Большая Советская Энциклопедия (ТИ)

Большая Советская Энциклопедия

Химические свойства. Чистый Т. — химически активный переходный элемент , в соединениях имеет степени окисления + 4, реже +3 и +2. При обычной температуре и вплоть до 500—550 °С коррозионно устойчив, что объясняется наличием на его поверхности тонкой, но прочной окисной плёнки.

С кислородом воздуха заметно взаимодействует при температуре выше 600 °С с образованием TiO₂ (см. также Титана окислы ). Тонкая титановая стружка при недостаточной смазке может загораться в процессе механической обработки. При достаточной концентрации кислорода в окружающей среде и повреждении окисной плёнки путём удара или трения возможно загорание металла при комнатной температуре и в сравнительно крупных кусках.

Окисная плёнка не защищает Т. в жидком состоянии от дальнейшего взаимодействия с кислородом (в отличие, например, от алюминия), и поэтому его плавка и сварка должны проводиться в вакууме, в атмосфере нейтрального газа или под флюсом. Т. обладает способностью поглощать атмосферные газы и водород, образуя хрупкие сплавы, непригодные для практического использования; при наличии активированной поверхности поглощение водорода происходит уже при комнатной температуре с небольшой скоростью, которая

значительно возрастает при 400 °С и выше. Растворимость водорода в Т. является обратимой, и этот газ можно удалить почти полностью отжигом в вакууме. С азотом Т. реагирует при температуре выше 700 °С, причём получаются нитриды типа TiN; в виде тонкого порошка или проволоки Т. может гореть в атмосфере азота. Скорость диффузии азота и кислорода в Т. значительно ниже, чем водорода. Получаемый в результате взаимодействия с этими газами слой отличается повышенными твёрдостью и хрупкостью и должен удаляться с поверхности титановых изделий путём травления или механической обработки. Т. энергично взаимодействует с сухими галогенами (см. Титана галогениды ), по отношению к влажным галогенам устойчив, так как влага играет роль ингибитора.

Металл устойчив в азотной кислоте всех концентраций (за исключением красной дымящейся, вызывающей коррозионное растрескивание Т., причём реакция иногда идёт со взрывом), в слабых растворах серной кислоты (до 5% по массе). Соляная, плавиковая, концентрированная серная, а также горячие органические кислоты: щавелевая, муравьиная и трихлоруксусная реагируют с Т.

Т. коррозионно устойчив в атмосферном воздухе, морской воде и морской атмосфере, во влажном хлоре, хлорной воде, горячих и холодных растворах хлоридов, в различных технологических растворах и реагентах, применяемых в химической, нефтяной, бумагоделательной и др. отраслях промышленности, а также в гидрометаллургии. Т. образует с С, В, Se, Si металлоподобные соединения, отличающиеся тугоплавкостью и высокой твёрдостью. Карбид TiG (t_пл 3140 °С) получают нагреванием смеси TiO₂ с сажей при 1900—2000 °С в атмосфере водорода; нитрид TiN (t_пл 2950 °С) — нагреванием порошка Т. в азоте при температуре выше 700 °С. Известны силициды TiSi₂ , Ti₅ Si₃ , TiSi и бориды TiB, Ti₂ B₅ , TiB₂ . При температурах 400—600 °С Т. поглощает водород с образованием твёрдых растворов и гидридов (TiH, TiH₂ ). При сплавлении TiO₂ со щелочами образуются соли титановых кислот мета- и ортотитанаты (например, Na₂ TiO₃ и Na₄ TiO₄ ), а также полититанаты (например, Na₂ Ti₂ O₅ и Na₂ Ti₃ O₇ ). К титанатам относятся важнейшие минералы Т., например ильменит FeTiO₃ , перовскит CaTiO₃ . Все титанаты малорастворимы в воде. Двуокись Т., титановые кислоты (осадки), а также титанаты растворяются в серной кислоте с образованием растворов, содержащих титанилсульфат TiOSO₄ . При разбавлении и нагревании растворов в результате гидролиза осаждается H₂ TiO₃ , из которой получают двуокись Т. При добавлении перекиси водорода в кислые растворы, содержащие соединения Ti (IV), образуются перекисные (надтитановые) кислоты состава H₄ TiO₅ и H₄ TiO₈ и соответствующие им соли; эти соединения окрашены в жёлтый или оранжево-красный цвет (в зависимости от концентрации Т.), что используется для аналитического определения Т.

Получение. Наиболее распространённым методом получения металлического Т. является магниетермический метод, то есть восстановление тетрахлорида Т. металлическим магнием (реже — натрием):

TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂ .

В обоих случаях исходным сырьём служат окисные руды Т. — рутил, ильменит и др. В случае руд типа ильменитов Т. в форме шлака отделяется от железа путём плавки в электропечах. Шлак (так же, как рутил) подвергают хлорированию в присутствии углерода с образованием тетрахлорида Т., который после очистки поступает в восстановительный реактор с нейтральной атмосферой.

Т. по этому процессу получается в губчатом виде и после измельчения переплавляется в вакуумных дуговых печах на слитки с введением легирующих добавок, если требуется получить сплав. Магниетермический метод позволяет создать крупное промышленное производство Т. с замкнутым технологическим циклом, так как образующийся при восстановлении побочный продукт — хлорид магния направляется на электролиз для получения магния и хлора.

В ряде случаев для производства изделий из Т. и его сплавов выгодно применять методы порошковой металлургии. Для получения особо тонких порошков (например, для радиоэлектроники) можно использовать восстановление двуокиси Т. гидридом кальция.

Мировое производство металлического Т. развивалось весьма быстро: около 2 т в 1948, 2100 т в 1953, 20 000 т в 1957; в 1975 оно превысило 50 000 т.

