Ceny, výskyt, těžba a použití titanu

Titan je chemický prvek se symbolem prvku Ti a atomovým číslem 22. Patří k přechodným kovům a je ve 4. podskupině (skupina 4) nebo titanové skupině v periodické tabulce. Kov je bílo-kovový, lesklý, lehký, pevný, pružný, odolný proti korozi a teplotě. Je proto zvláště vhodný pro aplikace, které vyžadují vysokou odolnost proti korozi, pevnost a nízkou hmotnost. Kvůli komplikovanému výrobnímu procesu je titan desetkrát dražší než běžná ocel.

Titan byl objeven v Anglii v roce 1791 duchovním a amatérským chemikem Williamem Gregorem v titanovém železa. V roce 1795 ji německý chemik Heinrich Klaproth objevil také v rutilové rudě a dal tomuto prvku jeho současný název - podle řeckých bohů titánů.

Avšak až v roce 1831 se Justusovi von Liebigovi podařilo z rudy vytáhnout kovový titan. Čistý kovový titan (99,9%) poprvé vyrobil Matthew A. Hunter v roce 1910 zahříváním chloridu titaničitého sodíkem na 700 až 800 ° C v ocelové bombě.

Teprve ve 1940. letech XNUMX. století se Williamu Justinovi Krollovi podařilo využít Krollova procesu k vývoji titanu pro komerční aplikace zavedením rozsáhlé redukce chloridu titaničitého pomocí hořčíku.

výskyt

Titan se vyskytuje v zemské kůře pouze ve spojení s kyslíkem jako oxidem. Není v žádném případě vzácný, s obsahem 0,565% je na 9. pozici v hojnosti prvků v kontinentální kůře. Obvykle je k dispozici pouze v nízkých koncentracích.

Důležité minerály jsou:

• Ilmenit (titanová železná ruda), FeTiO3
• Leukoxen, ilmenit s nízkým obsahem železa
• Perovskite, CaTiO3
• Rutile, TiO2
• Titanit (Sphen), CaTi [SiO4] O
• Titanáty, jako je titaničnan barnatý, (BaTiO3)
• Doprovod v železných rudách.

Hlavní ložiska jsou v Austrálii, Skandinávii, Severní Americe, na Uralu a v Malajsii. Vklady byly objeveny v Paraguayi v roce 2010, ale jejich využití je plánováno pouze k dnešnímu dni.

Meteority mohou obsahovat titan. Titan byl také detekován na slunci a ve hvězdách spektrální třídy M. Na zemském měsíci jsou také usazeniny. Vzorky hornin z měsíční mise Apollo 17 obsahovaly až 12,1% TiO₂. Existují úvahy o těžbě asteroidů.

Je také obsažen v uhelném popelu, rostlinách a v lidském těle.

Produkce titanu v tisících tun

Hodnost	Přistát	2003	2004	2005
1	Australský	1 300	2 110	2 230
2	Jižní Afrika	1 070	1 130	1 130
3	Kanada	810	870	870
4	Čína	400	840	820
5	Norsko	380	370	420

zotavení 

Čistý titan se na Zemi stěží vyskytuje. Titan se získává z ilmenitu nebo rutilu. Použitý výrobní proces je velmi složitý, což se odráží ve vysoké ceně titanu. V roce 2008 stála tuna titanové houby v průměru 12.000 XNUMX eur.

Od objevení procesu Kroll zůstal výrobní proces téměř beze změny. Obohacený oxid titaničitý, obvykle na bázi ilmenitu nebo rutilu, se v teple přeměňuje chlorem a uhlíkem na chlorid titaničitý a oxid uhelnatý. Poté probíhá redukce na titan za použití kapalného hořčíku. K výrobě obrobitelných slitin musí být výsledná titanová houba přetavena ve vakuové obloukové peci.

Největším producentem titanu a slitin titanu je VSMPO-AVISMA se sídlem ve Verkhnyaya Salda nebo Jekatěrinburgu na Uralu, který je od 12. září 2006 nepřímo vlastněn ruským státem prostřednictvím holdingové společnosti Rosoboronexport.

Nejčistší titan se získá postupem Van Arkel de Boer.

