|
Реферат: Титан (Химия)
Т и т а н
Реферат по химии
Выполнил уч. 11-Г класса гимназии №115 г. Уфы
2001 г.
Из истории открытия титана
Вряд ли можно найти еще один такой металл, история открытия и
изучения которого была бы так полна драматических событий, ошибок и
заблуждений, как история 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 превратных толковании. 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.
Ни один конструкционный металл не знал такой длительной истории
исследований, как титан. Первые попытки выделить чистый материал
заканчивались неудачно. Исследователи получали металл с высоким содержанием
примесей кислорода, азота, серы, фосфора, водорода и др., в результате
чего, выделенный металл был весьма хрупким и признавался бесполезным для
дальнейшего использования. Чистый титан (содержание примесей менее 0,1%)
впервые был получен в 1875 году русским ученым Д.К. Кирилловым, но его
работа осталась незамеченной. Полученный в 1925 г. Ван Аркелем и де Буром
иодидным методом чистейший титан оказался пластичным и технологичным
металлом со многими ценными свойствами, которые привлекли к нему внимание
широкого круга конструкторов и инженеров. В 1940 г. Кролль предложил
магниетермический способ извлечения титана из руд, который является
основным и в настоящее время. В 1947 г. были выпущены первые 45 кг
технически чистого титана. Стоимость его, конечно, была баснословно высокой
– 10 долл. за 1 кг, т. е. этот новый конструкционный материал был во много
раз дороже железа, алюминия, магния. (Интересно, что стоимость технически
чистого титана сегодня приблизительна такая же: 11 долл. за 1 кг, а
стоимость сплавов титана достигает 15 долл. за 1 кг). Тем не менее выпуск
металлического титана осуществлялся такими гигантскими темпами, каких не
знало никакое другое металлургическое производство. Первая промышленная
партия титана массой 2 т была получена в 1948 г., и этот год считается
началом практического применения титана. Мировое производство титана (без
СССР) за период с 1953 г. по 1996 г возросло более чем в 30 раз.
Производство титана в нашей стране началось в 1950 г. и нарастало довольно
быстро. В 1960-1990 гг. в СССР было создано крупнейшее в мире производство
титана и его сплавов. В конце 80-х годов объем промышленного производства
титана в СССР превышал объем его производства во всех остальных странах
мира вместе взятых.
Свойства титана
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.
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.
Физические и механические свойства титана
Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время считалось, что он
плавится при 1800° С, однако в середине 50-х гг. английские ученые Диардорф
и Хейс установили температуру плавления для чистого элементарного титана.
Она составила 1668±3° С. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким
металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, рений, молибден, платиноиды,
цирконий, а среди основных конструкционных металлов он стоит на первом
месте:
Важнейшей особенностью титана как металла являются его уникальные
физико-химические свойства: низкая плотность, высокая прочность, твердость
и др. Главное же, что эти свойства не меняются существенно при высоких
температурах.
Титан–легкий металл, его плотность при 0° С составляет всего 4,517
г/см8, а при 100° С – 4,506 г/см3. Титан относится к группе металлов с
удельной массой менее 5 г/см3. Сюда входят все щелочные металлы (натрий,
кадий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9–1,5 г/см3, магний (1,7
г/см3), алюминий (2,7 г/см3) и др. Титан более чем в 1,5 раза тяжелее
алюминия, и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче
железа (7,8 г/см3). Однако, занимая по удельной плотности промежуточное
положение между алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам
во много раз их превосходит.
Каковы же эти свойства, которые позволяют широко использовать титан
как конструкционный материал? Прежде всего прочность металла, т. е. его
способность сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы
(пластические деформации). Титан обладает значительной твердостью: он в 12
раз тверже алюминия, в 4 раза–железа и меди. Еще одна важная характеристика
металла – предел текучести. Чем он выше тем лучше детали из этого металла
сопротивляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у титана почти
в 18 раз выше, чем у алюминия. Удельная прочность сплавов титана может быть
повышена в 1,5–2 раза. Его высокие механические свойства хорошо сохраняются
при температурах вплоть до нескольких сот градусов.
Чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном
состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать и даже делать из него
проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм.
