Валентность. Как это характерно для переходных элементов, титан обладает переменной валентностью и обычно встречается в двух-, трех- и четырехвалентном состояниях. В литературе встречаются сообщения о том, что титан может обладать и более высокой валентностью, но доказательства подобных утверждений не приводятся. Чаще всего титан образует четырехвалентные соединения, но возможны и соединения всех прочих валентностей. 
Газы. Химическая активность титана зависит от температуры. При повышенных температурах металл с другими веществами взаимодействует энергичнее. При высоких температурах титан весьма активно взаимодействует с атмосферными газами. Это вызывает необходимость применения атмосферы инертных газов при горячей обработке и защиты поверхности в условиях высоких рабочих температур. Взаимодействие титана с атмосферными газами при температурах выше 500° С сопровождается образованием на поверхности слоя окалины. По мере дальнейшего повышения температуры и увеличения выдержки газы проникают в решетку металла.

 
При окислении титана образуется ряд окислов от ТiO до Ti7O12, каждому из которых присущ свой оттенок, благодаря чему на поверхности металла через короткий промежуток времени образуется пленка, отливающая всеми цветами радуги. Хотя окисление титана с поверхности начинается уже при 500° С, нагревание вплоть до 700° С заметной диффузией газов внутрь металла не сопровождается. На воздухе металл воспламеняется при 1200° С, тогда как в атмосфере чистого кислорода горение начинается при 610° С. Титан при горении дает весьма яркое свечение, что наблюдается также и в атмосфере азота при температурах выше 815 С.

