Периодическая система элементов Менделеева - Титан

-i q августа 1964 года в предрассветный час на проспекте Мира в Москве стартовала космическая ракета. Этому звездному кораблю не суждено было достичь Луны или Венеры, однако судьба, уготованная ему, не менее почетна: навеки застыв в московском небе, серебристый обелиск должен пронести через столетия память о первом пути, проложенном советским человеком в космическом пространстве.

Авторы проекта долго не могли выбрать облицовочный материал для этого величественного монумента. Сначала обелиск запроектировали в стекле, потом в пластмассе, затем в нержавеющей стали. Но все эти варианты были забракованы самими авторами. После долгих экспериментов решено было остановиться на отполированных до блеска титановых листах.

Почему же именно на титан была возложена столь почетная миссия— рассказать потомкам о подвиге наших современников?

Титан не случайно называют вечным материалом. Но прежде, чем говорить о свойствах, познакомимся с биографией этого металла.

Если бы титану пришлось заполнять анкету, то в графе «Меняли ли Вы фамилию?» он вынужден был бы указать, что до 1795 года назывался «менаккином». Именно так назвал в 1791 году английский химик и минералог Вильям Грегор новый элемент, который был открыт им в минерале менакканите. Но, видимо, это имя пришлось элементу не по вкусу и при первой же возможности (а она представилась в 1795 году, когда немецкий химик Мартин Клапрот вторично открыл элемент — на этот раз в минерале рутиле), он сменил его на красивое, ко многому обязывающее имя «титан». Это название заимствовано из древнегреческой мифологии: титанами именовались сыновья Геи—богини Земли.

Спустя два года выяснилось, что Грегор и Клапрот открыли один и тот же элемент, за которым с тех пор и утвердилось гордое имя — титан.

Открыть элемент — это еще не значит выделить его в чистом виде. И Грегору, и Клапроту удалось получить только химическое соединение титана с кислородом (двуокись титана) — белый кристаллический порошок. Выделение титана из его соединений оказалось поистине титанической задачей. Решить ее пытались многие известные химики прошлого века, но всех их ждала неудача.

Одно время казалось, что поиски английского ученого Волластона увенчались успехом. Исследуя в 1823 году кристаллы, обнаруженные в металлургических шлаках завода «Мертир-Тидвиль», он пришел к заключению, что кристаллическое вещество — не что иное, как чистый титан. Спустя 33 года немецкий химик Вёлер установил, что эти кристаллы представляют собой соединение титана с азотом и углеродом, а отнюдь не свободный титан, как ошибочно считал Волластон.

Много лет полагали, что впервые металлический титан был получен в 1825 году знаменитым шведским ученым Берцелиусом при восстановлении фтортитаната калия металлическим натрием. Однако сегодня, сравнивая свойства титана и продукта, полученного Берцелиусом, можно утверждать, что президент шведской Академии наук ошибался, ибо чистый титан быстро растворяется в плавиковой кислоте (в отличие от многих других кислот), а «титан» Берцелиуса успешно сопротивлялся ее действию. Лишь в 1875 году русский ученый Д. К. Кириллов сумел получить металлический титан. Результаты этих работ Д. К. Кириллов опубликовал в брошюре «Исследования над титаном». Но в условиях царской России этот замечательный труд никого не заинтересовал и поэтому остался незамеченным.

В 1887 году довольно чистый продукт— около 95% титана—получили соотечественники Берцелиуса Нильсон и Петерсон, восстанавливавшие четыреххлористый титан металлическим натрием в стальной герметичной бомбе.

Следующий шаг на пути к чистому титану сделал в 1895 году французский химик Анри Муассан, который восстанавливал двуокись титана углеродом в дуговой печи и затем подвергал полученный металл двукратной рафини-ровке. Его титан содержал всего 2% примесей.

Наконец, в 1910 году американский химик Хантер, усовершенствовав способ Нильсона и Петерсона, сумел получить несколько граммов сравнительно чистого титана. Это событие вызвало широкие отклики в различных странах. Именно поэтому многие до сих пор ошибочно приписывают Хан-теру, а не Кириллову приоритет выделения титана в чистом виде.