Интересно отметить, что титан долгие годы, вплоть до получения
чистого металла, рассматривали как очень хрупкий материал. Связано это было
с наличием в титане примесей, особенно водорода азота, кислорода, углерода
и др. Если увеличение содержания кислорода и азота сразу сказывается на их
механических свойствах, то влияние водорода более сложное и может
проявляться не сразу, а в процессе эксплуатации изделия. Недооценка этого
влияния при первых шагах применения титана привела к серьезным авариям.
Многочисленные случаи неожиданных хрупких разрушений готовых титановых
конструкций в авиации США даже стали причиной некоторого кризиса в
производстве титана в 1945–1955 гг. Сегодня же водород специально вводят в
титановые сплавы, как временный или постоянный легирующий элемент. Это
позволяет сильно упростить многие технологические операции при изготовлении
титановых изделий (горячую обработку давлением, резание, сварку, формовку)
и улучшить их свойства. При необходимости водород удаляют отжигом в
вакууме.
Титан имеет еще одно замечательное свойство – исключительную
стойкость в условиях кавитации, т. е. при усиленной «бомбардировке» металла
в жидкой среде пузырьками воздуха, которые образуются при быстром движении
или вращении металлической детали в жидкой среде. Эти пузырьки воздуха,
лопаясь на поверхности металла, вызывают очень сильные микроудары жидкости
о поверхность движущегося тела. Они быстро разрушают многие материалы, и
металлы в том числе, а вот титан прекрасно противостоит кавитации.
Испытания в морской воде быстровращающихся дисков из титана и других
металлов показали, что при вращении в течение двух месяцев титановый диск
практически не потерял в массе. Внешние края его, где скорость вращения, а
следовательно, и кавитация максимальны, не изменились. Другие диски не
выдержали испытания: у всех внешние края оказались поврежденными, а многие
из них вовсе разрушились.
Титан обладает еще одним удивительным свойством–«памятью». В сплаве с
некоторыми металлами (например, с никелем, и особенно с никелкм и
водородом) он «запоминает» форму изделия, которую из него сделали при
определенной температуре. Если такое изделие потом деформировать, например,
свернуть в пружину, изогнуть, то оно останется в таком положении на долгое
время. После нагревания до той температуры, при которой это изделие было
сделано, оно принимает первоначальную форму. Это свойство титана широко
используется в космической технике (на корабле разворачиваются вынесенные в
космическое пространство большие антенны, до этого компактно сложенные).
Недавно это свойство титана стали использовать медики для бескровных
операций на сосудах: в больной, суженный сосуд вводится проволочка из
титанового сплава, а потом она, разогреваясь до температуры тела,
скручивается в первоначальную пружинку и расширяет сосуд.
Температурные, электрические и магнитные свойства титана.
Титан обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07
Вт/(мК), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7
раз–магния, в 17–20 раз–алюминия и меди. Соответственно и коэффициент
линейного термического расширения у титана ниже, чем у других
конструкционных материалов: при 20 С он в 1,5 раза ниже чем у железа, в 2 -
у меди и почти в 3 - у алюминия. Таким образом, титан – плохой проводник
электричества и тепла. Проводов из него не сделаешь, а вот то, что он один
из очень немногих металлов является при низких температурах
сверхпроводником электричества, открывает ему большие перспективы в
электрической технике, передачи энергии на большие расстояния. Титан –
парамагнитный металл: он не намагничивается, как железо, в магнитном поле,
но и не выталкивается из него, как медь. Его магнитная восприимчивость
очень слаба, это свойство можно использовать при строительстве, например,
немагнитных кораблей, приборов, аппаратов.
В отличие от большинства металлов титан обладает значительным
электросопротивлением: если электропроводность серебра принять за 100, то
электропроводность меди равна 94, алюминия – 60, железа и платины –15, а
титана–всего 3,8. Вряд ли нужно объяснять, что это свойство, как и
немагнитность, представляет интерес для радиоэлектроники и электротехники.
Получение титана
Цена – вот что еще тормозит производство и потребление, титана.
Собственно, высокая стоимость – не врожденный порок титана. В земной коре
его много – 0,63%. Минералы, содержащие титан находятся повсеместно.