 
Как и с кислородом, титан весьма активно соединяется с азотом, причем это взаимодействие сопровождается образованием на поверхности металла желто-коричневой нитридной пленки. Азот проникает в глубь титана на ограниченную толщину, чем пользуются при азотировании изделий из титана. 
Наибольшим своеобразием отличается взаимодействие этого металла с водородом. Реакция начинается при температурах несколько выше комнатной. 1 г титана способен поглотить до 400 см3 водорода. При небольшом содержании этого газа его атомы внедряются в решетку металла, а при высокой их концентрации происходит образование гидрида TiH. Однако поглощение водорода титаном отличается устойчивостью только при температурах ниже 360° С. При дальнейшем нагревании водород начинает выделяться из металла и сгорает. На первых порах этим явлением пользовались для создания защитной атмосферы вокруг металла при некоторых видах горячей обработки, так как сгорающий при выделении водород предотвращал проникновение других газов. Однако от подобной обработки пришлось отказаться из-за высокой стоимости этого процесса. В настоящее время некоторые изделия из титана отжигаются в вакууме для удаления водорода, поглощенного металлом в процессе их изготовления. 
Снижение давления паров ускоряет течение всех этих реакций титана с газами, вследствие чего необходима полная защита от воздействия атмосферы. 
Нагретый титан разлагает пары воды и двуокись углерода. При температурах выше 815° С пары воды взаимодействуют с титаном, что сопровождается образованием окисла металла и улетучиванием водорода. При еще более высоких температурах горячий металл способен поглощать углекислый газ с образованием окисла и карбида. 
Активность титана по отношению к элементам в газообразном состоянии подтверждается и характером взаимодействия металла с галоидами. Четырехвалентные соединения титана с галоидами образуются путем непосредственного взаимодействия газа с металлом, причем четырехфтористый титан образуется при температурах выше С, четыреххлористый титан при 350° С, четырехбромистый титан при 360° С, а четырехиодистый титан при 400° С. При весьма высоких температурах эти реакции могут протекать в обратном направлении. Эта обратимость используется при иодидном процессе рафинирования титана. 
Кислоты. Химическое сродство титана к галоидам также проявится при соединении с их кислотами. Энергичнее всего титан взаимодействует опять-таки с соединениями фтора. Эта реакция применяется для растворения титана и его сплавов при химическом анализе, для травления при выявлении макро- и микроструктуры, для удаления окалины с поверхности титана и для других целей. Соляная и серная кислоты при комнатной температуре слабо взаимодействуют с металлом, однако уже при незначительном нагревании разъедание усиливается с образованием низших хлоридов или моносульфата. Эти реакции используются так же, как реакции с плавиковой кислотой, но благодаря меньшей токсичности и слабому коррозионному воздействию соляная кислота постепенно вытесняет плавиковую кислоту. 
Реакция взаимодействия титана с хлорной кислотой в настоящее время еще изучается. Известны способы электрополирования титана и методы химического анализа с использованием этой кислоты, однако вследствие энергичного воздействия этой кислоты на некоторые материалы ее применение не получило всеобщего признания. В ограниченной степени титан взаимодействует и с другими кислотами. Фосфорная кислота реагирует с титаном при температуре несколько выше комнатной, но вследствие образования нерастворимых фосфатов титана применение ее для электрополирования, удаления окалины и травления незначительно. Азотная кислота слабо взаимодействует с титаном, и о ее второстепенном промышленном применении в качестве реагента сказано в последующих главах, Остальные неорганические кислоты не оказывают коррозионного воздействия на металл, но пока еще не получили никакого промышленного применения. 
Органические соединения. Способность титана к химическому соединению с органическими веществами мало используется в металлопромышленности. При взаимодействии титана с органическими кислотами на поверхности металла образуются окрашенные пленки, используемые при металлографическом исследовании протравленных микрообразцов. Не исключено, что в ближайшем будущем подобные реакции могут использоваться для получения окрашенных пленок на поверхности металла, как это делается при нанесении цветных покрытий анодным способом на алюминий. Однако более или менее подробно исследованы только вопросы коррозионного , воздействия органических соединений на титан. Твердые вещества. Химические реакции титана с твердыми веществами продолжают исследоваться в поисках путей разработки сплавов повышенного качества, снижения содержания загрязняющих примесей и повышения поверхностной твердости металла. Расплавленный титан соединяется со многими металлами, металлoидами и карбонатами. В виде окисла он взаимодействует со щелочными, щелочно-земельными и тяжелыми металлами с образованием S титанатов, исследуемых в настоящее время в связи с изысканием способов удешевления производства титана. 
Способность титана к взаимодействию с металлоидами и особенно с окислами металлов причинила много неприятностей литейщикам, поскольку расплавленный титан, соединяясь с металлоидами, сильно разъедает большинство известных огнеупоров. Такие огнеупорные материалы, как кремнезем и глинозем, настолько сильно разрушаются расплавленным титаном, что их применение сопряжено с опасностями. В настоящее время производятся энергичные изыскания новых огнеупорных материалов. Из всех известных огнеупоров только окислы бериллия и тория обладают известной стойкостью против воздействия расплавленного металла. 
Другой реакцией, имеющей очень важное значение, является реакция титана с углеродом. Жидкий титан обладает большим химическим сродством к углероду, и так как эта примесь вредно сказывается на свойствах титана, то необходимо всячески снижать содержание углерода в титановых полуфабрикатах. Однако эта реакция получила и полезное применение: при температурах выше 1760° С и высоком содержании углерода образуется карбид титана TiC, который используется при изготовлении быстрорежущих и износостойких инструментов. Возможно поверхностное науглероживание изделий из титана путем образования слоя карбида титана, но по свойствам последний оказался значительно хуже цементованных слоев на стали. 
Электрохимическое осаждение титана. Исследование возможностей электрохимического осаждения титана находится в самой начальной стадии. Металл можно осаждать электролитическим путем посредством различных сложных способов, ни один из которых не получил промышленного применения. Электролитическим путем металл можно восстановить из четырехвалентного состояния до двух- или трехвалентного с использованием кислых электролитов и электродов из свинца, меди, платины или ртути. 
Техника безопасности. Обычно химическая активность титана не сопряжена с опасностью. Взрывчатостью и воспламеняемостью отличаются только мельчайшая титановая пыль и продукты длительного воздействия дымящей азотной кислоты на титан. Образующиеся соединения титана неядовиты, а некоторые из них используются при изготовлении медикаментов. Однако титановая пыль в воздухе может взорваться, а скопления мельчайших частиц металла энергично горят при воспламенении. При пожарах с титаном нужно обращаться, соблюдая те же правила безопасности, что и в случае магния. Воду для тушения применять нельзя. Как правило, меры техники безопасности должны определяться скорее характером прочих химических веществ, чем самим титаном.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Способы получения. 

Соединения титана получили применение в промышлен ности в начале 20 в. 
Организация производства титана относится к 1946 (в 1948 выплавлено 10 m, 72OO т в 1954 и ок. 20000 т в 1955). Способ получония основан на 
восстановлении четырёххлористого титана металлическим магнием в атмосфере аргона или гелия. Компактный металл получается переплавкой в дуговых печах. Компактный металл высокой чистоты образуется при термической диссоциации тетраиодида титана. Большое значение приобрело восстановление TiCI4  натрием вместо магния.

