टाइटेनियम एक धातु है। टाइटेनियम के गुण। टाइटेनियम का अनुप्रयोग। टाइटेनियम के ग्रेड और रासायनिक संरचना

2024 लेखक: Angel Austin | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-12-17 05:27

शाश्वत, रहस्यमय, ब्रह्मांडीय, भविष्य की सामग्री - ये सभी और कई अन्य विशेषण विभिन्न स्रोतों में टाइटेनियम को सौंपे गए हैं। इस धातु की खोज का इतिहास तुच्छ नहीं था: उसी समय, कई वैज्ञानिकों ने तत्व को उसके शुद्ध रूप में अलग करने पर काम किया। भौतिक, रासायनिक गुणों का अध्ययन करने और इसके आवेदन के क्षेत्रों को निर्धारित करने की प्रक्रिया आज तक पूरी नहीं हुई है। टाइटेनियम भविष्य की धातु है, मानव जीवन में इसका स्थान अभी तक अंतिम रूप से निर्धारित नहीं हुआ है, जो आधुनिक शोधकर्ताओं को रचनात्मकता और वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए एक विशाल अवसर प्रदान करता है।

विशेषता

रासायनिक तत्व टाइटेनियम (टाइटेनियम) को डी.आई. मेंडेलीव की आवर्त सारणी में प्रतीक Ti द्वारा दर्शाया गया है। यह चौथी अवधि के समूह IV के द्वितीयक उपसमूह में स्थित है और इसकी क्रम संख्या 22 है। साधारण पदार्थ टाइटेनियम एक सफेद-चांदी धातु, हल्का और टिकाऊ है। परमाणु के इलेक्ट्रॉनिक विन्यास में निम्नलिखित संरचना होती है: +22)2)8)10)2, 1S²2S²2P 6 ^3एस2^3पी6^3डी2^4एस 2. तदनुसार, टाइटेनियम में कई संभावित ऑक्सीकरण अवस्थाएँ हैं: 2,3, 4, सबसे स्थिर यौगिकों में यह टेट्रावैलेंट है।

टाइटेनियम - मिश्र धातु या धातु?

यह प्रश्न बहुतों को रुचिकर लगता है। 1910 में, अमेरिकी रसायनज्ञ हंटर ने पहला शुद्ध टाइटेनियम प्राप्त किया। धातु में केवल 1% अशुद्धियाँ थीं, लेकिन साथ ही, इसकी मात्रा नगण्य थी और इसके गुणों का और अध्ययन करना संभव नहीं था। प्राप्त पदार्थ की प्लास्टिसिटी केवल उच्च तापमान के प्रभाव में प्राप्त की गई थी, सामान्य परिस्थितियों (कमरे के तापमान) के तहत, नमूना बहुत नाजुक था। वास्तव में, इस तत्व में वैज्ञानिकों की दिलचस्पी नहीं थी, क्योंकि इसके उपयोग की संभावनाएं बहुत अनिश्चित लग रही थीं। प्राप्त करने और शोध करने की कठिनाई ने इसके आवेदन की संभावना को और कम कर दिया। केवल 1925 में, नीदरलैंड आई। डी बोअर और ए। वैन आर्केल के रसायनज्ञों ने टाइटेनियम धातु प्राप्त की, जिसके गुणों ने दुनिया भर के इंजीनियरों और डिजाइनरों का ध्यान आकर्षित किया। इस तत्व के अध्ययन का इतिहास 1790 में शुरू होता है, ठीक उसी समय, समानांतर में, एक दूसरे से स्वतंत्र रूप से, दो वैज्ञानिक टाइटेनियम को एक रासायनिक तत्व के रूप में खोजते हैं। उनमें से प्रत्येक को एक पदार्थ का एक यौगिक (ऑक्साइड) प्राप्त होता है, जो धातु को उसके शुद्ध रूप में अलग करने में विफल रहता है। टाइटेनियम के खोजकर्ता अंग्रेजी खनिजविद भिक्षु विलियम ग्रेगोर हैं। इंग्लैंड के दक्षिण-पश्चिमी भाग में स्थित अपने पल्ली के क्षेत्र में, युवा वैज्ञानिक ने मेनकेन घाटी की काली रेत का अध्ययन करना शुरू किया। एक चुंबक के साथ प्रयोगों का परिणाम चमकदार अनाज की रिहाई थी, जो एक टाइटेनियम यौगिक थे। उसी समय जर्मनी में, रसायनज्ञ मार्टिन हेनरिक क्लैप्रोथ ने खनिज से एक नया पदार्थ अलग कियारूटाइल 1797 में, उन्होंने यह भी साबित किया कि समानांतर में खोले गए तत्व समान हैं। टाइटेनियम डाइऑक्साइड एक सदी से भी अधिक समय से कई रसायनज्ञों के लिए एक रहस्य रहा है, और यहां तक कि बर्ज़ेलियस भी शुद्ध धातु प्राप्त करने में असमर्थ था। 20 वीं शताब्दी की नवीनतम तकनीकों ने उल्लिखित तत्व के अध्ययन की प्रक्रिया को काफी तेज कर दिया और इसके उपयोग के लिए प्रारंभिक दिशा निर्धारित की। इसी समय, आवेदन का दायरा लगातार बढ़ रहा है। केवल शुद्ध टाइटेनियम जैसे पदार्थ को प्राप्त करने की प्रक्रिया की जटिलता ही इसके दायरे को सीमित कर सकती है। मिश्र धातु और धातु की कीमत काफी अधिक है, इसलिए आज यह पारंपरिक लोहे और एल्यूमीनियम को विस्थापित नहीं कर सकता।