Eigenschaften 

Při vystavení vzduchu vytváří titan extrémně odolnou, oxidickou ochrannou vrstvu, díky níž je odolný vůči korozi v mnoha médiích. Pozoruhodná je vysoká pevnost s relativně nízkou hustotou. Nad teplotou 400 ° C však pevnostní vlastnosti rychle klesají. Mimořádně čistý titan je tvárný. Při vyšších teplotách velmi rychle křehne díky absorpci kyslíku, dusíku a vodíku. Pokud pasivní vrstva nedokáže zvládnout chemický útok, měla by se také vzít v úvahu vysoká reaktivita titanu s mnoha médii při zvýšených teplotách nebo zvýšeném tlaku. Zde se reakční rychlost může zvýšit až k výbuchu. V čistém kyslíku při 25 ° C a 25 barech titan úplně hoří z čerstvě řezané hrany za vzniku oxidu titaničitého. I přes pasivační vrstvu reaguje s kyslíkem při teplotách nad 880 ° C a s chlorem při teplotách nad 550 ° C. Titan také reaguje („hoří“) s čistým dusíkem, což je třeba vzít v úvahu při obrábění, například kvůli generovanému teplu.

Titan je odolný vůči zředěné kyselině sírové, kyselině chlorovodíkové, roztokům obsahujícím chlorid, studenou kyselinou dusičnou a většině organických kyselin a zásad, jako je hydroxid sodný. Naproti tomu se pomalu rozpouští v koncentrované kyselině sírové za vzniku fialového síranu titaničitého. Při použití plynného chlóru je nutné bezpodmínečně dodržovat provozní podmínky.

Mechanické vlastnosti a korozní chování lze výrazně zlepšit přidáním převážně minoritních slitin hliníku, vanadu, manganu, molybdenu, palladia, mědi, zirkonia a cínu.

Titan se stává supravodivým pod teplotou 0,4 K.

Pod 880 ° C je titan přítomen v šestihranném nejbližším balení koulí. Struktura kubické mřížky se středem těla se formuje nad 880 ° C.

slitiny titanu 

Slitiny titanu se často používají podle amerického standardu ASTM Stupeň 1 až 35 charakterizuje. Stupeň 1 až 4 označují čistý titan různého stupně čistoty.

Čistý titan má číslo materiálu 3.7034; ekonomicky nejdůležitější použitý materiál (také pro lopatky turbodmychadla) Ti-6Al-4V (6% hliník, 4% vanad, ASTM:Stupeň 5) má čísla 3.7165 (průmyslové aplikace) a 3.7164 (letecké aplikace).

Další důležité slitiny titanu používané hlavně v leteckém průmyslu:

Nitinol (nikl-titan) je takzvaná slitina s tvarovou pamětí.

Verwendung 

Titan se používá hlavně jako součást mikro slitiny pro ocel. Dodává oceli vysokou houževnatost, pevnost a tažnost i v koncentracích 0,01 - 0,1% hmotnostních. U nerezových ocelí titan zabraňuje mezikrystalové korozi.

Slitiny na bázi titanu jsou podstatně dražší než slitiny kolem 45 € / kg. Používají se proto pouze pro nejvyšší požadavky:

Aplikace v mořské vodě a médiích obsahujících chlorid

• Odesílejte součásti vrtule, jako jsou hřídele a vzpěry pro námořní aplikace
• Vestavěné části v zařízeních na odsolování mořské vody
• Složky pro odpařování roztoků chloridu draselného
• Anody podmořských kabelových přenosů HVDC
• Přístroje v závodech na chemii chloru

Venkovní a sportovní potřeby

• pro vysoce kvalitní jízdní kola ve spojení s hliníkem a vanadem jako materiálem rámu
• (Potápěčské) nože s čepelemi z titanu nebo slitiny titanu, stejně jako příbory
• jako stanové kolíky (vysoká pevnost i přes nízkou hmotnost)
• pro golfové hole jako hlava klubu
• s tenisovými raketami v rámu
• při střelbě hokejkou jako extrémně stabilní hokejka s hokejkou ledovou
• jako obzvláště lehký ledový šroub pro horolezectví
• jako lakrosový hřídel pro větší pevnost a nižší hmotnost
• jako pevný vůdce při lovu dravých ryb s ostrými zuby

Použití ve formě sloučenin

• Výroba relativně měkkých umělých drahokamů
• Titanem dotované safírové monokrystaly slouží jako aktivní médium v ​​titan-safírovém laseru pro ultrakrátké pulsy ve femtosekundovém rozsahu
• jako chlorid titaničitý pro výrobu skleněných zrcadel a umělé mlhy
• Formování intermetalických fází (Ni₃Ti) ve slitinách niklu o vysoké teplotě
• supravodivé slitiny niobu a titanu (např. jako supravodivé kabely v elektromagnetech od HERA v DESY)
• v pyrotechnice
• Více než 90% výroby titanové rudy se zpracovává hlavně na oxid titaničitý pomocí chloridového a v menší míře síranového procesu.
• jako titanové titráty pro povlaky vyměnitelných destiček a fréz ve výrobní technologii

