Глава 3. ОСВОБОЖДЕНИЕ ИСПОЛИНА.

ИОДИДНЫЙ ТИТАН.

Титан, полученный из тетрахлорида с помощью натрия, по мнению голландских исследователей ван Аркеля и де Бура, непременно должен содержать много оксидов и нитридов, загрязняющих материал и тем самым изменяющих его свойства. Эти ученые пришли к выводу, что самый чистый металлический титан может быть выделен не из четыреххлористого, а из четырехиодистого титана. В 1925 году ван Аркель и де Бур разработали метод повышения чистоты металлического титана, сущность которого состоит в следующем.

Черновой металл (титан, который предстоит очистить) при температурах 150—400 °С взаимодействует с иодом. Образуется четырехиодистый титан. При обычной температуре это кристаллическое вещество, цвет у него красно-бурый, оно интенсивно поглощает влагу. При высоких же температурах это соединение переходит в пар. Пары четырехиодистого титана при температуре около 1400 °С разлагаются. Молекула четырехиодистого титана распадается на составные части: на атомы титана и иода. Атомы титана осаждаются на какой-либо раскаленной поверхности, а освобожденный иод тут же соединяется с остающимся черновым металлом и снова участвует в процессе, перенося новую порцию титана на раскаленный предмет. Реакция протекает до тех пор, пока весь черновой металл, очищенный и облагороженный, не перекочует на раскаленную поверхность.

В установке, предложенной голландскими исследователями, титан осаждался на раскаленной вольфрамовой нити, медленно 26 и неуклонно обволакивая ее. Этот процесс осуществляли в стеклянной камере, из которой предварительно выкачивали воздух. Впоследствии метод ван Аркеля и де Бура усовершенствовали другие исследователи. В частности, вольфрамовую нить заменили титановой (чтобы не нарушать однородности получаемого металла), определили наиболее подходящие температурные режимы, улучшили аппаратурное оформление процесса. Но сущность способа осталась прежней.

Очистка чернового титана иодидным методом основана на том, что не все примеси, находящиеся в обычном металле, взаимодействуют с иодом и, следовательно, не все попадают на раскаленную нить. Элементы, которые вступают с иодом в реакцию, образуют неустойчивые соединения, не выдерживающие высоких температур, и тоже почти не попадают в иодидный титан. Полученный таким образом металл считается чистейшим.

Иодидный метод применяется и для очистки циркония, хрома, ниобия, тантала, ванадия, некоторых других элементов. Недостаток способа — малая производительность и высокая стоимость очищенного металла. Да, иодидный титан дороже обычного технического титана почти в двадцать раз! И все же наряду с существующими способами промышленного получения титана используется и иодидный метод.

Этим методом получают сверхчистый титан для нужд электротехники, вакуумной техники и для специальных областей применения. Яркие, внешне похожие на никель кристаллы иодидного титана используют для лабораторных исследований. Именно таким — серебристыми, сверкающими на свету кристаллами — и предстает перед человеком химический элемент титан.

ТИТАН В РЯДУ ЭЛЕМЕНТОВ.

Серебристо-серого цвета металлы, имеющие одинаковую шестигранную кристаллическую решетку и обладающие очень похожими свойствами.

Цирконий был открыт двумя годами раньше титана тем же Клапротом, а гафний — один из самь*х молодых элементов. Его существование впервые обнаружили в 1923 году.

Название новому элементу было дано от латинского корня старинного названия столицы Скандинавии — Гафн (havn) — теперешнего города Копенгагена.

Цирконий вдвое тяжелее титана, а гафний — почти втрое. Плавятся "родственники” титана при более высокой температуре, чем глава под- группы. Все три металла, поглощая кислород, становятся хрупкими, с азотом они образуют очень тугоплавкие соединения. Титан, цирконий, гафний охотно реагируют с углеродом, серой, галогенами.

Атом титана состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются 22 электрона, образуя четырехслойную оболочку. Величина заряда ядра соответственно составляет 22 элементарные единицы положительного электричества, то есть 22 протона, а количество нейтронов в ядре атома колеблется от 20 до 32.

Атомную массу титана пытались определить начиная с 1813 года. Первым предпринял такие попытки шведский ученый Берцелиус. Он получил результат, очень далекий от правильной цифры, но уже через десять лет различные исследователи в своих определениях были близки к истине. В конце XIX века для атомной массы титана было официально определено значение 48,1. В 1924 году установили, что атомная масса элемента № 22 — 47,90. Именно эту цифру вы и обнаружите, взглянув на периодическую таблицу элементов, в клетке, отведенной титану. Химический символ титана — Ti.