नाम की उत्पत्ति

मेनकिन - टाइटेनियम का पहला नाम, जिसका इस्तेमाल 1795 तक किया जाता था। इस प्रकार, प्रादेशिक संबद्धता द्वारा, डब्ल्यू। ग्रेगोर ने नए तत्व को बुलाया। मार्टिन क्लैप्रोथ ने 1797 में तत्व को "टाइटेनियम" नाम दिया। इस समय, उनके फ्रांसीसी सहयोगियों, एक काफी प्रतिष्ठित रसायनज्ञ ए एल लावोसियर के नेतृत्व में, नए खोजे गए पदार्थों को उनके मूल गुणों के अनुसार नाम देने का प्रस्ताव रखा। जर्मन वैज्ञानिक इस दृष्टिकोण से सहमत नहीं थे, उनका काफी हद तक मानना था कि खोज के चरण में किसी पदार्थ में निहित सभी विशेषताओं को निर्धारित करना और उन्हें नाम में प्रतिबिंबित करना मुश्किल है। हालांकि, यह माना जाना चाहिए कि क्लैप्रोथ द्वारा सहज रूप से चुना गया शब्द पूरी तरह से धातु से मेल खाता है - इस पर आधुनिक वैज्ञानिकों द्वारा बार-बार जोर दिया गया है। टाइटेनियम नाम की उत्पत्ति के दो मुख्य सिद्धांत हैं। एलवेन क्वीन टाइटेनिया के सम्मान में धातु को नामित किया जा सकता है(जर्मनिक पौराणिक कथाओं का चरित्र)। यह नाम पदार्थ की लपट और ताकत दोनों का प्रतीक है। अधिकांश वैज्ञानिक प्राचीन ग्रीक पौराणिक कथाओं के उपयोग के संस्करण का उपयोग करने के लिए इच्छुक हैं, जिसमें पृथ्वी की देवी गैया के शक्तिशाली पुत्रों को टाइटन कहा जाता था। पहले खोजे गए तत्व यूरेनियम का नाम भी इस संस्करण के पक्ष में बोलता है।

प्रकृति में होना

मनुष्यों के लिए तकनीकी रूप से मूल्यवान धातुओं में से टाइटेनियम पृथ्वी की पपड़ी में चौथा सबसे प्रचुर मात्रा में है। केवल लोहा, मैग्नीशियम और एल्यूमीनियम प्रकृति में एक बड़े प्रतिशत की विशेषता है। टाइटेनियम की उच्चतम सामग्री बेसाल्ट खोल में नोट की जाती है, ग्रेनाइट परत में थोड़ी कम। समुद्र के पानी में, इस पदार्थ की सामग्री कम है - लगभग 0.001 मिलीग्राम / लीटर। टाइटेनियम का रासायनिक तत्व काफी सक्रिय है, इसलिए इसे अपने शुद्ध रूप में नहीं पाया जा सकता है। सबसे अधिक बार, यह ऑक्सीजन के साथ यौगिकों में मौजूद होता है, जबकि इसकी संयोजकता चार होती है। टाइटेनियम युक्त खनिजों की संख्या 63 से 75 (विभिन्न स्रोतों में) के बीच भिन्न होती है, जबकि अनुसंधान के वर्तमान चरण में, वैज्ञानिक इसके यौगिकों के नए रूपों की खोज जारी रखते हैं। व्यावहारिक उपयोग के लिए निम्नलिखित खनिजों का सर्वाधिक महत्व है:

1. इल्मेनाइट (FeTiO₃)।
2. रूटाइल (TiO₂).
3. टाइटैनिट (CaTiSiO₅).
4. पेरोव्स्काइट (CaTiO₃)।
5. टाइटैनोमैग्नेटाइट (FeTiO₃+Fe₃O₄) आदि

सभी मौजूदा टाइटेनियम-असर वाले अयस्कों को विभाजित किया गया हैजलोढ़ और बुनियादी। यह तत्व एक कमजोर प्रवासी है, यह केवल चट्टान के टुकड़े या चलती सिल्टी तल चट्टानों के रूप में यात्रा कर सकता है। जीवमंडल में टाइटेनियम की सबसे बड़ी मात्रा शैवाल में पाई जाती है। स्थलीय जीवों के प्रतिनिधियों में, तत्व सींग के ऊतकों, बालों में जमा होता है। मानव शरीर को तिल्ली, अधिवृक्क ग्रंथियों, प्लेसेंटा, थायरॉयड ग्रंथि में टाइटेनियम की उपस्थिति की विशेषता है।

भौतिक गुण

टाइटेनियम एक अलौह धातु है जिसमें चांदी-सफेद रंग होता है जो स्टील जैसा दिखता है। 0 ⁰C के तापमान पर इसका घनत्व 4.517 g/cm³ होता है। पदार्थ में कम विशिष्ट गुरुत्व होता है, जो क्षार धातुओं (कैडमियम, सोडियम, लिथियम, सीज़ियम) के लिए विशिष्ट होता है। घनत्व के संदर्भ में, टाइटेनियम लोहे और एल्यूमीनियम के बीच एक मध्यवर्ती स्थान रखता है, जबकि इसका प्रदर्शन दोनों तत्वों की तुलना में अधिक है। धातुओं के मुख्य गुण जिन्हें उनके आवेदन के दायरे का निर्धारण करते समय ध्यान में रखा जाता है, वे हैं उपज शक्ति और कठोरता। टाइटेनियम एल्यूमीनियम से 12 गुना मजबूत है, लोहे और तांबे से 4 गुना मजबूत है, जबकि बहुत हल्का है। एक शुद्ध पदार्थ की प्लास्टिसिटी और इसकी उपज शक्ति कम और उच्च तापमान पर संसाधित करना संभव बनाती है, जैसे कि अन्य धातुओं के मामले में, जैसे कि रिवेटिंग, फोर्जिंग, वेल्डिंग, रोलिंग द्वारा। टाइटेनियम की एक विशिष्ट विशेषता इसकी कम तापीय और विद्युत चालकता है, जबकि इन गुणों को 500 ⁰С तक ऊंचे तापमान पर संरक्षित किया जाता है। चुंबकीय क्षेत्र में, टाइटेनियम एक अनुचुंबकीय तत्व है, यह नहीं हैलोहे की तरह आकर्षित होता है, और तांबे की तरह बाहर नहीं धकेला जाता है। आक्रामक वातावरण में और यांत्रिक तनाव के तहत बहुत उच्च विरोधी जंग प्रदर्शन अद्वितीय है। समुद्र के पानी में 10 से अधिक वर्षों से टाइटेनियम प्लेट की उपस्थिति और संरचना में कोई बदलाव नहीं आया है। इस मामले में लोहा जंग से पूरी तरह नष्ट हो जाएगा।

टाइटेनियम के थर्मोडायनामिक गुण

1. घनत्व (सामान्य परिस्थितियों में) 4.54g/cm³।
2. परमाणु क्रमांक 22 है।
3. धातु समूह - दुर्दम्य, प्रकाश।
4. टाइटेनियम का परमाणु द्रव्यमान 47.0 है।
5. क्वथनांक (⁰С) – 3260.
6. मोलर आयतन सेमी³/mol - 10, 6.
7. टाइटेनियम गलनांक (⁰С) – 1668.
8. वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा (kJ/mol) – 422, 6.
9. विद्युत प्रतिरोध (20 ⁰С पर) ओमसेमी10^-6 - 45.

