ტიტანი

ტიტანი წარმოადგენს ქიმიურ ელემენტს, რომლის სიმბოლოა Ti, ხოლო ატომური ნომერი 22. იგი გარდამავალი მეტალია. მას აქვს დაბალი სიმკვრივე და მაღალი სიმტკიცე. აქვს კრიალა, ვერცხლისფერი ზედაპირი, არის კოროზიისადმი მედეგი (ზღვის წყლის, სამეფო წყლის და ქლორის ჩათვლით).

ტიტანი აღმოჩენილ იქნა 1791 წელს ინგლისში უ. გრეგორის მიერ, ხოლო სახელი ტიტანი დაერქვა ჰ. კლაპროტის მიერ ბერძნული მითოლოგიის მიხედვით.

ტიტანი გვხვდება მინერალებში: რუტილი (TiO₂) და ილმენიტი (FeTiO₃), რომელიც ფართოდაა გავრცელებული დედამიწის ქერქში და ლოთოსფეროში. იგი აგრეთვე გვხვდება თითქმის ყველა ცოცხალ ორგანიზმში, წყალმცენარეებში, ქვის ქანებში და მტვერში.

ტიტანი მინერალებიდან გამოიყოფა ექსტრაქციით. ტიტანის დიოქსიდი ყველაზე გავრცელებული ნაერთია, რომელიც პოპულარულია ფოტოკატალიზში და გამოიყენება თეთრი პიგმენტების წარმოებაში. სხვა ნაერთები, როგორიცაა ტეტრაქლორტიტანი ((TiCl₄),  შედის კვამლის საფარში და გამოიყენება კატალიზატორად. სამქლორიანი ტიტანი (TiCl₃)  გამოიყენება პროპილენის წარმოებაში - კატალიზატორად.

მაღალი კოროზიამედეგობის გამო ტიტანი წარმოადგენს შესანიშნავ მასალას ქიმიური აპარატურის დასამზადებლად. მაღალი თერმომდგრადობით ხასიათდება როგორც ტიტანი, ასევე მისი შენადნობები ალუმინთან და სხვა მეტალებთან. მაღალ ტემპერატურაზე ეს შენადნობები ინარჩუნებენ მექანიკურ თვისებებს, რის გამოც მათ იყენებენ თვითმფრინავის და სარაკეტო მშენებლობაში. ტიტანი ცოტათი მძიმეა ალუმინზე, ამის გამო ტიტანს და მის შენადნობებს იყენებენ მანქანათმშენებლობაში, შიგა წვის ძრავების დასამზადებლად, რაც ამ ძრავების მასას ამცირებს 30%-ით.

მაღალ ტემპერატურაზე ტიტანი უერთდება ჰალოგენებს, ჟანგბადს, გოგირდს, აზოტს და სხვა ელემენტებს.

ტიტანის შენადნობს იძლევა რკინასთან. ტიტანი უერთდება გამლღვალ ფოლადში არსებულ აზოტსა და ჟანგბადს, ფოლადის გამყარების დროს ეს უკანასკნელნი არ გამოიყოფიან და ამიტომაც ერთგვაროვანი ფოლადი მიიღება. ტიტანი ნახშირბადთან შეერთებისას იძლევა კარბიდს. ტიტან-ვანადიუმის კარბიდზე კობალტის დამატებით მიიღება ნალღობი, რომელიც სიმაგრით უახლოვდება ალმასს.

ტიტანის სხვა ნებისმიერ მეტალთან შედარებით კოროზიამედეგია. ტიტანი ფოლადზე უფრო მტკიცეა და ამავე დროს მასზე 45%-ით მსუბუქია. არსებობს ტიტანის ორი ალოტროპიული ფორმა და ხუთი ბუნებრივი იზოტოპი. ⁴⁶Ti , ⁴⁸Ti და ⁵⁰Ti არიან უფრო მეტად გავრცელებული იზოტოპები (73.8%). ტიტანი როგორც ქიმიური, ისე ფიზიკური თვისებებით ცირკონიუმის მსგავსია.

ფიზიკური თვისებები

მეტალური ტიტანი ცნობილია თავისი მაღალი გამძლეობით და დაბალი სიმკვრივით. იგი ადვილად დასამუშავებელი მეტალია, განსაკუთრებით უჟანგბადო არეში. იგი ვერცხლისებური-თეთრი მბრწყინავი ლითონია, ფხაჭნის კვარცს. შედარებით მაღალი ლღობის ტემპერატურის  ცეცხლგამძლე მეტალად ითვლება. ტიტანი პარამაგნიტურია და აქვს ძალიან დაბალი ელექტრო და თერმული გამტარობა.

