Физические свойства титана

Хотя физические свойства титана изучены достаточно, противоречия в экспериментальных данных весьма значительны, что связано с чистотой металла, несовершенством методов исследования, недостаточно корректной обработкой экспериментальных данных.

Экспериментально определяемая температура полиморфного превращения титана зависит не только от чистоты металла, но и скорости нагрева и колеблется в пределах 1154-1168 К (881- 895°С). Наиболее вероятное значение этой температуры — 1156+0,5 К (883°С). Температура плавления титана 1944+4 К (1671°С).

Тепловое расширение твердых тел представляют истинным, средним интегральным и средним дифференцированным коэффициентами линейного расширения (ТКЛР). Тепловое расширение поликристаллического титана описывается линейной функцией. Значения ТКЛР при температурах Т>300 К приведены в табл. 1.

Табл. 1. Тепловое расширение и плотность твердого поликристаллического титана при температуре Т>300 К. 

Плотность твердого титана γ понижается от 4,51 г/см³ при температуре 300 К до 4,26 г/см³ при температуре 1940 К, причем при полиморфном превращении оно возрастает на 0,15%. Среднее значение плотности жидкого титана при температуре плавления — 4, 12 г/см³ и уменьшается с повышением температуры по закону γ = 4,12-0,42*10^-3 (Т-1944), г/см³. Давление насыщенного пара (p) и скорость испарения титана приведены в табл. 2. Давление pописывается уравнением:

для β-фазы: ln p = 28,819 — 56387/Т — 3,97/10^-4Т, Па;

для жидкого титана при 200 — 3000 К: ln p = 27,582 — 54133/Т — 3,54/10-4, Па

Удельное электросопротивление нелинейно возрастает с повышением температуры, причем отклонение в сторону меньших его значений становится особенно заметным при температуре выше 625 К. При полиморфном превращении α→β электросопротивление скачкообразно уменьша­ется, причем р_α / р_β = 1,097. Для криогенных температур рекомендуются значения удельного электросопротивления, приведенные в табл. 3.

Табл.3. Удельное электросопротивление, рекомендуемое для криогенных температур

Абсолютная термоэлектродвижущая сила (т.э.д.с.) титана при температуре ниже 100 К отрицательна, в интервале 100-750 К положительна с максимумом при температуре, близкой к 330 К. При температуре 700-750 °С т.э.д.с. титана меняет знак и остается отрицательной вплоть до тем­пературы полиморфного превращения. Переход а—>р сопровождается резким увеличением т.э.д.с. Теплопроводность титана уменьшается с повышением температуры до 600 К, затем до 1000 К остается неизменной.

 Физические свойства титана

 Плотность, г/см³:

α-формы при температуре, °С:

П     20 …………………………………………………………………………………………………………….  4,505

870 …………………………………………………………………………………………………………………  4,35

β — формы при температуре 900 °С………………………………………………………………………….. 4,32

Температура, °С:

плавления………………………………………………………………………………………………………… 1668+/-5

кипения……………………………………………………………………………………………………………. 3227

Теплопроводность при температуре 20-25 °С, Вт/(м.К)………………………………………………….. 22,065

Электропроводность при температуре ниже 0,38+/-0,01 К……………………………………. Сверхпроводимость

Магнитность……………………………………………………………………………………………………. Парамагнитен

Удельная магнитная восприимчивость при температуре 20 °С, 10^-6 Г^-1 ……………………………..  3,2+/-0,4

Скрытая теплота плавления, Дж/г   ………………………………………………………………………….   358

Скрытая теплота испарения, кДж/г  ………………………………………………………………………….   8,97

Теплота плавления,  кДж/моль ………………………………………………………………………………… 18,8

Теплота испарения, кДж/моль …………………………………………………………………………………. 422,6

Молярный объем, см³/моль ……………………………………………………………………………………   10,6

Удельная теплоемкость при 20°С, кДж/(кг·°С) ……………………………………………………………    0,54

Удельная теплопроводность при 20°С, Вт/(м·К) …………………………………………………………..    18,85

Коэффициент линейного термического расширения при 25°С, 10-6 м/мК ……………………………    8,15

Удельное электросопротивление при 20°С, Ом·см·10^-6 ………………………………………………….    45  

Цвет искры  …………………………………………..    Ослепительно-белый длинный насыщенный пучок искр

Группа металлов …………………………………………………………………………    Тугоплавкий, легкий металл

Удельная магнитная восприимчивость χ и упругие свойства α-титана обнаруживают сильную анизотропию. При среднем значении χ при комнатной температуре 3,165.10^-6 Г^-1 разность ее величин вдоль и перпендикулярно оси с составляет 0,52.0^-6 Г^-1. Парамагнитная восприимчивость титана с понижением температуры сначала уменьшается линейно, примерно при 50К проходит через минимум, затем несколько увеличивается.

