მარადიული, იდუმალი, კოსმოსური, მომავლის მასალა - ყველა ეს და მრავალი სხვა ეპითეტი სხვადასხვა წყაროში ტიტანს ენიჭება. ამ ლითონის აღმოჩენის ისტორია არ იყო ტრივიალური: ამავდროულად, რამდენიმე მეცნიერი მუშაობდა ელემენტის სუფთა სახით იზოლირებაზე. ფიზიკური, ქიმიური თვისებების შესწავლისა და გამოყენების სფეროების განსაზღვრის პროცესი დღემდე არ დასრულებულა. ტიტანი მომავლის ლითონია, მისი ადგილი ადამიანის ცხოვრებაში ჯერ არ არის საბოლოოდ განსაზღვრული, რაც თანამედროვე მკვლევარებს კრეატიულობისა და სამეცნიერო კვლევის უზარმაზარ შესაძლებლობებს აძლევს.
მახასიათებელი
ქიმიური ელემენტი ტიტანი (ტიტანი) დ.ი.მენდელეევის პერიოდულ სისტემაში მითითებულია Ti სიმბოლოთი. იგი მდებარეობს მეოთხე პერიოდის IV ჯგუფის მეორად ქვეჯგუფში და აქვს სერიული ნომერი 22. მარტივი ნივთიერება ტიტანი არის თეთრ-ვერცხლისფერი ლითონი, მსუბუქი და გამძლე. ატომის ელექტრონულ კონფიგურაციას აქვს შემდეგი სტრუქტურა: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63დ24S 2. შესაბამისად, ტიტანს აქვს რამდენიმე შესაძლო დაჟანგვის მდგომარეობა: 2,3, 4, ყველაზე სტაბილურ ნაერთებში ის ოთხვალენტიანია.
ტიტანი - შენადნობი თუ ლითონი?
ეს კითხვა ბევრს აინტერესებს. 1910 წელს ამერიკელმა ქიმიკოსმა ჰანტერმა მიიღო პირველი სუფთა ტიტანი. ლითონი მინარევებს მხოლოდ 1%-ს შეიცავდა, მაგრამ ამავდროულად, მისი რაოდენობა უმნიშვნელო აღმოჩნდა და მისი თვისებების შემდგომი შესწავლის შესაძლებლობა არ მისცა. მიღებული ნივთიერების პლასტიურობა მიიღწევა მხოლოდ მაღალი ტემპერატურის გავლენის ქვეშ, ნორმალურ პირობებში (ოთახის ტემპერატურა) ნიმუში იყო ძალიან მყიფე. სინამდვილეში, ეს ელემენტი არ აინტერესებდა მეცნიერებს, რადგან მისი გამოყენების პერსპექტივები ძალიან გაურკვეველი ჩანდა. მოპოვებისა და კვლევის სირთულემ კიდევ უფრო შეამცირა მისი გამოყენების პოტენციალი. მხოლოდ 1925 წელს ჰოლანდიელმა ქიმიკოსებმა ი. დე ბურმა და ა. ვან არკელმა მიიღეს ტიტანის ლითონი, რომლის თვისებებმა მიიპყრო ინჟინრებისა და დიზაინერების ყურადღება მთელს მსოფლიოში. ამ ელემენტის შესწავლის ისტორია იწყება 1790 წელს, ზუსტად ამ დროს, პარალელურად, ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად, ორი მეცნიერი აღმოაჩენს ტიტანს, როგორც ქიმიურ ელემენტს. თითოეული მათგანი იღებს ნივთიერების ნაერთს (ოქსიდს), რომელიც ვერ ახერხებს ლითონის იზოლირებას მისი სუფთა სახით. ტიტანის აღმომჩენი ინგლისელი მინერალოგი ბერი უილიამ გრეგორია. მისი მრევლის ტერიტორიაზე, რომელიც მდებარეობს ინგლისის სამხრეთ-დასავლეთ ნაწილში, ახალგაზრდა მეცნიერმა დაიწყო მენაკენის ველის შავი ქვიშის შესწავლა. მაგნიტით ჩატარებული ექსპერიმენტების შედეგი იყო მბზინავი მარცვლების გამოყოფა, რომლებიც წარმოადგენდნენ ტიტანის ნაერთს. ამავე დროს გერმანიაში ქიმიკოსმა მარტინ ჰაინრიხ კლაპროტმა გამოყო ახალი ნივთიერება მინერალიდან.რუტილი. 1797 წელს მან ასევე დაამტკიცა, რომ პარალელურად გახსნილი ელემენტები მსგავსია. ტიტანის დიოქსიდი მრავალი ქიმიკოსისთვის საიდუმლო იყო საუკუნეზე მეტი ხნის განმავლობაში და ბერცელიუსმაც კი ვერ შეძლო სუფთა ლითონის მიღება. მე-20 საუკუნის უახლესმა ტექნოლოგიებმა საგრძნობლად დააჩქარა აღნიშნული ელემენტის შესწავლის პროცესი და განსაზღვრა მისი გამოყენების საწყისი მიმართულებები. ამავდროულად, გამოყენების სფერო მუდმივად ფართოვდება. მხოლოდ ისეთი ნივთიერების მოპოვების პროცესის სირთულეს, როგორიცაა სუფთა ტიტანი, შეუძლია შეზღუდოს მისი ფარგლები. შენადნობებისა და ლითონის ფასი საკმაოდ მაღალია, ამიტომ დღეს ის ვერ ანაცვლებს ტრადიციულ რკინას და ალუმინს.
