Historia del descubrimiento del metal
Todo comenzó en 1791, cuando, independientemente el uno del otro, simultáneamente, W. Gregor (Inglaterra) y MG Klaproth (Alemania) recibieron dióxido de titanio, pero no pudieron extraer la sustancia pura. El mineralogista y, al mismo tiempo, el sacerdote de la aldea, Gregor, estudiaron la arena de hierro negro que se encuentra cerca de su parroquia. El resultado fue la extracción de un compuesto de granos brillantes de titanio, que con el nombre de "menakin" (del mineral menacanita) perpetuó los lugares nativos del inglés.
Casi al mismo tiempo, el químico Klaproth, estudiando las arenas rojas traídas de Hungría, encontró una nueva sustancia en el rutilo mineral y lo llamó "titanio". Unos años más tarde, demostró que el rutilo y la tierra menuda son compuestos idénticos. En 1825, el químico sueco Berzelius obtuvo la primera muestra de titanio metálico, pero esto no permitió avanzar en el estudio de las propiedades, ya que las impurezas hicieron que la muestra fuera frágil e inadecuada para el mecanizado.
Sólo en 1925, los químicos holandeses van Arkel y de Boer, aplicando la descomposición térmica del yoduro de titanio, que no encontró un uso amplio, obtuvieron una sustancia con una pureza del 99, 9%. Tal metal tenía plasticidad, se podía enrollar en láminas, alambre y papel de aluminio. Esto permitió comenzar un estudio a gran escala de las propiedades físicas y químicas, para atraer la atención de ingenieros y constructores, para delinear el alcance de la aplicación. Y ya en 1940, apareció el proceso de Krollow para la recuperación de tetracloruro de titanio con magnesio, que se ha utilizado con éxito hasta el día de hoy.
Teorías del origen del nombre.
Hay dos teorías sobre el origen de los nombres:
El primero, enfatizando las propiedades básicas del metal de titanio - ligereza y durabilidad, está asociado con el nombre del personaje de la leyenda alemana - la reina elfa Titania.- Otra teoría se refiere a la mitología griega antigua, donde los titanes llamaban a los poderosos hermanos: deidades de segunda generación, los hijos de los dioses Urano y Gaia. Los ecos de esto se escuchan en el nombre del elemento uranio.
Encontrar titanio en la naturaleza
El titanio ocupa el cuarto lugar de honor en términos de su contenido en la corteza terrestre, entre los metales más importantes para el hombre, después del hierro, el magnesio y el aluminio. Su cantidad máxima se concentra en la capa basáltica inferior, un poco menos, en el granito. Teniendo en cuenta la alta actividad química, no es posible encontrar titanio en su forma pura. Los óxidos tetravalentes más comunes, que se concentran en los minerales de la corteza de la intemperie y en la arcilla marina.
Hoy en día, hay hasta 75 minerales de titanio, y los científicos declaran periódicamente el descubrimiento de todas las nuevas formas y compuestos. Para el procesamiento industrial los más importantes son:
Ilmenita.- Leucoxen (producto de cambios de ilmenita).
- Rutilo
- Titanita (esfeno).
- Perovskit.
- Anatasa
- Titanomagnetita
- Brookit
Titán es un migrante débil, se puede transportar solo en forma de fragmentos mecánicos de roca o durante el movimiento de capas de limo coloidal de cuerpos de agua. La biosfera se caracteriza por el contenido de cantidades máximas de este metal en las algas, en los animales se encuentra en la lana y en los tejidos calientes, presentes en el cuerpo humano en la glándula tiroides, el bazo, las glándulas suprarrenales y la placenta.
Depósitos de material espacial.
Los depósitos más comunes de ilmenita son alrededor de 800 millones de toneladas. Las reservas de minerales de rutilo son mucho más pequeñas, pero con la preservación del crecimiento de la producción, todos pueden proporcionar humanidad durante otros 100 años. En términos de reservas de titanio, Rusia ocupa el segundo lugar después de China y tiene 20 depósitos explorados. La mayoría de ellos son complejos, donde también se extraen hierro, fósforo, vanadio y circonio. Hoy en día, la empresa metalúrgica rusa VSMPO-AVISMA es considerada la mayor productora de titanio del mundo .
