База рефератов

Реферат по химии

Выполнил уч. 11-Г класса гимназии №115 г. Уфы

2001 г.
Из истории открытия титана

Вряд ли можно найти еще один такой металл, история открытия и изучения которого была бы так полна дра­матических событий, ошибок и заблуждений, как исто­рия титана.

Первооткрывателем титана считается 28-летний английский монах Уильям Грегор. В 1790 г., проводя минералогические изыскания в своем приходе, он обратил внимание на распростра­ненность и необычные свойства черного песка в до­лине Менакэна на юго-западе Англии и принялся его исследовать. В песке священник обнаружил крупицы черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновен­ным магнитом. Будучи минералогом-любителем и имея свою небольшую минералогическую лабораторию, Грегор произвел с этим магнитным минералом несколько опытов: растворил его сначала в соляной, затем в сер­ной кислоте, упарил раствор и получил белый порошок, который при прокалке желтел, а при спекании с углем приобретал голубой цвет. Исследованное природное образование черного цвета Грегор принял за новый, неизвестный ранее минерал, а выделенный из него бе­лый порошок – за новый элемент. Минералу и элементу дали название по местности, где они были найдены: минерал «менакэнит» и элемент «менакин». По сегодняшним представлениям «менакэнит» был смесью ильменита (FeTiO₃) и магнетита (FeTiO₃´nFe₃O₄), а белый порошок «менакин» – диоксидом титана.

В 1795 г. немецкий исследователь-химик Мартин Генрих Клапрот, изучая рутил, выделил из него диоксид нового металла – бе­лый порошок, похожий на описанный ранее Грегором. И хотя до получения чистого металла было еще очень далеко – почти полтора столетия, Клапрот известил мир об открытии нового металла, которому дал назва­ние «титан». Но почему титан? Вопреки распростра­ненному в те времена правилу французских химиков во главе с Лавуазье – присваивать новым элементам и соединениям имена, отражающие их свой­ства, у Клапрота был свой принцип. По поводу присвоения новому элементу названия «титан» Клапрот в 1795 г. писал: «Для вновь откры­ваемого элемента трудно подобрать название, указы­вающее на его свойства, и я нахожу, что лучше всего подбирать такие названия, которые ничего не говорили бы о свойствах и не давали бы таким образом повода для превратных толковании. В связи с этим мне захо­телось для данной металлической субстанции подобрать, так же как и для урана, имя из мифологии: поэтому я называю новый металлический осадок титаном, в честь древних обитателей Земли» (Цит. по: Николаев Г. И. Металл века. М.: Металлургия. 1982). Это название стало поистине пророческим. Мифические жители – ти­таны, сыновья богини Земли Геи и бога неба Урана, были огромными, сильными, стойкими, добрыми, бес­смертными существами, покорителями огня, земных просторов и недр, морей, рек и гор. И открытый ме­талл оказался одним из самых твердых, крепких, стой­ких. Но чтобы познать все замечательные свойства нового металла и использовать их для своего блага, человечеству потребовалось еще более 150 лет.

Ни один конструкционный металл не знал такой длительной истории исследований, как титан. Первые попытки выделить чистый материал заканчивались неудачно. Исследователи получали металл с высоким содержанием примесей кислорода, азота, серы, фосфора, водорода и др., в результате чего, выделенный металл был весьма хрупким и признавался бесполезным для дальнейшего использования. Чистый титан (содержание примесей менее 0,1%) впервые был получен в 1875 году русским ученым Д.К. Кирилловым, но его работа осталась незамеченной. Полученный в 1925 г. Ван Аркелем и де Буром иодидным методом чистейший титан оказался пластич­ным и технологичным металлом со многими ценными свойствами, кото­рые привлекли к нему внимание широкого круга конструкторов и инже­неров. В 1940 г. Кролль предложил магниетермический способ извлечения титана из руд, который является основным и в настоящее время. В 1947 г. были выпущены первые 45 кг технически чистого титана. Стоимость его, конечно, была басно­словно высокой – 10 долл. за 1 кг, т. е. этот новый конструкционный материал был во много раз дороже железа, алюминия, магния. (Интересно, что стоимость технически чистого титана сегодня приблизительна такая же: 11 долл. за 1 кг, а стоимость сплавов титана достигает 15 долл. за 1 кг). Тем не менее выпуск ме­таллического титана осуществлялся такими гигантски­ми темпами, каких не знало никакое другое металлур­гическое производство. Первая промышленная партия титана массой 2 т была получена в 1948 г., и этот год считается началом практического применения титана. Мировое производство титана (без СССР) за период с 1953 г. по 1996 г возросло более  чем в 30 раз. Производство титана в нашей стране началось в 1950 г. и нарастало довольно быстро. В 1960-1990 гг. в СССР было создано крупнейшее в мире производство титана и его сплавов. В конце 80-х годов объем про­мышленного производства титана в СССР превышал объем его производ­ства во всех остальных странах мира вместе взятых.

