Курсовая работа (т): Титан и титановые сплавы: применение в медицине

Титан и титановые сплавы: применение в медицине

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Физический факультет

Кафедра радиофизики и электроники

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: Физика конденсированного состояния

Титан и титановые сплавы: применение в медицине

Оренбург 2011

Аннотация

В данной курсовой работе я рассмотрела физические и химические свойства титана, его получение, а также сплавы на основе титана и определила их достоинства и недостатки.

Главной целью этой работы было рассмотрение применения титана и титановых сплавов в медицине.

Введение

Создание новых технологий и производств, приводит к применению агрессивных сред. Использование последних ставит вопрос о конструкционных материалах, стойких к их воздействию. Большой интерес в этом плане представляют металлы подгрупп титана и ванадия. Они уже нашли применение в современном приборостроении. Так, например, они широко используются в ракетной и авиационной технике, а также при создании ядерных реакторов.

Титан и титановые сплавы нашли широкое применение также в медицине. Конструкторов медицинской техники, медицинского инструментария и врачей разных профессий в новом конструкционном металле привлекают прежде всего биологическая инертность по отношению к организму живого существа в сочетании с высокими механическими свойствами, антикоррозионной стойкостью, а также дешевизна и доступность. Эти качества титана, усиленные специфическими свойствами, и обеспечили очень большой интерес к нему и интенсивное проведение конструкторских работ и клинических испытаний самых различных изделий. Известно, что по коррозионной стойкости во многих медицинских агрессивных средах титан не уступает платине; он стоек в растворах кислот и щелочей. Скорость коррозии титана в морской воде (по своему химическому составy очень похожей на лимфу) - 0,00002 мм/год или 0,02 мм в 1000 лет. Титан и его сплавы устойчивы и перекиси водорода, бензине, феноле, формальдегиде. После многократной стерилизации кипячением и обработки в автоклаве, многомесячной выдержки в 3%-ном растворе хлорамина, 96-градусиом этиловом спирте, растворе сулемы, трихлорэтилене следов коррозии на титановых сплавах не обнаружено. Точечная коррозия наблюдается у титановых сплавов лишь после пребывания в течение нескольких суток в 10%-ной спиртовой настойке йода.

1. Титан − общие сведения

.1 История открытия

До 1795 г. элемент №22 назывался "менакином". Так назвал его в 1791 г. английский химик и минеролог Уильям Грегор, открывший новый элемент в минерале менаканите.

Спустя четыре года после открытия Грегора немецкий химик Мартин Клапрот обнаружил новый химический элемент в другом минерале - рутиле - и в честь царицы эльфов Титании, (германская мифология) назвал его титаном.

По другой версии название элемента происходит от титанов, могучих сыновней богини земли − Геи (греческая мифология).

В 1797 г. выяснилось, что Грегор и Клапрот открыли один и тот же элемент, и хотя Грегор сделал это раньше, за новым элементом утвердилось имя, данное ему Клапротом.

Но ни Грегору, ни Клапроту не удалось получить элементарный титан. Выделенный ими белый кристаллический порошок был двуокисью титана ТiO2. Восстановить этот окисел, выделить из него чистый металл долгое время не удавалось никому из химиков.

В 1823 г. английский ученый У. Волластон сообщил, что кристаллы, обнаруженные им в металлургических шлаках завода "Мортир - Тидвиль", − не что иное, как чистый титан. А спустя 33 года известный немецкий химик Ф. Вёлер доказал, что и эти кристаллы были опять - таки соединением титана, на этот раз - металлоподобным карбонитридом.

Много лет считалось, что металлический титан впервые был получен Берцелиусом в 1825 г. при восстановлении фтортитана калия металлическим натрием. Однако сегодня, сравнивая свойства титана и продукта, полученного Берцелиусом, можно утверждать, что президент Шведской академии наук ошибался, ибо чистый титан быстро растворяется в плавиковой кислоте (в отличие от многих других кислот), а металлический титан Берцелиуса успешно сопротивлялся её действию.

В действительности титан был впервые получен лишь в 1875 г. русским учёным Д.К. Кирилловым. Результаты этой работы опубликованы в его брошюре "Исследование над титаном". Но работа малоизвестного русского ученого осталась незамеченной. Ещё через 12 лет довольно чистый продукт - около 95% титана - получили соотечественники Берцелиуса, известные химики Л. Нильсон и О. Петерсон, восстанавливавшие четырёххлористый титан металлическим натрием в стальной геометрической бомбе.

В 1895 г. французский химик А. Муассан, восстанавливая двуокись титана углеродом в дуговой печи и подвергая полученный материал двукратному рафинированию, получил титан, содержавший всего 2%примесей, в основном углерода. Наконец в 1910 г. американский химик М. Хантер, усовершенствовав способ Нильсона и Петерсона, сумел получить несколько граммов титана чистотой около 99%. Именно поэтому в большинстве книг приоритет получения металлического титана приписывается Хантеру, а не Кириллову, Нильсону или Муассану.