रासायनिक गुण

तत्व का बढ़ा हुआ संक्षारण प्रतिरोध सतह पर एक छोटी ऑक्साइड फिल्म के बनने के कारण होता है। यह टाइटेनियम धातु जैसे तत्व के आसपास के वातावरण में गैसों (ऑक्सीजन, हाइड्रोजन) के साथ रासायनिक प्रतिक्रियाओं (सामान्य परिस्थितियों में) को रोकता है। तापमान के प्रभाव में इसके गुण बदल जाते हैं। जब यह 600 ⁰С तक बढ़ जाता है, तो ऑक्सीजन के साथ एक अंतःक्रियात्मक प्रतिक्रिया होती है, जिसके परिणामस्वरूप टाइटेनियम ऑक्साइड (TiO₂) बनता है। वायुमंडलीय गैसों के अवशोषण के मामले में, भंगुर यौगिक बनते हैं जिनका कोई व्यावहारिक अनुप्रयोग नहीं होता है, यही वजह है कि टाइटेनियम की वेल्डिंग और पिघलने को निर्वात परिस्थितियों में किया जाता है। प्रतिवर्ती प्रतिक्रियाधातु में हाइड्रोजन के विघटन की प्रक्रिया है, यह तापमान में वृद्धि (400 ⁰С और उच्चतर से) के साथ अधिक सक्रिय रूप से होती है। टाइटेनियम, विशेष रूप से इसके छोटे कण (पतली प्लेट या तार), नाइट्रोजन के वातावरण में जलते हैं। बातचीत की रासायनिक प्रतिक्रिया केवल 700 ⁰С के तापमान पर संभव है, जिसके परिणामस्वरूप TiN नाइट्राइड का निर्माण होता है। कई धातुओं के साथ अत्यधिक कठोर मिश्र धातु बनाता है, अक्सर एक मिश्र धातु तत्व के रूप में। यह केवल उत्प्रेरक (उच्च तापमान) की उपस्थिति में हैलोजन (क्रोमियम, ब्रोमीन, आयोडीन) के साथ प्रतिक्रिया करता है और सूखे पदार्थ के साथ बातचीत के अधीन होता है। इस मामले में, बहुत कठोर दुर्दम्य मिश्र धातुएं बनती हैं। अधिकांश क्षार और एसिड के समाधान के साथ, टाइटेनियम रासायनिक रूप से निष्क्रिय है, केंद्रित सल्फ्यूरिक (लंबे समय तक उबलने के साथ), हाइड्रोफ्लोरिक, गर्म कार्बनिक (फॉर्मिक, ऑक्सालिक) के अपवाद के साथ।

जमा

इल्मेनाइट अयस्क प्रकृति में सबसे आम हैं - उनके भंडार का अनुमान 800 मिलियन टन है। रूटाइल जमा की जमा राशि बहुत अधिक मामूली है, लेकिन कुल मात्रा - उत्पादन की वृद्धि को बनाए रखते हुए - अगले 120 वर्षों के लिए मानव जाति को टाइटेनियम जैसी धातु प्रदान करनी चाहिए। तैयार उत्पाद की कीमत मांग और विनिर्माण क्षमता के स्तर में वृद्धि पर निर्भर करेगी, लेकिन औसतन यह 1200 से 1800 रूबल / किग्रा की सीमा में भिन्न होती है। निरंतर तकनीकी सुधार की स्थितियों में, सभी उत्पादन प्रक्रियाओं की लागत उनके समय पर आधुनिकीकरण के साथ काफी कम हो जाती है। चीन और रूस के पास टाइटेनियम अयस्कों के साथ-साथ खनिज का सबसे बड़ा भंडार हैजापान, दक्षिण अफ्रीका, ऑस्ट्रेलिया, कजाकिस्तान, भारत, दक्षिण कोरिया, यूक्रेन, सीलोन के पास कच्चे माल का आधार है। जमा उत्पादन की मात्रा और अयस्क में टाइटेनियम के प्रतिशत में भिन्न होते हैं, भूवैज्ञानिक सर्वेक्षण जारी हैं, जिससे धातु के बाजार मूल्य और इसके व्यापक उपयोग में कमी का अनुमान लगाना संभव हो जाता है। रूस अब तक टाइटेनियम का सबसे बड़ा उत्पादक है।