Итак, чистый титан был получен. Но чистым он мог считаться с большой натяжкой, так как все же содержал несколько десятых долей процента примесей. Всего несколько десятых... Но «ложка дегтя портит бочку меда». Примеси делали титан хрупким, непрочным, не поддающимся механической обработке. О нем пошла дурная слава как о бесполезном металле, не пригодном ни для каких целей.

Разумеется, с такой характеристикой титан не мог и мечтать об ответственной работе. Приходилось довольствоваться второстепенными ролями.

Еще в 1908 году Розе и Бартран в США, а Фаруп в Норвегии предложили изготовлять белила не из соединений свинца, как делалось прежде, а из двуокиси титана. По своим качествам титановые белила значительно превосходили свинцовые. К тому же титановые белила не ядовиты (бич свинцовых белил), поскольку двуокись титана безвредна для человеческого организма. Медицине известен случай, когда некий гражданин проглотил за один раз почти полкилограмма двуокиси титана, и это не привело к печальным последствиям.

Со временем двуокись титана стали применять при окрашивании кож, тканей, в производстве стекла, фарфора, эмали, для изготовления искусственных бриллиантов.

Нашлась работа и для другого титанового соединения — четыреххлористого титана, впервые полученного французским химиком Дюма еще в 1826 году. Способность хлорида титана интенсивно образовывать маскирующие дымовые завесы широко использовалась в период первой мировой войны. В мирные же годы это соединение служит для окуривания растений во время весенних заморозков. Но титан, как мы увидим далее, вправе был претендовать на более серьезную и интересную работу.

И вот, наконец, в 1925 году голландские ученые ван Аркель и де Бур разложением /четыреххлористого титана на раскаленной

вольфрамовой проволоке получили титан очень ^высокой чистоты.^ Вот тогда-то оказалось, что утверждение Хантера о хрупкости титана не выдерживает никакой критики, поскольку металл, полученный ван Аркелем и де Буром, обладал очень высокой пластичностью: его можно было ковать на холоде, как железо, прокатывать в листы, ленту, проволоку и даже тончайшую фольгу.

Теперь гордое имя, которое носил элемент, никому уже не казалось, как прежде, ироническим—перед ним открылась широкая дорога в мир техники.

Словно в благодарность за освобождение из плена примесей титан начал изумлять ученых своими чудесными свойствами. Выяснилось, например, что титан, который почти вдвое легче железа, оказался прочнее многих сталей.

По удельной прочности титан не имеет соперников среди промышленных металлов. Даже такой металл, как алюминий, уступил ряд позиций титану, который всего в полтора раза тяжелее алюминия, но зато в шесть раз прочнее. И что особенно важно, титан сохраняет свою прочность при высоких температурах (до 500°С, а при добавке легирующих элементов— до 650°С), в то время как прочность большинства алюминиевых сплавов резко падает уже при 300 °С.

Титан—очень твердый металл: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза—железа и меди. Чем выше предел текучести металла, тем лучше детали из него сопротивляются эксплуатационным нагрузкам, тем дольше они сохраняют свои формы и размеры. Предел текучести титана в 18 раз выше, чем у алюминия, и в 2,5 раза—чем у железа.

Неудивительно, что когда перед авиаконструкторами встал вопрос, какому металлу доверить преодоление звукового барьера, выбор пал на титан. В зарубежной печати появилось сообщение о создании в США сверхзвукового реактивного самолета «Черная птица», который способен развивать скорость более 3200 километров в час. Корпус новой машины изготовлен из титана. Из этого металла сделаны ответственные наружные части и первого в мире сверхзвукового пассажирского самолета ТУ-144: мотогондолы, элероны, рули поворота.

