Éternel, mystérieux, cosmique, matériau du futur - toutes ces épithètes et bien d'autres sont attribuées au titane dans diverses sources. L'histoire de la découverte de ce métal n'est pas anodine: dans le même temps, plusieurs scientifiques travaillent à isoler l'élément sous sa forme pure. Le processus d'étude des propriétés physiques, chimiques et de détermination des domaines d'application n'est pas terminé à ce jour. Le titane est le métal du futur, sa place dans la vie humaine n'a pas encore été définitivement déterminée, ce qui donne aux chercheurs modernes un immense champ de créativité et de recherche scientifique.
Caractéristique
L'élément chimique titane (Titane) est indiqué dans le tableau périodique de D. I. Mendeleïev par le symbole Ti. Il est situé dans le sous-groupe secondaire du groupe IV de la quatrième période et porte le numéro de série 22. La substance simple titane est un métal blanc-argenté, léger et durable. La configuration électronique d'un atome a la structure suivante: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Ainsi, le titane a plusieurs états d'oxydation possibles: 2,3, 4, dans les composés les plus stables, il est tétravalent.
Titane - alliage ou métal ?
Cette question en intéresse plus d'un. En 1910, le chimiste américain Hunter obtient le premier titane pur. Le métal ne contenait que 1% d'impuretés, mais en même temps, sa quantité s'est avérée négligeable et n'a pas permis d'étudier plus avant ses propriétés. La plasticité de la substance obtenue n'a été obtenue que sous l'influence de températures élevées; dans des conditions normales (température ambiante), l'échantillon était trop fragile. En fait, cet élément n'intéressait pas les scientifiques, car les perspectives de son utilisation semblaient trop incertaines. La difficulté d'obtention et de recherche a encore réduit le potentiel de son application. Ce n'est qu'en 1925 que les chimistes néerlandais I. de Boer et A. Van Arkel ont reçu du titane métallique, dont les propriétés ont attiré l'attention d'ingénieurs et de concepteurs du monde entier. L'histoire de l'étude de cet élément commence en 1790, exactement à cette époque, en parallèle, indépendamment l'un de l'autre, deux scientifiques découvrent le titane comme élément chimique. Chacun d'eux reçoit un composé (oxyde) d'une substance, à défaut d'isoler le métal sous sa forme pure. Le découvreur du titane est le moine minéralogiste anglais William Gregor. Sur le territoire de sa paroisse, située dans le sud-ouest de l'Angleterre, le jeune scientifique a commencé à étudier le sable noir de la vallée de Menaken. Le résultat d'expériences avec un aimant a été la libération de grains brillants, qui étaient un composé de titane. Au même moment en Allemagne, le chimiste Martin Heinrich Klaproth a isolé une nouvelle substance du minéralrutile. En 1797, il prouve également que des éléments ouverts en parallèle sont similaires. Le dioxyde de titane est un mystère pour de nombreux chimistes depuis plus d'un siècle, et même Berzelius n'a pas pu obtenir de métal pur. Les dernières technologies du XXe siècle ont considérablement accéléré le processus d'étude de l'élément mentionné et déterminé les premières orientations de son utilisation. Dans le même temps, le champ d'application est en constante expansion. Seule la complexité du processus d'obtention d'une substance telle que le titane pur peut en limiter la portée. Le prix des alliages et des métaux est assez élevé, de sorte qu'aujourd'hui, ils ne peuvent pas remplacer le fer et l'aluminium traditionnels.
Origine du nom
Menakin - le premier nom du titane, qui a été utilisé jusqu'en 1795. C'est ainsi que, par appartenance territoriale, W. Gregor a appelé l'élément nouveau. Martin Klaproth donne à l'élément le nom de "titane" en 1797. A cette époque, ses collègues français, dirigés par un chimiste assez réputé A. L. Lavoisier, ont proposé de nommer les substances nouvellement découvertes en fonction de leurs propriétés fondamentales. Le scientifique allemand n'était pas d'accord avec cette approche, il croyait assez raisonnablement qu'au stade de la découverte, il est plutôt difficile de déterminer toutes les caractéristiques inhérentes à une substance et de les refléter dans le nom. Cependant, il faut reconnaître que le terme choisi intuitivement par Klaproth correspond pleinement au métal - cela a été souligné à plusieurs reprises par les scientifiques modernes. Il existe deux théories principales sur l'origine du nom de titane. Le métal pourrait être désigné ainsi en l'honneur de la reine elfique Titania(personnage de la mythologie germanique). Ce nom symbolise à la fois la légèreté et la force de la substance. La plupart des scientifiques sont enclins à utiliser la version de l'utilisation de la mythologie grecque antique, dans laquelle les puissants fils de la déesse de la terre Gaia étaient appelés titans. Le nom de l'élément découvert précédemment, l'uranium, parle également en faveur de cette version.
