Plik tytan Jest to metal przejściowy reprezentowany przez symbol chemiczny Ti. Jest to drugi metal, który pojawił się z bloku re układu okresowego, zaraz po skandzie. Jego liczba atomowa wynosi 22, aw naturze występuje tyle samo izotopów i radioizotopów, w tym 48Jesteś najbardziej bogaty ze wszystkich.
Jego kolor jest srebrnoszary, a jego części pokryte są ochronną warstwą tlenku, dzięki czemu tytan jest metalem bardzo odpornym na korozję. Jeśli ta warstwa jest żółtawa, jest to azotek tytanu (TiN), który jest związkiem powstającym podczas spalania tego metalu w obecności azotu, co jest wyjątkową i wyróżniającą się właściwością.
Oprócz tego jest bardzo odporny na uderzenia mechaniczne, mimo że jest lżejszy od stali. Dlatego jest znany jako najsilniejszy ze wszystkich metali, a jego nazwa jest synonimem siły. Ma również wytrzymałość i lekkość, dwie cechy, które czynią go pożądanym materiałem do produkcji samolotów..
Podobnie, co nie mniej ważne, tytan jest metalem biokompatybilnym, przyjemnym w dotyku, dlatego jest używany w biżuterii do wyrobu pierścionków; oraz w biomedycynie, takiej jak implanty ortopedyczne i dentystyczne, zdolne do integracji z tkankami kostnymi.
Jednak jego najbardziej znane zastosowania znajdują się w TiOdwa, jako pigment, dodatek, powłoka i fotokatalizator.
Jest to dziewiąty najbardziej rozpowszechniony pierwiastek na Ziemi i siódmy w metalach. Mimo to jego koszt jest wysoki ze względu na trudności, które trzeba pokonać, aby wydobyć go z minerałów, wśród których są rutyl, anataz, ilmenit i perowskit. Spośród wszystkich metod produkcji proces Kroll jest najczęściej stosowany na całym świecie.
Indeks artykułów
Tytan został po raz pierwszy zidentyfikowany w minerale ilmenitowym w dolinie Manaccan (Wielka Brytania) przez pastora i mineraloga amatora Williama Gregora w 1791 roku. Był w stanie zidentyfikować, że zawiera on tlenek żelaza, ponieważ jego piaski poruszały się pod wpływem magnes; ale donosił również, że był inny tlenek nieznanego metalu, który nazwał „manakanitem”.
Niestety, chociaż zwrócił się do Królewskiego Towarzystwa Geologicznego Kornwalii i nie tylko, jego wkład nie wywołał poruszenia, ponieważ nie był uznanym człowiekiem nauki..
Cztery lata później, w 1795 roku, niemiecki chemik Martin Heinrich Klaproth niezależnie rozpoznał ten sam metal; ale w rudy rutylu w Boinik, obecnie Słowacja.
Są tacy, którzy twierdzą, że nazwał ten nowy metal „tytanem”, zainspirowany jego wytrzymałością na podobieństwo do tytanów. Inni twierdzą, że wynikało to bardziej z neutralności samych postaci mitologicznych. W ten sposób tytan narodził się jako pierwiastek chemiczny, a Klaproth był później w stanie dojść do wniosku, że był to ten sam manakanit, co mineralny ilmenit..
Od tego czasu zaczęto próbować izolować go od takich minerałów; ale większość z nich zakończyła się niepowodzeniem, ponieważ tytan został zanieczyszczony tlenem lub azotem lub utworzył węglik, którego nie można było zredukować. Lars Nilson i Otto Pettersson potrzebowali prawie wieku (1887), aby przygotować próbkę o czystości 95%..
Następnie, w 1896 roku, Henry Moissan zdołał uzyskać próbkę o czystości do 98%, dzięki redukującemu działaniu metalicznego sodu. Jednak te zanieczyszczone tytany były kruche pod działaniem atomów tlenu i azotu, dlatego konieczne było zaprojektowanie procesu, który pozwoliłby im nie przenikać do mieszaniny reakcyjnej..
Dzięki temu podejściu powstał w 1910 roku proces Huntera, opracowany przez Matthew A. Huntera we współpracy z General Electric w Rensselaer Polytechnic Institute..
Dwadzieścia lat później w Luksemburgu William J. Kroll opracował inną metodę wykorzystującą wapń i magnez. Obecnie proces Kroll pozostaje jedną z głównych metod wytwarzania metalicznego tytanu na skalę handlową i przemysłową..
Od tego momentu historia tytanu podąża za jego stopami w zastosowaniach w przemyśle lotniczym i wojskowym..
