История

Свойства

Применение

Опыты

         Титан

 
    Титан был открыт в конце XVIII века, но более ста лет этот металл не мог найти применения из-за плохих механических свойств. Первые образцы титана были сильно загрязнены примесями азота, углерода, кислорода и других неметаллов, которые делали его хрупким и не поддающимся механической обработке. Однако в конце прошлого века, химиками Ван Аркелем и де Буром был предложен процесс очистки, который позволил получить чистый, ковкий металл [Van Arkel A. E., de Boer I. H., Z. Anorg. Allgem. Chem., 148, 345 (1925)]. Данный метод основан на том, что металлический титан при нагревании до 500–600 градусов реагирует с парами иода, образуя тетраиодид титана. TiI₄ довольно летуч, а также не слишком стабилен при очень высоких температурах. При нагревании до 1100–1500 градусов он разлагается с образованием металлического титана и иода. Поскольку примеси, содержащиеся в титане, не образуют летучих иодидов, титан, образующийся при разложении иодида, свободен от них. Само иодидное рафинирование в лабораторном масштабе происходит следующим образом: загрязненный титан помещают в сосуд из термостойкого стекла, в верхней части которого размещены тонкие вольфрамовые проволочки, нагреваемые электрическим током. Сосуд вакуумируют, прогревают в вакууме при 500–600°C (для удаления летучих примесей), нагревают вольфрамовые нити пропусканием тока до 1400°C и вводят в реакционный сосуд небольшое количество иода. Иод реагирует с титаном при температуре 600 градусов, за счет диффузии поступает в верхнюю часть реактора к вольфрамовым нитям и разлагается там с образованием металла. Толщина нитей постепенно увеличивается, и для поддержания их постоянной температуры увеличивают силу тока. Температуру нитей контролируют пирометром. По окончании процесса получается титановый стержень с тонкой вольфрамовой проволочкой внутри (но поскольку диаметр проволочки – 40 микрометров, а образующегося титанового стержня – до нескольких сантиметров, примесью вольфрама можно пренебречь).


    В качестве сырья для иодидного процесса используется вот такая титановая губка. Её получают по процессу Кролля, магнийтермическим восстановлением тетрахлорида титана. После восстановления, избыток металлического магния и его хлорида удаляют отгонкой в вакууме при температуре 900°C.

 
    Губку металлического титана загружают в молибденовый реактор (в промышленности, в качестве материала реактора успользовать более дорогой но прочный молибден, чем хрупкое стекло), и проводят иодидное рафинирование металла. В результате получаются красивые кристаллические прутки, как на фотографиях слева. Несмотря на красивый внешний вид, для промышленного применения они непригодны, так как из-за крупнокристаллической структуры имеют невысокую прочность. Чтобы получить компактный и прочный металл, их надо переплавить в слитки.

 
    Иодидный титан, переплавляют в электродуговых, электронно-лучевых или гарнисажных печах. Из полученых слитков затем производят прутки, полосы и другие сорта проката. Титан достаточно вязкий, но в принципе неплохо поддается точению и другим видам механической обработки.

 
    На четвертой фотографии – титановый лист. Точнее, лист прокатан не из чистого титана, а из титанового сплава. Как правило, все сплавы титана содержат несколько процентов алюминия (до 5–6%), марганец, молибден, ванадий и некоторые другие элементы. При почти вдвое меньшем удельном весе, они обладают прочностью, практически не уступающей прочности конструкционных сталей. Сплавы титана с никелем обладают эффектом памяти формы. Возможно, позже я помещу фотографии эксперимента, демонстрирующие это интересное свойство.

 
    На последнем фото – таблетки чистого (99.95%) металлического титана. Они используются в лаборатории для введения титана в сплавы (в качестве легирующей добавки), напыления пленок титана и его соединений, проведения химических реакций и как поглотитель газов в вакуумной технике.