РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:
«ТИТАН»
оглавление
Характеристика Элемента....................................................................................... 3
история открытия........................................................................................................... 4
происхождение названия........................................................................................ 4
нахождение в природе................................................................................................ 4
запасы и добыча............................................................................................................... 5
получение титана............................................................................................................... 5
экскурсия на кобинат.............................................................................................................. 7
физические свойства................................................................................................... 8
химические свойства................................................................................................. 9
применение............................................................................................................................ 12
титан в химической и нефтехимической промышлености............................... 13
Биологическая роль титана................................................................................ 16
физиологическая роль титана................................................................................. 5
повышенное содержание титана................................................................................... 17
титан в медицине.......................................................................................................... 17
титан в пищевой промышленности............................................................ 18
анализ рынков потребления............................................................................... 19
цены........................................................................................................................................... 19
заключение......................................................................................................................... 20
список литературы...................................................................................................... 21
Характеристика элемента
Тита́н — элемент побочной подгруппы четвёртой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 22. Обозначается символом Ti (лат. Titanium). Простое вещество титан (CAS-номер: 7440-32-6) — лёгкий металл серебристо-белого цвета,относится к лёгким металлам. Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов: 46Ti (7,95%), 47Ti (7,75%), 48Ti (73,45%), 49Ti (5,51%), 50Ti (5,34%). Известны искусственные радиоактивные изотопы 45Ti (Ti1/2 = 3,09 ч, 51Ti (Ti1/2 = 5,79 мин) и др. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой, температура перехода α↔β 883 °C.
Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природной смеси изотопов 5,6·10-28м2. Конфигурация внешних электронных оболочек атома 3d24s2; степени окисления + 4 (наиболее характерна), +3 и +2; энергия ионизации при последовательном переходе от Ti0 к Ti4+ равна соответственно 6,82, 13,58, 27,47, 43,24 эВ; сродство к электрону 0,39 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,5; атомный радиус 0,149 нм, ковалентный радиус 0,132 нм, ионные радиусы, нм (в скобках указаны координационные числа) Ti4+ 0,056 (4), 0,065 (5), 0,0745 (6), 0,088 (8), Ti3+ 0,081 (6), Ti2+ 0,100 (6).
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса) 47,88 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома 147 пм
Энергия ионизации (первый электрон) 657,8(6,82) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация [Ar] 3d2 4s2
Химические свойства
Ковалентный радиус 132 пм
Радиус иона (+4e)68 (+2e)94 пм
Электроотрицательность (по Полингу) 1,54
Электродный потенциал -1,63
Степени окисления 4, 3
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность 4,54 г/см³
Молярная теплоёмкость 25,1[1] Дж/(K·моль)
Теплопроводность 21.9 Вт/(м·K)
Температура плавления 1933 K
Теплота плавления 18.8 кДж/моль
Температура кипения 3560 K
Теплота испарения 422,6 кДж/моль
Молярный объём 10,6 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки гексагональная плотноупакованная (α-Ti)
Параметры решётки a=2,951 с=4,697 (α-Ti) Å
Отношение c/a 1,587
Температура Дебая 380 K
История открытия
Открытие 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, 1789), выделил новую «землю» (окись) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 г. немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля — окислы 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 окислы титана.
Первый образец металлического титана получил в 1825 году 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 термическим разложением паров иодида титана TiI4.
Происхождение названия
Металл получил своё название в честь титанов, персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи. Название элементу дал Мартин Клапрот, в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру в противоход французской химической школе, где элемент старались называть по его химическим свойствам. Поскольку немецкий исследователь сам отметил невозможность определения свойств нового элемента только по его оксиду, он подобрал для него имя из мифологии, по аналогии с открытым им ранее ураном.
Однако согласно другой версии, публиковавшейся в журнале «Техника-Молодежи» в конце 80-х, новооткрытый металл обязан своим именем не могучим титанам из древнегреческих мифов, а Титании — королеве фей в германской мифологии (жена Оберона в шекспировском «Сне в летнюю ночь»). Такое название связано с необычайной «лёгкостью» (малой плотностью) металла.
