МЧС РОССИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
 «УРАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ МИНИСТЕРСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ»

Кафедра пожарной, аварийно-спасательной техники и специальных технических средств

РЕФЕРАТ

«Сравнительные характеристики титана и тантала. Применение.»

            Выполнила:
Студентка группы СЭв-121
Калуга Е.В

Екатеринбург 2022 г.

Содержание
Введение…………………………………………………………………………3
1.Титан……....…………………………………………………………………...4
  1.1. Физические свойства…………....……………………………………….4
  1.2. Химические свойства…………………………………………………….5
  1.3. Применение………………………………………………………………..6
2. Тантал………………………………………….………………………………8
  2.1. Физические свойства……………………………………………………..8
  2.2. Химические свойства…………………………………………………….9
  2.3. Применение……………………………………………………………….10
Вывод…………………………………………………………………………….11
Список источников…………………………….………………………………12

Введение

Титан является одним из наиболее распространенных элементов. По содержанию в земной коре он стоит на десятом месте, а среди металлов, используемых в качестве конструкционных материалов, занимает четвертое место
Тантал (Та) - металл серо-стального цвета с синеватым оттенком. Открыт в 1802 г. шведским химиком Экебергом в минералах, найденных в Финляндии и Швеции; назван по имени героя древнегреческой мифологии Тантала, осужденного на вечную жажду, что было связано с трудностями, возникшими при растворении оксида нового элемента в кислотах. В чистом виде пластичный тантал впервые получен в 1903 г. немецким химиком Болтоном. Промышленное производство тантала началось в 1922 г. в США.
Содержание тантала в земной коре 2Ч10-4 % (по массе). Среди других элементов тантал занимает 54-е место, что характеризует его как редкий металл. В природе почти всегда встречается вместе с ниобием. 

Целью исследования является сравнить характеристики таких металлов как: титан и тантал. Посмотреть применение данных металлов.
Задачи:
1)Рассмотреть титан
2)Рассмотреть тантал
3)Сделать вывод

1.Титан
1.1. Физические свойства
Титан — лёгкий серебристо-белый металл. При нормальном давлении существует в двух кристаллических модификациях: низкотемпературный α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой и высокотемпературный β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой (кубическая сингония, пространственная группа Im3m, параметры ячейки a = 0,3269 нм, Z = 2), температура перехода α↔β 883 °C, теплота перехода ΔH=3,8 кДж/моль (87,4 кДж/кг). Большинство металлов при растворении в титане стабилизируют β-фазу и снижают температуру перехода α↔β. При давлении выше 9 ГПа и температуре выше 900 °C титан переходит в гексагональную фазу (ω-Ti). Плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 г/см³ (при 20 °C) и 4,32 г/см³ (при 900 °C). Атомная плотность α-титана 5,67⋅1022 ат/см³.
Температура плавления титана при нормальном давлении равна 1670 ± 2 °C, или 1943 ± 2 К (принята в качестве одной из вторичных калибровочных точек температурной шкалы ITS-90. Температура кипения 3287 °C. При достаточно низкой температуре (-80 °C), титан становится довольно хрупким. Молярная теплоёмкость при нормальных условиях Cp = 25,060 кДж/(моль·K), что соответствует удельной теплоёмкости 0,523 кДж/(кг·K). Теплота плавления 15 кДж/моль, теплота испарения 410 кДж/моль. Характеристическая дебаевская температура 430 К. Теплопроводность 21,9 Вт/(м·К) при 20 °C. Температурный коэффициент линейного расширения 9,2·10−6 К−1 в интервале от −120 до +860 °C. Молярная энтропия α-титана S0 = 30,7 кДж/(моль·К). Для титана в газовой фазе энтальпия формирования ΔH0
Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Прочностные характеристики мало зависят от температуры, однако сильно зависят от чистоты и предварительной обработки. Для технического титана твёрдость по Виккерсу составляет 790—800 МПа, модуль нормальной упругости 103 ГПа, модуль сдвига 39,2 ГПа. У высокочистого предварительно отожжённого в вакууме титана предел текучести 140—170 МПа, относительное удлинение 55—70 %, твёрдость по Бринеллю 175 МПа.
Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий а инструмент, различных смазок
При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