Из титана все чаще изготовляют и многие другие авиационные узлы и детали — от двигателя до болтов и гаек. Кстати, о болтах. По мнению американских специалистов, только в результате замены стальных болтов двигателя титановыми в одном из типов истребителя вес двигателя снижается чуть ли не на сто килограммов. Так как каждый из этих сбере-женных килограммов уменьшает вес самолета на 10 килограммов (благодаря облегчению фюзеляжа), общая экономия в весе достигнет тонны. Можно представить себе, что значит снизить вес самолета на целую тонну, если уменьшение веса самолета гражданской авиации всего на 1 килограмм позволяет сэкономить до 400 рублей в год. По прогнозам специалистов, в ближайшие годы доля конструкций из титана и его сплавов в самолетах, скорость которых в 2—3 раза выше скорости звука, возрастет до 60—90%.

Не обойдется без него и космическая техника. Отличные эксплуатационные качества присущи, в частности, титановым бакам для хранения жидкого кислорода и водорода: при сверхнизких температурах титан не разрушается, как большинство металлов, а наоборот, становится еще прочнее.

По-видимому, титан будет основным конструкционным материалом объектов, монтируемых непосредственно в космосе. Как показали эксперименты, проведенные в 1969 году советскими космонавтами Георгием Шони-ным и Валерием Кубасовым, этот металл в условиях космического вакуума легко поддается сварке и резке.

К титану с почтением относятся конструкторы не только небесного оборудования. Одна иностранная фирма, например, изготовляет из него велосипедные рамы: такая рама весит чуть больше килограмма, а вес всего велосипеда при этом—менее 7 килограммов!

Титан привлек к себе внимание и химиков. На одном из заводов был проведен следующий эксперимент. Из чугуна, нержавеющей стали и титана изготовили три насоса для перекачки агрессивных жидкостей. Первый был «съеден» через трое суток, второй продержался 10 дней, а третий (титановый) и через полгода непрерывной работы оставался цел и невредим.

Несмотря на то, что титан еще очень и очень дорог, замена им более дешевых материалов во многих случаях оказывается экономически выгодной. Так, корпус реактора одного из химических аппаратов, изготовленный из нержавеющей стали, стоит 150 рублей, а из титанового сплава — 600 рублей. Но при этом стальной реактор служит лишь 6 месяцев, а титановый— 10 лет. Прибавьте еще затраты на замену стальных

зато она простоит без ремонта добрую сотню лет — все затраты окупятся с лихвой.

Широкое применение получил титан при производстве твердых сплавов для режущих инструментов. Тончайшее покрытие из карбида титана значительно повышает режущие свойства инструмента, улучшает качество поверхности обработанных изделий.

Доброй славой пользуются превосходные хирургические инструменты из сплавов титана. Советский врач Юрий Сенкевич — участник интернациональной экспедиции под руководством известного норвежского путешественника Тура Хейердала взял с собой в дальнее плавание на папирусном судне «Ра» титановые хирургические инструменты.

Не так давно ученые создали удивительный сплав никеля с титаном— «нитинол», который обладает загадочным свойством «помнить» свое прошлое, а точнее говоря, принимать после деформации и соответствующей обработки свою прежнюю форму (об этом подробнее рассказано в очерке «Медный дьявол», посвященном никелю).

Еще в начале нашего века среди металлургов господствовало мнение, что титан — одна из самых вредных примесей железа. Понадобилось много лет, чтобы доказать нелепость подобной точки зрения. Сегодня металлургия — один из основных потребителей титана. Можно насчитать сотни марок сталей и сплавов, в состав которых в том или ином количестве входит этот элемент. В нержавеющие стали его вводят для предотвращения межкристаллитной коррозии. В жаростойких высокохромистых-сплавах он уменьшает размер зерна, делая структуру металла однородной и мелкокристаллической. В других жаростойких сплавах титан служит упрочняющим элементом.

Высокое сродство титана к кислороду (к этому мы еще вернемся) позволяет использовать его для раскисления стали, т. е. для удаления из нее кислорода: по раскислительной способности титан примерно в 10 раз превосходит кремний—один из основных раскислителей. Такова же роль титана и по отношению к азоту. Очистка стали от газов повышает ее механические свойства, улучшает коррозионную стойкость.

