Аркадий Курамшин: Элементы: замечательный сон профессора Менделеева

Аркадий Курамшин Титановые печати melvil/Wikimedia Commons

Продолжаем знакомить читателей с книгами, вошедшими в длинный список ежегодной премии «Просветитель». В октябре из их числа будут выбраны восемь изданий, среди которых позже и определят победителей в двух номинациях: «естественные и точные науки» и «гуманитарные науки».

Химик Аркадий Курмашин, сотрудник Химического института имени А. М. Бутлерова Казанского университета, ранее был известен как автор книг «Жизнь замечательных веществ» и «Жизнь замечательных устройств» и научно-популярных публикаций в журнале «Химия и жизнь», на порталах «Элементы» и Chemport.ru. Новая книга Аркадия Курмашина «Элементы: замечательный сон профессора Менделеева» (издательство АСТ) вышла в год 150-летия открытия Дмитрием Менделеевым периодического закона химических элементов. 118 глав книги посвящены известным на данный момент элементам, от водорода до оганессона. О каждом из них автор рассказывает историю их открытия и выбора названия, описывает самые интересные их свойства и области применения человеком.

Предлагаем вам прочитать главу из книги Аркадия Курмашина, посвящённую титану — металлу из четвёртой группы Периодической системы химических элементов.

Элемент № 22, титан, как и стоящий перед ним в Периодической системе скандий, не является биологически значимым элементом — его атомы не принимают участие ни в одном биохимическом процессе.

Тем не менее, если в организме человека скандий если и можно найти, то только в следовых количествах, то количество титана в некоторых человеческих телах исчисляется граммами и десятками граммов (думаю, что в моём теле титана наберётся на пару грамм) — химическая инертность титана делает этот металл «физиологически дружественным», из-за чего его применяют для изготовления имплантов зубов, искусственных суставов и других протезов, которые должны непосредственно контактировать с тканями организма.

Правда, на практике преимущественно применяется не металлический титан, а его оксиды. В мире ежегодно используется около четырёх миллионов тонн оксидов титана рутила и анатаза, каждый из которых отвечает формуле TiO2 — это 95 % случаев применения титана. Те читатели, кто уже изучал органическую химию, знают, что органические вещества с одинаковым составом могут различаться строением и свойствами — в органике это явление называется «изомерией». Однако, различие строения и свойств при одинаковом составе характерно не только для органических веществ, но и для неорганических. Иногда, когда неорганические вещества образуют молекулы, это явление также называется изомерией, но для оксидов титана, образующих не молекулы, а атомные кристаллические решётки, наличие нескольких форм, отвечающих формуле TiO2, называется «полиморфизмом». Кристаллические решётки слегка различаются межатомным расстоянием титан — кислород, расположением атомов титана и кислорода друг относительно друга, и вуаля — твёрдость рутила по шкале Мооса составляет 7 единиц, а анатаза — 5,5 единиц.

На практике преимущественно применяется более мягкий анатаз — он нужен везде, где нам нужен химический инертный, нерастворимый и не обладающий токсичностью порошок белого цвета. Диоксид титана применяется для изготовления таблеток лекарств, входит в состав зубных паст. В пищевой промышленности применяется оксид титана, промаркированный как пищевая добавка E171, с помощью которой добавляют белизны в кондитерские изделия, сыры и мороженое. Оксид титана применяется в солнцезащитных кремах — он практически не прозрачен для ультрафиолета. То, что оксиды титана поглощают ультрафиолетовое излучение, позволяет использовать эти вещества как фотокатализаторы. Закон сохранения энергии отменить нельзя, и, поглотив энергию УФ излучения, фотокатализатор рассеивает её, испуская фотоэлектроны, которые способствуют формированию свободных радикалов, которые, например, могут расщеплять воду на кислород и водород. Что касается кремов против загара, очевидно, что чтобы не менять одну потенциальную опасность для здоровья (ультрафиолет) на другую (активные радикалы), входящие в состав солнцезащитных кремов частицы TiO2 покрывают защитным слоем из оксида кремния или оксида алюминия. В других случаях радикалы даже полезны — они могут убивать патогенные микроорганизмы. В настоящее время проходят испытания дезинфицирующие поверхности, покрытые тонким слоем частиц TiO2. Хорошие перспективы фотокаталитического способа обеззараживания обуславливаются ещё и тем, что, как показали новые исследования, легирование диоксида титана серебром или азотом позволяет получать активные радикалы без ультрафиолета — просто при облучении видимым светом.