სახელის წარმოშობა
მენაკინი - ტიტანის პირველი სახელი, რომელიც გამოიყენებოდა 1795 წლამდე. ასე უწოდა ტერიტორიული კუთვნილების მიხედვით ვ.გრეგორმა ახალი ელემენტი. მარტინ კლაპროტმა ელემენტს უწოდა "ტიტანი" 1797 წელს. ამ დროს მისმა ფრანგმა კოლეგებმა, საკმაოდ ცნობილი ქიმიკოსის A. L. Lavoisier-ის ხელმძღვანელობით, შესთავაზეს ახლად აღმოჩენილი ნივთიერებების დასახელება მათი ძირითადი თვისებების შესაბამისად. გერმანელი მეცნიერი არ ეთანხმებოდა ამ მიდგომას, მას საკმაოდ გონივრულად სჯეროდა, რომ აღმოჩენის ეტაპზე საკმაოდ რთულია ნივთიერების თანდაყოლილი ყველა მახასიათებლის დადგენა და მათი ასახვა სახელში. თუმცა, უნდა ვაღიაროთ, რომ კლაპროტის მიერ ინტუიციურად არჩეული ტერმინი სრულად შეესაბამება ლითონს - ამას არაერთხელ გაუსვეს ხაზი თანამედროვე მეცნიერებს. სახელწოდების ტიტანის წარმოშობის ორი ძირითადი თეორია არსებობს. ლითონი შეიძლება დასახელდეს ასე ელფების დედოფლის ტიტანიას პატივსაცემად(გერმანული მითოლოგიის პერსონაჟი). ეს სახელი სიმბოლოა როგორც ნივთიერების სიმსუბუქესა და სიმტკიცეზე. მეცნიერთა უმეტესობა მიდრეკილია გამოიყენოს ძველი ბერძნული მითოლოგიის გამოყენების ვერსია, რომელშიც დედამიწის ქალღმერთის გეას ძლევამოსილ შვილებს ტიტანები უწოდეს. ამ ვერსიის სასარგებლოდ მეტყველებს ადრე აღმოჩენილი ელემენტის, ურანის სახელიც.
ბუნებაში ყოფნა
ადამიანებისთვის ტექნიკურად ღირებული ლითონებიდან, ტიტანი მეოთხე ადგილზეა დედამიწის ქერქში. ბუნებაში დიდი პროცენტით ხასიათდება მხოლოდ რკინა, მაგნიუმი და ალუმინი. ტიტანის ყველაზე მაღალი შემცველობა შეინიშნება ბაზალტის გარსში, ოდნავ ნაკლები გრანიტის ფენაში. ზღვის წყალში ამ ნივთიერების შემცველობა დაბალია - დაახლოებით 0,001 მგ/ლ. ქიმიური ელემენტი ტიტანი საკმაოდ აქტიურია, ამიტომ მისი სუფთა სახით ვერ მოიძებნება. ყველაზე ხშირად, ის იმყოფება ჟანგბადის ნაერთებში, ხოლო მას აქვს ოთხი ვალენტობა. ტიტანის შემცველი მინერალების რაოდენობა მერყეობს 63-დან 75-მდე (სხვადასხვა წყაროებში), ხოლო კვლევის ამჟამინდელ ეტაპზე მეცნიერები აგრძელებენ მისი ნაერთების ახალი ფორმების აღმოჩენას. პრაქტიკული გამოყენებისთვის, შემდეგი მინერალები ყველაზე მნიშვნელოვანია:
- ილმენიტი (FeTiO3).