Титан, как уже говорилось, находится в четвертой группе периодической системы. А это значит, что во всех своих важнейших и наиболее распространенных соединениях он четырехвалентен, то есть каждый атом титана, вступая в химическую связь, отдает четыре своих электрона. Однако титан довольно легко образует и такие соединения, в которых он трехвалентен. Встречается и двухвалентный титан, но таких соединений немного и они в своем большинстве неустойчивы.

Элементарный титан — очень активный химический элемент, его химическая активность еще более возрастает при высоких температурах. По своей способности вступать в реакцию с другими элементами титан превосходит многие металлы и его металлические свойства, под которыми в химии понимают способность элемента легко отдавать электроны, ярко выражены.

Но исследователей гораздо больше интересовал элемент титан в качестве материала для технического использования. Можно ли найти ему применение в конструкциях машин, механизмов. Выяснилось, что можно. Больше того, свойства чистого металлического титана оказались настолько уникальными, что встал вопрос о немедленном использовании его для нужд специальной техники. Но способа промышленного получения достаточно чистого титана еще не существовало. Однако очень скоро был найден и он.

СПОСОБ КРОЛЛЯ.

В тридцатые годы XX века в Люксембурге усердно трудился над разработкой способа восстановления четыреххлористого титана металлическим магнием немецкий исследователь Вильгельм Кролль. Его не очень смущало то обстоятельство, что такая попытка была сделана еще в 1892 году и закончилась неудачей. Первые опыты по восстановлению титана металлическим магнием проводили в среде углекислого газа, вследствие чего получаемый металл оказывался загрязненным большим количеством углерода. Кролль же оформлял свои опыты несколько по-другому — так, чтобы не допустить попадания в металлический титан примесей водорода, азота, углерода и кислорода — самых вредных для титана, резко ухудшающих его пластичность.

Процесс шел в атмосфере очищенного инертного газа аргона при температуре около 1000 °С. Для предотвращения взаимодействия реакционной массы со стенками внутренняя поверхность реактора была облицована молибденом. Полученный металл обрабатывали слабым раствором соляной кислоты для удаления солей магния, которыми он был пропитан. Зерна титана прессовали в прутки и плавили в специальном электровакуумном устройстве, после чего металл прокатывали в полосы миллиметровой толщины. Полосы можно было сгибать не только в горячем состоянии, но и в холодном,и они не ломались. Свои опыты на крупной лабораторной установке Кролль проводил по заданию немецкого химического концерна "Сименс”. Запатентовал же он свой метод получения титана в США в 1940 году.

После тщательного изучения всех методов получения технически чистого титана специалисты из Горного бюро США остановились на способе Кролля, как самом подходящем для промышленного освоения. Начиная с 1942 года Горное бюро проводило опыты в полупромышленном масштабе на установке в Буолдер-Сити (штат Невада). Вскоре Вильгельм Кролль стал сотрудником бюро и дальнейшие эксперименты проходили при его непосредственном участии.

В установке, предложенной Кроллем, предусматривалась загрузка слитков магния в реактор из мягкой стали. Когда магний расплавлялся, в реактор начинал поступать жидкий четыреххлористый титан. Образующийся в результате реакции хлористый магний удаляли по ходу плавки. Однако некоторое количество хлорида все же оставалось и вместе с неизрасходованным металлическим магнием загрязняло получаемый титан. Кроме того, при выщелачивании крупиц титана слабым раствором соляной кислоты в готовый продукт попадало некоторое количество водорода, что снижало качество металла. Поэтому для очистки реакционной массы получила распространение в дальнейшем отгонка примесей в вакууме при высокой температуре — так называемая вакуумная дистилляция.

Возможные области применения титана по-настоящему выяснились только в 1943 году. Одним из важнейших потребителей нового промышленного металла должна была стать реактивная авиация, и вскоре после окончания второй мировой войны исследования способа восстановления металлического титана проводились особенно интенсивно. В 1946 году Горное Бюро США на основании длительных экспериментов подтвердило возможность промышленного производства титана способом, предложенным Вильгельмом Кроллем.

18 сентября 1948 года американский химический концерн ”Дюпон де Немур” объявил о начале промышленного производства нового конструкционного материала. Выпуск титана- сырца на рынок в те годы составлял всего 45 килограммов в сутки, а каждый килограмм металла стоил более 10 долларов.

Быстрый рост производства титана обусловливался возникновением и развитием новых отраслей промышленности и техники — в первую очередь космической, которая потребовала новых конструкционных материалов, обладающих высокими качествами.