Титан химический элемент металл универсальной структуры

Одна из конструкций сверхзвуковых самолётов, получивших наименование «Concorde», имела характерные особенности оболочки корпуса, снижающие эффект трения с воздушной средой в момент полёта. Как показали испытания лайнера, жаростойкая корпусная оболочка, содержащая титан, растягивалась практически на 20-25 см в момент передвижения лайнера в воздухе. Поэтому очевидным видится момент: активное применение такого рода металла в самолётостроительной сфере.

Свойства химического элемента №22

Этот металл, не менее прочный, чем сталь, но при этом не ржавеет и наполовину легче. Почти три четверти титана, производимого в мире, используется для нужд аэрокосмической отрасли. Однако применение металла отмечается также в других областях.

Спектр огромен: от производства зубной пасты, искусственных зубов и обручальных колец, до разработки искусственных тазобедренных суставов и корпусов подводных лодок глубокого погружения.

Прочность, малый вес, устойчивость к коррозии – именно эта троица свойств делает титан востребованным материалом. Имеющий блестящий внешний вид, несколько похожий на алюминий, титан в значительной степени прочнее алюминия и лишь немного тяжелее.

Подобно алюминию, этот серебристо-белый металл обладает выраженной устойчивостью против коррозии (ржавления) по той же причине: вступает в реакцию с кислородом. В результате на поверхности металла образуется защитный слой оксида титана. Этот слой настолько прочный, что совсем не пропускает воздух и воду.

Титану также характерна черта противодействия сильным кислотам и щелочам. Но твёрдость металла несколько снижается при низких температурах, увеличивается свойство ломкости.

Чтобы придать титану требуемую форму или изготовить в виде проводов, прибегают к методу нагрева материала. В химических реакциях металл образует массу интересных соединений (связь с атомами других элементов). Поэтому существует практика приготовления полезных сплавов с участием титана.

Применение химического элемента №22

Одним из наиболее известных применений химического элемента является соединение диоксида титана (TiO₂ – титановые белила). Это соединение используется для придания белизны многим продуктам:

• краскам,
• зубным пастам,
• бумаге,
• фарфоровой керамике,
• напольным покрытиям,
• текстилю,
• бетону и т.д.

Сложно утверждать, что использование титана в качестве отбеливателя является тривиальным фактором. Скорее экономически нецелесообразно использовать такой универсальный материал для подобных целей. Вряд ли имеет существенное значение момент, определяющий цвет зубной пасты или краски.

А вот без титановых сплавов, использующихся для изготовления деталей самолетов, обойтись крайне сложно. Конструкции современных самолётов содержат титан практически в каждом элементе:

• внешней обшивки,
• шасси,
• гидравлических труб,
• внутренних частей реактивных двигателей и др.

Это очевидно, учитывая:

• лёгкий вес,
• противостояние  высоким температурам,
• противостояние напряжениям и деформациям от трения.

Поскольку применение металла видится крайне полезным в конструкциях самолётов, неудивительно, что титан также активно используется в космической отрасли.

Другая область активного применения — медицинские изделия. Например, прочные и гибкие очки с оправой на основе титановых сплавов. Благодаря защитному оксидному покрытию, титан является идеальным металлом для изготовления сменных тазобедренных суставов (не ржавеет и не вступает в неблагоприятную реакцию с тканями или костями организма).

Те же самые качества делают металл идеальным для футеровки пищевого оборудования. Наконец, прочность, лёгкость и способность противостоять коррозии в морской воде в течение многих лет – это те самые качества, которые необходимы для сооружения корпусов подводных лодок.

Соединения на основе химического элемента титан

Соединения, включающие титан, также видятся важными при производстве других химических веществ. Так, хлориды титана используются в качестве катализаторов (ускорителей химических реакций) при производстве пластикового полипропилена и многих других органических (на основе углерода) химических веществ.

Конечно же высоким вниманием пользуются украшения из титана. Например, существует драгоценный камень, именуемый «Титания», созданный на базе оксида титана. Визуально украшение превосходит по качеству блеска даже алмаз. Правда, по сравнению с алмазом «Титания» намного мягче. Обручальные титановые кольца в последние годы быстро набирают популярность.