Упругие постоянные титана при комнатной температуре — 3,52-18,07 в зависимости от на­правления, фактор анизотропии — 1,33. Модуль нормальной упругости (Е) титана при комнатной температуре в зависимости от ориентировки кристаллитов и содержания примесей изменяется в широких пределах. В направлении оси с модуль Юнга Е = 146 ГПа, в перпендикулярном направлении — 106 ГПа; для нетекстурованного титана модуль Юнга Е ~ 112 ГПа, сдвига G — 41 ГПа и всестороннего сжатия К=126 ГПа, коэффициент Пуассона ν = 0,32. С повышением температуры модуль упругости титана и титановых сплавов снижается почти по линейному закону. Небольшое значение модуля упругости титана — существенный его недостаток.

Титан высокой степени чистоты ковок при обычной температуре. Применяемый в промыш­ленности технический титан содержит примеси кислорода, азота, железа, кремния и углерода, повышающие его прочность, снижающие пластичность и влияющие на температуру полиморфного превращения, которое происходит в интервале температур 865-920°С.

Химические свойства титана. Чистый титан — химически активный переходный металл, в соединениях степень окисления +4, реже +3 и +2. Титан бурно реагирует с сухими галогенами, при повышенных температурах — с атмосферными газами и водородом.

С кислородом воздуха взаимодействует при температуре выше 600°С с образованием диоксида титана. Тонкая титановая стружка при недостаточной смазке может загораться в процессе механической обработки. При достаточной концентрации кислорода в окружающей среде и повреждении оксидной пленки при ударе или трении возможно загорание металла при комнатной температуре и в сравнительно крупных кусках.

Оксидная пленка не защищает титан в жидком состоянии от дальнейшего взаимодействия с кислородом (в отличие, например, от алюминия), поэтому его плавка и сварка должны проводить­ся в вакууме, в атмосфере нейтрального газа или под флюсом. Титан нельзя плавить в тиглях из его оксида (в отличие от алюминия). Расплавленный титан реагирует почти со всеми оксидными огнеупорами, поэтому его плавят в медных водоохлаждаемых тиглях. Он обладает способностью поглощать атмосферные газы и водород, образуя хрупкие сплавы, непригодные для практического использования; при наличии активированной поверхности поглощение водорода происходит уже при комнатной температуре с небольшой скоростью, которая значительно возрастает при темпе­ратуре 400°С и выше. Растворимость водорода в титане обратима и этот газ можно удалить почти полностью отжигом в вакууме. С азотом титан реагирует при температуре выше 700°С с получе­нием нитридов типа TiN. В виде тонкого порошка или проволоки титан горит в атмосфере азота. Скорость диффузии азота и кислорода в титане значительно ниже, чем водорода. Получаемый в результате взаимодействия с этими газами слой отличается повышенной твердостью и хрупкостью и должен удаляться с поверхности титановых изделий травлением или механической обработкой. Титан энергично взаимодействует с сухими галогенами, по отношению к влажным галогенам устойчив, так как влага играет роль ингибитора.

С углеродом, бором, селеном и кремнием титан образует металлоподобные соединения, отли­чающиеся тугоплавкостью и высокой твердостью. Карбид титана TiC (температура плавления 3140°С) получают нагреванием смеси диоксида титана с сажей при температуре 1900-2000°С в атмосфере водорода; нитрид титана TiN (температура плавления 2950°С) — нагреванием порошка титана в азоте при температуре выше 700°С. Известны силициды (TiSi₂, Ti₅Si₂, TiSi) и бориды титана (TiB, Ti₂B₅TiB₂). При температуре 400-600°С титан поглощает водород с образованием твердых растворов и гидридов (TiH, ТН₂). При сплавлении диоксида титана со щёлочами образуются соли титановых кислот мета- и ортотитанаты (Na₄Ti04), а также полититанаты (Na₂TiO₃ и Na₂Ti₃O₇). К титанатам относятся важнейшие минералы титана, например, ильменит FeTiO₃, перовскит СаTiO₃. Все титанаты малорастворимы в воде. Диоксид титана, титановые кислоты (осадки), а также титанаты растворяются в серной кислоте с образованием растворов, содержащих титанилсульфат TiOSO₄. При разбавлении и нагревании растворов в результате гидролиза осаждается Н₂ТiO₃, из которой получают диоксид титана. При добавлении перекиси водорода в кислые растворы, содержащие соединения Ti, образуются перекисные (надтитановые) кислоты состава Н₄ТiO₅ и Н₄ТiO₈ и соответствующие им соли. Эти соединения окрашены в желтый или оранжево-красный цвет (в зависимости от концентрации титана), что используется для аналитического определения титана.