Одно из замечательных свойств титана — его необычная стойкость против коррозии — этого злейшего врага металлов. На пластинке из титаназа 10 лет пребывания в морской воде не появилось и следа ржавчины (за такой срок от железной пластинки остались бы лишь воспоминания). Да что там какой-то десяток лет: расчеты показывают, что если бы этот эксперимент начался тысячу лет назад, например, когда проходило крещение Руси, то к нашему времени коррозия смогла бы проникнуть в глубь титана всего на 0,02 миллиметра. Не мудрено поэтому, что судостроители, гидростроители, конструкторы глубоководных аппаратов проявляют к титану не меньшую симпатию, чем авиаконструкторы и химики. Американская фирма «Дженерал электрик» создает проект обитаемых станций, которые смогут размещаться на глубинах до 3700 метров. Титановым сплавам в этом проекте отведена важная роль.

Высокая коррозионная стойкость титана — вот объяснение, почему создатели обелиска, увековечившего покорение человеком космического пространства, выбрали именно этот металл в качестве облицовочного материала. Сравнительно недавно титан оказался нужным еще для одного монументального сооружения. На конкурсе проектов памятников в честь 100-летнего юбилея организации Международного союза электросвязи, организованном ЮНЕСКО, первый приз (из 213 представленных проектов) получила работа советских архитекторов. Монумент, который предполагалось установить на площади Наций в Женеве, должен был представлять собой две бетонные раковины высотой 10,5 метра, облицованные пластинами полированного титана. Человек, проходящий между этими раковинами по специальной дорожке, услышит свой голос, шаги, шум города, увидит свое изображение в центре кругов, уходящих в бесконечность.

Важная характеристика титана — его немагнитность, что для многих отраслей техники представляет существенный интерес. Титан обладает большим электросопротивлением: если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия 55, железа и ртути 2, а титана—всего 0,3. Это свойство металла широко используют в электротехнике. Итак, титан является счастливым обладателем многих ценных свойств. Почему же до сих пор его применяют в промышленности не столь широко, как, например, сталь или алюминий?

Высокая цена — вот что в какой-то мере тормозило потребление титана. Собственно говоря, этот «порок» не врожденный, а обусловлен лишь чрезвычайной трудностью извлечения титана из руд. Если принять относительную стоимость титана в концентрате за 1, то после длинного и сложного технологического пути, который преодолевает титан в процессе превращения в готовую продукцию — тонкий лист, стоимость его возрастает в 500—600 раз. Но это—беда поправимая: производство нового металла непрерывно совершенствуется, и не за горами то время, когда он будет так же дешев, как алюминий, который еще в конце прошлого века конкурировал с драгоценными металлами. Недалек тот день, когда на прилавках магазинов можно будет встретить столовые и ^кухонные приборы из титана и его сплавов,—титан «шагает в массы».

До самого последнего времени титан совершенно необоснованно относили (а порой и сейчас относят) к редким металлам. В действительности же лишь очень немногие элементы распространены в природе больше, чем титан. Количество титана в земной коре в несколько раз превышает запасы таких металлов, как медь, цинк, свинец, золото, серебро, платина, хром, вольфрам, ртуть, молибден, висмут, сурьма, никель, олово, вместе взятых. Вот так редкий!

Впрочем, в известном смысле термин «редкий» имеет некоторое отношение к титану: ведь редкая горная порода не содержит этот элемент (из 800 исследованных горных пород титан был найден в 784^.

Известно около 70 минералов титана, в которых он находится в виде двуокиси или солей титановой кислоты. Наибольшее практическое значение имеют ильменит (который раньше назывался менакканитом), рутил, перовскит и сфен. «Компания» титановых минералов постоянно расширяется. Так, совсем недавно в Ловозерских тундрах (на Кольском полуострове) геологи нашли неизвестный ранее камень (точнее, песчинку—ведь вес находки составлял лишь десятую долю грамма), который был назван натиситом, поскольку его основными компонентами оказались натрий, титан и кремний (силиций). Богатые месторождения титановых руд имеются в СССР (Урал, Сибирь, Украина, Алтай, Хибины), США, Индии, Норвегии, Канаде, Австралии и других странах. Всего на земном шаре известно более 150 значительных рудных и рассыпных месторождений титана.