კომერციული ტიტანის (99.2% სისუფთავით) გაჭიმვის გამძლეობის ზღვარია დაახლოებით 434მპა, რომელიც ტოლია ამავე მონაცემის ფოლადის შენადნობისთვის, მაშინ როდესაც ტიტანი 45%-ით მსუბუქია ფოლადზე.

ტიტანი წარმოადგენს დიმორფულ ალოტროპს, რომლის ჰექსაგონალური α-ფორმა გადადის მოცულობით ცენტრიდანულ კუბურ ფორმაში 882 °C-ზე. α-Ti და b-Ti ფორმების სიმკვრივეა 4.505 და 4.32 გ/სმ³ შესაბამისად.

იზოტოპები

ბუნებაში ტიტანი გვხვდება ხუთი სტაბილური იზოტოპის სახით: ⁴⁶Ti, ⁴⁷Ti, ⁴⁸Ti, ⁴⁹Ti, ⁴⁸Ti და ⁵⁰Ti , რომელთაგან მეტად გავრცელებულია ⁴⁸Ti (73.8%). შეიძლება დავახასიათოთ ტიტანის თერთმეტი რადიოიზოტოპი, რომელთაგან ყველაზე სტაბილური ⁴⁴Ti-ის ნახევარდაშლის პერიოდია 63 წელი, ⁴⁵Ti-ის ნახევარდაშლის პერიოდია 184.8 წუთი, ⁵¹Ti-ის ნახევარდაშლის პერიოდია 5.76 წუთი, ⁵²Ti-ის  - 1.7 წუთი. ყველა დანარჩენი რადიოაქტიური იზოტოპის ნახევარდაშლის პერიოდია 33 წმ, მათ შორისაა იზოტოპი, ნახევარდაშლის პერიოდით წამის ნახევარზე ნაკლები.

მარტინ ჰეინრიხ კლაპროთი
(Martin Heinrich Klaproth)
 მიერ იქნა შერქმეული სახელი ტიტანი ბერძნული მითოლოგიური პერსონაჟის მიხედვით

ისტორია

ტიტანი მინერალ ილემინიტში აღმოაჩინა ინგლისში 1791 წელს მოყვარულმა გეოლოგმა და პასტორმა უ. გრეგორმა (შემდგომში გახდა ეკლესიის მოძღვარი).  მან შენიშნა, რომ ეკლესიის მისასვლელთან არსებული ქვიშა მიიზიდებოდა მაგნიტით. ქვიშის ქიმიურმა ანალიზმა უჩვენა ორი მეტალის ოქსიდის არსებობა - რკინის ოქსიდისა (რითაც აიხსნებოდა მაგნიტით მიზიდვა) და 45.25% თეთრი მეტალური ოქსიდი, რომლის იდენტიფიკაციაც მან ვერ შეძლო. უ. გრეგორიმ ამ მონაცემების შესახებ აცნობა ინგლისის სამეფო გეოლოგიურ საზოგადოებას და გერმანიის სამეცნიერო ჟურნალ ”Crell`s Annalen” -ს. თითქმის ამავე პერიოდში ფ. მიულერმა მიიღო მსგავსი ნივთიერება, მაგრამ ვერც მან  შეძლო მისი იდენტიფიკაცია. თეთრი ოქსიდი იდენტიფიცირებულ იქნა 1795 წელს გერმანელი ქიმიკოსის მ.ჰ. კლაპროტის მიერ საბადო რუტილში (უნგრეთი). მ. კლაპროტმა აღმოაჩინა, რომ იგი შეიცავდა ახალ ელემენტს, რომელსაც მან ბერძნული მითოლოგიის მიხედვით უწოდა ტიტანი. მას შემდეგ რაც გაიგო უ.გრეგორის ადრინდელი აღმოჩენის ამბავი, კლაპროტმა მიიღო მანასანიტის ნიმუში და დაამტკიცა, რომ იგი შეიცავდა ტიტანს.

ტიტანის გამოყოფის პროცესი მოითხოვდა ტიტანის ექსტრაქციას სხვადასხვა მადნებიდან, რომელიც საკმაოდ შრომატევადი და ხარჯებთან იყო დაკავშირებული. ტიტანის აღდგენა ნახშირბადით ნორმალურ პირობებში იყო შეუძლებელი, რადგანაც ამ დროს წარმოიქმნებოდა ტიტანის კარბიდი.

