Кириллову, Нильсону или Муассану.

Однако  ни Хантер, ни его современники не предсказывали  титану большого

будущего. Всего несколько десятых процента примесей содержалось в металле, но эти примеси делали титан хрупким, непрочным, непригодным к механической обработки. Поэтому некоторые соединения титана нашли применения раньше, чем сам металл. Четыреххлористый титан например, широко использовали в первую мировую войну для создания дымовых завес. 

В 1908 г. в США и Норвегии началось изготовление белил не из соединений

свинца  и цинка, как делалось прежде, а  из двуокиси титана. Такими белилами

можно окрасить в несколько раз большую  поверхность, чем тем же количеством свинцовых или цинковых белил. К тому же у титановых белил больше отражательная способность, они не ядовиты и не темнеют под действием сероводорода. В медицинской литературе описан случай. Когда человек за один раз "принял" 460 г двуокиси титана! (Интересно, с чем он его спутал) «Любитель» двуокиси титана не испытал при этом никаких болезненных ощущений.

Двуокись  титана входит в состав некоторых  медицинских препаратов частности мазей против кожных заболеваний. Однако не медицина, а лакокрасочная промышленность потребляет наибольшее количество TiO_2. Мировое производство этого соединения намного превысила полмиллиона тонн в год. Эмали на основе двуокиси титана широко используют в качестве защитных и декоративных покрытий по металлу и дереву в судостроении, строительстве и машиностроении. Срок службы сооружений и деталей при этом значительно повышается. Титановыми белилами окрашивают ткани, кожу и другие материалы.

Двуокись  титана входит в состав фарфоровых масс, тугоплавкий стекол,

керамических  материалов с высокой диэлектрической  проницаемостью. Как

наполнитель, повышающий прочность и термостойкость, её вводят в резиновые смеси. Однако все достоинства соединений титана кажутся не существенными на фоне уникальных свойств металлического титана. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Нахождение  в природе. 

Титан (хим. элемент) — один из распространённых элементов, среднее содержание его в земной коре (кларк) составляет 0,57% по массе (среди конструкционных металлов по распространённости занимает 4-е место, уступая железу, алюминию и магнию). Больше всего Титан (хим. элемент) в основных породах так называемой «базальтовой оболочки» (0,9%), меньше в породах «гранитной оболочки» (0,23%) и ещё меньше в ультраосновных породах (0,03%) и др. К горным породам, обогащенным Титан (хим. элемент), относятся пегматиты основных пород, щелочные породы, сиениты и связанные с ними пегматиты и др. Известно 67 минералов Титан (хим. элемент), в основном магматического происхождения; важнейшие — рутил и ильменит .

Встречается главным образом в ви де двуокиси TiO₂или её соединений — титанатов. Известно свыше 60 минералов, в состав которых входит титан . Он содержится также в почве, в животных и растительных организмах. Ильменит FeTiO₃ и рутил TiO₂ служат основным сырьём для получения титана. В качестве источника титана приобретают значение шлаки от плавки титано-магнетитов  и ильменита.

В биосфере Титан в основном рассеян. В морской  воде его содержится 10^-7%; Титан – слабый мигрант. Титан содержится и в органической природе: в зернах, плодах, стеблях растений, в тканях животных, даже в молоке и в куриных яйцах. Только, конечно, там его количество исчисляется миллиграммами. Так в человеческом организме около 20 мг титана; причем врачами установлено, что титан абсолютно безвреден для людей.

Важнейшие из минералов титана: рутил TiO₂, ильменит FeTiO₃, титаномагнетит FeTiO₃ + Fe₃O₄, перовскит CaTiO₃и титанит (сфен) CaTiOSiO₄. Различают коренные руды титана — ильментит-титано-магнетитовые и россыпные — рутил-ильменит-циркониевые. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Общая характеристика элемента. 

Титан существует в двух состояниях: аморфный — темносерый порошок, плотность 3,392—3,395г/см3, и кристаллический, плотность 4,5 г/см3. Для