Важнейшие из них титаномагнетиты FeTiO3(nFe3O4, ильменит FeTiO3, сфен
CaTiSiO5 и рутил TiO2. (В России месторождения титановых руд находятся на
Урале, а крупнейший производитель Верхне-Салдинское ПО). Среди
конструкционных металлов титан по распространенности занимает четвертое
место, уступая лишь алюминию, железу и магнию. Высокая цена титана –
следствие сложности извлечения его из руд и применение вакуумного
оборудования при переплавке. При промышленном получении титана руду или
концентрат переводят в диоксид титана, который затем хлорируют. Однако даже
при 800-1000(С хлорирование протекает медленно. С достаточной для
практических целей скоростью оно происходит в присутствии углерода,
связывающего кислород в основном в CO2:
TiO2+2Cl2+2C=TiCl4+2CO2
Хлорид титана (IV) восстанавливают магнием
TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2
а образующуюся смесь подвергают нагреванию в вакууме. При этом магний и его
хлорид испаряются и осаждаются в конденсаторе. Остаток - губчатый титан
-переплавляют, получая компактный ковкий металл. Для очистки от кислорода,
углерода и других вредных примесей восстановление титана проводят в
герметичной аппаратуре в атмосфере аргона, а очистку и переплавку в
глубоком вакууме.
Для получения титана высокой чистоты применяют иодидный метод,
предложеннй еще в 1925 году. Суть этой технологии, в деталях разработана в
30-х гг. немецким химиком Вильгельмом Кроллем, и заключается в следующем.
Черновой металл, загрязненный примесями, нагретый до 100-200° С,
взаимодействуя с йодом, образует четырехйодистый титан. Дальнейшее
нагревание йодида до температуры примерно 1300–1500° С приводит к его
разложению на титан и йод. Причем парообразный йод соединяется снова с
черновым металлом, а титан осаждается на раскаленной поверхности затравки
из титана же. Примеси, находящиеся в черновом металле, взаимодействуют с
йодом и не попадают на раскаленный чистый титан.
Ti(загрязненный)+2I2(газ)(100-200(С(TiI4(газ) (1300-
1500(С(Ti(чистый)+2I2(газ)
Применение титана и его соединений.
Выше, описывая свойства, коротко уже упоминались отдельные области
применения титановых сплавов. Сегодня титановые сплавы широко применяют в
авиационной технике. Титановые сплавы в промышленном масштабе впервые были
использованы в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Применение
титана в конструкции реактивных двигателей позволяет уменьшить их массу на
10...25%. В частности, из титановых сплавов изготавливают диски и лопатки
компрессора, детали воздухозаборника, направляющего аппарата и крепежные
изделия. Титановые сплавы незаменимы для сверхзвуковых самолетов. Рост
скоростей полета летательных аппаратов привел к повышению температуры
обшивки, в результате чего алюминиевые сплавы перестали удовлетворять
требованиям, которые предъявляются авиационной техникой сверхзвуковых
скоростей. Температура обшивки в этом случае достигает 246...316 °С. В этих
условиях наиболее приемлемым материалом оказались титановые сплавы.
В 70-х годах существенно возросло применение титановых сплавов для
планера гражданских самолетов. В среднемагистральном самолете ТУ-204 общая
масса деталей из титановых сплавов составляет 2570 кг.
Постепенно расширяется применение титана в вертолетах, главным
образом, для деталей системы несущего винта, привода, а также системы
управления. Важное место занимают титановые сплавы в ракетостроении.
Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде титан и его
сплавы находят применение в судостроении для изготовления гребных винтов,
обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы
не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его
движении.
Постепенно области применения титана расширяются. Титан и его сплавы
применяют в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумаж-ной и пищевой
промышленности, цветной металлургии, энергомашиностроении, электронике,
ядерной технике, гальванотехнике, при производстве вооружения, для
изготовления броневых плит, хирургического инструмента, хирургических
имплантатов, опреснительных установок, деталей гоночных автомобилей,
спортинвентаря (клюшки для гольфа, снаряжение альпинистов), деталей ручных
часов и даже украшений. Азотирование титана приводит к образованию на его
поверхности золотистой пленки, по красоте не уступающей настоящему золоту.
Из титана созданы памятники Ю.А. Гагарину и монумент покорителям
космоса в Москве, обелиск в честь успехов освоения Вселенной в Женеве.
Совершенно необычный аспект применения титана - колокольный звон.