Еще до полетов американских космических кораблей «Аполлон» и советских автоматических станций «Луна», доставивших на Землю образцы лунных пород, некоторые ученые высказывали предположение, что лунный грунт содержит довольно большие количества окиси титана. Теперь вчерашняя гипотеза стала уже экспериментально подтвержденным фактом. Кто знает, мЬжет быть, в недалеком будущем газеты сообщат, что где-нибудь в районе Моря Спокойствия или Океана Бурь начал действовать первый на Луне титановый рудник.

Интересные данные доставили на Землю советские космонавты Петр Климук и Валентин Лебедев—экипаж космического корабля «Союз-13». Им удалось получить ультрафиолетовую спектрограмму одной из планета-рных туманностей, к которым астрономы всегда проявляли повышенный интерес. Типичная туманность представляет собой газовое образование с горячей звездой в центре. Поскольку эти небесные объекты находятся на колоссальном расстоянии от нашей планеты, информация о них крайне скудна. За все годы изучения планетарных туманностей в них было обнаружено лишь 17 химических элементов, причем за последние четверть века никаких новостей в этом смысле из «дальних краев» не поступало. И вот приборы, находящиеся на борту «Союза-13», неопровержимо установили наличие в планетарной туманности еще двух элементов — алюминия и титана.

Итак, ни наша планета, ни ее ближайшая спутница, ни другие небесные тела не вправе сетовать на отсутствие титана. Но ведь нужно еще извлечь металл из руды и довести его до такого состояния, в котором он может быть использован в современной технике. А задача эта очень нелегкая.

Дело в том, что союз титана с кислородом (а именно в виде такого соединения элемент обычно и встречается в природе) является одним из самых прочных в химии.

Ни электрический ток, ни высокие температуры не в силах ъырвать титан из объятий кислорода. Это заставило учёных искать окольные пути получения титана в свободном виде. В 1940 году американский ученый Кролль сумел разработать так называемый магниетермичес^ий способ промышленного производства титана. Сущность его заключается в следующем. Сначала двуокись титана с помощью хлора и углерода переводят в четыреххлористый титан. Справиться же с хлором, который теперь занимает место кислорода, уже значительно легче; эту задачу вполне успешно решает, например, такой элемент, как магний. В результате реакции четыреххлористого титана с магнием образуется губчатая масса, состоящая из титана, магния и хлористого магния. Для получения чистого компактного титана эту массу переплавляют в вакууме или в атмосфере инертного газа (чтобы в металл не попали азот и кислород воздуха). В промышленности находит применение также натриетермический метод получения металлического титана, который в принципе мало отличается от магниетермического. Чтобы получить особо чистый титан, в настоящее время используют иодидный метод, предложенный уже известными нам ван Аркелем и де Буром.

Полученный из хлорида технически чистый титан превращают в иодид, который затем возгоняют в вакууме. На своем пути пары иодида встречают раскаленную (до 1400°С) титановую проволоку. Иодид при этом разлагается, и на проволоке оседает слой чистого титана. Вследствие дороговизны этот метод еще не имеет промышленного применения. Такой титан используют в основном для лабораторных исследований.

Как вы уже убедились, свойства титана во многом зависят от степени его чистоты, поэтому разработка способов массового производства особо чистого титана является одной из важнейших проблем промышленности.

В наши дни к титану приковано внимание тысяч ученых. В многочисленных лабораториях образцы этого металла ежедневно подвергаются жестоким «пыткам»: его рвут на части, гнут, «варят» в кислотах и щелочах, раскаляют, охлаждают до сверхнизких температур, воздействуют на него чудовищными нагрузками, током высокой частоты, ультразвуком.

И титан раскрывает человеку свои тайны...