Нахождение в природе
Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Среди конструкционных металлов по распространённости занимает 4-е место, уступая железу, алюминию и магнию. Содержание в земной коре 0,57 % по массе. В биосфере титан в основном рассеян. В морской воде его содержится 1·10-7%. В свободном виде не встречается. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит CaTiOSiO4 и манганотанталит MnTa2O6. Различают коренные руды титана — ильменит-титаномагнетитовые и россыпные — рутил-ильменит-цирконовые.
Больше всего титана в основных породах так называемой «базальтовой оболочки» (0,9%), меньше в породах «гранитной оболочки» (0,23%) и ещё меньше в ультраосновных породах (0,03%) и др. К горным породам, обогащенным титаном, относятся пегматиты основных пород, щелочные породы, сиениты и связанные с ними пегматиты и др.
Руды титана, имеющие пром. значение, разделяются на две осн. группы: коренные - ильменит-титано-магнетитовые; россыпные-рутил-ильменит-цирконо-вые. Крупные коренные месторождения ильменита и титаномагнетитов находятся в Канаде, США, Норвегии, Швеции, ЮАР, Египте, Индии, Австралии, СНГ. Общие запасы коренных месторождений оценивают в 600 млн. т по содержанию титана. Россыпные руды имеются в Бразилии, Индии, США, Сьерра-Леоне, Австралии.
Запасы и добыча
Основные руды: ильменит (FeTiO3), рутил (TiO2), титанит (CaTiSiO5).
На 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO2. Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтвержденные 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 находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн.
Крупнейший в мире производитель титана — российская компания «ВСМПО-АВИСМА».
Получение
Ильменитовые концентраты, содержащие 40-62% ТiO2 и 40-48% FeO + Fe2O3, чаще всего подвергают либо сернокислотной, либо пирометаллургич. переработке. В первом случае концентраты разлагают H2SO4, выщелачивают водой и гидролизуют образовавшиеся окси-сульфаты титана; получают гидроксид Ti, который прокаливают до ТiO2. Побочный продукт - FeSO4 · 7Н2О.
Пирометаллургическая переработка состоит в восстановительной плавке ильменитовых концентратов с коксом или антрацитом и последовательном хлорировании титанового шлака (содержит 80-85% ТiO2):
TiO2 + 2C + 2Cl2 =TiCl4 + 2CO.
Затем проводят очистку TiCl4:
TiCl4+ 2Mg = 2MgCl2+ Ti,
его восстановление с получением титановой губки, переплавку губки и рафинирование металла. Алюмотермическим восстановлением ильменитовых концентратов получают ферротитан.
Восстановительную плавку ильменитовых концентратов ведут в электродуговых печах при 1600-1700 °С, загружая в печи брикетированную или порошкообразную шихту и получая два продукта - чугун и титановый шлак. Извлечение титана в шлак составляет 96,0-98,5%, Fe в чугун - 96-97%, расход электроэнергии на 1 т шлака 1900-2100 кВт·ч. Состав шлака: 82-87% ТiO2,2,7-6,5% FeO, 2,8-5,6% SiO2, 2-6% А12О3, 2-6% MgO, а также СаО, МnО, Сr2О3 и др. Хлорирование ТiO2, титановых шлаков и других титансодержащих продуктов проводят около 900—1000 °С в шахтных печах, реакторах с солевым расплавом или реакторах кипящего слоя. К исходному продукту добавляют кокс, который связывает кислород оксидов в смесь СО и СО2 и влияет на равновесие процесса. Перед хлорированием в шахтных печах титановые концентраты или шлаки смешивают с нефтяным коксом (20-25% в шихте) и связующими, брикетируют и прокаливают брикеты при 800-850 °С.
Хлорирование в расплаве, содержащем КС1, NaCl, СаСl2, MgCl2 и небольшие количества других хлоридов, не требует брикетирования порошкообразной шихты; удульная производительность реакторов выше, чем шахтных печей.