1.2. Химические свойства
Устойчив к коррозии благодаря оксидной плёнке, но при измельчении в порошок, а также в тонкой стружке или проволоке титан пирофорен. Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки — 400 °C. Титановая стружка пожароопасна.
Титан устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме HF, H3PO4 и концентрированной H2SO4). Титан устойчив к влажному хлору и водным растворам хлора.
Легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой HF он взаимодействует благодаря образованию комплексного аниона [TiF6]2−. Титан наиболее подвержен коррозии в органических средах, так как в присутствии воды на поверхности титанового изделия образуется плотная пассивная плёнка из оксидов и гидрида титана. Наиболее заметное повышение коррозионной стойкости титана заметно при повышении содержания воды в агрессивной среде с 0,5 до 8,0 %, что подтверждается электрохимическими исследованиями электродных потенциалов титана в растворах кислот и щелочей в смешанных водно-органических средах.
При нагревании на воздухе до 1200 °C Ti загорается ярким белым пламенем с образованием оксидных фаз переменного состава TiOx. Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH)2·H2O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO2. Гидроксид TiO(OH)2·H2O и диоксид TiO2 амфотерны.
TiO2 взаимодействует с серной кислотой при длительном кипячении. При сплавлении с содой Na2CO3 или поташом K2CO3 оксид TiO2 образует титанаты:
При нагревании Ti взаимодействует с галогенами (например, с хлором — при 550 °C). Тетрахлорид титана TiCl4 при обычных условиях — бесцветная жидкость, сильно дымящая на воздухе, что объясняется гидролизом TiCl4, содержащимися в воздухе парами воды и образованием мельчайших капелек HCl и взвеси гидроксида титана
Восстановлением TiCl4 водородом, алюминием, кремнием, другими сильными восстановителями, получен трихлорид и дихлорид титана TiCl3 и TiCl2 — твёрдые вещества, обладающие сильными восстановительными свойствами. Ti взаимодействует с Br2 и I2.
С азотом N2 выше 400 °C титан образует нитрид TiNx (x = 0,58—1,00). Титан — единственный элемент, который горит в атмосфере азота.
1.3. Применение
В чистом виде и в виде сплавов
Использование металлического титана во многих отраслях промышленности обусловлено тем, что его прочность примерно равна прочности стали при том, что он на 45 % легче. Титан на 60 % тяжелее алюминия, но прочность его примерно вдвое больше.[2].
1.	Титан в виде сплавов является важнейшим конструкционным материалом в авиа- и ракетостроении, в кораблестроении.[14]
2.	Металл применяется в химической промышленности (реакторы, трубопроводы, насосы, трубопроводная арматура), военной промышленности (бронежилеты, броня и противопожарные перегородки в авиации, корпуса подводных лодок), промышленных процессах (опреснительных установках, процессах целлюлозы и бумаги), автомобильной промышленности, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, спортивных товарах, ювелирных изделиях, мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д.
3.	Титан является физиологически инертным[2], благодаря чему применяется в медицине (протезы, остеопротезы, зубные имплантаты), в стоматологических и эндодонтических инструментах, украшениях для пирсинга.
4.	Титановое литьё выполняют в вакуумных печах в графитовые формы. Также используется вакуумное литьё по выплавляемым моделям. Из-за технологических трудностей в художественном литье используется ограниченно. Первой в мировой практике монументальной литой скульптурой из титана является памятник Юрию Гагарину на площади его имени в Москве[15].
5.	Титан является легирующей добавкой во многих легированных сталях и большинстве спецсплавов, например рельсы и оси вагонных колес могут делаться из сплавов: К76Т, М76Т, Э76Т [каких?].
6.	Нитинол (никель-титан) — сплав, обладающий памятью формы, применяемый в медицине и технике.
7.	Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что, в свою очередь, определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов.
8.	Титан является одним из наиболее распространённых геттерных материалов, используемых в высоковакуумных насосах.
Существует множество титановых сплавов с различными металлами. Легирующие элементы разделяют на три группы, в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения: на бета-стабилизаторы, альфа-стабилизаторы и нейтральные упрочнители. Первые понижают температуру превращения, вторые повышают, третьи не влияют на неё, но приводят к растворному упрочнению матрицы. Примеры альфа-стабилизаторов: алюминий, кислород, углерод, азот. Бета-стабилизаторы: молибден, ванадий, железо, хром, никель. Нейтральные упрочнители: цирконий, олово, кремний. Бета-стабилизаторы, в свою очередь, делятся на бета-изоморфные и бета-эвтектоидообразующие.
Самым распространённым титановым сплавом является сплав Ti-6Al-4V (в российской классификации — ВТ6), содержащий около 6 % алюминия и около 4 % ванадия. По соотношению кристаллических фаз он классифицируется как (α+β)-сплав. На его производство приходится до 50 % производимого титана[3].
Ферротитан (сплав титана с железом, содержащий 18—25 % титана) используют в чёрной металлургии для раскисления стали и удаления растворённых в ней нежелательных примесей (сера, азот, кислород)[3].
В 1980-х годах около 60—65 % производимого в мире титана использовалось в строительстве летательных аппаратов и ракет, 15 % — в химическом машиностроении, 10 % — в энергетике, 8 % — в строительстве судов и для опреснителей воды[3].
В виде соединений
Белый диоксид титана (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Применяется в фотокаталитических устройствах очистки воздуха. Пищевая добавка E171.
1.	Титанорганические соединения (например, тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности.
2.	Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки или покрытий.
3.	Карбид титана, диборид титана, карбонитрид титана — важные компоненты сверхтвёрдых материалов для обработки металлов.
4.	Нитрид титана применяется для покрытия инструментов, куполов церквей и при производстве бижутерии, так как является износостойким и жаропрочным, имеет цвет похожий на золото.
5.	Титанат бария BaTiO3, титанат свинца PbTiO3 и ряд других титанатов — сегнетоэлектрики.
6.	Тетрахлорид титана используется для иридизации стекла и для создания дымовых завес[2].

