История открытия титана как химического элемента

Кто и как открыл титан? Интересные факты

История открытия титана непредсказуема и весьма увлекательна. Как думаете, кто открыл титан? Варианты:

Титан открыл и нашел британский священник в 1791 году в долине Менакин (ниже место нахождения показано на Гугл карте):

Как священник Улильям Грегор открыл титан?

Минералогия не была профессией пастора. Скорее это было хобби, увлечение. Открытие титана – большая удача и самый выдающийся поступок в жизни Грегора. Добыл он титан благодаря темному песку, который обнаружил у местного моста в долине Менакин. Грегора заинтересовал магнитизм песка, похожего на антрацит, и тот решил провести эксперимент над находкой в своей мини-лаборатории.
Священник погрузил пробу найденного песка в соляную кислоту. В результате светлая часть пробы растворилась и остался только темный песок. Тогда Уильям долил в песок серную кислоту, которая растворила остаток пробы. Решив продолжить эксперимент, Грегор нагрел раствор и тот начал мутнеть. В результате вышло что-то наподобие известкового молока:

Грегора удивил оттенок суспензии, но не настолько, чтобы делать дерзкие выводы об открытии нового элемента Ti. Он решил добавить еще кислоты H2SO4, но помутнение не исчезало. Тогда пастор продолжил нагрев суспензии, пока жидкость полностью не испарилась. На ее месте остался белый порошок:

Тут-то Уильям Грегор решил, что имеет дело с неизвестным ему видом извести. Он тут же передумал после прокаливания порошка (нагрев до 400 градусов Цельсия и выше) – вещество пожелтело. Не в силах идентифицировать открытие, он позвал на помощь своего друга, который в отличии от пастора, занимался минералогией профессионально. Его друг, ученый Хавкинс подтвердил открытие – это новый элемент!
Далее пастор подал заявку об открытии элемента. в «Физический журнал» Найденную породу он назвал «менаканитом», добытый оксид «менакином». Но сам элемент тогда названия так и не получил.
В честь открытия титана на месте возле моста, где Уильям Грегор нашел «странный» темный песок, в апреле 2002 года установили мемориальную доску в честь открытия. Позже священник решил углубиться в изучение минералов и открыл собственное Геологическое общество в родном городе Корнуэлле. Он также нашел титан в тибетском корунде и олове в родном округе.
Мемориальная доска:

Кто дал название металлу Титану?

Мартин Генрих Клапрот скептически принял статью из «Физического журнала» об открытии менакина. Тогда много чего открывали. Сам ученый открыл Уран и Цирконий! Он решил проверить правдивость слов священника на деле. Во время исканий обнаружил некий «венгерский красный шерл» и решил разложить его до элементов. В результате получил аналогичный «Грегоровскому» порошок белого цвета. После сравнения плотностей оказалось, что это одинаковое вещество.

Священник и именитый ученый открыли один и тот же минерал – это был не менакин и не шерл, а рутил. Порода, в которой Грегор нашел черный песок ныне называется ильменитом. Клапрот знал, что пастор первым обнаружил диоксид и не претендовал на открытие (тем более, что он уже открыл Уран и Цирконий). Но научное сообщество больше приняло старания ученого, чем священника. Сейчас считается, что и Грегор и Клапрот одинаково в этом участвовали и «вместе» открыли Титан в 1791 году (хоть пастор и сделал это первым).

Почему титан так назвали?

В 18 веке огромное влияние оказывала французская школа химика Лавуазье. Согласно принципам школы, новые элементы называли исходя из их ключевых особенностей. По такому принципу назвали Оксиген (порожденный воздухом), Гидроген (порожденный водой) и Азот («безжизненный). Но Клапрот критически отнесся к этому принципу Лавуазье, хоть и поддерживал другие его учения. Он решил пойти по своему принципу: Мартин называл элементы мифическими именами, планетами и другими названиями, не имеющими отношения к свойствам вещества.
Генрих Клапрот назвал добытый из рутила элемент Титаном в честь первых обитателей планеты Земля. Титан Прометей дал людям огонь, а открытый металл титан ныне дает авиации, судо- и ракетостроению сырье для новых открытий!