სუფთა მეტალური ტიტანი (99.9%), პირველად მიღებულ იქნა 1910 წელს მ. ჰანთერის მიერ. ოთხქლორიანი ტიტანის (TiCl₄) ნატრიუმთან გაცხელებით, 700-800°C (ჰანთერის მეთოდი), მაგრამ 1932 წლამდე მეტალური ტიტანი მხოლოდ ლაბორატორიაში გამოიყენებოდა.

უ. კროლმა აღმოაჩინა, რომ ტიტანის მიღება შეიძლება ტეტრაქლორტიტანის (TiCl₄) კალციუმით აღდგენით. რვა წლის შემდეგ ეს პროცესი დაიხვეწა და აღმდგენლად გამოიყენებოდა მაგნიუმი და ნატრიუმი. კროლის ცნობილი მეთოდიდან  შემდგომ კვლევა გაგრძელდა უფრო ეფექტური და იაფი პროცესის მისაღწევად, მაგრამ კროლის პროცესი დღემდე გამოიყენება კომერციული ტიტანის მისაღებად.

პურბეს (პოტენციალების) დიაგრამა ტიტანისათვის სუფთა წყალში, პერქლორმჟავასა და ნატრიუმის ჰიდროქსიდში

 ქიმიური თვისებები

ტიტანის ყველაზე მნიშვნელოვანი ქიმიური თვისებაა მისი კოროზიამედეგობა. იგი თითქმის მსგავსია პლატინის, რომელიც არ ურთიერთქმედებს განზავებულ გოგირდმჟავასთან და ქლორწყალბადმჟავასთან, ასევე აირად ქლორთან, ქლორიდების ხსნარებთან და ორგანული მჟავების უმეტესობასთან, მაგრამ იგი იხსნება მჟავათა კონცენტრირებულ ხსნარებში. ტიტანი ნელა ურთიერთქმედებს წყალთან და ჰაერთან, რადგანაც იგი წარმოქმნის პასიურ, ოქსიდურ ფენას, რომელიც იცავს მას შემდგომი რეაქციისაგან. ჰაერზე ტემპერატურის გაზრდის შემთხვევაში ტიტანი სწრაფად რეაგირებს ჟანგბადთან.

ტიტანი 1200°C  ჰაერზე, ხოლო 610°C-ზე სუფთა ჟანგბადში  იწვის და წარმოქმნის ტიტანის დიოქსიდს. ამის გამოა, რომ ტიტანის გალღობა ღია ჰაერზე ვერ ხერხდება, რადგან იგი გალღობის ტემპერატურის მიღწევამდე იწვის. მისი გალღობა შესაძლებელია მხოლოდ ინერტულ გარემოში ან ვაკუუმში. 550 °C-ზე იგი უერთდება ქლორს. იგი აგრეთვე რეაგირებს სხვა ჰალოგენებთან, ასევე შთანთქავს წყალბადს. ტიტანი სუფთა აზოტში იწვის 800 °C -ზე  და წარმოქმნის ნიტრიდს, რომელიც ხასიათდება სიმყიფით. ტიტანი ასევე უერთდება ნახშირბადს და სილიციუმს და შესაბამისად წარმოქმნის კარბიდს (TiC) და სილიციდს (TiSi₂). ექსპერიმენტმა აჩვენა, რომ ბუნებრივი ტიტანი ხდება რადიოაქტიური მისი ნეიტრონებით დაბომბვისას. ამ დროს იგი ძირითადად გამოყოფს პოზიტრონებს და გამა სხივებს.

ნაერთები

ტიტანის ქიმიაში დომინირებს +4 დაჟანგულობის ხარისხი, მაგრამ ცნობილია ნაერთები, რომლებშიც იგი ამჟღავნებს +3 დაჟანგულობის ხარისხს. ამ მაღალი დაჟანგულობის ხარისხის გამო მის ბევრ ნაერთს უნარი აქვს წარმოქმნას კოვალენტური ბმები.

ტიტანატები მიიღება ტიტანის დიოქსიდისაგან. ბარიუმის ტიტანატს გააჩნია პიეზოელექტრული თვისებები, რაც შესაძლებლობას იძლევა იგი გამოყენებულ იქნას როგორც გარდამქმნელი ბგერისა და ელექტრობის ურთიერთგადასვლის დროს. ტიტანის ესტერები მიიღება სპირტების ურთიერთქმედებით ტეტრაქლორტიტანთან. ისინი გამოიყენებიან წყალგაუმტარი მასალების დასამზადებლად.

