Титан (лат. Titanium), Ti, хімічний елемент IV групи періодичної системи Менделєєва; атомний номер 22, атомна маса 47,90; має сріблисто-білий колір, відноситься до легким металам . Природний Т. складається з суміші п'яти стабільних ізотопів: 46 Ti (7,95%), 47 Ti (7,75%), 48 Ti (73,45%), 49 Ti (5,51%), 50 Ti (5,34%). Відомі штучні радіоактивні ізотопи 45 Ti (Ti 1/2 = 3,09 ч , 51 Ti (Ti 1/2 = 5,79 мін ) і ін.
Історична довідка. Т. у вигляді двоокису був відкритий англійським любителем-мінералогом У. Грегором в 1791 в магнітних залізистих пісках містечка Менакан (Англія); у 1795 німецький хімік М. Г. Клапрот встановив, що мінерал рутил є природним оксидом цього ж металу, названого їм «титаном» [у грецькій міфології титани — діти Урану (Піднебіння) і Геї (Землі)]. Виділити Т. в чистому вигляді довго не удавалося; лише у 1910 американський учений М. А. Хантер отримав металевий Т. нагріванням його хлориду з натрієм в герметичній сталевій бомбі; отриманий ним метал був пластичний лише при підвищених температурах і крихкий при кімнатній із-за високого вмісту домішок. Можливість вивчати властивості чистого Т. з'явилася лише в 1925, коли нідерландські учені А. Ван-Аркел і І. де Бур методом термічної дисоціації іодіда титану отримали метал високої чистоти, пластичний при низьких температурах.
Поширення в природі. Т. — один з поширених елементів, середній вміст його в земній корі (кларк) складає 0,57% по масі (серед конструкційних металів по поширеності займає 4-е місце, поступаючись залозою алюмінію і магнію). Більш всього Т. в основних породах так званої «базальтової оболонки» (0,9%), менше в породах «гранітної оболонки» (0,23%) і ще менше в ультраосновних породах (0,03%) і ін. До гірських порід, збагаченим Т., відносяться пегматіти основних порід, лужні породи, сиеніти і пов'язані з ними пегматіти і ін. Відомо 67 мінералів Т., в основному магматичного походження; найважливіші — рутил і ільменіт (див. також Титанові руди ) .
В біосфері Т. в основному розсіяний. У морській воді його міститься 1·10 -7 %; Т. — слабкий мігрант.
Фізичні властивості. Т. існує у вигляді двох алотропічних модифікацій: нижче за температуру 882,5 °С стійка а-форма з гексагональними щільноупакованими гратами ( а = 2,951, з = 4,679 ), а вище за цю температуру — b-форма з кубічними об'ємно-центрованими гратами а = 3,269 . Домішки і легуючі добавки можуть істотно змінювати температуру a/b перетворення.
Щільність а-форми при 20 °С 4,505 г/см 3 а при 870 °С 4,35 г/см 3 b-формі при 900 °С 4,32 г/см 3 ; атомний радіус Ti 1,46, іонні радіуси Ti + 0,94, Ti 2+ 0,78, Ti 3+ 0,69, Ti 4+ 0,64 , t пл 1668±5°С, t кіп 3227 °С; теплопровідність в інтервалі 20—25 °С 22,065 вт/ ( м-код × До) [0,0527 кал/ ( см × сік × °С)]; температурний коефіцієнт лінійного розширення при 20 °С 8,5×10 -6 , в інтервалі 20—700 °С 9,7×10 -6 ; теплоємність 0,523 кдж/ ( кг × До) [0,1248 кал/ ( г ×°С)]; питомий електроопір 42,1×10 -6 ом × см при 20 °С; температурний коефіцієнт електроопоу 0,0035 при 20 °С; володіє надпровідністю нижче 0,38±0,01 До. Т. парамагнітен, питома магнітна сприйнятливість (3,2±0,4)×10 -6 при 20°С. Межа міцності 256 Мн/м-коду 2 (25,6 кгс/мм 2 ) , відносне подовження 72%, твердість по Брінеллю менше 1000 Мн/м-код 2 (100 кгс/мм 2 ) . Модуль нормальної пружності 108000 Мн/м-коду 2 (10800 кгс/мм 2 ) . Метал високої міри чистоти кувань при звичайній температурі.
Вживаний в промисловості технічний Т. містить домішки кисню, азоту, заліза, кремнію і вуглецю, що підвищують його міцність, що знижують пластичність і що впливають на температуру поліморфного перетворення, яке відбувається в інтервалі 865—920 °С. Для технічного Т. марок ВТ1-00 і ВТ1-0 щільність близько 4,32 г/см 3 , межа міцності 300— 550 Мн/м-коду 2 (30—55 кгс/мм 2 ) , відносне подовження не нижче 25%, твердість по Брінеллю 1150—1650 Мн/м-коду 2 (115—165 кгс/мм 2 ) . Конфігурація зовнішньої електронної оболонки атома Ti 3 d 2 4 s 2 .