Los depósitos extensos se encuentran en Sudáfrica, Ucrania, Canadá, Estados Unidos, Brasil, Australia, Suecia, Noruega, Egipto, Kazajstán, India y Corea del Sur. Se diferencian en contenido de metal en minerales y volúmenes de producción, los estudios geológicos no se detienen. Incluso en la luna, se descubrieron reservas de minerales que contienen titanio, algunas de ellas son diez veces más ricas que los grandes depósitos de la Tierra. Esto nos permite esperar una disminución en los precios de mercado del metal y la expansión de la esfera de uso.
Propiedades físicas del elemento.
El titanio es un elemento químico de la tabla periódica, se encuentra en el grupo IV del cuarto período. Tiene un número atómico de 22, una masa molar de 47.867, se denota con el símbolo Ti y presenta estados de oxidación de 2 a 4, sus compuestos tetravalentes son los más estables. Bajo presión normal, el punto de fusión del titanio es 1670 ± 2 ° C, se refiere a metales refractarios no ferrosos y se parece al acero en apariencia.
La dureza, la plasticidad y la resistencia elástica son parámetros importantes para cualquier metal que determine su alcance. El titanio es 12 veces más fuerte que el aluminio, 4 veces el cobre y el hierro. También es mucho más liviano que todos ellos (la densidad del titanio es de solo 4.54 g / cm 3) y se procesa libremente mediante los métodos de soldadura, remachado, forjado y laminado. Las características importantes incluyen baja conductividad térmica y conductividad eléctrica, que se mantienen sin cambios incluso a altas temperaturas.
El titanio exhibe propiedades paramagnéticas: no se magnetiza en un campo magnético, como el níquel y el hierro, y no se expulsa como la plata y el oro. Sus pobres propiedades antifricción se deben a que se adhieren a muchos materiales. Existen indicadores únicos de resistencia a la corrosión y resistencia a la tensión mecánica: las placas de titanio, que han permanecido durante diez años en el lecho marino, no sufrirán cambios en el aspecto y la composición, y el hierro se descompondrá completamente durante este tiempo.
Propiedades quimicas
Alta resistencia a la corrosión debido al hecho de que en condiciones normales en la superficie de la película de óxido de metal está presente. Sin embargo, en forma de polvo, virutas finas o alambre, puede encenderse y explotar. El titanio es resistente a las soluciones acuosas de cloro y muchos álcalis y ácidos diluidos, excepto los hidrofluóricos, ortofosfóricos y sulfúricos. La soldadura y la fusión se llevan a cabo al vacío, ya que, incluso con un ligero calentamiento, se manifiesta una de las propiedades principales del titanio: la absorción activa de los gases de la atmósfera circundante.
La reacción con hidrógeno, que comienza a 60 ° C, es reversible, los hidruros obtenidos se descomponen cuando se calientan. En el aire a una temperatura de 1200 ° C, el titanio brilla con una llama blanca brillante, y solo puede quemarse en una atmósfera de nitrógeno a temperaturas superiores a 400 ° C para formar nitruros. Para interactuar con los halógenos, las condiciones necesarias son la ausencia de humedad y la presencia de un catalizador - alta temperatura. La reacción con el carbono produce carburo superduro. Con la mayoría de los metales, el titanio forma aleaciones de alta resistencia estructural o resistente al calor y compuestos intermetálicos, a menudo utilizados como un importante componente de aleación.
El método de obtención de materias primas.