На фоне экологических требований, люди научились производить и применять теплоотражающие окна (стеклопакеты с низким Е). Такие конструкции отражают домашнее тепло, существенно сокращая потери (или не пропускают солнечный свет в жару).

Благодаря таким свойствам, экономия на счетах за отопление и кондиционирование воздуха очевидна. Тонкий слой оксида титана (или другого металла) нанесённый на стекле, является секретной «фишкой», заставляющей работать окна более эффективно.

Добыча химического элемента и производство материала

Ограничения использования мешают применять материал повсеместно. Основная причина ограничений – добыча титана в относительно небольших количествах. Поэтому этот универсальный металл значительно дороже потенциально конкурирующих материалов, таких как сталь.

В 2017 году мировое производство металлического титана составило не выше 170 000 тонн, в то время как мировое производство стали составило 1,7 миллиарда тонн — примерно в 10 000 раз больше.

Несмотря на существенную схожесть титана с алюминием, этот металл по природным запасам значительно уступает алюминию. Если алюминий является третьим химическим элементом по распространённости в земных недрах, титану отводится только девятое место. Несмотря на это, металл встречается практически во всех камнях, песках, почвах и глинах, а также в растениях, животных и воде.

Как и алюминий, готовность титана вступать в реакцию с кислородом означает, что этот химический элемент никогда не найти на Земле в виде чистого металла. Вместо этого элемент изготовлен из минеральных руд, называемых ильменитом (комплексное соединение железа, титана и кислорода с химической формулой FeTiO₃).

Также имеет место рутил (в основном диоксид титана, соединение титана и кислорода с химической формулой TiO₂) с использованием ряда химических реакций, трудных и дорогостоящих.

Большая часть титана в настоящее время производится благодаря процессу Кролла, где диоксид титана реагирует с хлором, с последующим образованием тетрахлорида титана. Затем реакция с магнием, чтобы отделить хлор и оставить чистый металл (известный как титановая «губка»). Таким образом, необходима пара химических реакций, которые выглядят так:

1. TiO₂ + 2Cl₂ + C → TiCl₄ + CO₂.
2. TiCl₄ + 2 мг (магний) → Ti + 2 мг (хлорид магния).

Затем титановую губку отливают в большие прутки — слитки. Япония лидирует в мире по производству губчатого металла такого рода. Далее следуют:

• Казахстан
• Китай
• Украина

Особенности создаваемых титановых конструкций

Универсальный метал примерно на треть более гибкий (эластичный), чем сталь, плюс исключает свойства намагничивания. Американский самолёт-разведчик — «Airforce SR-71 Blackbird», самый быстрый в мире сверхзвуковой самолёт (до некоторых времён) имел конструкцию, состоящую из 85% титана и 15% композитных материалов.

Благодаря титану успешно покорял воздух знаменитый самолёт «Concorde», но до поры до времени, когда универсальный металл стал причиной авиакатастрофы. Самолёт «DC-10» авиакомпании «Continental Airlines» 25 июля 2000 года во время взлёта с полосы аэропорта имени Шарля де Голля в Париже потерял кусок обшивки.

Чуть позже другой самолёт «Concorde» компании «Air France» взлетал с той же взлётно-посадочной полосы и нарвался шиной на утерянный обломок. Дальнейшие события привели к взрыву топливного бака и ужасной аварии, в которой погибли все, кто присутствовал на борту. После этого инцидента самолёт «Concorde» вывели из эксплуатации.

Немного статистики по уникальному металлу

Большинство титановых изделий горят в кислороде и в газообразном азоте. Последние годы около 80% металла США использовали в аэрокосмическом строительстве. Остальной объём используется для целей:

• гальванических,
• энергетических,
• морских,
• медицинских,
• других применений.

На завершающем этапе 2017 года Соединенные Штаты произвели пигмента на основе диоксида титана на сумму около $3 млрд. Более двух третей этого объема (68%) использовали на производство красок.

Многие страны производят уникальный металл, но в настоящее время Соединенные Штаты получают около 90% готового продукта только из трёх стран мира:

• Японии,
• Казахстана,
• Китая.

Между тем российская компания «ВСМПО-Ависма» является крупнейшим в мире производителем титана, экспортирующим этот металл в 50 стран мира.

---