Титан и его сплавы

  Титан и его сплавы

    В периодической  системе элементов Менделеева  титан  имеет  порядковый

номер 22.  Атомная  масса  природного  титана,  вычисленная  по  результатам

исследований его  изотопов, составляет 47,926. Итак, ядро нейтрального  атома

титана содержит 22 протона.  Количество  же  нейтронов,  т.  е.  нейтральных

незаряженных частиц, различно: чаще 26, но может колебаться  от  24  до  28.

Поэтому и число  изотопов титана различно. Всего сейчас известно 13  изотопов

элемента № 22. Природный  титан состоит из смеси  пяти  стабильных  изотопов,

наиболее широко представлен титан-48, его доля  в  природных  рудах  73,99%.

Есть в природе  также изотопы с массовыми  числами 46,  47,  49  и  50.  Среди

радиоактивных изотопов титана  самый  долгоживущий  – титан-44  с периодом

полураспада около 1000 лет.

       Кроме естественных, титан может иметь и целый ряд искусственных

изотопов, получаемых с помощью его радиоактивного  облучения.  Некоторые  из

них сильнорадиоактивные, с различными сроками полураспада.

       Вокруг  положительно  заряженного   ядра  титана  на  четырех   орбитах

располагаются электроны: на К – два электрона, на L – восемь, на М – 10,  на

N – два. С   орбит  N  и  М  атом  титана  может  свободно  отдавать  по  два

электрона.   Таким   образом,   наиболее    устойчивый    ион    титана    –

четырехвалентный. Пятый  электрон с орбиты М  «вырвать»  невозможно,  поэтому

титан никогда не бывает больше чем четырехвалентным ионом. В то же  время  с

орбит N и М атом титана может отдавать  не  четыре,  а  три,  два  или  один

электрон. В этих  случаях  он  становится  трех-,  двух-  или одновалентным

ионом.

       В периодической  системе   элементов  Менделеева  титан   расположен  в

группе IVВ, в которую, кроме него,  входят  цирконий,  гафний,  курчатовий.

Элементы  данной  группы  в  отличие  от  элементов  группы  углерода  (IVА)

обладают металлическими свойствами. Хотя титан занимает самое  верхнее  место

в своей подгруппе, он является наименее  активным  металлическим  элементом.

Так, двуокись титана амфотерна, а двуокиси циркония и гафния обладают  слабо

выраженными  основными  свойствами.  Титан  больше,  чем   другие   элементы

подгруппы IVВ, близок к элементам подгруппы IVА – кремнию, германию,  олову.

Четырехвалентный  титан отличается от кремния и  германия большей  склонностью

к образованию комплексных  соединений различных типов, чем  особенно сходен  с

оловом. Титан и  другие элементы подгруппы IVВ очень близки  по  свойствам к

элементам подгруппы IIIВ (группы скандия), хотя и отличаются  от  последних

способностью проявлять  большую валентность.  Сходство  титана  со  скандием,

иттрием, а также  с элементами подгруппы VВ – ванадием и  ниобием  выражается

и в том, что в  природных минералах титан часто  встречается  вместе  с  этими

элементами.                     

       С одновалентными галогенами (фтором, бромом, хлором и йодом) он может

образовывать ди- три- и , тетрасоединения, с серой и элементами  ее  группы

(селеном, теллуром) – моно- и дисульфиды, с кислородом  – оксиды, диоксиды  и

триоксиды. Титан образует также соединения  с водородом (гидриды),  азотом

(нитриды), углеродом  (карбиды), фосфором  (фосфиды),  мышьяком  (арсиды),  а

также соединения со многими металлами – интерметаллиды.  Образует  титан не

только простые, но и многочисленные комплексные соединения, известно  немало

его соединений с  органическими веществами.

       Как видно из перечня соединений, в которых может  участвовать   титан,

он химически весьма активен. И  в  то  же  время  титан  является  одним  из

немногих  металлов  с  исключительно  высокой  коррозионной  стойкостью:  он

практически вечен в атмосфере воздуха, в холодной  и кипящей воде,  весьма

стоек  в  морской  воде,  в  растворах  многих   солей,   неорганических   и

органических кислотах. По своей коррозионной стойкости в морской воде  он

превосходит все  металлы, за исключением благородных  – золота, платины  и  т.

п., большинство видов  нержавеющей стали, никелевые, медные и другие  сплавы.

В воде, во многих агрессивных  средах чистый  титан  не  подвержен  коррозии.

Почему же это  происходит?  Почему  так  активно,  а  нередко  и  бурно,  со

взрывами, реагирующий  почти со всеми элементами периодической  системы  титан

стоек к коррозии? Дело в том,  что  реакций  титана  со  многими  элементами

происходят  только  при  высоких  температурах.  При  обычных   температурах

химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически  не  вступает

в реакции. Связано  это с тем, что на свежей поверхности  чистого титана,  как

только  она   образуется,   очень   быстро   появляется   инертная,   хорошо

срастающаяся с  металлом тончайшая (в несколько  ангстрем  (1А=10-10м)  пленка

диоксида титана, предохраняющая его от дальнейшего окисления. Если даже  эту

пленку снять, то в любой  среде,  содержащей  кислород  или  другие  сильные

окислители  (например,  в  азотной  или  хромовой   кислоте),   эта   пленка

появляется вновь, и металл, как говорят, ею «пассивируется», т. е.  защищает

сам себя от дальнейшего  разрушения.

