Элемент: титан (Titanium)
Химический символ: Ti
Порядковый номер: 22
Год открытия: 1791
Стандартная атомная масса: 47.867
Температура плавления: 1941К
Температура кипения: 3560К
Плотность при стандартных условиях: 4.506 г/cм3
Число стабильных изотопов: 5
Кристаллическая решётка: плотноупакованная гексагональная кубическая
Скорость звука в титане: 5090 м/с
История элемента номер 22 начинается с 1791 года и корнуэлльского cвященника Уильяма Грегора, который был отправлен в деревушку (настолько маленькую, что она была hamlet, а не village) Крид в менакинской долине Корнуолла. Просвещенный ректор (нет, не университета – нужно помнить, что и ректор, и декан могут называть лицо духовное, в нашем случае Грегор был приходским священником) с юности интересовался химией и начал детальное описание корнуэлльской минералогической картины, изучая состав минералов вверенной ему территории.
Уильям Грегор
Грегор обнаружил, что в минерале, названном им менаканит (который сейчас называется иначе) присутствует две «земли» – оксид железа, который притягивался магнитом и еще одна земля, некоего неизвестного элемента. Священник опубликовал открытие в журнале Chemische Annalen für die Freunde der Naturlehre, Arzneygelährtheit, Haushaltungskunst und Manufacturen и доложился на заседании Королевского геологического общества Корнуолла. Неизвестный элемент предлагалось назвать менакином.
Примерно в то же время австриец Франц Йозеф Мюллер фон Райхенштайн, о котором мы поговорим чуть подробнее, когда будем рассказывать об открытии теллура, выделил подобную «землю», но так и не смог ее идентифицировать.
Австрийская марка, посвященная Райхенштайну. Правда, изображенный на ней человек – точно не первооткрыватель теллура: портрет срисован с фотографии неизвестного, однако Райхенштайн умер в 1825 году, еще до появления даггеротипа
Четырьмя годами позже отец современной аналитической химии и одновременно на тот момент первооткрыватель урана, циркония (оба – в 1789 году) и позже – первооткрыватель церия (1803) Мартин Герман Клапрот, изучал минерал рутил, найденный близ одной венгерской деревеньки. Клапрот обнаружил в нем новый элемент и назвал его титаном, в честь титанов из греческой мифологии.
Мартин Клапрот
Прошло еще два года – и Клапрот, узнав об открытии Грегора, затребовал себе образец менаканита. Тщательно изучив корнуолльский минерал, немец понял, что рутил и менаканит – это одно и то же. Соответственно, менакин и титан – это один и тот же химический элемент.
Титан и в третий раз открыли, когда уже в 1805 году француз Луи Воклен, изучая другой минерал, анатаз (октаэдрит), понял, что анатаз и рутил – это оксиды одного и того же металла. Которого пока что никто не видел. Дело в том, что в своем оксиде TiO2 титан настолько крепко связан с кислородом, что оторвать его было очень и очень сложно.
Анатаз
Первым, как выглядит металлический титан, увидел знаменитый химик Йенс Якоб Берцелиус. В 1825 году он действительно сумел кое-как восстановить титан до металла, который оказался легким (более, чем в полтора раза легче железа), хотя и в полтора раза тяжелее алюминия.
Мы помним, что алюминий достаточно долго не находил своего применения и считался дороже золота, пока не удалось придумать сравнительно дешевого получения этого металла. С титаном оказалось все еще хуже. Ведь его достаточно много в земной коре (он десятый по распространенности – 0,63% по массе, и это очень много), но применения ему никак не находилось.
Посудите сами: относительно чистый элемент удалось получить только через сто лет (!) после Берцелиуса. В 1925 году голландский химик Антон Эдуард ван Аркель и голландский физик Ян Хендрик де Бур запатентовали свой йодидный метод. Суть метода оказалась простой: «грязный» металл с небольшим количеством йода помещали в герметичную камеру и нагревали до 400-600 градусов Цельсия.
Образовывался йодид, который при такой температуре испарялся и поднимался выше, в другую зону, нагретую уже больше тысячи градусов (1300-1700, в зависимости от металла). Обычно температура эта достигается нагревом проволоки, через которую пропускают электрический ток. При такой высокой температуре йодид распадается, йод опускается снова в относительно холодную камеру и возвращается в реакцию, а металл кристаллизуется на проволоке.
Еще полтора десятка лет спустя, люксембуржец Уильям (Гийом) Кролл открыл дешевый способ получения титана из руды, сначала переводя титан из оксида (рутил) или титаната железа (ильменит, FeTiO3) в форму хлорида, а потом восстанавливая его методом магнийтермии. Процесс Кролла дал дорогу титану в промышленность. И очень вовремя.