Колокола, отлитые из этого металла, обладают необычайным, очень красивым
звучанием.
Из соединений титана наиболее широко применяется двуокись. В 1908 г.
в США и Норвегии началось изготовление белил не из соединений свинца и
цинка, как делалось прежде, а из двуокиси титана. Такими белилами можно
окрасить в несколько раз большую поверхность, чем тем же количеством
свинцовых или цинковых белил. К тому же у титановых белил больше
отражательная способность они не ядовиты и не темнеют под действием
сероводорода! В медицинской литературе описан случай, когда человек за один
раз «принял» 460 г двуокиси титана! (Интересно, с чем он ее спутал?)
«Любитель» двуокиси титана не испытал при этом никаких болезненных
ощущений. Двуокись титана входит в состав некоторых медицинских препаратов,
в частности мазей против кожных болезней,
Однако не медицина, а лакокрасочная промышленность потребляет
наибольшие количества TiO2. Мировое производство этого соединения намного
превысило полмиллиона тонн в год. Эмали на основе двуокиси титана широко
используют в качестве защитных и декоративных покрытий по металлу и дереву
в судостроении, строительстве и машиностроении. Срок службы сооружений и
деталей при этом значительно повышается. Титановыми белилами окрашивают
ткани, кожу и другие материалы.
Двуокись титана входит в состав фарфоровых масс, тугоплавких стекол,
керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Как
наполнитель, повышающий прочность и термостойкость, ее вводят в резиновые
смеси.
Среди новых материалов, которым наука приписывает большое будущее,
следует отметить соединения титана с алюминием и никелем и углеродом. О
свойствах никелида титана упоминалось выше. Интерметаллиды Ti3Al, TiAl,
TiAl3 предполагается использовать при рабочих температурах до 700(С.
Карбиды титана обладают очень высокой твердостью и износостойкостью, сто
позволяет использовать их вместо алмазных насадок в качестве режущего
инструмента.
Список использованной литературы.
1. Н.Л. Глинка Общая химия: Учебное пособие для вузов.–24-е изд.–Л.:
Химия,1985.–704 с.
2. Популярная библиотека химических элементов. Под ред. И.В. Петрянова-
Соколова. Издание3-е, книга первая «Водород–палладий». М.: Наука,
1983.– 576 с.
3. Л.Б. Зубков Космический металл: (Все о титане).–М.: Наука, 1987.–128
с.–(Серия «Наука и технический прогресс»).
4. Б.А. Колачев, В.И. Елагин, В.А. Ливанов. Металловедение и
термическая обработка цветных металлов и сплавов. Учебник для вузов.
М.: «МИСИС», 1999.–416 с.
Реферат на тему: Толуол: свойства, применение, получение
Реферат на тему
«Арены. Толуол.»
Выполнил
Проверила:
2002 г.
План:
|1. Арены |Стр. 3 |
|2. Толуол – формула, строение. |Стр. 4 |
|3. Физические свойства. |Стр. 5 |
|4. Химические свойства |Стр. 6 |
|5. Получение |Стр. 9 |
|6. Применение |Стр. 10 |
|7. Список литературы |Стр. 11 |
1. Арены.
Арены или ароматические углеводороды – это соединения, молекулы
которых содержат устойчивые циклические группы атомов (бензольные ядра) с
особым характером химических связей.
Общая формула класса: CnH2n-6 .
Простейшими представителями класса являются бензол и толуол:
Многоядерные арены: нафталин С10Н8, антрацен С14Н10 и др.
Термин "ароматические соединения" возник давно в связи с тем, что
некоторые представители этого ряда веществ имеют приятный запах. Однако в
настоящее время в понятие "ароматичность" вкладывается совершенно иной
смысл.
Ароматичность молекулы означает ее повышенную устойчивость,
обусловленную делокализацией ?-электронов в циклической системе.
Критерии ароматичности аренов:
1. Атомы углерода в sp2-гибридизованном состоянии образуют циклическую
систему.
2. Атомы углерода располагаются в одной плоскости (цикл имеет плоское
строение).
3. Замкнутая система сопряженных связей содержит
4n+2 ?-электронов (n – целое число).
2. Толуол – формула, строение.