Хімічні властивості. Чистий Т. — хімічно активний перехідний елемент, в з'єднаннях має міри окислення + 4, рідше +3 і +2. При звичайній температурі і аж до 500—550 °С корозійний стійкий, що пояснюється наявністю на його поверхні тонкою, але міцної окисної плівки.
З киснем повітря помітно взаємодіє при температурі вище 600 °С з утворенням Tio 2 (див. також Титану оксиди ) . Тонка титанова стружка при недостатньому мастилі може спалахувати в процесі механічної обробки. При достатній концентрації кисню в довкіллі і пошкодженні окисної плівки шляхом удару або тертя можливе загоряння металу при кімнатній температурі і в порівняно крупних шматках.
Окисна плівка не захищає Т. в рідкому стані від подальшої взаємодії з киснем (у відмінність, наприклад, від алюмінію), і тому його плавка і зварка повинні проводитися у вакуумі, в атмосфері нейтрального газу або під флюсом. Т. володіє здатністю поглинати атмосферні гази і водень, утворюючи крихкі сплави, непридатні для практичного використання; за наявності активованої поверхні поглинання водню відбувається вже при кімнатній температурі з невеликою швидкістю, яка значно зростає при 400 °С і вище. Розчинність водню в Т. є оборотною, і цей газ можна видалити майже повністю відпалом у вакуумі. З азотом Т. реагує при температурі вище 700 °С, причому виходить нітрид типа TIN; у вигляді тонкого порошку або дроту Т. може горіти в атмосфері азоту. Швидкість дифузії азоту і кисню в Т. значно нижче, ніж водню. Отримуваний в результаті взаємодії з цими газами шар відрізняється підвищеною твердістю і крихкістю і повинен віддалятися з поверхні титанових виробів шляхом того, що труїть або механічної обробки. Т. енергійно взаємодіє з сухими галогенами (див. Титану галогеніди ) , по відношенню до вологих галогенів стійкий, оскільки волога грає роль інгібітору.
Метал стійкий в азотній кислоті всіх концентрацій (за винятком червоної димлячої, такої, що викликає корозійне розтріскування Т., причому реакція інколи йде з вибухом), в слабких розчинах сірчаної кислоти (до 5% по масі). Соляна, плавикова, концентрована сірчана, а також гарячі органічні кислоти: щавлева, мурашина і трихлороцетова реагують з Т.
Т. корозійний стійкий в атмосферному повітрі морській воді і морській атмосфері, у вологому хлорі, хлорній воді, гарячих і холодних розчинах хлоридів, в різних технологічних розчинах і реагентах, вживаних в хімічній, нафтовій, папероробній і ін. галузях промисловості, а також в гідрометалургії. Т. утворює із З, В, Se, Si металлоподобниє з'єднання, що відрізняються тугоплавкістю і високою твердістю. Карбід TIG ( t пл 3140 °С) отримують нагріванням суміші Tio 2 з сажею при 1900—2000 °С у атмосфері водню; нітрид TIN ( t пл 2950 °С) — нагріванням порошку Т. в азоті при температурі вище 700 °С. Відомі силіциди Tisi 2 , Ti 5 Si 3 , Tisi і борид TIB, Ti 2 B 5 , Tib 2 . При температурах 400—600 °С Т. поглинає водень з утворенням твердих розчинів і гідридів (TIH, Tih 2 ). При сплаві Tio 2 з лугами утворюються солі титанових кислот мета- і ортотітанати (наприклад, Na 2 Tio 3 і Na 4 Tio 4 ), а також політітанати (наприклад, Na 2 Ti 2 O 5 і Na 2 Ti 3 O 7 ). До титанатів відносяться найважливіші мінерали Т., наприклад ільменіт Fetio 3 , перовськит Catio 3 . Всі титанати малорастворіми у воді. Двоокис Т., титанові кислоти (осідання), а також титанати розчиняються в сірчаній кислоті з утворенням розчинів, що містять тітанілсульфат Tioso 4 . При розбавленні і нагріванні розчинів в результаті гідролізу осідає H 2 Tio 3 , з якої отримують двоокис Т. Прі додаванні перекису водню в кислі розчини, що містять з'єднання Ti (IV), утворюються перекисниє (надтитанові) кислоти складу H 4 Tio 5 і H 4 Tio 8 і відповідні їм солі; ці з'єднання забарвлені в жовтий або оранжево-червоний колір (залежно від концентрації Т.), що використовується для аналітичного визначення Т.
Здобуття. Найбільш поширеним методом здобуття металевого Т. є магнієтермічеський метод, тобто відновлення тетрахлориду Т. металевим магнієм (рідше — натрієм):
Ticl 4 + 2mg = Ti + 2mgcl 2 .