Être dans la nature
Parmi les métaux techniquement précieux pour l'homme, le titane est le quatrième plus abondant dans la croûte terrestre. Seuls le fer, le magnésium et l'aluminium se caractérisent par un pourcentage important dans la nature. La teneur la plus élevée en titane est notée dans la coquille de bas alte, légèrement inférieure dans la couche de granit. Dans l'eau de mer, la teneur en cette substance est faible - environ 0,001 mg / l. L'élément chimique titane est assez actif, il ne peut donc pas être trouvé sous sa forme pure. Le plus souvent, il est présent dans les composés avec de l'oxygène, alors qu'il a une valence de quatre. Le nombre de minéraux contenant du titane varie de 63 à 75 (dans diverses sources), tandis qu'au stade actuel de la recherche, les scientifiques continuent de découvrir de nouvelles formes de ses composés. Pour une utilisation pratique, les minéraux suivants sont de la plus haute importance:
- Ilménite (FeTiO3).
- Rutile (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Pérovskite (CaTiO3).
- Titanomagnétite (FeTiO3+Fe3O4) etc.
Tous les minerais de titane existants sont divisés enalluvionnaire et basique. Cet élément est un faible migrant, il ne peut voyager que sous forme de fragments de roche ou de roches de fond limoneuses en mouvement. Dans la biosphère, la plus grande quantité de titane se trouve dans les algues. Chez les représentants de la faune terrestre, l'élément s'accumule dans les tissus cornés, les cheveux. Le corps humain est caractérisé par la présence de titane dans la rate, les glandes surrénales, le placenta, la glande thyroïde.
Propriétés physiques
Le titane est un métal non ferreux avec une couleur blanc argenté qui ressemble à de l'acier. À une température de 0 0C, sa densité est de 4,517 g/cm3. La substance a une faible gravité spécifique, typique des métaux alcalins (cadmium, sodium, lithium, césium). En termes de densité, le titane occupe une position intermédiaire entre le fer et l'aluminium, alors que ses performances sont supérieures à celles des deux éléments. Les principales propriétés des métaux qui sont prises en compte lors de la détermination de la portée de leur application sont la limite d'élasticité et la dureté. Le titane est 12 fois plus résistant que l'aluminium, 4 fois plus résistant que le fer et le cuivre, tout en étant beaucoup plus léger. La plasticité d'une substance pure et sa limite d'élasticité permettent de traiter à basse et haute température, comme dans le cas d'autres métaux, c'est-à-dire par rivetage, forgeage, soudage, laminage. Une caractéristique distinctive du titane est sa faible conductivité thermique et électrique, alors que ces propriétés sont conservées à des températures élevées, jusqu'à 500 0С. Dans un champ magnétique, le titane est un élément paramagnétique, il neest attiré comme le fer et n'est pas expulsé comme le cuivre. Des performances anti-corrosion très élevées dans des environnements agressifs et sous contraintes mécaniques sont uniques. Plus de 10 ans passés dans l'eau de mer n'ont pas changé l'apparence et la composition de la plaque de titane. Le fer dans ce cas serait complètement détruit par la corrosion.
Propriétés thermodynamiques du titane
- La densité (dans des conditions normales) est de 4,54 g/cm3.
- Le numéro atomique est 22.
- Groupe métallique - réfractaire, léger.
- La masse atomique du titane est de 47,0.
- Point d'ébullition (0С) – 3260.
- Volume molaire cm3/mol – 10, 6.
- Point de fusion du titane (0С) – 1668.
- Chaleur spécifique de vaporisation (kJ/mol) – 422, 6.
- Résistance électrique (à 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Propriétés chimiques
La résistance accrue à la corrosion de l'élément est due à la formation d'un petit film d'oxyde sur la surface. Il empêche (dans des conditions normales) les réactions chimiques avec les gaz (oxygène, hydrogène) dans l'atmosphère environnante d'un élément tel que le titane métallique. Ses propriétés changent sous l'influence de la température. Lorsqu'elle monte à 600 0С, une réaction d'interaction avec l'oxygène se produit, entraînant la formation d'oxyde de titane (TiO2). Dans le cas de l'absorption des gaz atmosphériques, il se forme des composés cassants qui n'ont aucune application pratique, c'est pourquoi le soudage et la fusion du titane sont effectués sous vide. réaction réversibleest le processus de dissolution de l'hydrogène dans le métal, il se produit plus activement avec une augmentation de la température (à partir de 400 0С et plus). Le titane, en particulier ses petites particules (plaque mince ou fil), brûle dans une atmosphère d'azote. Une réaction chimique d'interaction n'est possible qu'à une température de 700 0С, entraînant la formation de nitrure de TiN. Forme des alliages très durs avec de nombreux métaux, souvent comme élément d'alliage. Il ne réagit avec les halogènes (chrome, brome, iode) qu'en présence d'un catalyseur (haute température) et sous réserve d'interaction avec une substance sèche. Dans ce cas, des alliages réfractaires très durs se forment. Avec les solutions de la plupart des alcalis et des acides, le titane est chimiquement inactif, à l'exception du sulfurique concentré (avec ébullition prolongée), du fluorhydrique, de l'organique chaud (formique, oxalique).