Толуол по своему строению подобен бензолу, отличием является лишь
замещение одного атома водорода на группу (CH3).
Рассмотрим строение бензола.
В 1825 году английский исследователь Майкл Фарадей при термическом
разложении ворвани выделил пахучее вещество, которое имело молекулярную
формулу C6Н6. Это соединение, называемое теперь бензолом, является
простейшим ароматическим углеводородом.
Распространенная структурная формула бензола, предложенная в 1865 году
немецким ученым Кекуле, представляет собой цикл с чередующимися двойными и
одинарными связями между углеродными атомами:
Однако физическими, химическими, а также квантово-механическими
исследованиями установлено, что в молекуле бензола нет обычных двойных и
одинарных углерод–углеродных связей. Все эти связи в нем равноценны,
эквивалентны, т.е. являются как бы промежуточными "полуторными " связями,
характерными только для бензольного ароматического ядра. Оказалось, кроме
того, что в молекуле бензола все атомы углерода и водорода лежат в одной
плоскости, причем атомы углерода находятся в вершинах правильного
шестиугольника с одинаковой длиной связи между ними, равной 0,139 нм, и все
валентные углы равны 120°. Такое расположение углеродного скелета связано с
тем, что все атомы углерода в бензольном кольце имеют одинаковую
электронную плотность и находятся в состоянии sp2 - гибридизации. Это
означает, что у каждого атома углерода одна s- и две p- орбитали
гибридизованы, а одна p- орбиталь негибридная. Три гибридных орбитали
перекрываются: две из них с такими же орбиталями двух смежных углеродных
атомов, а третья – с s- орбиталью атома водорода. Подобные перекрывания
соответствующих орбиталей наблюдаются у всех атомов углерода бензольного
кольца, в результате чего образуются двенадцать s- связей, расположенных в
одной плоскости.
Четвертая негибридная гантелеобразная p- орбиталь атомов углерода
расположена перпендикулярно плоскости направления s- связей. Она состоит из
двух одинаковых долей, одна из которых лежит выше, а другая - ниже
упомянутой плоскости. Каждая p- орбиталь занята одним электроном. р-
Орбиталь одного атома углерода перекрывается с p- орбиталью соседнего атома
углерода, что приводит, как и в случае этилена, к спариванию электронов и
образованию дополнительной p- связи. Однако в случае бензола перекрывание
не ограничивается только двумя орбиталями, как в этилене: р- орбиталь
каждого атома углерода одинаково перекрывается с p- орбиталями двух смежных
углеродных атомов. В результате образуются два непрерывных электронных
облака в виде торов, одно из которых лежит выше, а другое – ниже плоскости
атомов (тор – это пространственная фигура, имеющая форму бублика или
спасательного круга). Иными словами, шесть р- электронов, взаимодействуя
между собой, образуют единое p- электронное облако, которое изображается
кружочком внутри шестичленного цикла:
С теоретической точки зрения ароматическими соединениями могут называться
только такие циклические соединения, которые имеют плоское строение и
содержат в замкнутой системе сопряжения (4n+2) p- электронов, где n – целое
число. Приведенным критериям ароматичности, известным под названием правила
Хюккеля, в полной мере отвечает бензол. Его число шесть p- электронов
является числом Хюккеля для n=1, в связи с чем, шесть p- электронов
молекулы бензола называют ароматическим секстетом.
3. Физические свойства.
Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкости со специфическим
запахом. Ароматические углеводороды легче воды и в ней не растворяются,
однако легко растворяются в органических растворителях – спирте, эфире,
ацетоне.
Физические свойства некоторых аренов представлены в таблице.
|Название |Формула |t°.пл., |t°.кип., |d420 |
| | |°C |°C | |
|Бензол |C6H6 |+5,5 |80,1 |0,8790|
|Толуол (метилбензол) |С6Н5СH3 |-95,0 |110,6 |0,8669|
|Этилбензол |С6Н5С2H5 |-95,0 |136,2 |0,8670|
|Ксилол (диметилбензол) |С6Н4(СH3)2 | | | |
|орто- | |-25,18 |144,41 |0,8802|
|мета- | |-47,87 |139,10 |0,8642|
|пара- | |13,26 |138,35 |0,8611|
|Пропилбензол |С6Н5(CH2)2CH3 |-99,0 |159,20 |0,8610|
|Кумол (изопропилбензол) |C6H5CH(CH3)2 |-96,0 |152,39 |0,8618|
|Стирол (винилбензол) |С6Н5CH=СН2 |-30,6 |145,2 |0,9060|
4. Химические свойства.