В обох випадках вихідною сировиною служать окисні руди Т. — рутил, ільменіт і ін. В разі руд типа ільменітов Т. у формі шлаку відділяється від заліза шляхом плавки в електропечах. Шлак (так само, як рутил) піддають хлоруванню у присутності вуглецю з утворенням тетрахлориду Т., який після очищення поступає у відновний реактор з нейтральною атмосферою.
Т. по цьому процесу виходить в губчастому вигляді і після подрібнення переплавляється у вакуумних дугових печах на злитки з введенням легуючих добавок, якщо потрібно отримати сплав. Магнієтермічеський метод дозволяє створити крупне промислове виробництво Т. із замкнутим технологічним циклом, оскільки побічний продукт, що утворюється при відновленні, — хлорид магнію прямує на електроліз для здобуття магнію і хлору.
У ряді випадків для виробництва виробів з Т. і його сплавів вигідно застосовувати методи порошкової металургії. Для здобуття особливо тонких порошків (наприклад, для радіоелектроніки) можна використовувати відновлення двоокису Т. гідридом кальцію.
Світове виробництво металевого Т. розвивалося вельми швидко: близько 2 т в 1948, 2100 т в 1953, 20 000 т в 1957; у 1975 воно перевищило 50 000 т.
Вживання. Основні переваги Т. перед ін. конструкційними металами: поєднання легкості, міцності і корозійної стійкості. Титанові сплави по абсолютній, а тим більше по питомій міцності (тобто міцності, віднесеній до щільності) перевершують більшість сплавів на основі ін. металів (наприклад, заліза або нікелю) при температурах від -250 до 550 °С, а по коррозіонності вони порівнянні із сплавами благородних металів (див. також Легкі сплави ) . Проте як самостійний конструкційний матеріал Т. став застосовуватися лише в 50-і рр. 20 ст у зв'язку з великими технічними труднощами його витягання з руд і переробки (саме тому Т. умовно відносили до рідким металам ) . Основна частина Т. витрачається на потреби авіаційної і ракетної техніки і морського суднобудування (див. також Титанові сплави ) . Сплави Т. із залізом, відомі під назвою «феротитан» (20—50% Т.), в металургії якісних сталей і спеціальних сплавів служать легуючою добавкою і розкислювачем.
Технічний Т. йде на виготовлення ємкостей, хімічних реакторів, трубопроводів, арматури, насосів і ін. виробів, що працюють в агресивних середовищах, наприклад в хімічному машинобудуванні. У гідрометалургії кольорових металів застосовується апаратура з Т. Он служить для покриття виробів із сталі (див. Тітанірованіє ) . Використання Т. дає у багатьох випадках великий техніко-економічний ефект не лише завдяки підвищенню терміну служби устаткування, але і можливості інтенсифікації процесів (як, наприклад, в гідрометалургії нікелю). Біологічна нешкідливість Т. робить його чудовим матеріалом для виготовлення устаткування для харчової промисловості і у відновній хірургії. В умовах глибокого холоду міцність Т. підвищується при збереженні хорошої пластичності, що дозволяє застосовувати його як конструкційний матеріал для криогенної техніки. Т. добре піддається поліровці, кольоровому анодуванню і ін. методам обробки поверхні і тому йде на виготовлення різних художніх виробів, у тому числі і монументальної скульптури. Прикладом може служити пам'ятник в Москві споруджений на честь запуску першого штучного супутника Землі. Із з'єднань титану практичного значення мають оксиди Т., галогеніди Т., а також силіциди Т., використовувані в техніці високих температур; борид Т. і їх сплави, вживані як сповільнювачі в ядерних енергетичних установках завдяки їх тугоплавкості і великому перетину захвату нейтронів. Карбід Т., що володіє високою твердістю, входить до складу інструментальних твердих сплавів, використовуваних для виготовлення ріжучих інструментів і як абразивний матеріал.
Титан в організмі. Т. постійно присутній в тканинах рослин і тварин. У наземних рослинах його концентрація — біля 10 -4 %, в морських — від 1,2 ×10 -3 до 8 ×10 -2 %, в тканинах наземних тварин — менше 2 ×10 -4 %, морських — від 2 ×10 -4 до 2 ×10 -2 %. Накопичується у хребетних тварин переважно в рогових утвореннях, селезінці, надниркових щитовидній залозі, плаценті; погано всмоктується з шлунково-кишкового тракту. У людини добовий вступ Т. з продуктами харчування і водою складає 0,85 міліграм; виводиться з сечею і калом (0,33 і 0,52 міліграм відповідно). Відносно малотоксичен.
Літ.: Глазунов С. Р., Мойсеєвий Ст Н., Конструкційні титанові сплави, М., 1974; Металургія титану, М., 1968; Горощенко Я. Р., Хімія титану, [ч. 1—2], До., 1970—72; Zwicker U., Titan und Titanlegierungen, B., 1974; Bowen H. I. M., Trace elements in biochemistry, L.— N. Y., 1966.