Свойства титана

В периодической системе элементов Менделеева титан имеет порядковый номер 22. Атомная масса природ­ного титана, вычисленная по результатам исследований его изотопов, составляет 47,926. Итак, ядро нейтрального атома титана содержит 22 протона. Количество же нейтронов, т. е. нейтраль­ных незаряженных частиц, различно: чаще 26, но мо­жет колебаться от 24 до 28. Поэтому и число изотопов титана различно. Всего сейчас известно 13 изотопов элемента № 22. Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изото­пов, наиболее широко представлен титан-48, его доля в природных рудах 73,99%. Есть в природе также изотопы с массовыми числами 46, 47, 49 и 50. Среди радиоактивных изотопов титана самый долгоживущий – титан-44 с периодом полураспада около 1000 лет.

Кроме естественных, титан может иметь и целый ряд искусственных изотопов, получаемых с помощью его радиоактивного облучения. Некоторые из них сильнорадиоактивные, с различными сроками полурас­пада.

Вокруг положи­тельно заряженного ядра титана на четырех орби­тах  располагаются электроны: на К – два электрона, на L – восемь, на М – 10, на N – два. С орбит N и М атом титана может свободно отдавать по два электрона. Таким образом, наиболее устойчи­вый ион титана – четырехвалентный. Пятый электрон с орбиты М «вырвать» невозможно, поэтому титан ни­когда не бывает больше чем четырехвалентным ионом. В то же время с орбит N и М атом титана может отдавать не четыре, а три, два или один электрон. В этих случаях он становится трех-, двух- или однова­лентным ионом.   

В периодической системе элементов Менделеева ти­тан расположен в группе IVВ, в которую, кроме него, входят цирконий, гафний, курчатовий. Элементы дан­ной группы в отличие от элементов группы углерода (IVА) обладают металлическими свойствами. Хотя титан занимает самое верхнее место в своей подгруппе, он является наименее активным ме­таллическим элементом. Так, двуокись титана амфотерна, а двуокиси циркония и гафния обладают слабо выраженными основными свойствами. Титан больше, чем другие элементы подгруппы IVВ, близок к эле­ментам подгруппы IVА – кремнию, германию, олову. Четырехвалентный титан отличается от кремния и гер­мания большей склонностью к образованию комплекс­ных соединений различных типов, чем особенно сходен с оловом. Титан и другие элементы подгруппы IVВ очень близки по свойствам к элементам подгруппы IIIВ (группы скандия), хотя и отличаются от последних способностью проявлять большую валентность. Сходство титана со скандием, иттрием, а также с элементами подгруппы VВ – ванадием и ниобием выражается и в том, что в природных минералах титан часто встречается вместе с этими элементами.

Химические соеди­нения ти­тана

С одновалентными галогенами (фтором, бромом, хлором и йодом) он может образовывать ди- три- и , тетрасоединения, с серой и элементами ее группы (се­леном, теллуром) – моно- и дисульфиды, с кислоро­дом – оксиды, диоксиды и триоксиды. Титан образует также соединения с водородом (гидриды), азотом (ни­триды), углеродом (карбиды), фосфором (фосфиды), мышьяком (арсиды), а также соединения со многими металлами – интерметаллиды. Образует титан не толь­ко простые, но и многочисленные комплексные соеди­нения, известно немало его соединений с органически­ми веществами.

Как видно из перечня соединений, в которых может участвовать титан, он химически весьма активен. И в то же время титан является одним из немногих металлов с исключительно высокой коррозионной стойкостью: он практически вечен в атмосфере воздуха, в холодной и кипящей воде, весьма стоек в морской воде, в раство­рах многих солей, неорганических и органических кислотах. По своей коррозионной стойкости в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благород­ных – золота, платины и т. п., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие спла­вы. В воде, во многих агрессивных средах чистый титан не подвержен коррозии. Почему же это происходит? Почему так активно, а нередко и бурно, со взрывами, реагирующий почти со всеми элементами периодиче­ской системы титан стоек к коррозии? Дело в том, что реакций титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных тем­пературах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакции. Связано это с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, хорошо срастающаяся с металлом тончайшая (в несколько ангстрем (1А=10^-10м) пленка диоксида титана, предохраняющая его от дальнейшего окисления. Если даже эту пленку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка появляет­ся вновь, и металл, как говорят, ею «пассивируется», т. е. защищает сам себя от дальнейшего разрушения.