प्राप्त

टाइटेनियम के उत्पादन के लिए, टाइटेनियम डाइऑक्साइड का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है, जिसमें न्यूनतम मात्रा में अशुद्धियाँ होती हैं। यह इल्मेनाइट सांद्र या रूटाइल अयस्कों के संवर्धन द्वारा प्राप्त किया जाता है। विद्युत चाप भट्टी में, अयस्क का ताप उपचार होता है, जो लोहे के पृथक्करण और टाइटेनियम ऑक्साइड युक्त स्लैग के निर्माण के साथ होता है। लौह मुक्त अंश को संसाधित करने के लिए सल्फेट या क्लोराइड विधि का उपयोग किया जाता है। टाइटेनियम ऑक्साइड एक ग्रे पाउडर है (फोटो देखें)। टाइटेनियम धातु इसके चरणबद्ध प्रसंस्करण द्वारा प्राप्त की जाती है।

पहला चरण कोक के साथ स्लैग को सिंटरिंग और क्लोरीन वाष्प के संपर्क में लाने की प्रक्रिया है। परिणामी TiCl₄ 850 ⁰C के तापमान के संपर्क में आने पर मैग्नीशियम या सोडियम के साथ कम हो जाता है। एक रासायनिक प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप प्राप्त टाइटेनियम स्पंज (छिद्रपूर्ण फ्यूज्ड द्रव्यमान), परिष्कृत या सिल्लियों में पिघलाया जाता है। उपयोग की आगे की दिशा के आधार पर, एक मिश्र धातु या शुद्ध धातु बनती है (1000 ⁰С तक गर्म करके अशुद्धियों को हटा दिया जाता है)। 0.01% अशुद्धता वाले पदार्थ के उत्पादन के लिए आयोडाइड विधि का उपयोग किया जाता है। यह प्रक्रिया पर आधारित हैएक टाइटेनियम स्पंज से वाष्पीकरण, हैलोजन, इसके वाष्प के साथ पूर्व-उपचार किया गया।

आवेदन क्षेत्र

टाइटेनियम का गलनांक काफी अधिक होता है, जो धातु की लपट को देखते हुए इसे संरचनात्मक सामग्री के रूप में उपयोग करने का एक अमूल्य लाभ है। इसलिए, यह जहाज निर्माण, विमानन उद्योग, रॉकेट के निर्माण और रासायनिक उद्योगों में सबसे बड़ा अनुप्रयोग पाता है। टाइटेनियम का उपयोग अक्सर विभिन्न मिश्र धातुओं में एक मिश्र धातु के रूप में किया जाता है, जिसमें कठोरता और गर्मी प्रतिरोध विशेषताओं में वृद्धि हुई है। उच्च विरोधी जंग गुण और सबसे आक्रामक वातावरण का सामना करने की क्षमता इस धातु को रासायनिक उद्योग के लिए अनिवार्य बनाती है। टाइटेनियम (इसकी मिश्र धातु) का उपयोग एसिड और अन्य रासायनिक रूप से सक्रिय पदार्थों के आसवन और परिवहन में उपयोग की जाने वाली पाइपलाइन, टैंक, वाल्व, फिल्टर बनाने के लिए किया जाता है। ऊंचे तापमान संकेतकों की स्थिति में काम करने वाले उपकरणों का निर्माण करते समय यह मांग में है। टाइटेनियम यौगिकों का उपयोग टिकाऊ काटने के उपकरण, पेंट, प्लास्टिक और कागज, सर्जिकल उपकरण, प्रत्यारोपण, गहने, परिष्करण सामग्री बनाने के लिए किया जाता है और खाद्य उद्योग में उपयोग किया जाता है। सभी दिशाओं का वर्णन करना कठिन है। आधुनिक चिकित्सा, पूर्ण जैविक सुरक्षा के कारण, अक्सर टाइटेनियम धातु का उपयोग करती है। मूल्य ही एकमात्र कारक है जो अब तक इस तत्व के उपयोग की चौड़ाई को प्रभावित करता है। यह कहना उचित है कि टाइटेनियम भविष्य की सामग्री है, जिसका अध्ययन करके मानवता गुजर जाएगीविकास के एक नए चरण में।