2. Тантал
2.1. Физические свойства
Тантал обладает высокой температурой плавления — 3290 K (3017 °C); кипит при 5731 K (5458 °C). Плотность тантала — 16,65 г/см3. Несмотря на высокую температуру плавления, тантал пластичен, как золото. 
Чистый тантал хорошо поддаётся механической обработке, легко штампуется, раскатывается в проволоку и тончайшие листы толщиной в сотые доли миллиметра. Не становится хрупким даже при температуре жидкого азота (−196 °C). При наличии примесей (углерод, азот, кислород, водород) механические свойства резко ухудшаются, что делает проблему получения сверхчистого металла особенно важной. Тантал является отличным геттером (газопоглотителем), при 800 °C он способен поглотить 740 объёмов газа. Кристаллическая решётка — кубическая, объёмноцентрированная. Обладает парамагнитными свойствами.
При температуре ниже 4,45 К переходит в сверхпроводящее состояние.
Известны изотопы тантала с массовыми числами от 155 до 190 (количество протонов — 73, нейтронов — от 82 до 117), и более 30 ядерных изомеров.
Природный тантал состоит из смеси стабильного изотопа и стабильного изомера: 181Та (99,9877 %) и 180mТа (0,0123 %). Последний является чрезвычайно стабильным изомером (возбуждённым состоянием) изотопа 180Та, период полураспада которого всего чуть более 8 часов.

2.2. Химические свойства
При нормальных условиях тантал малоактивен, на воздухе окисляется лишь при температуре свыше 280 °C, покрываясь оксидной плёнкой Ta2O5; с галогенами реагирует при температуре свыше 250 °C. При нагревании реагирует с С, В, Si, P, Se, Те, Н2О, СО, СО2, NO, HCl, H2S.
Химически чистый тантал исключительно устойчив к действию жидких щелочных металлов, большинства неорганических и органических кислот, а также многих других агрессивных сред (за исключением расплавленных щелочей).
В отношении химической устойчивости к реагентам тантал подобен стеклу. Тантал нерастворим в кислотах и их смесях, кроме смеси плавиковой и азотной кислот; его не растворяет даже царская водка. Реакция с плавиковой кислотой идёт только с пылью металла и сопровождается взрывом. Очень устойчив к воздействию серной кислоты любой концентрации и температуры (при 200 °C металл корродирует в кислоте лишь на 0,006 миллиметра в год), устойчив в обескислороженных расплавленных щелочных металлах и их перегретых пара́х (литий, натрий, калий, рубидий, цезий).