Применение. Основные преимущества Т. перед др. конструкционными металлами: сочетание лёгкости, прочности и коррозионной стойкости. Титановые сплавы по абсолютной, а тем более по удельной прочности (то есть прочности, отнесённой к плотности) превосходят большинство сплавов на основе др. металлов (например, железа или никеля) при температурах от -250 до 550 °С, а по коррозионности они сравнимы со сплавами благородных металлов (см. также Лёгкие сплавы ). Однако как самостоятельный конструкционный материал Т. стал применяться только в 50-е гг. 20 в. в связи с большими техническими трудностями его извлечения из руд и переработки (именно поэтому Т. условно относили к редким металлам ). Основная часть Т. расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения (см. также Титановые сплавы ). Сплавы Т. с железом, известные под названием «ферротитан» (20—50% Т.), в металлургии качественных сталей и специальных сплавов служат легирующей добавкой и раскислителем.

Технический Т. идёт на изготовление ёмкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов и др. изделий, работающих в агрессивных средах, например в химическом машиностроении. В гидрометаллургии цветных металлов применяется аппаратура из Т. Он служит для покрытия изделий из стали (см. Титанирование ). Использование Т. даёт во многих случаях большой технико-экономический эффект не только благодаря повышению срока службы оборудования, но и возможности интенсификации процессов (как, например, в гидрометаллургии никеля). Биологическая безвредность Т. делает его превосходным материалом для изготовления оборудования для пищевой промышленности и в восстановительной хирургии. В условиях глубокого холода прочность Т. повышается при сохранении хорошей пластичности, что позволяет применять его как конструкционный материал для криогенной техники. Т. хорошо поддаётся полировке, цветному анодированию и др. методам отделки поверхности и поэтому идёт на изготовление различных художественных изделий, в том числе и монументальной скульптуры. Примером может служить памятник в Москве, сооруженный в честь запуска первого искусственного спутника Земли. Из соединений титана практического значение имеют окислы Т., галогениды Т., а также силициды Т., используемые в технике высоких температур; бориды Т. и их сплавы, применяемые в качестве замедлителей в ядерных энергетических установках благодаря их тугоплавкости и большому сечению захвата нейтронов. Карбид Т., обладающий высокой твёрдостью, входит в состав инструментальных твёрдых сплавов, используемых для изготовления режущих инструментов и в качестве абразивного материала.

Двуокись титана и титанат бария служат основой титановой керамики , а титанат бария — важнейший сегнетоэлектрик .

С. Г. Глазунов.

Титан в организме. Т. постоянно присутствует в тканях растений и животных. В наземных растениях его концентрация — около 10^{– 4} %, в морских — от 1,2 x10^{– 3} до 8 x10^{– 2} %, в тканях наземных животных — менее 2 x10^{– 4} %, морских — от 2 x10^{– 4} до 2 x10^{– 2} %. Накапливается у позвоночных животных преимущественно в роговых образованиях, селезёнке, надпочечниках, щитовидной железе, плаценте; плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека суточное поступление Т. с продуктами питания и водой составляет 0,85 мг; выводится с мочой и калом (0,33 и 0,52 мг соответственно). Относительно малотоксичен.

Лит.: Глазунов С. Г., Моисеев В. Н., Конструкционные титановые сплавы, М., 1974; Металлургия титана, М., 1968; Горощенко Я. Г., Химия титана, [ч. 1—2], К., 1970—72; Zwicker U., Titan und Titanlegierungen, B., 1974; Bowen H. I. M., Trace elements in biochemistry, L.— N. Y., 1966.

Титана галогениды

Тита'на галогени'ды, соединения титана с галогенами общей формулы TiX_n (где Х — галоген, n = 2—4). Высшие галогениды TiX₄ более устойчивы и лучше изучены, чем низшие. Тетрагалогениды TiX₄ образуются при взаимодействии титана с сухими галогенами: с фтором при 150 °С, хлором при 300°С, бромом при 360 °С, йодом при 55 °С; наиболее важными из них для практического применения являются хлориды и иодиды. Тетрахлорид титана TiCl₄ — бесцветная тяжёлая жидкость с резким запахом, плотность 1,727 г/см³ при 20 °С, t_кип 136 °С, на воздухе дымит. Получают действием хлора на смесь TiO₂ с углём при 700—800 °С; служит исходным продуктом для промышленного производства металлического титана, а также применяется в военном деле для создания дымовых завес, что можно описать реакцией: TICl₄ + +2H₂ O = TiO₂ +4HCl. Тетраиодид титана Til₄ — красно-бурые кристаллы с металлическим блеском, плотность 4,27—4,40 г/см³, t_пл 150—156 °С, t_кип 377 °С. Используется для глубокого рафинирования загрязнённого примесями титана.

Титана окислы

Тита'на о'кислы, соединения титана с кислородом TiO, Ti₂ O₃ , TiO₂ . Кроме того, в интервале составов TiO₂ , TiO₂ O₃ известен ряд промежуточных окислов. Наиболее распространённым и важным для технических целей Т. о. является двуокись TiO₂ , встречающаяся в природе в виде минералов рутила , анатаза и брукита . В чистом виде TiO₂ представляет собой белый порошок (t_nл 1830—1850 °С). Получают технический TiO₂ из рутила, из комплексных титано-железных руд типа ильменитов сернокислотным методом; окислением TiCl₄ в плазменной струе кислорода при 1500—2000 К или сжиганием TiCl₄ в кислороде. Окисные руды титана используются как сырьё для производства металлического титана (см. Титан ). TiO₂ широко применяется для изготовления высококачественной белой краски (титановые белила), а также в качестве пигмента и наполнителя в резиновой промышленности, в производстве пластмасс, искусственного волокна, в бумажной, кожевенной, металлургической и некоторых др. отраслях промышленности.