Однако ни Хантер, ни его современники не предсказывали титану большого будущего. Всего несколько десятых процента примесей содержалось в металле, но эти примеси делали титан хрупким, непрочным, непригодным к механической обработки. Поэтому некоторые соединения титана нашли применения раньше, чем сам металл. Четыреххлористый титан, например, широко использовали в первую мировую войну для создания дымовых завес.[6]

.2 Физические и химические свойства

Титан - легкий серебристо-белый металл. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (a=2,951 Å; с=4,679 Å[9]; z=2; пространственная группа C6mmc), β-Ti с кубической объемно-центрированной упаковкой (a=3,269 Å; z=2; пространственная группа Im3m), температура перехода α↔β 883 °C, ΔH перехода 3,8 кДж/моль. Точка плавления 1660±20 °C, точка кипения 3260 °C, плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 (20 °C) и 4,32 (900 °C) г/см³, атомная плотность 5,71×1022 ат/см³. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Удельное сопротивление 0,42 мкОм·м при 20 °C.[13]

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO₂, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред. Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки 400 °C.Титан является переходным металлом и имеет недостроенную d-оболочку. Он находится в побочной подгруппе четвертой группы периодической таблицы Менделеева. Переходные элементы обладают определенными схожими свойствами.

Он имеет атомный номер 22, атомную массу 47,90 (изотопы: 46 - 7,95%; 48 - 73,45%; 49 - 5,50% и 50 - 5,35%). В химических соединениях он проявляет валентность 2, 3, 4. Титан существует в двух состояниях: аморфный - темно-серый порошок, плотность 3,392-3,395г/см3, и кристаллический, плотность 4,5 г/см3.

Титан активно поглощает газы (водород, кислород, азот), которые делают его очень хрупким. Технический металл поддаётся горячей обработке давлением. Совершенно чистый металл может быть прокатан на холоде. На воздухе при обыкновенной температуре титан не изменяется, при накаливании образует смесь окиси Ti2O3 и нитрида TiN. В токе кислорода при красном калении окисляется до двуокиси TiO2. При высоких температурах реагирует с углеродом, кремнием, фосфором, серой и др. Устойчив к морской воде, азотной кислоте, влажному хлору, органическим кислотам и сильным щелочам. Растворяется в серной, соляной и плавиковой кислотах, лучше всего - в смеси HF и HNO3. Добавление к кислотам окислителя предохраняет металл от коррозии при комнатной температуре.[2]

С кислородом титан даёт амфотерную двуокись титана, закись Ti0 и окись Ti2O3, имеющие основной характер, а также некоторые промежуточные окислы и перекись TiO3. Галогениды четырёхвалентного титана, за исключением TiCl4 - кристаллические тела, легкоплавкие и летучие в водном растворе гидрализованы, склонны к образованию комплексных соединений, из которых в технологии и аналитической практике имеет значение фтортитанат калия K2TiF6. Важное значение имеют карбид TiC и нитрид TiN- металлоподобные вещества, отличающиеся большой твёрдостью (карбид титан тверже карборунда), тугоплавкостью (TiC, t°пл. 3140°; TiN, t°пл. 3200°) и хорошей электропроводностью.

Однако, долгое время титан ошибочно считали непригодным для использования в качестве конструкционного материала, так как получаемый металл являлся хрупким из-за большого количества примесей. Только в начале этого столетия был получен титан с новыми свойствами, которые ставят его в ряд с самыми ценными материалами.

Титан является перспективным металлом не только благодаря его качествам, но и потому, что запасы его в земной коре очень велики.

Титан очень распространен в природе; его содержание в земной коре составляет 0,61% по массе, т.е. выше, чем содержание таких широко используемых в технике металлов, как медь, свинец и цинк.

Минералы, содержащие титан, находятся в природе повсеместно. В настоящее время насчитывается около восьмидесяти минералов, в состав которых входит титан.[6] Важнейшие из них: рутил TiO, ильменит FeTiO, титаномагнетит FeTiO + Fe3O, перовскит CaTiO, титанит CaTiOSiO. Различают коренные руды титана - ильменит-титаномагнетитовые и россыпные - рутил-ильменит-цирконовые.

Все элементы периодической системы по отношению к титану по их химическому воздействию можно разделить на четыре группы:

. Элементы, не взаимодействующие с титаном: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Mg. Ca, Sr, Ba, Ra и инертные газы.

. Элементы, образующие с титаном химические соединения с ковалентной связью, не имеющие или имеющие малую растворимость в титане: H, F, Cl, Br, I, At, O, S, Se, Te, Po.