       Рассмотрим несколько подробнее  поведение чистого титана  в  различных

агрессивных средах. Противостоит титан и эрозионной  коррозии,  происходящей

в результате сочетания  химического и механического  воздействия на металл.  В

этом отношении  он не уступает лучшим маркам нержавеющих  сталей,  сплавам  на

основе меди и  другим конструкционным материалам. Хорошо  противостоит  титан

и усталостной коррозии, проявляющейся часто в виде нарушений  целостности  и

прочности металла  (растрескивание,  локальные  очаги  коррозии  и  т.  п.).

Поведение титана  во  многих  агрессивных  средах,  в  таких,  как  азотная,

соляная, серная,  «царская  водка»  и  другие  кислоты  и  щелочи,  вызывает

удивление и восхищение этим металлом.

       В азотной кислоте, являющейся  сильным окислителем, в  котором   быстро

растворяются очень  многие металлы,  титан  исключительно  стоек.  При  любой

концентрации азотной  кислоты (от 10  до  99%-ной),  при  любых  температурах

скорость коррозии титана не превышает 0,1–0,2 мм/год. Опасна только  красная

дымящая азотная  кислота, пересыщенная (20% и  более)  свободными  диоксидами

азота: в ней  чистый  титан  бурно,  со  взрывом,  реагирует.  Однако  стоит

добавить в такую  кислоту хотя бы немного воды (1–2% и  более),  как  реакция

заканчивается и  коррозия титана прекращается.

       В соляной кислоте титан   стоек  лишь  в  разбавленных  ее  растворах.

Например, в 0,5%-ной  соляной кислоте даже при нагревании до 100° С  скорость

коррозии  титана  не  превышает  0,01  мм/год,  в  10%-ной   при   комнатной

температуре скорость коррозии достигает 0,1 мм/год,  а  в  20%-ной  при  20°

С–0,58 мм/год. При  нагревании скорость коррозии  титана  в  соляной  кислоте

резко повышается. Так, даже в 1,5%-ной соляной кислоте  при 100°  С  скорость

коррозии титана составляет 4,4 мм/год, а в 20%-ной при  нагревании до  60°  С

– уже 29,8 мм/год. Это  объясняется тем, что соляная  кислота,  особенно  при

нагревании, растворяет пассивирующую пленку  диоксида  титана  и начинается

растворение металла. Однако скорость коррозии титана в  соляной  кислоте  при

всех условиях остается ниже, чем у нержавеющих сталей.

       В серной кислоте слабой концентрации (до 0,5–1% )  титан стоек даже

при температуре  раствора до 50–95° С. Стоек он и  в  более концентрированных

растворах (10–20%-ных) при комнатной температуре, в этих  условиях  скорость

коррозии титана не превышает 0,005–0,01 мм/год. Но с повышением  температуры

раствора титан  в  серной  кислоте  даже  сравнительно  слабой  концентрации

(10–20%-ной) начинает  растворяться, причем скорость коррозии  достигает  9–10

мм/год. Серная кислота, так же как и соляная,  разрушает защитную  пленку

диоксида титана и повышает его растворимость. Ее можно резко понизить,  если

в растворы этих кислот добавлять определенное количество азотной,  хромовой,

марганцевой кислот, соединений хлора или других окислителей, которые быстро

пассивируют поверхность титана защитной пленкой и прекращают его дальнейшее

растворение.  Вот  почему  титан   практически   единственный   металл,   не

растворяющийся в «царской водке»: в ней при обычных температурах (10–20° С)

коррозия титана не превышает 0,005  мм/год.  Слабо  корродирует  титан и в

кипящей «царской водке», а ведь в ней, как известно, многие металлы, и  даже

такие,      как      золото,       растворяются       почти       мгновенно. 

       Очень слабо  корродирует  титан в большинстве органических  кислот

(уксусной, молочной, винной), в разбавленных  щелочах,  в  растворах  многих

хлористых солей, в  физиологическом растворе. А  вот  с  расплавами  хлоридов

при температуре  выше 375° С титан взаимодействует очень бурно.

       В расплаве многих металлов  чистый  титан  обнаруживает  удивительную

стойкость. В жидких горячих магнии, олове,  галлии,  ртути,  литии,  натрии,

калии, в расплавленной  сере титан практически не  корродирует,  и лишь  при

очень  высоких  температурах  расплавов (выше  300–400° С)  скорость   его

коррозии в них  может достигать 1  мм/год.  Однако  есть  немало  агрессивных

растворов и  расплавов,  в  которых  титан  растворяется  очень  интенсивно.

Главный «враг» титана – плавиковая кислота (HF). Даже в 1%-ном  ее  растворе

скорость  коррозии  титана  очень  высока,  а  в   более   концентрированных

растворах титан «тает», как лед в горячей воде.  Фтор  – этот  «разрушающий

все» (греч.) элемент  – бурно реагирует  практически  со  всеми  металлами  и

сжигает их. 

       Не может противостоять  титан   кремнефтористоводородной  и фосфорной

кислотам даже слабой концентрации, перекиси водорода, сухим  хлору  и  брому,

спиртам, в том  числе спиртовой настойке йода, расплавленному  цинку.  Однако

стойкость титана можно  увеличить, если добавить различные  окислители  –  так

называемые ингибиторы,  например  в растворы  соляной и серной  кислот  –

азотную и хромовую. Ингибиторами могут быть  и  ионы  различных  металлов  в