Источник

Титан как химический элемент таблицы Менделеева

Как был открыт Титан

История открытия такого химического элемента как титан начинается в XVIII веке. Считается, что впервые этот химический элемент был обнаружен священнослужителем и минерологом Уильямом Грегором. По историческим сведениям, священнослужитель нашел черный песок и заметил, что какая-то его часть притягивается магнитом, а какая-то оостается неподвижной, он решил ее тщательно изучить. Анализируя составляющие найденного черного песка он обнаружил оксиды двух металлов. Одним из них был оксид железа — та часть которая притягивалась магнитом. Вторую же часть Грегор не смог индефицировать, потому что он не попадал ни под одно описание. Уильям сообщил о своей находке в Королевское геологическое сообщество Корнуолла. Статья об этом событии была опубликована в одном из немецких научных журналов.

Примерно в то же время, австрийский минеролог Франц-Иосиф Мюллер фон Райхенштейн произвел подобное вещество, но он не смог установить факт того, что это новый химический элемент. Еще раз оксид титана был открыт немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом в Рутиле (современная Венгрия) в 1795 году. Он обнаружил, что в оксиде содержится новый химический элемент и назвал его Титаном в честь богов греческой мифологии. Услышав об открытии Грегора, Клапрот исследовал образец манакканита. Проведя опыты, он подтвердил, что минерал содержит титан.

Известные на сегодняшний день способы извлечения титана из минералов являются трудоемкими и дорогостоящими. Чистый химический элемент (99%) впервые был получен только в 1910 году ученым родом из Новой Зеландии. В американском политехническом институте Ренсселера (Нью-Йорк, США) Мэтью Хантер нагрел хлорид титана до температуры около 800°C под большим давлением и добавил Натрий. В результате химической реакции получился хлорид натрия и очищенный титан. Сегодня эта химическая реакция известна во всем мире как процесс Хантера. В 1932 году Уильям Джастин Кролл улучшил процесс Хантера заменив натрий магнием. Эта реакция получила название процесс Кролла.

Где и как добывают Титан

Технологический процесс получения чистого титана является очень трудоемким и дорогостоящим. Так как этот химический элемент практически не встречается в природе в чистом виде его получают из таких минералов как ильменит и рутил. Ильменит представляет собой титановую железную руду, которая добывается в больших количествах во многих местах. Лидерами по добыче ильменита являются Россия и Канада. Рутил в свою очередь представляет собой диоксид титана. Рутил является так же как и ильменит довольно распространенным минералом и лидером по его добыче является африканская страна Сьера-Леоне.

В целом процесс получения чистого титана со времен открытия процесса Кролла не сильно изменился. Так же из ильменита и рутила получают диоксид титана, а после этого его превращают в тетрахлорид титана и монооксид углерода под высоким давлением и температурой. В ходе химической реакции добавляют жидкий магний и соответственно выделяется чистый титан. Формулы реакций выглядят следующим образом:

Этот процесс известен как процесс Кролла. Вместо магния на последнем этапе можно использовать натрий:

Эта рекция с натрием известна как процесс Хантера.

На сегодняшний день крупнейшим производителем титана и титановых сплавов является Российская Федерация.

Распространенность Титана

Распространенность титана вопрос довольно неопределенный, так как оценка распространенности во Вселенной не произведена. На Земле титан встречается исключительно в земной коре. Этот химический элемент занимает девятую строчку по распространенности по массе. В основном он встречается в минералах и представляет там соединения с кислородом и другими элементами. Самыми известными и важными минералами являются:

Основными месторождениями этих минералов являются Россия, Австралия, страны Скандинавии, Малайзия и Северная Америка. В 2010 году были обнаружены крупные месторождения в Парагвае. Их использование планируют начать в ближайшее время.

Что касается Вселенной, то, как говорилось выше, произвести оценку распространенности достаточно проблематично. Известно, что титан обнаружен на Солнце и на звездах спектрального класса М. Так же во многих метеоритах падавших на Землю был обнаружен титан. Образцы грунта собраного экспедициями на Луне, так же подтверждают наличие титана на спутнике Земли. В общем, подведя итоги, можно отметить что оценка распространенности еще не произведена, но редким элементом во Вселенной титан точно не будет.