Czysty tytan może krystalizować z dwiema strukturami: zwartą heksagonalną (hcp), zwaną fazą α i sześcienną centrowaną na ciele (bcc), zwaną fazą β. Jest to zatem metal dimorficzny, zdolny do przechodzenia alotropowych (lub fazowych) przejść między strukturami hcp i bcc..
Faza α jest najbardziej stabilna w temperaturze i ciśnieniu otoczenia, z atomami Ti otoczonymi przez dwanaście sąsiadów. Gdy temperatura wzrośnie do 882 ° C, sześciokątny kryształ staje się sześcienny, mniej gęsty, co jest zgodne z wyższymi wibracjami atomu spowodowanymi przez ciepło..
Wraz ze wzrostem temperatury faza α przeciwstawia się większemu oporowi termicznemu; to znaczy, że jego ciepło właściwe również wzrasta, więc do osiągnięcia 882 ° C potrzeba coraz więcej ciepła.
A co, jeśli zamiast zwiększać temperaturę, robi się ciśnienie? Wtedy otrzymujesz zniekształcone kryształy bcc.
W tych metalicznych kryształach elektrony walencyjne orbitali 3d i 4s interweniują w wiązaniu łączącym atomy Ti, zgodnie z konfiguracją elektronową:
[Ar] 3ddwa 4sdwa
Ma zaledwie cztery elektrony, które mogłyby dzielić się z sąsiadami, co skutkuje prawie pustymi pasmami 3D, a zatem tytan nie jest tak dobrym przewodnikiem prądu lub ciepła, jak inne metale..
Jeszcze ważniejsze niż to, co zostało powiedziane w odniesieniu do struktury krystalicznej tytanu, jest to, że obie fazy, α i β, mogą tworzyć własne stopy. Mogą one składać się z czystych stopów α lub β lub ich mieszanin w różnych proporcjach (α + β).
Podobnie wielkość ich odpowiednich ziaren krystalicznych wpływa na końcowe właściwości wspomnianych stopów tytanu, a także na skład masy i relacje dodanych dodatków (kilka innych metali lub atomów N, O, C lub H)..
Dodatki wywierają znaczący wpływ na stopy tytanu, ponieważ mogą stabilizować niektóre z dwóch określonych faz. Na przykład: Al, O, Ga, Zr, Sn i N to dodatki stabilizujące fazę α (gęstsze kryształy hcp); oraz Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe i inne są dodatkami stabilizującymi fazę β (mniej gęste kryształy bcc).
Badania wszystkich tych stopów tytanu, ich struktury, składu, właściwości i zastosowań są przedmiotem prac metalurgicznych opartych na krystalografii..
Zgodnie z konfiguracją elektroniczną tytan potrzebowałby ośmiu elektronów, aby całkowicie wypełnić orbitale 3D. Nie można tego osiągnąć w żadnym z jego związków, a co najwyżej zyskuje do dwóch elektronów; to znaczy, może uzyskać ujemne stopnie utlenienia: -2 (3d4) i -1 (3d3).
Przyczyną jest elektroujemność tytanu, a ponadto jest to metal, więc ma on większą tendencję do dodatnich stopni utlenienia; takie jak +1 (3ddwa4s1), +2 (3ddwa4s0), +3 (3d14s0) i +4 (3d04s0).
Zwróć uwagę, jak elektrony z orbitali 3d i 4s odchodzą, gdy zakłada się istnienie kationów Ti+, tydwa+ i tak dalej.
Stopień utlenienia +4 (Ti4+) jest najbardziej reprezentatywny ze wszystkich, ponieważ odpowiada tytanowi w jego tlenku: TiOdwa (Ty4+LUBdwadwa-).
Srebrnoszary metal.
47,867 g / mol.
1668 ° C. Ta stosunkowo wysoka temperatura topnienia czyni go metalem ogniotrwałym..
3287 ° C.
1200 ° C dla czystego metalu i 250 ° C dla drobno rozdrobnionego proszku.
Tytan jest metalem ciągliwym, jeśli nie ma w nim tlenu.
4,506 g / ml. A w jego temperaturze topnienia 4,11 g / ml.
14,15 kJ / mol.
425 kJ / mol.
25060 J / mol K.
1,54 w skali Paulinga.
Pierwsza: 658,8 kJ / mol.
Po drugie: 1309,8 kJ / mol.
Po trzecie: 2652,5 kJ / mol.
6.0.
Spośród stopni utlenienia najczęstsze są +2, +3 i +4, a te, o których mowa w tradycyjnej nomenklaturze, przy nazywaniu związków tytanu. W przeciwnym razie zasady dotyczące zapasów i systematyczne nomenklatury pozostają takie same.