Все свойства толуола можно разделить на 2 типа:
А) реакции, затрагивающие бензольное кольцо,
Б) реакции, затрагивающие метильную группу.
Реакции в ароматическом кольце. Метилбензол вступает во все реакции
электрофильного замещения, свойственные для бензола.
1) Нитрирование:
1-Метил-2-нитробензол 1-Метил-4-нитробензол
2) Хлорирование толуола может производиться путём пропускания через толуол
газообразного хлора в присутствии хлорида алюминия (реакция проводится в
темноте). Хлорид алюминия играет при этом роль катализатора. В этом
случае образуется 2- и 4-замещённый изомеры:
3) Сульфирование метилбензола концентрированой серной кислотой тоже
приводит к образованию смеси 2- и 4-замещённого изомеров:
Механизм всех реакций электрофильного замещения подобен механизму
сообветствующих реакций бензола. В этих реакциях 3-замещённые изомеры
образуются в незначительных количествах и ими можно пренебречь.
Реакции в боковой цепи. Метильная группа в метилбензоле может вступать в
определённые реакции, характерные для алканов, но также и в другие реакции,
не характерные для алканов.
Подобно алканам, метильная группа может галогенироваться по
радикальному механизму. Для осуществления этой реакции хлор продувают через
кипящий метилбензол в присутствии солнечного света или источника
ультрафиолетового излучения.
Обратим внимание, что эта реакция представляет собой замещение. Дальнейшее
галогенирование приводит к образованию следующих соединений:
Бромирование метилбензола осуществляется при аналогичных условиях и
приводит к образованию соответствующих бромозамещающенных соединений.
Метильная боковая цепь в толуоле подвергается окислению даже такими
сравнительно мягкими окислителями, как оксид марганца (IV):
Более сильные окислители, например перманганат калия, вызывают дальнейшее
окисление:
5. Получение.
Известны следующие способы получения ароматических углеводородов.
1) Каталитическая дегидроциклизация алканов, т.е. отщепление водорода с
одновременной циклизацией (способ Б.А.Казанского и А.Ф.Платэ). Реакция
осуществляется при повышенной температуре с использованием катализатора,
например оксида хрома.
2) Каталитическое дегидрирование циклогексана и его производных
(Н.Д.Зелинский). В качестве катализатора используется палладиевая чернь или
платина при 300°C.
3) Циклическая тримеризация ацетилена и его гомологов над активированным
углем при 600°C (Н.Д.Зелинский).
4) Сплавление солей ароматических кислот со щелочью или натронной известью.
6. Применение.
Ароматические углеводороды являются важным сырьем для производства
различных синтетических материалов, красителей, физиологически активных
веществ. Так, бензол – продукт для получения красителей, медикаментов,
средств защиты растений и др. Толуол используется как сырье в производстве
взрывчатых веществ, фармацевтических препаратов, а также в качестве
растворителя. Винилбензол (стирол) применяется для получения полимерного
материала – полистирола.
Список литературы:
1. М. Фримантл – «Химия в действии»
2. CD-Informatica – «Химия для всех»
3. О.С. Габриелян – «Химия 10 класс»
4. Infinity – «Органическая химия: арены»
-----------------------
HNO3
CH3
NO2
CH3
NO2
1-хлоро-2-метилбензол
+ HCl
+ HCl
+ Cl2
AlCl3
CH3
1-хлоро-4-метилбензол
4-Метилбензолсульфиновая кислота
2-Метилбензолсульфиновая кислота
+ HCl
+ HCl
+ H2SO4
CH3
+ HCl
CH3
+ Cl2
CH2Cl
+ HCl
Хлорметилбензол
CHCl2
(Дихлорметил)-бензол
(Трихлорметил)-бензол
CCl3
CH3
MnO2
CHO
Бензальдегид
Бензойная кислота
COOH
500°C
CHO
+ 4H2
300°C,Pd
+ 3H2
600°C
3НC(СН
+ NaOH
+ Na2CO3
| |