Применение Титана

Не смотря на дороговизну изготовления титана, благодаря химическим и физическим свойствам его применение очень широкое. Наиболее часто применяется оксид титана. Титан применяется почти во всех сферах деятельности человека, начиная от металлургии и заканчивая медициной. В металлургии титан применяется в качестве добавки к другим веществам для улучшения их свойств. Сплавы на основе титана являются очень дорогими. Их цена оценивается приблизительно в 25 американских долларов за килограмм. В свою очередь сплавы из титана применяются там где необходима корозийная устойчивость и прочность.

Примером является военное дело, где из титана производятся бронежилеты и каски. Так же несущие винты морских судов изготавливаются исключительно из этого химического элемента. Сплавы титана широко применяются в медицине, так как они биосовместимы с человеческим организмом. Они не вызывают аллергической реакции и отторжения организмом. Поэтому из сплавов титана производят импланты для организма человека, такие как зубы и искуственные кости человека. Так же в транспортной промышленности сплавы титана используются для изготовления каркаса велосипедов, автомобильных торсионов(пружин) и других запасных частей. В пищевой промышленности ионы титана содержатся в некоторых пищевых добавках. Еще одним примером применения являются электронные сигареты в которых титановая проволока выступает как нагревательный элемент курительной жидкости. В электронике некоторые компании выпускали устройства с титановыми корпусами(мобильные телефоны и ноутбуки). Так же и некоторые драгоценные изделия изготавливаются с использованием титана.

Интересные факты

Интересных фактов связанных с титаном достаточно много. Стоит начать с того, что гонг(музыкальный инструмент) изготовлен из чистого титана. Трубы изготавливаемые для перекачки нефти и газа производятся из титана из-за его прочности и короззийной устойчивости. Еще одним интересным моментом является то, что титан в виде порошка является легковоспламеняющимся веществом. Соединения на основе титанового порошка используются в пиротехнии. Так же титан используется в качестве электрода в литиевых и литий-ионных батареях.

Источник

Как открыли титан?

На заре становления химии как науки, остро стояла проблема об открытии новых, ранее неизвестных элементов. В XVII веке этим вопросом занимались все, кто хоть какое-то имел представление в опытах и исследованиях.

Открыть титан довелось обычному священнику в 1790 году. Увлекшись наукой, Уильям Грегор стал заниматься изучением долины Мичиган. Ему довелось обнаружить там необычный песок, черного цвета. Проводя опыты с найденным материалом, химик самоучка получил белое порошкообразное вещество, которое изначально было принято за известь. К счастью он не бросил свое испытание, и, более тщательный анализ, позволил ему сделать выводы, что его порошок – это смесь железа с еще одним металлом.

Посоветовавшись со своими коллегами, Грегор издает материалы своего исследования, назвав свое новое вещество достаточно красиво – Меначин, в честь исследуемой долины. Прочитав про опыты священника, немецкий химик Мартин Генрих Клапрот сделал выводы, что он тоже получил подобный порошок при исследовании рутила. Он решил, что новое вещество надо именовать Титаном, в честь древних жителей земли. Ученые были в замешательстве от такой трактовки, но М.Г. Клапрот вовсе не хотел признавать теорию Лавуазье о необходимости давать названия элементам исходя из учета их свойств.

Клапрот посчитал, что нет точных свойств, которые могут быть изложены в названии этого химического элемента, поэтому ему пришлось прибегнуть к мифологии, так же как ранее это было сделано с ураном. Название, можно сказать, было пророческим, ведь в дальнейшем было установлено, что это один из самых крепких и стойких металлов. В дальнейшем М.Г. Клапрот сделал сравнительный анализ титана и ранее полученного меначина, подтвердив полную идентичность двух веществ.

В России исследования титана начались только в XIX веке, его получил ученый Товий Ловиц. Но это не был чистый металл, в основном в нем содержались примеси кислорода или азота. Чистая проба была добыта в 1875 году благодаря русскому ученому Д. К. Кириллову. На протяжении нескольких лет в научной литературе значится название элемента как титаний. В последующем оно сокращается до привычного нам титан.