Наиболее распространенным сырьем для получения титана и двуокиси титана является ильменитовые концентрат, выделяемый при обогащении титаномагнетитовых железных руд, в котором содержится 40-45% Ti02, около 30% FeO, около 20% Fe2 03 и 5-7% пустой породы (CaO, MgO, A12 03, Si02. Свое название этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита Feo-TiO 2.

В перспективе можно рассчитывать также на использование горных пород, содержащих перовскит СаО-ТЮ 2 и сфен СаО-ТЮ 2. -Si0 2. 
 
Ильменитовый концентрат используется для выплавки ферротитана. Другой путь его использования в металлургии состоит в выплавке в электропечах титансодержащего чугуна и шлака, содержащего 70-80% Ti02. Такой шлак измельчают, смешивают с углем и каменноугольным пеком, а затем брикетируют с применением нагрева до 800 G без доступа воздуха. Упрочненные обжигом брикеты подвергают хлорированию в печах, описанных ранее.

 
 
Тетрахлорид титана получается в виде паров. Кроме TiCl4, в газ переходят другие хлориды (SiCl2, FeCl3, VC14) в количестве около 2,5%. Пользуясь различной температурой кипения этих хлоридов, удается так называемым методом ректификации получить очищенный тетрахлорид TiCl 4. 
 
Далее ведут процесс восстановления титана из тетрахлорида при помощи магния по реакции:

 
 
TiCl 4 + 2Mg ж = 2MgCl 2ж + Ti TB + 505 000; Н 98 = -505 000 дж (-122 000 кал). 
 
В реактор, куда загружен чушковый магний, после откачки воздуха и заполнения аргоном подают жидкий TiCl с такой скоростью, чтобы температура поддерживалась, в пределах 950-1000 С. При этом тетрахлорид титана испаряется и реагирует с магнием.

 
 
Твердые частицы восстановленного титана спекаются в пористую массу - губку, а жидкий MgCl 2 выпускают через летку. Остаток MgCl 2 удаляют из губки дистилляцией в вакууме. Очищенная губка затем переплавляется в дуговых вакуумных печах в компактный ковкий титан. Для этого губку плавят в вакуумной дуговой электропечи. Тигель печи изготовлен из меди охлаждаемой водой. Затвердевая около холодных стенок, титан не сплавляется с медью. 
 
Дно изложницы служит одним полюсом дуги постоянного тока, другим полюсом является электрод, изготовленный из графита или титана. Титановый электрод сам плавится и поэтому называется расходуемым. В случае графитового электрода губка загружается из бункера специальным питателем. 
 
Плавка с графитовым электродом приводит к некоторому загрязнению слитка карбидом, и поэтому обычно полученный металл используется для изготовления расходуемых электродов и последующей переплавки их. Естественно, что если электрод изготовлять из губки, то первая плавка с графитовым электродом становится ненужной.

 
 
Иногда получают сплавы титана с другими металлами (алюминий, марганец, ванадий и др.)- Для этого они примешиваются к губке, поступающей на первую плавку. При второй плавке эти примеси достаточно равномерно распределяются в объеме слитка. Чистота титана, получаемого переплавкой губки, составляет 99,6-99,7%.

 
 
Для получения титана более высокой чистоты применяют так называемый иодидный способ, при котором используется реакция

 
 
Ti + 2I = Til4.

 
 
При температуре 100-200 С реакция протекает в сторону образования Til4, а при температуре 1300-1400 в обратную сторону.

 
 
Для осуществления процесса титановую губку и стружку загружают в специальную реторту. Реторту помещают в термостат с температурой 100 -200 и внутри нее специальным приспособлением разбивают ампулу с иодом. В реторте имеется несколько натянутых титановых проволок, которые накаливают, пропуская через них ток, до 1300-1400 С. Пары иода реагируют с титаном губки и стружки по реакции

 
 
Ti + 2I 2 TiI 4.

 
 
Полученный Til4 разлагается на.раскаленной титановой проволоке, образуя кристаллы чистого титана освобождением иода:

 
 
TiI 4 Ti + 2I

 
 
Таким путем получают титан с содержанием 99,9-99,99% титана. 
 
Разработан также способ получения титана путем восстановления Ti02 металлическим кальцием или гидридом кальция - СаН2, но этот способ не нашел распространения. 
 
 
 
 

Применение. 

