Строение атома титана

Введение

Двадцатый век по мере развития научно-технического прогресса называли «веком электричества», «веком радио», «веком всеобщей грамотности», «веком автомобиля», «веком космонавтики», даже «веком самых жестоких войн», но металлурги называют 20 век «веком алюминия и титана». Титан – очень ценный металл не только благодаря замечательным свойствам, но и потому, что запасы его в земной коре велики: кларк титана (содержание в литосфере) составляет от 0,63 до 0,75 %, это седьмое место среди металлов.

Титан – металл 4 группы периодической системы Д.И. Менделеева, порядковый номер 22, атомная масса 47, 88, плотность 4,5 г/см³. Это пограничный металл между легкими и тяжелыми (5 г/см³) металлами. Титан обладает высокой прочностью, твердостью и хорошей пластичностью. Высокая температура плавления позволяет получать жаропрочные сплавы, отличное сопротивление коррозии – использовать для работы в агрессивных средах. Чистый титан очень хорошо сваривается и пригоден для любых видов механической обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать, делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм. Особенно великолепными свойствами обладают сплавы на основе 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 священник Уильям Мак-Грегор. Будучи минералогом-любителем и проводя минералогические изыскания в своем приходе, в 1789 г. он обратил внимание на необычные свойства черного песка в долине Менакэна на юго-западе Англии. Исследуя пески, Мак-Грегор обнаружил крупицы черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновенным магнитом. В своей небольшой минералогической лаборатории он произвел с этим магнитным минералом несколько опытов: растворил его сначала в соляной, а затем в серной кислоте, упарил раствор и получил белый порошок, который при прокалке желтел, а при спекании с углем приобретал голубой цвет. Это природное образование черного цвета Мак-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».

В 1795 г. немецкий исследователь-химик Мартин Генрих Клапрот, изучая минерал рутил, выделил из него диоксид нового металла – белый порошок, похожий на описанный ранее Мак-Грегором. И Клапрот известил мир об открытии нового металла: «… 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».

Это название стало поистине пророческим. Мифические 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. Титан способен растворять почти все элементы периодической системы, и исследователи получали металл с высоким содержанием примесей кислорода, азота, серы, фосфора, водорода и др., в результате чего выделенный металл был весьма хрупким, и долгие годы, вплоть до середины 20 века, 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.

И только полученный йодидным методом в 1925 г. Ван Аркелем и де Буром чистейший титан оказался таким технологичным металлом со многими ценными свойствами, что сразу привлек к себе внимание широкого круга конструкторов и инженеров.

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 1960-1980 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

Строение атома титана

В периодической системе элементов Менделеева титан имеет порядковый номер 22, значит, 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. Атомная масса природного титана, вычисленная по результатам исследований его изотопов, составляет 47,926. Всего сейчас известно 13 изотопов элемента № 22. Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов, наиболее широко представлен титан-48, его доля в рудах 74 %. 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 очень радиоактивны, с различными сроками полураспада.

Вокруг положительно заряженного ядра титана на четырех орбитах располагаются электроны: на К(1) – два, на L(2) – восемь, на М(3) – 10, на N(4) – два электрона. С орбит N и М атом титана может свободно отдавать по два электрона. 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 также 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 б о льшую 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.