- რუტილი (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- პეროვსკიტი (CaTiO3).
- ტიტანომაგნიტი (FeTiO3+Fe3O4) და ა.შ.
ყველა არსებული ტიტანის შემცველი საბადო იყოფაალუვიური და ძირითადი. ეს ელემენტი სუსტი მიგრანტია, მას შეუძლია იმოგზაუროს მხოლოდ კლდის ფრაგმენტების ან მოძრავი სილმიანი ფსკერის ქანების სახით. ბიოსფეროში ტიტანის ყველაზე დიდი რაოდენობა წყალმცენარეებშია. ხმელეთის ფაუნის წარმომადგენლებში ელემენტი გროვდება რქოვან ქსოვილებში, თმაში. ადამიანის ორგანიზმს ახასიათებს ტიტანის არსებობა ელენთაში, თირკმელზედა ჯირკვლებში, პლაცენტაში, ფარისებრ ჯირკვალში.
ფიზიკური თვისებები
ტიტანი არის ფერადი ლითონი მოვერცხლისფრო-თეთრი ფერით, რომელიც ჰგავს ფოლადს. 0 0C ტემპერატურაზე მისი სიმკვრივეა 4,517 გ/სმ3. ნივთიერებას აქვს დაბალი ხვედრითი წონა, რაც დამახასიათებელია ტუტე ლითონებისთვის (კადმიუმი, ნატრიუმი, ლითიუმი, ცეზიუმი). სიმკვრივის თვალსაზრისით, ტიტანი იკავებს შუალედურ ადგილს რკინასა და ალუმინს შორის, ხოლო მისი შესრულება უფრო მაღალია, ვიდრე ორივე ელემენტის. ლითონების ძირითადი თვისებები, რომლებიც მხედველობაში მიიღება მათი გამოყენების ფარგლების განსაზღვრისას, არის მოსავლიანობის სიმტკიცე და სიმტკიცე. ტიტანი 12-ჯერ უფრო ძლიერია ვიდრე ალუმინი, 4-ჯერ ძლიერია რკინასა და სპილენძზე, თუმცა გაცილებით მსუბუქია. სუფთა ნივთიერების პლასტიურობა და მისი მოსავლიანობის სიძლიერე შესაძლებელს ხდის დამუშავებას დაბალ და მაღალ ტემპერატურაზე, როგორც სხვა ლითონების შემთხვევაში, ანუ მოქლონებით, გაყალბებით, შედუღებით, გადახვევით. ტიტანის გამორჩეული მახასიათებელია მისი დაბალი თერმული და ელექტრული გამტარობა, ხოლო ეს თვისებები შენარჩუნებულია ამაღლებულ ტემპერატურაზე, 500 0С-მდე. მაგნიტურ ველში ტიტანი პარამაგნიტური ელემენტია, ეს ასე არ არისრკინასავით იზიდავს და სპილენძივით არ იძირება. ძალიან მაღალი ანტიკოროზიული მოქმედება აგრესიულ გარემოში და მექანიკურ სტრესში უნიკალურია. ზღვის წყალში ყოფნის 10 წელზე მეტი ხნის განმავლობაში არ შეცვლილა ტიტანის ფირფიტის გარეგნობა და შემადგენლობა. რკინა ამ შემთხვევაში მთლიანად განადგურდება კოროზიით.
ტიტანის თერმოდინამიკური თვისებები
- სიმკვრივე (ნორმალურ პირობებში) არის 4,54გ/სმ3.
- ატომური რიცხვია 22.
- მეტალის ჯგუფი - ცეცხლგამძლე, მსუბუქი.
- ტიტანის ატომური მასა არის 47.0.
- დუღილის წერტილი (0С) – 3260.
- მოლური მოცულობა სმ3/მოლი – 10, 6.
- ტიტანის დნობის წერტილი (0С) – 1668.