кристаллического  титана известны две модификации с точкой перехода при 885° (ниже 885° устойчивая гексагональная форма, выше — кубическая); t°пл. ок. 1680°; t кип. выше 3000°. Титан активно поглощает газы (водород, кислород, азот), которые делают его очень хрупким. Технический металл поддаётся горячей обработке давлением. Совершенно чистый металл может быть прокатан на холоду. На воздухе при обыкновенной температуре титан не изменяется, при накаливании образует смесь окиси Ti2O3 и нитрида TiN. В токе кислорода при красном калении окисляется до двуокиси TiO2. При высоких температурах реагирует с углеродом, кремнием, фосфором, серой и др. Устойчив к морской воде, азотной кислоте, влажному хлору, органическим кислотам и сильным щелочам. Растворяется в серной, соляной и плавиковой кислотах, лучше всего — в смеси HF и HNO3. Добавление к кислотам окислителя предохраняет металл от коррозии при комнатной температуре. В соединениях проявляет валентность 2, 3 и 4. Наиболее устойчивы и имеют наибольшее практическое значение соединения Ti(IV). Наименее устойчивы производные Ti(II). Соединения Ti(III) устойчивы в растворе и являются сильными восстановителями. С кислородом титан даёт амфотерную двуокись титана, закись Ti0 и окись Ti2O3, имеющие основной характер, а также некоторые промежуточные окислы и перекись TiO3. Галогениды четырёхвалентного титана, за исключением TiCl4 —кристаллические тела, легкоплавкие и летучие в водном растворе гидрализованы, склонны к образованию комплексных соединений, из которых в технологии и аналитической практике имеет значение фтортитанат калия K2TiF6. Важное значение имеют карбид TiC и нитрид TiN— металлоподобные вещества, отличающиеся большой твёрдостью (карбид титан тверже карборунда), тугоплавкостью (TiC, t°пл. 3140°; TiN, t°пл. 3200°) и хорошей электропроводностью. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Физические  свойства элемента. 

Титан существует в виде двух аллотропических модификаций: ниже температуры 882,5 °С устойчива α-форма с гексагональной плотноупакованной решеткой (а = 2,951Å, с = 4,679Å), a выше этой температуры - β-форма с кубической объемноцентрированной решеткой а = 3,269Å. Примеси и легирующие добавки могут существенно изменять температуру  α/β превращения. 

 
 
  Плотность α-формы при 20°С 4,505 г/см³, a при 870°С 4,35 г/см³; β-формы при 900°С 4,32 г/см³; атомный радиус Ti 1,46 Å, ионные радиусы Ti+ 0,94 А, Ti²+ 0,78 Å, Ti³+ 0,69 Å, Ti⁴+ 0,64 Å; Тпл 1668 °С, Ткип 3227 °С; теплопроводность в интервале 20-25°С 22,065 вт/(м·К) [0,0527 кал/(см·сек·°С)]; температурный коэффициент линейного расширения при 20°С 8,5·10-6, в интервале 20-700°С 9,7·10-6; теплоемкость 0,523 кдж/(кг·К) [0,1248 кал/(г·°С)]; удельное электросопротивление 42,1·10^-6 ом·см при 20 °С; температурный коэффициент электросопротивления 0,0035 при 20 °С; обладает сверхпроводимостью ниже 0,38 К. Титан парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 3,2·10^-6 при 20 °С. Предел прочности 256 Мн/м² (25,6 кгс/мм²), относительное удлинение 72% , твердость по Бринеллю менее 1000 Мн/м² (100 кгс/мм²). Модуль нормальной упругости 108 000 Мн/м² (10 800 кгс/мм²). Металл высокой степени чистоты ковок при обычной температуре.  
 
  Применяемый в промышленности технический Титан содержит примеси кислорода, азота, железа, кремния и углерода, повышающие его прочность, снижающие пластичность и влияющие на температуру полиморфного превращения, которое происходит в интервале 865-920 °С. Для технического Титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 плотность около 4,32 г/см³, предел прочности 300-550 Мн/м² (30-55кгс/мм²), относительное удлинение не ниже 25%, твердость по Бринеллю 1150-1650 Мн/м²(115-165 кгс/мм²). Конфигурация внешней электронной оболочки атома Ti 3d²4s². 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Химические свойства элемента. 

Изотопы. Подобно другим элементам титан состоит из нескольких изотопов с атомными весами от 46 до 50. Математическое вычисление среднего атомного веса титана с учетом содержания изотопов и их массовых чисел дает величину 47,88.

 
Титан обладает большим поперечным сечением захвата нейтронов. В последнее время было открыто пять новых изотопов титана. Тi43 с периодом полураспада 0,58 сек. испускает b+-частицы. Ti43 существует в виде двух форм, одна из которых с периодом полураспада 3,08 часа испускает (b+-частицы и у -лучи, а вторая имеет период полураспада, равный 21 суткам. Ti51 с периодом полураспада в 72 суток испускает электроны и у-лучи. Кроме того, существует мета-стабильная форма Ti51 с периодом полураспада 6 мин., которая также испускает y-лучи и электроны. До настоящего времени ничего не делалось для того, чтобы выделить какой-либо из этих изотопов в чистом виде для технических целей.