Titanova spojení

s borem, uhlíkem nebo dusíkem se používají jako tvrdé materiály. Sloučeniny titanu se také používají k výrobě cermetů, kompozitních materiálů z keramiky a kovu.

konstrukční díly

• Noste součásti v pájecích systémech, přímý kontakt s elektrickou pájkou do 500 ° C
• Pružiny v podvozku motorových vozidel
• v letadlech a kosmických lodích pro zvláště namáhané části, které musí být stále lehké (vnější plášť při nadzvukových rychlostech, lopatky kompresoru a další části motoru)
• v parních turbínách pro nejvíce zatížené lopatky nízkotlaké části
• v brnění: některé ponorkové typy bývalého Sovětského svazu měly tlakové trupy vyrobené ze slitiny titanu (např. třída Mike, třída Alfa, třída Papa nebo třída Sierra). Titan se navíc používá častěji ve vojenském letectví než v civilním letectví. Výsledkem bylo, že na vrcholu sovětské zbrojní výroby byla velká část celosvětově těženého titanu vyrobena v Rusku i přestavěna.
• kvůli jeho nízké hustotě ve výrobě hladinoměrů a plaváků

Medicína

• Jako biomateriál pro implantáty ve zdravotnické technice a stomatologii (zubní implantáty, jen v Německu ročně kolem 200.000 XNUMX kusů) kvůli své velmi dobré odolnosti proti korozi na rozdíl od jiných kovů. Neexistuje žádná imunologická rejekční reakce (alergie na implantát). Používá se také pro zubní korunky a zubní můstky kvůli jeho výrazně nižším nákladům ve srovnání se slitinami zlata. V chirurgické ortopedii s kovovými protézami nohou (protézy kyčelního kloubu) a náhradami hlavice femuru, náhradami kolenních kloubů po artróze se používá hromadně. Vrstva oxidu titaničitého umožňuje kosti pevně růst na implantát (osseointegrace) a umožňuje tak trvalou instalaci umělého implantátu do lidského těla.
• V chirurgii středního ucha je titan výhodným materiálem pro protézy sluchových kostí a tympanostomické trubice.
• V neurochirurgii titanové klipy (pro operace aneuryzmatu) do značné míry nahradily klipy vyrobené z nerezové oceli kvůli jejich příznivějším vlastnostem NMR.

Elektronika

• V roce 2002 společnost Nokia uvedla na trh mobilní telefon 8910 a o rok později mobilní telefon 8910i, které mají titanové pouzdro.
• V dubnu 2002 společnost Apple Inc. uvedla na trh notebook „PowerBook G4 Titanium“. Velké části pouzdra byly vyrobeny z titanu a 15,2 "verze obrazovky o tloušťce 1" vážila pouze 2,4 kg.
• Některé notebooky řady ThinkPad od Lenovo (dříve IBM) mají titanem vyztužené plastové pouzdro nebo rám pouzdra vyrobený z titan-hořčíkového kompozitu.

Další aplikace

• Šperky, hodinky a brýle jsou vyrobeny z titanu
• Mince s titanovým jádrem (např. Rakouské mince 200 Schilling)
• Titanové sublimační čerpadlo pro generování ultravysokého vakua
• Galvanické pokovování jako nosný rám pro anodickou oxidaci hliníku (ELOXAL)
• Jako součást neprůstřelných vest standardizovaných podle CRISAT

důkaz 

TiO²⁺ tvoří charakteristický žlutooranžový komplex s peroxidem vodíku (komplex triaquohydroxooxotitan (IV)), který je vhodný také pro fotospektrometrickou detekci.

Normy

Titan a slitiny titanu jsou standardizovány v:

• DIN 17850, vydání: 1990-11 titan; chemické složení
• ASTM B 348: Standardní specifikace pro titan a slitiny titanu, tyče a sochory
• ASTM B 265: Standardní specifikace pro titan a slitiny titanu, listy a desky
• ASTM F 67: Standardní specifikace pro nelegovaný titan, pro aplikace chirurgických implantátů
• ASTM F 136: Standardní specifikace pro tvářený titan-6Hliník-4Vanadium ELI (Extra Low Interstitial) Slitina pro aplikace chirurgických implantátů
• ASTM B 338: Standardní specifikace pro bezešvé a svařované trubky z titanu a titanu ze slitin pro kondenzátory a výměníky tepla
• ASTM B 337: Specifikace pro bezešvé a svařované potrubí z titanu a titanu

bezpečnost

Titan je hořlavý jako prášek a je kompaktně neškodný. Většina solí titanu je považována za neškodnou. Nekonzistentní sloučeniny, jako je chlorid titanitý, jsou vysoce korozivní, protože se stopami vody tvoří kyselinu chlorovodíkovou.