Рассмотрим несколько подробнее поведение чистого титана в различных агрессивных средах. Противостоит титан и эрозионной коррозии, происходя­щей в результате сочетания химического и механиче­ского воздействия на металл. В этом отношении он не уступает лучшим маркам нержавеющих сталей, спла­вам на основе меди и другим конструкционным мате­риалам. Хорошо противостоит титан и усталостной кор­розии, проявляющейся часто в виде нарушений целост­ности и прочности металла (растрескивание, локальные очаги коррозии и т. п.). Поведение титана во многих агрессивных средах, в таких, как азотная, соляная, серная, «царская водка» и другие кислоты и щелочи, вызывает удивление и восхищение этим металлом.

В азотной кислоте, являющейся сильным окислите­лем, в котором быстро растворяются очень многие ме­таллы, титан исключительно стоек. При любой кон­центрации азотной кислоты (от 10 до 99%-ной), при любых температурах скорость коррозии титана не превышает 0,1–0,2 мм/год. Опасна только красная дымящая азотная кислота, пересыщен­ная (20% и более) свободными диоксидами азота: в ней чистый титан бурно, со взрывом, реагирует. Од­нако стоит добавить в такую кислоту хотя бы немного воды (1–2% и более), как реакция заканчивается и коррозия титана прекращается.

В соляной кислоте титан стоек лишь в разбавлен­ных ее растворах. Например, в 0,5%-ной соляной кис­лоте даже при нагревании до 100° С скорость коррозии титана не превышает 0,01 мм/год, в 10%-ной при ком­натной температуре скорость коррозии достигает 0,1 мм/год, а в 20%-ной при 20° С–0,58 мм/год. При нагревании скорость коррозии титана в соляной кисло­те резко повышается. Так, даже в 1,5%-ной соляной кислоте при 100° С скорость коррозии титана состав­ляет 4,4 мм/год, а в 20%-ной при нагревании до 60° С – уже 29,8 мм/год. Это объясняется тем, что соляная кислота, особенно при нагревании, растворяет пассивирующую пленку диоксида титана и начинается растворение металла. Однако скорость коррозии титана в соляной кислоте при всех условиях остается ниже, чем у нержавеющих сталей.

В серной кислоте слабой концентрации (до 0,5–1% ) титан стоек даже при температуре раствора до 50–95° С. Стоек он и в более концентрированных раство­рах (10–20%-ных) при комнатной температуре, в этих условиях скорость коррозии титана не превышает 0,005–0,01 мм/год. Но с повышением температуры раствора титан в серной кислоте даже сравнительно слабой концентрации (10–20%-ной) начинает растворяться, причем скорость коррозии достигает 9–10 мм/год. Серная кислота, так же как и соляная, разрушает за­щитную пленку диоксида титана и повышает его растворимость. Ее можно резко понизить, если в растворы этих кислот добавлять определенное коли­чество азотной, хромовой, марганцевой кислот, соеди­нений хлора или других окислителей, которые быстро пассивируют поверхность титана защитной пленкой и прекращают его дальнейшее растворение. Вот почему титан практически единственный металл, не растворяю­щийся в «царской водке»: в ней при обычных темпе­ратурах (10–20° С) коррозия титана не превышает 0,005 мм/год. Слабо корродирует титан и в кипящей «царской водке», а ведь в ней, как известно, многие металлы, и даже такие, как золото, растворяются почти мгновенно.                                     

Очень слабо корродирует титан в большинстве орга­нических кислот (уксусной, молочной, винной), в раз­бавленных щелочах, в растворах многих хлористых со­лей, в физиологическом растворе. А вот с расплавами хлоридов при температуре выше 375° С титан взаимо­действует очень бурно.

В расплаве многих металлов чистый титан обнару­живает удивительную стойкость. В жидких горячих магнии, олове, галлии, ртути, литии, натрии, калии, в расплавленной сере титан практически не корроди­рует, и лишь при очень высоких температурах распла­вов (выше 300–400° С) скорость его коррозии в них может достигать 1 мм/год. Однако есть немало агре