ტიტანის ნიტრიდის (TiN) სიმაგრე უტოლდება საფირონისა და კარბორუმდის სიმაგრეს (9.0 მოხის შკალის მიხედვით). იგი გამოიყენება საბურღავ ინსტრუმენტებში. მან გამოყენება ჰპოვა აგრეთვე ოქროსფერი დეკორატიული აპარატურებისათვის და როგორც მეტალური ბარიერი ნახევარგამტარების წარმოებაში.

ტიტანისტეტრაქლორიდი (TiCl₄) წარმოადგენს უფერო სითხეს, რომელიც როგორც შუალედური პროდუქტი გამოიყენება ტიტანის დიოქსიდის მისაღებად. ტიტანი ასევე წარმოქმნის ტიტან (III) ქლორიდს (TiCl₃), რომელიც გამოიყენება აღმდგენელ აგენტად.

TiN-ით დაფარული ბურღი

ტიტანის დიოქსიდი არის ერთ-ერთი ყველაზე მეტად გამოყენებული ნაერთი.

"ხარისხი 2" სისუფთავის ტიტანის ცილინდრი

გავრცელება

ტიტანის ოქსიდის წარმოება 2003 წლისათვის (ათასი ტონა)

ტიტანის შემცველობა დედამიწის ქერქში შეადგენს 0.63% მასის მიხედვით. იგი მეშვიდე ელემენტია დედამიწაზე გავრცელების მიხედვით, მაგრამ ტიტანი მიეკუთვნება გაბნეული ელემენტების რიცხვს, რადგან გვხვდება სხვადასხვა ელემენტებთან ერთად. ტიტანი გვხვდება ვულკანური წარმოშობის ქანებში, წყლის ცოცხალ ორგანიზმებში. აშშ-ის გეოლოგიურმა გაერთიანებამ ჩაატარა 801 ვულკანური ქანის ანალიზი, აქედან 784 შეიცავდა ტიტანს. მისი წილი ნიადაგში დაახლოებით 0.5-დან 1.5%-მდეა.

ტიტანი ფართოდაა გავრცელებული და ძირითადად გვხვდება შემდეგ მინერალებში: ანათაზი, ბრუკიტი, ილუმინიტი, პეროვსკიტი, რუთილი, ტიტანიტი (სავენი) და სხვა მრავალ რკინის მადნებში. ამ მინერალებიდან მხოლოდ რუთილს და ილუმინიტს აქვთ ეკონომიური მნიშვნელობა, მაგრამ ჯერ კიდევ ძნელია მათი მოპოვება დიდი კონცენტრაციით. ტიტანის შემცველი ილუმინიტის მნიშვნელოვანი დეპოზიტი არის დასავლეთ ავსტრალიაში, კანადაში, ჩინეთში, ინდოეთში, ახალ ზელანდიაში, ნორვეგიასა და უკრაინაში. რუთილი დიდი რაოდენობით გვხვდება ჩრდილოეთ ამერიკაში, სამხრეთ აფრიკაში, რაც ხელს უწყობს მეტალის (90 000 ტონა) და ტიტანის დიოქსიდის (43 მილიონი ტონა) ყოველწლიურ წარმოებას. ტიტანის საერთო სარეზერვო მარაგი წარმოადგენს დაახლოებით 600 მილიონ ტონას.

ტიტანს შეიცავს მეტეორიტები და მისი აღმოჩენა შეიძლება მზეზე და M-ტიპის ვარსკვლავებზეც. ყველაზე ცივი ვარსკვლავის ზედაპირის ტემპერატურაა 3 200 °C.

მიღება და წარმოება

მეტალური ტიტანის მიღება მოიცავს ოთხ ძირითად საფეხურს. ტიტანის საბადოს აღდგენა „ღრუბლის“ ფორმაში ანუ ფოროვან ფორმაში, შემდეგ ხდება ამ ფოროვანი ფორმის გალღობა და ფოროვანი ფორმისაგან შენადნობის წარმოქმნა. ტიტანის შენადნობებს იყენებენ სახრახნისების, ბურღების, საიალქნე ბაგირების, სპეციალურ დანიშნულების მეტალის ფურცლების და მილების,  სხვა საქარხნო პროდუქტების დასამზადებლად.

რადგან ტიტანი რეაგირებს ჟანგბადთან მაღალ ტემპერატურაზე, მისი მიღება დიოქსიდის აღდგენით შეუძლებელია. კომერციული ტიტანი მიიღება კროლის პროცესით, სადაც პირველ საფეხურზე ოქსიდი გარდაიქმნება ოთხქლორიან ტიტანში (TiCl₄) კარბოქლორირებით - აირადი ქლორის გატარებით ცხელ რუთილში ან ილმენიტში ნახშირბადის თანაობისას. შემდეგ იგი კონდენსირდება და სუფთავდება ფრაქციული გამოხდით და საბოლოოდ აღსდგენენ 800 °C-ზე გამლღვალი მაგნიუმით არგონის არეში.