- აორთქლების სპეციფიკური სითბო (კჯ/მოლი) – 422, 6.
- ელექტრული წინააღმდეგობა (20-ზე 0С) Ohmcm10-6 – 45.
ქიმიური თვისებები
ელემენტის გაზრდილი კოროზიის წინააღმდეგობა გამოწვეულია ზედაპირზე მცირე ოქსიდის ფირის წარმოქმნით. ის ხელს უშლის (ნორმალურ პირობებში) ქიმიურ რეაქციებს აირებთან (ჟანგბადი, წყალბადი) ისეთი ელემენტის გარემომცველ ატმოსფეროში, როგორიცაა ლითონი ტიტანი. მისი თვისებები იცვლება ტემპერატურის გავლენის ქვეშ. როდესაც ის იზრდება 600 0С-მდე, ხდება ჟანგბადთან ურთიერთქმედების რეაქცია, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ტიტანის ოქსიდი (TiO2). ატმოსფერული აირების შეწოვის შემთხვევაში წარმოიქმნება მტვრევადი ნაერთები, რომლებსაც პრაქტიკული გამოყენება არ აქვთ, რის გამოც ტიტანის შედუღება და დნობა ვაკუუმურ პირობებში ხდება. შექცევადი რეაქციაარის მეტალში წყალბადის დაშლის პროცესი, ის უფრო აქტიურად მიმდინარეობს ტემპერატურის მატებასთან ერთად (400 0С და მეტიდან). ტიტანი, განსაკუთრებით მისი მცირე ნაწილაკები (თხელი ფირფიტა ან მავთული), იწვის აზოტის ატმოსფეროში. ურთიერთქმედების ქიმიური რეაქცია შესაძლებელია მხოლოდ 700 0С ტემპერატურაზე, რის შედეგადაც წარმოიქმნება TiN ნიტრიდი. აყალიბებს ძლიერ შენადნობებს ბევრ მეტალთან, ხშირად როგორც შენადნობი ელემენტი. იგი რეაგირებს ჰალოგენებთან (ქრომი, ბრომი, იოდი) მხოლოდ კატალიზატორის თანდასწრებით (მაღალი ტემპერატურა) და ექვემდებარება მშრალ ნივთიერებასთან ურთიერთქმედებას. ამ შემთხვევაში წარმოიქმნება ძალიან მყარი ცეცხლგამძლე შენადნობები. ტუტეებისა და მჟავების უმრავლესობის ხსნარებთან ერთად ტიტანი ქიმიურად არააქტიურია, გარდა კონცენტრირებული გოგირდის (ხანგრძლივი დუღილით), ჰიდროფლუორული, ცხელი ორგანული (ფორმული, ოქსიალური).
დეპოზიტები
ილმენიტის საბადოები ბუნებაში ყველაზე გავრცელებულია - მათი მარაგი 800 მილიონ ტონას შეადგენს. რუტილის საბადოები გაცილებით მოკრძალებულია, მაგრამ მთლიანი მოცულობა - წარმოების ზრდის შენარჩუნებისას - კაცობრიობას შემდეგი 120 წლის განმავლობაში უნდა მიაწოდოს ისეთი ლითონი, როგორიცაა ტიტანი. მზა პროდუქტის ფასი დამოკიდებული იქნება მოთხოვნაზე და წარმოების დონის ზრდაზე, მაგრამ საშუალოდ ის მერყეობს 1200-დან 1800 რუბლ/კგ-მდე. მუდმივი ტექნიკური გაუმჯობესების პირობებში, ყველა საწარმოო პროცესის ღირებულება მნიშვნელოვნად მცირდება მათი დროული მოდერნიზაციით. ჩინეთსა და რუსეთს აქვთ ტიტანის საბადოების, აგრეთვე მინერალების უდიდესი მარაგინედლეულის ბაზა აქვთ იაპონიას, სამხრეთ აფრიკას, ავსტრალიას, ყაზახეთს, ინდოეთს, სამხრეთ კორეას, უკრაინას, ცეილონს. საბადოები განსხვავდება წარმოების მოცულობით და მადნებში ტიტანის პროცენტული შემცველობით, მიმდინარეობს გეოლოგიური კვლევები, რაც შესაძლებელს ხდის ვივარაუდოთ ლითონის საბაზრო ღირებულების შემცირება და მისი ფართო გამოყენება. რუსეთი არის ტიტანის უდიდესი მწარმოებელი.
