Титан

Титан — лёгкий серебристо-белый металл. При нормальном давлении существует в двух кристаллических модификациях: низкотемпературный α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (гексагональная сингония, пространственная группа C6mmc, параметры ячейки a = 0,2953 нм, c = 0,4729 нм, Z = 2) и высокотемпературный β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой (кубическая сингония, пространственная группа Im3m, параметры ячейки a = 0,3269 нм, Z = 2), температура перехода α↔β 883 °C, теплота перехода ΔH=3,8 кДж/моль (87,4 кДж/кг). Большинство металлов при растворении в титане стабилизируют β-фазу и снижают температуру перехода α↔β. При давлении выше 9 ГПа и температуре выше 900 °C титан переходит в гексагональную фазу (ω-Ti). Плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 г/см³ (при 20 °C) и 4,32 г/см³ (при 900 °C). Атомная плотность α-титана 5,67⋅10 ат/см³. Температура плавления титана при нормальном давлении равна 1670 ± 2 °C, или 1943 ± 2 К (принята в качестве одной из вторичных калибровочных точек температурной шкалы ITS-90 (англ.)русск.). Температура кипения 3287 °C. При достаточно низкой температуре (-80 °C) , титан становится довольно хрупким. Молярная теплоёмкость при нормальных условиях Cp = 25,060 кДж/(моль·K), что соответствует удельной теплоёмкости 0,523 кДж/(кг·K). Теплота плавления 15 кДж/моль, теплота испарения 410 кДж/моль. Характеристическая дебаевская температура 430 К. Теплопроводность 21,9 Вт/(м·К) при 20 °C. Температурный коэффициент линейного расширения 9,2·10 К в интервале от −120 до +860 °C. Молярная энтропия α-титана S = 30,7 кДж/(моль·К). Для титана в газовой фазе энтальпия формирования ΔH0f = 473,0 кДж/моль, энергия Гиббса ΔG0f = 428,4 кДж/моль, молярная энтропия S = 180,3 кДж/(моль·К), теплоёмкость при постоянном давлении Cp = 24,4 кДж/(моль·K) Удельное электрическое сопротивление при 20 °C составляет 0,58 мкОм·м (по другим данным 0,42 мкОм·м), при 800 °C 1,80 мкОм·м. Температурный коэффициент сопротивления 0,003 К в диапазоне 0—20 °C. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Прочностные характеристики мало зависят от температуры, однако сильно зависят от чистоты и предварительной обработки. Для технического титана твёрдость по Виккерсу составляет 790—800 МПа, модуль нормальной упругости 103 ГПа, модуль сдвига 39,2 ГПа. У высокочистого предварительно отожжённого в вакууме титана предел текучести 140—170 МПа, относительное удлинение 55—70 %, твёрдость по Бринеллю 716 МПа. Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок. При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной). Температура перехода в сверхпроводящее состояние 0,387 К. При температурах выше 73 кельвин титан парамагнитен. Магнитная восприимчивость при 20 °C составляет 3,2·10. Постоянная Холла α-титана равна +1,82·10.

Титан — девятый по распространенности элемент в земной коре (0,63% массово) и седьмой по распространенности металл. Он присутствует в виде оксидов в большинстве магматических пород, в осадках, полученных из них, в живых существах и естественных водоемах. Из 801 вида магматических пород, проанализированных Геологической службой США, 784 содержат титан. Его доля в почвах составляет примерно 0,5-1,5%. Обычные минералы, содержащие титан, включают анатаз, брукит, ильменит, перовскит, рутил и титанит (сфен). Акаогиит — это чрезвычайно редкий минерал, состоящий из диоксида титана. Среди этих минералов только рутил и ильменит имеют экономическое значение, но даже их трудно найти в высоких концентрациях. В 2011 году было добыто около 6,0 и 0,7 миллиона тонн этих минералов соответственно. Значительные месторождения титансодержащего ильменита существуют в Западной Австралии, Канаде, Китае, Индии, Мозамбике, Новой Зеландии, Норвегии, Сьерра-Леоне, Южной Африке и Украине. Около 186 000 тонн титана-губки было произведено в 2011 году, в основном в Китае (60 000 т), Японии (56 000 т), России (40 000 т), США (32 000 т) и Казахстане (20 700 т). Общие запасы титана оцениваются более чем в 600 миллионов тонн. Концентрация титана в океане составляет около 4 пикомоляр. При 100 °C концентрация титана в воде оценивается менее чем в 10 М при pH 7. Идентификация титановых соединений в водных растворах остается неизвестной из-за низкой растворимости и отсутствия чувствительных спектроскопических методов, хотя в воздухе стабилен только окислительный уровень 4+. Нет доказательств биологической роли, хотя известно, что редкие организмы накапливают высокие концентрации титана. Титан содержится в метеоритах, а также был выявлен на Солнце и в М-типа звездах (самая холодная разновидность) с поверхностной температурой 3 200 °C (5 790 °F). Камни, возвращенные с Луны во время миссии «Аполлон-17», состоят на 12,1% из TiO2. Он также встречается в угольной золе, растениях и даже в человеческом теле. Натуральный титан (чистый металлический) очень редок.

Титан используется в стали в качестве легирующего элемента (ферротитан) для уменьшения зернистости и как декарбонизатор, а также в нержавеющей стали для уменьшения содержания углерода. Титан часто легируется с алюминием (для уменьшения зернистости), ванадием, медью (для упрочнения), железом, марганцем, молибденом и другими металлами. Титановые прокатные продукты (лист, плита, стержень, проволока, поковки, отливки) находят применение в промышленности, авиации, досуговых и новых рынках. Порошковый титан используется в пиротехнике как источник ярко горящих частиц.

Крупные коренные месторождения титана находятся на территории ЮАР, России, Украины, Канады, США, Китая, Норвегии, Швеции, Египта, Австралии, Индии, Южной Кореи, Казахстана; россыпные месторождения имеются в Бразилии, Индии, США, Сьерра-Леоне, Австралии. В странах СНГ ведущее место по разведанным запасам титановых руд занимает РФ (58,5 %) и Украина (40,2 %). Крупнейшее месторождение в России — Ярегское.

Металл получил своё название в честь титанов, персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи. Название элементу дал Мартин Клапрот в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру в противовес французской химической школе, где элемент старались называть по его химическим свойствам. Поскольку немецкий исследователь сам отметил невозможность определения свойств нового элемента только по его оксиду, он подобрал для него имя из мифологии, по аналогии с открытым им ранее ураном.