Dépôts
Les minerais d'ilménite sont les plus répandus dans la nature - leurs réserves sont estimées à 800 millions de tonnes. Les gisements de gisements de rutile sont beaucoup plus modestes, mais le volume total - tout en maintenant la croissance de la production - devrait fournir à l'humanité pour les 120 prochaines années un métal tel que le titane. Le prix du produit fini dépendra de la demande et d'une augmentation du niveau de fabricabilité, mais il varie en moyenne entre 1200 et 1800 roubles/kg. Dans des conditions d'amélioration technique constante, le coût de tous les processus de production est considérablement réduit grâce à leur modernisation en temps opportun. La Chine et la Russie possèdent les plus grandes réserves de minerais de titane, ainsi que de minérauxLe Japon, l'Afrique du Sud, l'Australie, le Kazakhstan, l'Inde, la Corée du Sud, l'Ukraine, Ceylan ont une base de matières premières. Les gisements diffèrent par le volume de production et le pourcentage de titane dans le minerai, des études géologiques sont en cours, ce qui permet de supposer une diminution de la valeur marchande du métal et son utilisation plus large. La Russie est de loin le plus grand producteur de titane.
Recevoir
Pour la production de titane, le dioxyde de titane est le plus souvent utilisé, contenant un minimum d'impuretés. Il est obtenu par enrichissement de concentrés d'ilménite ou de minerais de rutile. Dans le four à arc électrique, le traitement thermique du minerai a lieu, qui s'accompagne de la séparation du fer et de la formation de scories contenant de l'oxyde de titane. La méthode au sulfate ou au chlorure est utilisée pour traiter la fraction sans fer. L'oxyde de titane est une poudre grise (voir photo). Le titane métal est obtenu par son traitement par étapes.
La première phase est le processus de frittage des scories avec du coke et l'exposition à la vapeur de chlore. Le TiCl4 résultant est réduit avec du magnésium ou du sodium lorsqu'il est exposé à une température de 850 0C. L'éponge de titane (masse fondue poreuse), obtenue à la suite d'une réaction chimique, est raffinée ou fondue en lingots. Selon le sens d'utilisation ultérieur, un alliage ou un métal pur se forme (les impuretés sont éliminées par chauffage à 1000 0С). Pour la production d'une substance avec une teneur en impuretés de 0,01%, la méthode à l'iodure est utilisée. Il est basé sur le processusévaporation d'une éponge de titane prétraitée à l'halogène, ses vapeurs.
Domaines d'application
Le point de fusion du titane est assez élevé, ce qui, compte tenu de la légèreté du métal, est un avantage inestimable pour son utilisation comme matériau de structure. Par conséquent, il trouve la plus grande application dans la construction navale, l'industrie aéronautique, la fabrication de fusées et les industries chimiques. Le titane est assez souvent utilisé comme additif d'alliage dans divers alliages, qui ont des caractéristiques de dureté et de résistance à la chaleur accrues. Ses propriétés anticorrosion élevées et sa capacité à résister aux environnements les plus agressifs rendent ce métal indispensable pour l'industrie chimique. Le titane (ses alliages) est utilisé pour fabriquer des pipelines, des réservoirs, des vannes, des filtres utilisés dans la distillation et le transport d'acides et d'autres substances chimiquement actives. Il est en demande lors de la création d'appareils fonctionnant dans des conditions d'indicateurs de température élevés. Les composés de titane sont utilisés pour fabriquer des outils de coupe durables, des peintures, des plastiques et du papier, des instruments chirurgicaux, des implants, des bijoux, des matériaux de finition et sont utilisés dans l'industrie alimentaire. Toutes les directions sont difficiles à décrire. La médecine moderne, en raison d'une sécurité biologique totale, utilise souvent du titane métallique. Le prix est le seul facteur qui affecte jusqu'à présent l'étendue de l'application de cet élément. Il est juste de dire que le titane est le matériau du futur, en étudiant quelle humanité passeraà une nouvelle étape de développement.