Chlorid titaničitý se používá v kouřových svíčkách a kouřových granátech; reaguje s vlhkostí a vytváří bílý kouř z oxidu titaničitého i z mlhy kyseliny chlorovodíkové.

Biologické nevýhody titanu v lidském těle nejsou v současné době známy. Titanem vytvořené kyčelní klouby nebo čelistní implantáty, na rozdíl od niklu, nezpůsobily žádné alergie.

Připojení

Zatímco kovový titan je kvůli vysokým výrobním nákladům vyhrazen pouze pro náročné technické aplikace, relativně levný a netoxický barevný pigment oxid titaničitý se stal společníkem v každodenním životě. Prakticky všechny bílé plasty a barvy dnes, včetně potravinářských barviv, obsahují oxid titaničitý (v potravinách se vyskytuje jako E 171). Sloučeniny titanu se však také používají v elektrotechnice a technologii materiálů a v poslední době také při výrobě vysoce výkonných baterií pro pohon vozidel (lithium titaničitanové baterie).

• Titanát barnatý, BaTiO₃
• lithium titanát
• Chlorid titanitý, TiCl₃
• Borid titanu, TiB
• Karbid titanu, TiC
• Nitrid titanu, TiN
• Chlorid titaničitý, TiCl₄
• Oxid titaničitý TiO
• Oxid titaničitý Ti₂O₃
• Oxid titaničitý (titanová bílá), TiO₂
• Titanové suboxidy se složením od TiO po Ti₂O
• Oxid titaničitý (síran titanylu), TiOSO₄
• ferotitan
• Nitinol, paměťový kov
• Hydrid titaničitý, TiH₂

Obvykle
Jméno, symbol, atomové číslo	Titan, Ti, 22
Serie	Přechodné kovy
Skupina, období, blok	4, 4, d
vzhled	stříbrný kov
číslo CAS	7440-32-6
Hmotnostní zlomek zemského pláště	0,41%
jaderný
atomová hmotnost	47,867 u
Atomový poloměr (vypočítaný)	140 (176) hodin
Kovalentní poloměr	160 pm
elektronová konfigurace	[Ar] 3d2 4s2
pracovní funkce	4,33 eV
1. ionizace	658,8 kJ / mol
2. ionizace	1309,8 kJ / mol
3. ionizace	2652,5 kJ / mol
4. ionizace	4174,6 kJ / mol
fyzicky
fyzický stav	fest
krystalová struktura	šestihranný (až 882 ° C, výše krátký)
hustota	4,50 g / cm3 (25 ° C)
tvrdost Mohs	6
magnetismus	paramagnetické ( = 1,8 10-4)
bod tání	1941 K (1668 ° C)
bod varu	3560 K (3287 ° C)
Molární objem	10,64 · 10-6 m3/ mol
Výparné teplo	425 kJ / mol
skupenské teplo tání	18,7 kJ / mol
Rychlost zvuku	4140 m / s při 293,15 K
Měrná tepelná kapacita	523 J / (kg K)
Elektrická vodivost	2,5 · 106 A / (V · m)
tepelná vodivost	22 W / (m K)
mechanicky
modul	105 GPa (= 105 kN / mm2)
Poisson	0,34
chemický
oxidační stavy	+ 2, + 3, +4
Oxidy (zásaditost)	TiO2 (Amfoterní)
normální potenciál	-0,86 V (TiO2+ + 2 H.+ + 4 e- → Ti + H2O)
electronegativity	1,54 (Paulingova stupnice)
izotop
izotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 44Ti {Syn.} 49 a ε 0,268 44Sc 45Ti {Syn.} 184,8 min ε 2,062 45Sc 46Ti 8,0% stabilní 47Ti 7,3% stabilní 48Ti 73,8 % stabilní 49Ti 5,5% stabilní 50Ti 5,4% stabilní 51Ti {Syn.} 5,76 min β- 2,471 51V 52Ti {Syn.} 1,7 min β- 1,973 52V
vlastnosti NMR
Roztočit γ v rad * T-1· s-1 Er(1H) fL bei Š = 4,7 T. v MHz 47Ti -5 / 2 1,508 · 107 0,00209 11,3 49Ti -7 / 2 1,508 · 107 0,00376 11,3
bezpečnost
GHS nebezpečné látky prášek značení

Fráze H a P H: 250EUH: žádné sazby EUHP: 222-231-422 Označování nebezpečných látek (prášek)Pulver

lehká váha hořlavý	půvabný
(F)	(Xi)

R- und S-SätzeR: 17-36/37/38S: 26 (Pulver)

Ceny Titanu

Cena titanu -> ceny strategických kovů