დღეისათვის კროლის პროცესი შედარებით ახალმა მეთოდმა - FFC Cambridge პროცესმა ჩაანაცვლა. ამ მეთოდში გამოყენებულია ტიტანდიოქსიდის ფხვნილი, რომელიც მიიღება რუთილის, როგორც საწყისი ნედლეულის დაქუცმაცებით. ფხვნილისებრი ან ფოროვანი საბოლოო პროდუქტის მისაღებად FFC Cambridge - პროცესი საშუალებას იძლევა ტიტანისაგან მივიღოთ ძვირფასი მასალა რეაქტიული თვითმფრინავების ინდუსტრიისათვის და სხვა მნიშვნელოვანი საგნების დასამზადებლად.

ზოგადად ტიტანის შენადნობი მიიღება აღდგენით. მაგალითად, კუპროტიტანის (რუთილზე სპილენძის დანამატი და აღდგენა), ფეროკარბონტიტანის (ილმენიტის აღდგენა კოქსით ელექტროღუმელებში) და მაგნიტოტიტანის (რუთილი მანგანუმთან ან მანგანუმის ოქსიდთან) აღდგენით.

2 FeTiO₃ + 7 Cl₂ + 6 C → 2 TiCl₄ + 2 FeCl₃ + 6 CO (900 °C)

TiCl₄ + 2 Mg → 2 MgCl₂ + Ti (1100 °C)

გამოყენება

ტიტანი გამოიყენება ფოლადში, როგორც შესალღობი ელემენტი (ფერო-ტიტანი), რომელიც ამცირებს კრისტალის ზომას და ასევე წარმოადგენს დანმჟანგველს და უჯანგავ ფოლადში ამცირებს ნახშირბადის შემცველობას. ტიტანს ხშირად ალღობენ ალუმინთან, ვანადიუმთან, მოლიბდენთან და სხვა მეტალებთან. ფხვნილისებრი ტიტანი გამოიყენება პიროტექნიკაში.

ნიადაგიდან ხდება 95%-მდე ტიტანის საბადოების ექსტრაგირება, რომელიც გასუფთავების შემდეგ გამოიყოფა ტიტანის დიოქსიდის (TiO₂) სახით, რომელსაც თეთრი პიგმენტების სახით იყენებენ სამხატვრო საქმეში, ქაღალდის წარმოებაში, კბილის პასტებში და პლასტიკატების წარმოებაში. იგი აგრეთვე გამოიყენება ცემენტში, ძვირფას ქვებში და თევზსაჭერი ანკესების შემადგენელი გრაფიტის გამამაგრებელ აგენტად. ტიტანის ორჟანგი აგრეთვე გამოიყენება ნატა-ციგლერის კატალიზში.

ტიტანმა გამოყენება ჰპოვა არქიტექტურაშიც. მოსკოვში, პირველი კოსმონავტის - იური გაგარინის 40 მ (120 ფუტი) სიმაღლის მემორიალი გაკეთებულია ტიტანისაგან, სადაც მეტალის მიმზიდველი ფერი შეხამებულია სარაკეტო ტექნიკასთან. ბილბაოს გუგენჰემის მუზეუმი და სერიტოს ათასწლეულის ბიბლიოთეკის შენობები შესაბამისად ევროპასა და ჩრდილოეთ ამერიკაში შეფუთულია ტიტანის პანელებით. ტიტანი გამოიყენება ცეცხლსასროლი იარაღების პისტოლეტების და რევოლვერების ცილინდრის კარკასის წარმოებაში. იგი აგრეთვე გამოიყენება ზოგიერთ ლეპტოპებში.

რადგანაც ტიტანი ბიოშეთავსებადია (იგი არატოქსიკურია), მან გამოყენება ჰპოვა მედიცინაში, მათ შორის ქირურგიული ინსტრუმენტების წარმოებაში. ტიტანის მასალით ხდება თეძოს ძვლისა და ბუდის (შეერთების ადგილას) ჩანაცვლება, რომელსაც ადგილზე შეუძლია გაძლოს 20 წელზე მეტი. ხშირად ამ დროს გამოიყენება ტიტანი შელღობილი 4% ან 6% ალუმინთან და 4% ვანადიუმთან.

მასალა მომზადებულია www.wikipedia.com -ის მიხედვით