При существующих высоких ценах на титан его применяют преимущественно для производства военного оборудования, где главная роль принадлежит не стоимости, а техническим характеристикам. Тем не менее известны случаи использования уникальных свойств титана для гражданских нужд. По мере снижения цен на титан и роста его производства применение этого металла в военных и гражданских целях будет все больше расширяться. 
Авиация. Малый удельный вес и высокая прочность (особенно при повышенных температурах) титана и его сплавов делают их весьма ценными авиационными материалами. В области самолетостроения и производства авиационных двигателей титан все больше вытесняет алюминий и нержавеющую сталь. С повышением температуры алюминий быстро утрачивает свою прочность. С другой стороны, титан обладает явным преимуществом в отношении прочности при температуре до 430° С, а повышенные температуры такого порядка возникают при больших скоростях благодаря аэродинамическому нагреванию. Преимущество замены стали титаном в авиации заключается в снижении веса без потери прочности. Общее снижение веса с повышением показателей при повышенных температурах позволяет увеличить полезную нагрузку, дальность действия и маневренность самолетов. Этим объясняются усилия, направленные на расширение применения титана в самолетостроении при производстве двигателей, постройке фюзеляжей, изготовлении обшивки и даже крепежных деталей. 
При постройке реактивных двигателей титан применяется преимущественно для изготовления лопаток компрессора, дисков турбины и многих других штампованных деталей. Здесь титан вытесняет нержавеющую и термически обрабатываемую легированную стали. Экономия в весе двигателя в один килограмм позволяет сберегать до 10 кг в общем весе самолета благодаря облегчению фюзеляжа. В дальнейшем намечено применять листовой титан для изготовления кожухов камер сгорания двигателя. 
В конструкции самолета титан находит широкое применение для деталей фюзеляжа, работающих при повышенных температурах. Листовой титан применяется для изготовления всевозможных кожухов, защитных оболочек кабелей и направляющих для снарядов. Из листов легированного титана изготовляются различные элементы жесткости, шпангоуты фюзеляжа, нервюры и т. д.

 
Кожухи, закрылки, защитные оболочки для кабелей и направляющие для снарядов изготовляются из нелегированного титана. Легированный титан применяется для изготовления каркаса фюзеляжа, шпангоутов, трубопроводов и противопожарных перегородок.

 
Титан получает все большее применение при постройке самолетов F-86 и F-100. В будущем из титана будут делать створки шасси, трубопроводы

гидросистем, выхлопные патрубки и сопла, лонжероны, закрылки, откидные стойки и т. д.

 
Титан можно применять для изготовления броневых плит, лопастей пропеллера и снарядных ящиков.

 
В настоящее время титан применяется в конструкции самолетов военной авиации Дуглас Х-3 для обшивки, Рипаблик F-84F, Кертисс-Райт J-65 и Боинг В-52.

 
Применяется титан и при постройке гражданских самолетов DC-7. Фирма «Дуглас» заменой алюминиевых сплавов и нержавеющей стали титаном при изготовлении мотогондолы и противопожарных перегородок уже добилась экономии в весе конструкции самолета около 90 кг. В настоящее время вес титановых деталей в этом самолете составляет 2%, причем эту цифру предусматривается довести до 20% общего веса самолета.

 
Применение титана позволяет уменьшить вес геликоптеров. Листовой титан используется для полов и дверей. Значительное снижение веса геликоптера (около 30 кг) было достигнуто в результате замены легированной стали титаном для обшивки лопастей его несущих винтов. 
Военно-морской флот. Коррозионная стойкость титана и его сплавов делает их весьма ценным материалом на море. Военно-морское министерство США обстоятельно исследует коррозионную стойкость титана против воздействия дымовых газов, пара, масла и морской воды. Почти такое же значение в военно-морском деле имеет и высокое значение удельной прочности титана. 
Малый удельный вес металла в сочетании с коррозионной стойкостью повышает маневренность и дальность действия кораблей, а также снижает расходы по уходу за материальной частью и ее ремонту. 
Применение титана в военно-морском деле включает изготовление выхлопных глушителей для дизельных двигателей подводных лодок, дисков измерительных приборов, тонкостенных труб для конденсаторов и теплообменников. По мнению специалистов, титан, как никакой другой металл, способен увеличить срок службы выхлопных глушителей на подводных лодках. Применительно к дискам измерительных приборов, работающих в условиях соприкосновения с соленой водой, бензином или маслом, титан обеспечит лучшую стойкость. Исследуется возможность применения титана для изготовления труб теплообменников, которые должны обладать коррозионной стойкостью в морской воде, омывающей трубы снаружи, и одновременно противостоять воздействию выхлопного конденсата, протекающего внутри них. Рассматривается возможность изготовления из титана антенн и узлов радиолокационных установок, от которых требуется стойкость к воздействию дымовых газов и морской воды. Титан может найти применение и для производства таких деталей, как клапаны, пропеллеры, детали турбин и т. д.