Почти все столетие многие ученые мужи трудились над получением титана, было предложено массу методов и вариантов, для добычи чистого металла. Их старания не прошли даром. И в 1947 году почти 45 кг технического титана было выпущено с производства. Со временем его объемы росли в неимоверных количествах. В конце 80-х годов, в СССР добыча титана в несколько раз превышала объемы его добычи в других странах, вместе взятых.

Титан и сплавы на его основе нашли огромное применение в авиа и приборостроении, благодаря своим высоким антикоррозийным свойствам. Титан также незаменим и в судостроении. Обработка титана азотом позволяет получить на его поверхности красивую золотую пленку, которая вовсе не уступает золотому напылению. Это позволило применять титан при изготовлении скульптур. Считается, что колокола из этого металла обладают невероятным звоном.

Источник

Титан

Название, символ, номер Титан / Titanium (Ti), 22 Атомная масса
(молярная масса) 47,867(1) а. е. м. (г/моль) Электронная конфигурация [Ar] 3d 2 4s 2 Радиус атома 147 пм Ковалентный радиус 132 пм Радиус иона (+4e)68 (+2e)94 пм Электроотрицательность 1,54 (шкала Полинга) Электродный потенциал −1,63 Степени окисления 2, 3, 4 Энергия ионизации
(первый электрон) 657,8 (6,8281) кДж/моль (эВ) Плотность (при н. у.) 4,54 г/см³ Температура плавления 1670 °C
1943 K Температура кипения 3560 K Уд. теплота плавления 18,8 кДж/моль Уд. теплота испарения 422,6 кДж/моль Молярная теплоёмкость 25,1 Дж/(K·моль) Молярный объём 10,6 см³/моль Структура решётки гексагональная
плотноупакованная (α-Ti) Параметры решётки a=2,951 с=4,697 (α-Ti) Отношение c/a 1,587 Температура Дебая 380 K Теплопроводность (300 K) 21,9 Вт/(м·К) Номер CAS 7440-32-6

Содержание

История

Открытие диоксида титана (TiO₂) сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, 1791), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 году немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля — оксиды одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз: французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз — идентичные оксиды титана.

Первый образец металлического титана получил в 1825 году швед Й. Я. Берцелиус. Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров иодида титана TiI₄.

Титан не находил промышленного применения, пока люксембуржец Г. Кролл в 1940 году не запатентовал простой магниетермический метод восстановления металлического титана из тетрахлорида; этот метод процесс Кролла до настоящего времени остаётся одним из основных в промышленном получении титана.

Происхождение названия

Нахождение в природе

Месторождения

Крупные коренные месторождения титана находятся на территории ЮАР, России, Украины, Канады, США, Китая, Норвегии, Швеции, Египта, Австралии, Индии, Южной Кореи, Казахстана; россыпные месторождения имеются в Бразилии, Индии, США, Сьерра-Леоне, Австралии. В странах СНГ ведущее место по разведанным запасам титановых руд занимает РФ (58,5 %) и Украина (40,2 %). Крупнейшее месторождение в России — Ярегское.

Запасы и добыча

Основные руды: ильменит (FeTiO₃), рутил (TiO₂), титанит (CaTiSiO₅).

По данным на 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO₂. Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтверждённые запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603—673 млн т., а рутиловых — 49,7—52,7 млн т. Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта России) хватит более чем на 150 лет.

Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), достаточно равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений (Ярегское) находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн руды со средним содержанием диоксида титана около 10 %.

Крупнейший в мире производитель титана — российская компания «ВСМПО-АВИСМА».

Получение

Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а невосстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.

Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки — порошок диоксида титана TiO₂. Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором, получая пары тетрахлорида титана TiCl₄:

Образующиеся пары TiCl₄ при 850 °C восстанавливают магнием:

Кроме этого, в настоящее время начинает получать популярность так называемый процесс FFC Cambridge, названный по именам его разработчиков Дерека Фрэя, Тома Фартинга и Джорджа Чена из Кембриджского университета, где он был создан. Этот электрохимический процесс позволяет осуществлять прямое непрерывное восстановление титана из оксида в расплаве смеси хлорида кальция и негашёной извести (оксида кальция). В этом процессе используется электролитическая ванна, наполненная смесью хлорида кальция и извести, с графитовым расходуемым (либо нейтральным) анодом и катодом, изготовленным из подлежащего восстановлению оксида. При пропускании через ванну тока температура быстро достигает

1000—1100 °C, и расплав оксида кальция разлагается на аноде на кислород и металлический кальций:

Полученный кислород окисляет анод (в случае использования графита), а кальций мигрирует в расплаве к катоду, где и восстанавливает титан из его оксида:

Образующийся оксид кальция вновь диссоциирует на кислород и металлический кальций, и процесс повторяется вплоть до полного преобразования катода в титановую губку либо исчерпания оксида кальция. Хлорид кальция в данном процессе используется как электролит для придания электропроводности расплаву и подвижности активным ионам кальция и кислорода. При использовании инертного анода (например, диоксида олова), вместо углекислого газа на аноде выделяется молекулярный кислород, что меньше загрязняет окружающую среду, однако процесс в таком случае становится менее стабильным, и, кроме того, в некоторых условиях более энергетически выгодным становится разложение хлорида, а не оксида кальция, что приводит к высвобождению молекулярного хлора.

Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан йодидным способом или электролизом, выделяя Ti из TiCl₄. Для получения титановых слитков применяют дуговую, электронно-лучевую или плазменную переработку.

Физические свойства

Удельное электрическое сопротивление при 20 °C составляет 0,58 мкОм·м (по другим данным 0,42 мкОм·м), при 800 °C 1,80 мкОм·м. Температурный коэффициент сопротивления 0,003 К −1 в диапазоне 0…20 °C.

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO₂, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

Изотопы

Известны изотопы титана с массовыми числами от 38 до 63 (количество протонов 22, нейтронов от 16 до 41), и 2 ядерных изомера.

Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов: 46 Ti (изотопная распространенность 7,95 %), 47 Ti (7,75 %), 48 Ti (73,45 %), 49 Ti (5,51 %), 50 Ti (5,34 %).

Среди искусственных изотопов самые долгоживущие 44 Ti (период полураспада 60 лет) и 45 Ti (период полураспада 184 минуты).

Химические свойства

Устойчив к коррозии благодаря оксидной плёнке, но при измельчении в порошок, а также в тонкой стружке или проволоке титан пирофорен. Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки — 400 °C. Титановая стружка пожароопасна.

Титан устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме HF, H₃PO₄ и концентрированной H₂SO₄). Титан устойчив к влажному хлору и водным растворам хлора.

При нагревании на воздухе до 1200 °C Ti загорается ярким белым пламенем с образованием оксидных фаз переменного состава TiO_x. Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH)₂·xH₂O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO₂. Гидроксид TiO(OH)₂·xH₂O и диоксид TiO₂ амфотерны.

TiO₂ взаимодействует с серной кислотой при длительном кипячении. При сплавлении с содой Na₂CO₃ или поташом K₂CO₃ оксид TiO₂ образует титанаты:

При нагревании Ti взаимодействует с галогенами (например, с хлором — при 550 °C). Тетрахлорид титана TiCl₄ при обычных условиях — бесцветная жидкость, сильно дымящая на воздухе, что объясняется гидролизом TiCl₄, содержащимися в воздухе парами воды и образованием мельчайших капелек HCl и взвеси гидроксида титана.

Восстановлением TiCl₄ водородом, алюминием, кремнием, другими сильными восстановителями, получен трихлорид и дихлорид титана TiCl₃ и TiCl₂ — твёрдые вещества, обладающие сильными восстановительными свойствами. Ti взаимодействует с Br₂ и I₂.

С азотом N₂ выше 400 °C титан образует нитрид TiN_x (x = 0.58—1.00). Титан — единственный элемент, который горит в атмосфере азота.

При взаимодействии титана с углеродом образуется карбид титана TiC_x (x = 0.49—1.00).

При нагревании Ti поглощает H₂ с образованием соединения переменного состава TiH_x (x = 2.00—2.98). При нагревании эти гидриды разлагаются с выделением H₂.

Титан образует сплавы и интерметаллические соединения со многими металлами.

Источник