მიიღე
ტიტანის წარმოებისთვის ყველაზე ხშირად გამოიყენება ტიტანის დიოქსიდი, რომელიც შეიცავს მინიმალური რაოდენობის მინარევებს. მიიღება ილმენიტის კონცენტრატების ან რუტილის მადნების გამდიდრებით. ელექტრო რკალის ღუმელში ხდება მადნის თერმული დამუშავება, რასაც თან ახლავს რკინის გამოყოფა და ტიტანის ოქსიდის შემცველი წიდის წარმოქმნა. ურკინის ფრაქციის დასამუშავებლად გამოიყენება სულფატის ან ქლორიდის მეთოდი. ტიტანის ოქსიდი არის ნაცრისფერი ფხვნილი (იხ. ფოტო). ტიტანის მეტალი მიიღება მისი ეტაპობრივი დამუშავებით.
პირველი ეტაპი არის წიდის აგლომერაციის პროცესი კოქსით და ქლორის ორთქლის ზემოქმედებით. შედეგად მიღებული TiCl4 მცირდება მაგნიუმით ან ნატრიუმით, როდესაც ექვემდებარება 850 0C ტემპერატურას. ტიტანის ღრუბელი (ფოროვანი შერწყმული მასა), მიღებული ქიმიური რეაქციის შედეგად, იხვეწება ან დნება ინგოტებად. გამოყენების შემდგომი მიმართულებიდან გამომდინარე, წარმოიქმნება შენადნობი ან სუფთა ლითონი (მინარევები ამოღებულია 1000 0С-მდე გაცხელებით). 0,01% მინარევის შემცველობის ნივთიერების წარმოებისთვის გამოიყენება იოდიდის მეთოდი. ის ეფუძნება პროცესსაორთქლება ტიტანის ღრუბლიდან წინასწარ დამუშავებული ჰალოგენით, მისი ორთქლით.
აპლიკაციის სფერო
ტიტანის დნობის წერტილი საკმაოდ მაღალია, რაც ლითონის სიმსუბუქიდან გამომდინარე, ფასდაუდებელი უპირატესობაა მისი სტრუქტურულ მასალად გამოყენებისას. აქედან გამომდინარე, ის უდიდეს გამოყენებას პოულობს გემთმშენებლობაში, საავიაციო ინდუსტრიაში, რაკეტების წარმოებასა და ქიმიურ მრეწველობაში. ტიტანი საკმაოდ ხშირად გამოიყენება, როგორც შენადნობი დანამატი სხვადასხვა შენადნობებში, რომლებსაც აქვთ გაზრდილი სიმტკიცე და სითბოს წინააღმდეგობის მახასიათებლები. მაღალი ანტიკოროზიული თვისებები და ყველაზე აგრესიული გარემოს გაძლების უნარი ამ ლითონს შეუცვლელს ხდის ქიმიური მრეწველობისთვის. ტიტანი (მისი შენადნობები) გამოიყენება მილსადენების, ავზების, სარქველების, ფილტრების დასამზადებლად, რომლებიც გამოიყენება მჟავების და სხვა ქიმიურად აქტიური ნივთიერებების გამოხდისა და ტრანსპორტირებისთვის. ის მოთხოვნადია ამაღლებული ტემპერატურის მაჩვენებლების პირობებში მომუშავე მოწყობილობების შექმნისას. ტიტანის ნაერთები გამოიყენება გამძლე საჭრელი ხელსაწყოების, საღებავების, პლასტმასის და ქაღალდის, ქირურგიული ინსტრუმენტების, იმპლანტანტების, სამკაულების, დასრულების მასალების დასამზადებლად და გამოიყენება კვების მრეწველობაში. ყველა მიმართულების აღწერა რთულია. თანამედროვე მედიცინა, სრული ბიოლოგიური უსაფრთხოების გამო, ხშირად იყენებს ტიტანის მეტალს. ფასი ერთადერთი ფაქტორია, რომელიც ჯერჯერობით გავლენას ახდენს ამ ელემენტის გამოყენების სიგანაზე. სამართლიანად შეიძლება ითქვას, რომ ტიტანი არის მომავლის მასალა, რომლის შესწავლითაც გაივლის კაცობრიობაგანვითარების ახალ ეტაპზე.