Среднее содержание тантала (по массе):
1.	в земной коре 2,5⋅10−4 %
2.	в ультраосновных породах 1⋅10−6 %
3.	в основных породах 4,8⋅10−5 %
4.	в кислых породах 3,5⋅10−4 %
5.	в полукислых породах 7⋅10−4 %

2.3. Применение
Первоначально использовался для изготовления проволоки для ламп накаливания. Сегодня из тантала и его сплавов изготовляют:
1.	жаропрочные и коррозионностойкие сплавы;
2.	коррозионно-устойчивую аппаратуру для химической промышленности, фильерные пластины, лабораторную посуду и тигли для получения, плавки, и литья редкоземельных элементов, а также иттрия и скандия;
3.	теплообменники для ядерно-энергетических систем (тантал наиболее из всех металлов устойчив в перегретых расплавах и парах цезия);
4.	в хирургии листы, фольгу и проволоку из тантала используют для скрепления тканей, нервов, наложения швов, изготовления протезов, заменяющих повреждённые части костей (ввиду биологической совместимости), изготовления ортопедических электретов[12];
5.	танталовая проволока используется в криотронах — сверхпроводящих элементах, устанавливаемых в вычислительной технике;
6.	в производстве боеприпасов тантал применяется для изготовления металлической облицовки перспективных кумулятивных зарядов, улучшающей бронепробиваемость;
7.	тантал и ниобий используют для производства электролитических конденсаторов (более качественных, чем алюминиевые электролитические конденсаторы, но рассчитанных на меньшее напряжение);
8.	тантал используется в последние годы в качестве ювелирного металла, в связи с его способностью образовывать на поверхности прочные плёнки оксида красивых радужных цветов;
9.	Бюро стандартов США и Международное бюро мер и весов Франции используют тантал вместо платины для изготовления стандартных аналитических разновесов большой точности;
10.	Бериллид тантала чрезвычайно твёрд и устойчив к окислению на воздухе до 1650 °C, применяется в авиакосмической технике;
11.	Карбид тантала (температура плавления 3880 °C, твёрдость близка к твёрдости алмаза) применяется в производстве твёрдых сплавов — смеси карбидов вольфрама и тантала (марки с индексом ТТ), для тяжелейших условий металлообработки и ударно-поворотного бурения крепчайших материалов (камень, композиты), а также наносится на сопла, форсунки ракет;
12.	Оксид тантала(V) используется в ядерной технике для варки стекла, поглощающего гамма-излучение. Один из наиболее широко применяемых составов такого стекла: двуокись кремния — 2 %, монооксид свинца (глёт) — 82 %, оксид бора — 14 %, пятиокись тантала — 2 %;
Вывод
Значение металлов в человеческой жизнедеятельности неуклонно возрастает. Революционные изменения происходят на фоне интенсивного развития научного материаловедения и практической металлургии. И вот уже в последние десятилетия «на щит истории» подняты такие промышленные металлы, как титан и тантал, которые со всеми на то основаниями можно назвать конструкционными материалами нового тысячелетия.
Значение титана в современном мире просто невозможно переоценить. Несмотря на относительно непродолжительную историю использования в практических целях, он стал одним из лидирующих материалов во множестве отраслей. Титан и его сплавы обладают для этого суммой всех необходимых характеристик: коррозиестойкостью (и, как следствие, биоинертностью), а также легкостью, прочностью, твёрдостью, жёсткостью, долговечностью, гальванической нейтральностью и т.д.
Не уступает титану в плане практической значимости и тантал. При общем сходстве большинства полезных свойств по некоторым качествам они уступают, а по некоторым – превосходят друг друга. Вот почему трудно, да и вряд ли разумно объективно судить о приоритетности какого-то одного из этих металлов для производства: они, скорее, органично дополняют друг друга, чем конфликтуют между собой. Достаточно отметить, что ныне активно разрабатываются и находят реальное применение конструкции на основе титано-танталовых сплавов, объединяющих в себе все преимущества Ti и Та. 

Список источников
1. https://cu-prum.ru/titan1.html (18.12.22)
2. https://www.metotech.ru/tantal-opisanie.htm(18.12.22)
3. https://ural-metall.com/tantal/fizicheskie-i-himicheskie-svoystva-tantala-8368.html (20.12.22)
4. https://tokar.guru/metally/splavy/harakteristika-i-primenenie-titana-i-splavov-na-ego-osnove.html (20.12.22)

Размещено на Albest.ru