1.5.3. Титан

Титан относится к d -элементам IV В группы. Электрон­ная формула валентных электронов 3d²4s². При возбуждении атома внешние электроны распариваются, поэтому титан мо­жет проявлять валентность равную двум. Но более характерно для него четырехвалентное состояние, отвечающее максималь­ному числу неспаренных электронов на валентных энергетиче­ских подуровнях.

Металлы подгруппы титана являются важными конст­рукционными материалами новой техники, особенно титан.

Внешне технические сплавы титана похожи на сталь, имеют крупнозернистую кристаллическую структуру и очень отражают свет (блестят). По удельной прочности титан пре­восходит все остальные металлы, так как обладает прочностью легированной стали при значительно меньшей плотности. Од­нако присутствие в титане примесей кислорода, азота и водо­рода весьма отрицательно сказывается на его пластичности, ковкости, прочности на разрыв и других механических харак­теристиках.

Особенностью металлов этой группы является наличие аллотропического превращения α↔β(у титана при 882,6° С).Изменение кристаллической структуры сопровождается значи­тельным изменением плотности и развитием внутренних на­пряжений, уменьшающих прочность изготавливаемых конст­рукций. Технические сплавы титана делятся на три группы:

а - сплавы:_а предназначенные для работы в области тем­ператур ниже полиморфного превращения (ОТ-4 и др.), леги­рованные А1 и Сг. Температура превращения повышается.

β - сплавы используются для работы в области высоких температур, легированные элементами, стабилизирующими структуру р, снижая температуру превращения (Мо, V, Nb). К подобным сплавам относятся ВТ-1, ВТ-15.

α+β - ставы содержат обе формы кристаллических структур.

Сплавы титана находят широкое применение при созда­нии летательных аппаратов, в судостроении и других отраслях техники. Сплавы на основе титана устойчивы против коррози­онных воздействий в результате пассивирования поверхности оксидными и нитридными пленками.

Химические свойства. Титан и его аналоги покрывают­ся на воздухе прочной защитной пленкой соответствующего оксида. Но при высоких температурах защитное действие ок­сидных пленок ослабевает, и металлы проявляют заметную химическую активность.

Отношение к элементарным окислителям. Гидриды очень легко образуются в среде, содержащей водород.

Ti + H₂ = TiH₂

3Ti + 2Н₂O = TiO₂ + 2TiH₂

Гидриды титана - кристаллические вещества с большой областью гомогенности, обладающие металлической проводи­мостью. Насыщение титана и циркония водородом приводит к потере пластических свойств и сопровождается образованием трещин.

Галиды образуются при непосредственном взаимодейст­вии с большим выделением энергии.

Ti + 2С1₂ = TiCl₄

Это соединение с ковалентными полярными связями, со­лями не являются. Гидролиз идет до конца:

TiCl₄ + ЗН₂O = Н₂ТiO₃ + 4НС1

Восстановлением галидов высших степеней окисления получаются солеобразные галиды титана со степенями окисле­ния +3 и +2.

2TiCl₄ + Н₂ = 2TiCl₃ + 2НС1

TiCl₄ + Н₂ = TiCl₂ + 2НС1

Солеобразные галиды являются восстановителями и лег­ко переходят в высшую степень окисления +4.

Оксиды. Поглощение кислорода титаном идет почти не­прерывно, так как оксиды обладают значительной областью гомогенности. Кроме того, кислород может находиться в твер­дом растворе а - титана или образует субоксиды. Известны следующие соединения титана с кислородом:

а тв. р-р, Ti₆O, Ti₃O, TiO, Ti₂O₃, Ti₃Os, ТiO₂.

ТiO₂ - представляет собой оксид со слабо выраженными кислотными свойствами. Соли титановой кислоты, получае­мые сплавлением, устойчивы. Например, FeTiO₃ и ВаТiOз об­ладают значительным пьезоэффектом и употребляются для ге­нераторов ультразвуковых колебаний.

Низшие оксиды имеют основный характер.

2ТiO + 3H₂SO₄ = Ti₂(SO₄)₃ + Н₂ + 2Н₂O

Сульфиды, нитриды, карбиды образуются непосредст­венным взаимодействием, устойчивы. Нитриды и карбиды - тугоплавки, обладают большой твердостью. Карбиды имеют твердость, близкую к твердости алмаза. TiC применяется в машиностроении для изготовления режущего и абразивного инструмента. Нитриды титана нашли применение в машино­строении благодаря их высокой температуре плавления и твер­дости, а также коррозионной стойкости.

Взаимодействие титана с водой, кислотами и щелоча­ми.

Титан разлагает воду при высоких температурах, образуя оксиды и гидриды:

3Ti + 2Н₂O = ТiO₂ + 2TiH₂

Титан вытесняет водород из растворов кислот неокис­ляющего типа:

2Ti + 3H₂SO₄ - Ti₂(SO₄)₃ + 3H₂↑

Наличие оксидных и нитридных слоев на поверхности этих металлов пассивирует их, и реакции с кислотами замед­ляются. Они легче происходят в смеси кислот HF+HNO₃ и HCI+HNO₃.

В результате получаются комплексные соединения:

3Ti + 4HN0₃ + 18HF = 3H₂[TiF₆] + 4NO + 8Н₂0

3Zr + 4HN0₃ + 18НС1 = 3H₂[ZrCl₆] + 4NO + 8H₂0

По своей пассивности в кислотах и других средах сплавы титана ОТ-4, ВТ-15 превосходят даже нержавеющие стали (Х18Н10Т). Это качество делает сплавы титана еще более цен­ными материалами в машино- и судостроении.

Применение титана. Титан имеет большое значение для металлургии. Главные свойства титана, способствующие ши­рокому его применению, - это высокая жаростойкость и жаро­прочность. Благодаря этому титан и его сплавы используются в самолето- и ракетостроении. Титан почти вдвое тяжелее алю­миния, но зато в три раза прочнее его. Это позволяет приме­нять титан в машиностроении. Детали из титана и его сплавов в двигателях внутреннего сгорания снижают массу этих двига­телей примерно на 30%. Присадки титана придают стали твер­дость и пластичность.