Ильменит
Дело в том, что в 1940 годах только начиналась эпоха реактивной авиации. И металл, который в полтора раза легче стали, прочнее и ее, и алюминия (пусть и тяжелее его), при этом одновременно выдерживающий температуру до 1600 градусов был очень и очень кстати. Кто не помнит знаменитый самолет-разведчик SR-71 Blackbird и его соперник, перехватчик МиГ-25, самые быстрые самолеты в мире (а МиГ-25 еще и самый высотный, забирающийся практически в космос – до 37500 метров) были бы невозможны без титана. Вся современная гражданская авиация все больше переходит на композитные материалы, однако двигатели тоже требуют титан.
МиГ-25ПУ
Широко используется нитрид титана. Во-первых, он очень твёрдый (9 по шкале Мооса – это очень сильно, у алмаза, как вы помните, 10), что делает его эквивалентом сапфира или карборунда. А во-вторых, его золотой цвет позволяет делать красивые антикоррозионные и увеличивающие твердость покрытия различных предметов. Для сверел и мельничных жерновов имеет значение твердость, для часов и ножей – еще и цвет (впрочем, тут радужно-фиолетовый оксинитрид титана еще интереснее). Кстати, храм Христа Спасителя в Москве – это тоже титан. Его купола покрыты именно нитридом титана, а не сусальным золотом.
Применяется титан и в нанотехнологиях. Здесь сам металл редко используется. Можно только упомянуть эксперименты по лазерной абляции титана в жидкости, которые проводили в Институте общей физики РАН под руководством Георгия Шафеева. Тогда поверхность металла оказывалась наноструктурированной, утыканной «грибочками» размерами, сопоставимыми с длиной волны видимого света – и в результате титан становился фиолетовым безо всякой краски.
Можно говорить и о применении нанокристаллического карбида титана. Например, композит TiC-ZrC – это очень перспективный материал для ультравысокотемпературных деталей, таких как режущие инструменты, части реактивных двигателей̆, носового обтекателя и передних кромок спускаемых аппаратов космических кораблей.
Но, безусловно, самое широкое применение находят наночастицы диоксида титана. «Обычные» наночастицы используют, например, в создании солнечных батарей нового типа, которые «работают» в ближнем ультрафиолетовом диапазоне. Перспективно они могут быть дешевле кремниевых, однако проблема состоит в повышении их энергетического выхода.
Не так давно стало известно, почему наночастицы диоксида титана могут наносить вред клеткам. Оказывается, они взаимодействуют с лизосомами, которые отвечают за переваривание макромолекул в клетке и запускают сигнальные пути апоптоза – программируемой клеточной смерти. Это открывает дорогу для использования наночастиц в борьбе с раковыми опухолями (кстати, соединения титана стали первыми не-платиновыми соединениями в противораковой терапии).
Нанослои диоксида титана также используются в катализе. Анатазная форма TiO2 отлично катализирует фотоэлектрические реакции. Методом молекулярного наслаивания можно создавать на поверхности равномерные слои вещества заданной толщины с точностью до монослоя.
Но, конечно, самая удивительная наноспособность диоксида титана (кстати, тоже в форме атаназа) – это не очень давно открытые атаназные нанотрубки. Прошло всего 11 лет с их получения, но сейчас это – одна из самых изучаемых форм диоксида титана. Дело в том, что нанотрубки оказались способны к построению регулярных структур с очень большой площадью поверхности, и в такой форме их сейчас пытаются применять в очень широком диапазоне. Они оказались прекрасным электродным материалом, из них делают датчики водорода, кислорода, оксидов углерода, катализаторы восстановления токсичных оксидов азота и серы. Нанотрубки диоксида титана используют для создания самоочищающихся поверхностей, в биомедицине и так далее.
Нанотрубки диоксида титана
Более того, сейчас исследователи создают и гибридные материалы – комбинацию из углеродных нанотрубок и нанотрубок диоксида титана. Еще один интересный тип «гибридных» нанотрубок – это нанотрубки из диоксида титана и… диоксида титана. Как мы уже говорили, диоксид титана существует в разных формах, в основном – рутил и анатаз. Легче всего получить нанотрубки из анатаза, но совсем недавно австралийские и британские нанотехнологи научились при помощи лазерного луча создавать структуры из нанотрубок с ядром из рутила и оболочкой из анатаза. Зачем такие сложности? Дело в том, что рутил и анатаз обладают разным показателем преломления. И такая техника может иметь огромное количество вариантов применения – от новых волноводов до появления вообще отдельной области: титановой нанофотоники. Так что, судя по всему, сейчас титан – уже в своей наноипостаси – переживает свое второе рождение.