. Элементы, образующие с титаном соединения с металлическим характером связи (металлические соединения) и ограниченные твердые растворы: Cu, Ag, Zn, Cd, Hg, Be, Ga, In, Tl, B, Al, Th, C, Si, Ge, Sn, Pb, N, P, As, Sb, Bi, Mn, Te, Re, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir.

. Элементы, образующие с титаном β-модификации непрерывных твердых растворов: Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Sc, W.

Таким образом, титан, так или иначе, взаимодействует с большинством элементов. Это, с одной стороны, создает значительные трудности при получении чистого титана и его сплавов, а с другой стороны, дает возможность получать большое количество разнообразных по составу и свойствам сплавов.[6]

.3 Получение

Прежде чем рассматривать возможные схемы получения чистого металла, следует остановиться на технологии получения титана вообще. Высокая активность этого металла и резкое снижение его свойств при небольшом повышении содержания примесей - это те качества, наличие которых обусловливает применение особых технологических приемов в процессе его производства. Первая стадия производства титана заключается в рудно-восстановительной плавке, которая проводится с целью обогащения исходного материала окисными соединениями титана. Во всех последующих стадиях производства взаимодействие титана и его соединений с кислородом нежелательно.

Титан растворяет такие элементы, как азот, водород и углерод. С последним он образует стойкие карбиды, а в присутствии кислорода - оксикарбиды. Все эти примеси снижают пластичность металла и делают его непригодным к употреблению в качестве конструкционного материала. При высоких температурах титан может реагировать с CO, CO2,H2O и даже с такими прочными соединениями, как SiO2, Al2O3, и MgO. Поэтому получение титана и его плавка должны осуществляться или в среде инертного газа, или в вакууме. Реактор для получения титана не может быть футерован обычными футеровочными материалами. В случае осуществления процесса получения титана в металлическом реакторе появляются трудности, связанные со способностью титана сплавляться с большинством металлов. Температура плавления титана составляет около 1660 ˚С, но при сплавлении с железом, никелем, медью и некоторыми другими металлами он образует эвтектический сплав с температурой плавления около 1000˚С и даже несколько ниже. Следовательно, необходим такой процесс, при котором образующийся титан быстро охлаждается и, следовательно, предотвращается процесс его взаимодействия с материалом реактора.

При любом способе получения титана должны быть учтены его указанные выше свойства. В результате этого производство титана всегда будет носить специфический характер и будет более сложно, чем, например, производство таких металлов, как алюминий или магний.

Восстановление двуокиси титана углем.

При взаимодействии двуокиси титана с углеродом можно предположить протекание следующих реакций:

Термодинамические расчеты показывают, что прежде всего будут протекать реакции карбидообразования. Процесс карбидообразования протекает через образование ряда промежуточных окислов, которые в свою очередь образуют непрерывный ряд твердых растворов с карбидом титана. Повышение температуры или понижение давления сдвигает равновесие системы в сторону замещения кислорода углеродом. При давлении ниже 10 мм рт. ст. и при температуре выше 1300 ˚С достигается полное обескислороживание твердого раствора и наблюдается выделение металлического титана вследствие реакции:

Восстановление двуокиси титана водородом.

Процесс взаимодействия двуокиси титана с молекулярным водородом протекает до образования низших окислов.

При температуре 1050 ˚С двуокись титана восстанавливается водородом до Ti3O5 по реакции:

Выше этой температуры образуется смесь окислов Ti3O5 и Ti2O3.

Восстановление двуокиси титана кремнием, натрием, магнием и кальцием.

Наиболее сильным восстановителем является кальций. Окись кальция легко растворяется в разбавленных минеральных и органических кислотах и поэтому может быть сравнительно легко удалена после процесса восстановления. Также восстановление двуокиси титана может проводиться гидридом кальция, алюминием и с помощью электролиза.

Получение титана из его фтористых солей, карбидов и нитридов.

Двуокись титан, а также титановые руды могут быть переработаны в любые другие соединения титана, например в хлориды, фториды, сульфиды, нитриды, карбиды и др. Чистый металл из этих соединений может быть получен восстановлением, электролизом или комбинированным способом.

Для электролиза из фтористых соединений наиболее приемлемым является гексафтортитанат калия (K2TiF4). Он сравнительно легко получается, имеет хорошую электропроводность и низкое давление пара, стоек на воздухе. Электролиз может быть осуществлен в среде расплавленных солей под защитой инертного газа. При этом можно получить сравнительно чистый металл, содержащий 99,9% титана. Сложность аппаратурного оформления и высокая стоимость сырья являются существенными недостатками этого способа, препятствующими его развитию.[6,11]

Магнийтермический способ получения титана.

Для получения титана также применяется магний, при этом в качестве побочного продукта получается хлористый магний, являющийся сырьем для производства магния. Вместе с тем при производстве магния побочным продуктом является хлор, который необходим для получения четыреххлористого титана, поэтому производство магния и титана обычно совмещают на одном заводе.