El material de alimentación es dióxido de titanio que contiene pocas impurezas. Esto requiere concentrado de rutilo, obtenido por enriquecimiento de mineral. Pero sus reservas mundiales son pequeñas y, con mayor frecuencia, utilizan escoria de titanio (rutilo sintético), que se obtiene mediante tratamiento térmico: enriquecimiento de los concentrados de ilmenita en un horno de arco eléctrico. Como resultado, el hierro en forma de hierro fundido se recoge en el fondo de un baño especial, y queda un polvo gris - escoria que contiene óxido de titanio. Se tritura, se mezcla con carbón, se briquetea y se clora en hornos donde, a 800 ° C, se forman vapores de tetracloruro de titanio en presencia de carbono.
Luego se limpian y reducen en reactores especiales con magnesio a 950 ° C. Una masa porosa sinterizada, una esponja de titanio, se forma en las paredes, que se calcina en vacío para la separación de los compuestos de magnesio. Para hacer lingotes de titanio, la esponja obtenida se funde en hornos de vacío. Esto protege al metal de la oxidación y contribuye a la liberación final de las impurezas. Los lingotes terminados con una pureza de hasta el 99, 7% se utilizan para el tratamiento a presión (laminado, estampado, forjado).
Principales aplicaciones
Es difícil describir todas las áreas de la vida donde Titan encontró un lugar, pero entre las áreas principales se pueden mencionar:
Los principales consumidores son la ciencia aeroespacial y de cohetes. Los altos puntos de fusión y la ligereza son ventajas invaluables del titanio cuando se utiliza como material de construcción "volador". Para las aeronaves, por ejemplo, se trata de alerones y mástiles, eslabones giratorios, tuberías y marcos. Es profundamente simbólico que en 1980 el monumento a Yu. A. Gagarin erigido en Moscú fuera de este metal cósmico.- La construcción naval también necesita materiales ligeros y resistentes a la corrosión. A finales de los años 70 del siglo XX, casi todo el volumen anual de producción de titanio en la Unión Soviética se destinó a la creación de un submarino nuclear, donde sirvió como el principal material estructural. El resultado fue una reducción en un tercio del peso del submarino, su paramagnetismo, los indicadores máximos de la profundidad de inmersión y la velocidad bajo el agua.
- Las placas de titanio se utilizan en armaduras. Cuerpo ligero de armadura - 4 kg, pesado - 10.5 kg. Incluso una tira de este tipo con un grosor de solo 5 mm protege de forma fiable contra balas de pistola y rifle.
- El metal es indispensable para las necesidades de la industria química debido a su resistencia a la corrosión en los medios más agresivos y a altas temperaturas: instrumentos y tuberías, tanques de almacenamiento y destilación, filtros y válvulas de cierre.
- Para dar aceros de dureza y resistencia al calor, se utiliza como aditivo de aleación.
- Las aleaciones de titanio se utilizan para la fabricación de instrumentos de corte y quirúrgicos, joyería. El metal no es rechazado por el cuerpo humano, por lo que se utiliza en medicina para crear implantes.
Hace mucho tiempo que los edificios en las ciudades europeas estaban cubiertos con láminas de zinc. En el siglo XX, se creó un material de zinc-titanio duradero y ecológico para estas necesidades. Su excelente plasticidad ayuda a hacer el techo de casi todos los circuitos y a formar cualquier diseño no estándar de fachadas.- La producción de materiales de construcción, pinturas, caucho, plásticos, papel y aditivos alimentarios es difícil de imaginar sin compuestos de titanio. Son muy demandados en ingeniería eléctrica, se pueden encontrar en la composición de vidrios refractarios y piezas de cerámica, en soportes de plataformas de perforación que operan en condiciones extremas del mar y en casos de computadoras domésticas.
El ámbito de aplicación del titanio se expande constantemente, se ve limitado por la complejidad y la intensidad energética del proceso de obtención de sustancias puras. Esto es, en parte, el motivo por el cual el hierro y el aluminio tradicionales aún mantienen firmemente sus posiciones en la actualidad. Titán es un tratamiento caro. El precio del metal en forma de concentrado es cientos de veces menor que el costo de los productos terminados, como la chapa metálica. Hoy en día, tales costos no están disponibles para todos, por lo que el uso de titanio determina el nivel de desarrollo económico y la capacidad de defensa del estado.