Диоксид титана практически одновременно и независимо друг от друга в 1791 году сделали английский викарий Уильям Грегор и немецкий химик Мартин Генрих Клапрот. Грегор растворил образец руды, с которой работал (он называл её «менакеновая земля»), в кислоте, получив бесцветный раствор, который реагировал с цинком, приобретая пурпурную окраску. В 1795 Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном, а спустя пару лет сделал вывод о том, что открытый им рутил и образец, с которым работал Грегор, представляет собой одно и то же вещество. Клапрот подобрал новому элементу название из древнегреческой мифологии в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру, не желая идти на поводу традиций французской химической школы, в соответствии с правилами которой элемент старались называть по его химическим свойствам. Получение металлического титана впервые удалось Йенсу Берцелиусу, однако до середины ХХ века ни один из способов получения металлического титана не отвечал требованиям, необходимым для промышленного получения этого металла, — выходы были невысокие, а металл получался низкой степени очистки, одна из причин этого заключается в том, что при высоких температурах титан реагирует с азотом с образованием нитрида TiN.

В 1940 году был разработан современный промышленный способ получения титана — процесс Кролла. В соответствии с ним оксид титана превращают в хлорид титана TiCl4, пропуская над смесью порошков диоксида титана и угля хлор, затем в атмосфере аргона хлорид титана обрабатывают металлическим магнием, получая в результате титан (способ получения металлов вытеснением из их соединений другими металлами называется «металлотермия»). Хотя титан — десятый по распространённости в земной коре элемент, сложности с выделением титана из руды делают его промышленное производство более тяжёлым, чем производство, например, более редкой для земной коры меди. Это, в свою очередь, обуславливает то, что применение металлического титана затрагивает весьма специализированные области, определяемые его свойствами.

Наиболее ценное свойство металлического титана — его химическая инертность, которая, как и для алюминия, объясняется тем, что на поверхности металла образуется защитная оксидная плёнка. Плотность титана (4,5 г/см3) больше, чем у алюминия (2,7 г/см3), но титан прочнее алюминия, и для аэрокосмической техники применяют титано-алюминиевые сплавы. Из титанового сплава был выполнен корпус сверхзвукового разведчика ВВС США «Блэкбёрд SR-71» — самого быстрого воздушного корабля. Титановые конструкции используются для изготовления двигателей и корпуса пассажирских самолётов. Металлический титан устойчив к действию морской воды, что позволяет делать из него гребные винты надводных и подводных судов, строить корпуса подводных лодок. Любопытно, что тот самый нитрид титана, который долгое время мешал выделению металла, тоже нашел своё применение — благодаря его жёлтому цвету, очень похожему на золото, его используют для покрытия инструментов, куполов церквей и в бижутерии.

Ранее в рубрике «Медленное чтение» были представлены следующие книги, вошедшие в длинный список премии «Просветитель» 2019 года:

• Евгений Анисимов «Держава и топор. Царская власть, политический сыск и русское общество в XVIII веке» (Новое литературное обозрение)
• Павел Бранд «На нервной почве» (АСТ)
• Максим Кронгауз, Александр Пиперски, Антон Сомин «Сто языков. Вселенная слов и смыслов»
• Михаил Левицкий. «Карнавал молекул. Химия необычная и забавная» (Альпина нон-фикшн)
• Елена Осокина «Алхимия советской индустриализации. Время Торгсина» (Новое литературное обозрение)
• Павел Руднев «Драма памяти. Очерки истории российской драматургии. 1950–2010-е» (Новое литературное обозревние)
• Лев Симкин. «Собибор / Послесловие» (АСТ, Corpus)