История открытия титана

Первооткрывателем титана считается 28-летний английский монах Уильям Грегор. В 1790 г., проводя минералогические изыскания в своем приходе, он обратил внимание на распростра­ненность и необычные свойства черного песка в до­лине Менакэна на юго-западе Англии и принялся его исследовать. В песке священник обнаружил крупицы черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновен­ным магнитом. Будучи минералогом-любителем и имея свою небольшую минералогическую лабораторию, Грегор произвел с этим магнитным минералом несколько опытов: растворил его сначала в соляной, затем в сер­ной кислоте, упарил раствор и получил белый порошок, который при прокалке желтел, а при спекании с углем приобретал голубой цвет. Исследованное природное образование черного цвета Грегор принял за новый, неизвестный ранее минерал, а выделенный из него бе­лый порошок – за новый элемент. Минералу и элементу дали название по местности, где они были найдены: минерал «менакэнит» и элемент «менакин». По сегодняшним представлениям «менакэнит» был смесью ильменита (FeTiO₃) и магнетита (FeTiO₃nFe₃O₄), а белый порошок «менакин» – диоксидом титана.

В 1795 г. немецкий исследователь-химик Мартин Генрих Клапрот, изучая рутил, выделил из него диоксид нового металла – бе­лый порошок, похожий на описанный ранее Грегором. И хотя до получения чистого металла было еще очень далеко – почти полтора столетия, Клапрот известил мир об открытии нового металла, которому дал назва­ние «титан». Но почему титан? Вопреки распростра­ненному в те времена правилу французских химиков во главе с Лавуазье – присваивать новым элементам и соединениям имена, отражающие их свой­ства, у Клапрота был свой принцип. По поводу присвоения новому элементу названия «титан» Клапрот в 1795 г. писал: «Для вновь откры­ваемого элемента трудно подобрать название, указы­вающее на его свойства, и я нахожу, что лучше всего подбирать такие названия, которые ничего не говорили бы о свойствах и не давали бы таким образом повода для превратного толкования. В связи с этим мне захо­телось для данной металлической субстанции подобрать, так же, как и для урана, имя из мифологии: поэтому я называю новый металлический осадок титаном, в честь древних обитателей Земли» (Цит. по: Николаев Г. И. Металл века. М.: Металлургия. 1982). Это название стало поистине пророческим. Мифические жители – ти­таны, сыновья богини Земли Геи и бога неба Урана, были огромными, сильными, стойкими, добрыми, бес­смертными существами, покорителями огня, земных просторов и недр, морей, рек и гор. И открытый ме­талл оказался одним из самых твердых, крепких, стой­ких. Но чтобы познать все замечательные свойства нового металла и использовать их для своего блага, человечеству потребовалось еще более 150 лет.

Химические соеди­нения ти­тана

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 растворе: железо, медь и др.

В титан можно вводить некоторые металлы, повы­шающие его стойкость в десятки и сотни раз, напри­мер до 10% циркония, гафния, тантала, вольфрама. Введение в титан 20–30% молибдена делает, этот сплав настолько устойчивым к любым концентрациям соля­ной, серной и других кислот, что он может заменить даже золото в работе с этими кислотами. Наибольший эффект достигается благодаря добавкам в титан четы­рех металлов платиновой группы: платины, палладия, родия и рутения. Достаточно всего 0,2% этих металлов, чтобы снизить скорость коррозии титана в кипящих концентрированных соляной и серной кислотах в десят­ки раз. Следует отметить, что благородные платинои­ды влияют лишь на стойкость титана, а если добавлять их, скажем, в железо, алюминий, магний, разрушение и коррозия этих конструкционных металлов не умень­шаются.