Na przykład rozważmy TiOdwa i TiCl4, dwa z najbardziej znanych związków tytanu.
Mówiono już o tym w TiOdwa stopień utlenienia tytanu wynosi +4 i dlatego, będąc największą (lub dodatnią), nazwa musi kończyć się przyrostkiem -ico. Tak więc jego nazwa to tlenek tytanu, zgodnie z tradycyjną nomenklaturą; tlenek tytanu (IV), zgodnie z nomenklaturą zapasów; i ditlenek tytanu, zgodnie z systematyczną nomenklaturą.
Oraz dla TiCl4 będziemy postępować w sposób bardziej bezpośredni:
Nomenklatura: nazwa
-Tradycyjny: chlorek tytanu
-Zapas: chlorek tytanu (IV)
-Systematyka: czterochlorek tytanu
W języku angielskim związek ten jest często określany jako „Tickle”.
Każdy związek tytanu może mieć nawet własną nazwę poza regułami nazewnictwa i będzie zależeć od żargonu technicznego danej dziedziny..
Tytan, chociaż jest siódmym najbardziej rozpowszechnionym metalem na Ziemi i dziewiątym najbardziej rozpowszechnionym w skorupie ziemskiej, nie występuje w naturze jako czysty metal, ale w połączeniu z innymi pierwiastkami w tlenkach mineralnych; lepiej znane jako minerały tytanonośne.
Dlatego, aby go uzyskać, konieczne jest użycie tych minerałów jako surowca. Niektórzy z nich są:
-Tytanit lub kula (CaTiSiO5), z zanieczyszczeniami żelaza i aluminium, które zmieniają kolor ich kryształów na zielony.
-Brookite (TiOdwa rombowy).
-Rutyl, najbardziej stabilny polimorf TiOdwa, następnie minerały anataz i brukit.
-Ilmenita (FeTiO3).
-Perowskit (CaTiO3)
-Leukoksen (niejednorodna mieszanina anatazu, rutylu i perowskitu).
Zwróć uwagę, że wspomnianych jest kilka minerałów tytanonośnych, nawet jeśli są inne. Jednak nie wszystkie z nich występują w jednakowej ilości i podobnie mogą zawierać zanieczyszczenia, które są trudne do usunięcia i które zagrażają właściwościom końcowego tytanu metalicznego..
Dlatego do produkcji tytanu zwykle stosuje się sferę i perowskit, ponieważ ich zawartość wapnia i krzemu jest trudna do usunięcia z mieszaniny reakcyjnej..
Ze wszystkich tych minerałów rutyl i ilmenit są najczęściej używane komercyjnie i przemysłowo ze względu na wysoką zawartość TiOdwa; to znaczy są bogate w tytan.
Wybór dowolnego minerału jako surowca, TiOdwa w nich musi zostać zmniejszona. Aby to zrobić, minerały wraz z węglem są podgrzewane do czerwoności w reaktorze ze złożem fluidalnym w temperaturze 1000 ° C. Tam TiOdwa reaguje z chlorem gazowym zgodnie z następującym równaniem chemicznym:
Wujekdwa(s) + C (s) + 2Cldwa(g) => TiCl4(l) + COdwa(sol)
TiCl4 Jest zanieczyszczoną bezbarwną cieczą, ponieważ w tej temperaturze rozpuszcza się razem z innymi chlorkami metali (żelazo, wanad, magnez, cyrkon i krzem), które powstają z zanieczyszczeń zawartych w minerałach. Dlatego TiCl4 następnie jest oczyszczany przez destylację frakcjonowaną i wytrącanie.
TiCl już oczyszczony4, łatwiejszą do zredukowania substancję wlewa się do pojemnika ze stali nierdzewnej, do którego stosuje się próżnię, w celu wyeliminowania tlenu i azotu, i jest wypełniony argonem, aby zapewnić obojętną atmosferę, która nie wpływa na wytwarzany tytan. W procesie dodawany jest magnez, który reaguje w temperaturze 800 ° C według następującego równania chemicznego:
TiCl4(l) + 2Mg (l) => Ti (s) + 2MgCldwa(l)
Tytan wytrąca się w postaci gąbczastej substancji stałej, która jest poddawana obróbce w celu jej oczyszczenia i nadania lepszej postaci stałej lub jest bezpośrednio wykorzystywana do produkcji minerałów tytanu.
Tytan ma wysoką odporność na korozję dzięki warstwie TiOdwa który chroni wnętrze metalu przed utlenianiem. Jednak gdy temperatura wzrośnie powyżej 400 ° C, cienki kawałek metalu zaczyna się całkowicie spalać, tworząc mieszaninę TiO.dwa i TiN:
Ti (s) + Odwa(g) => TiOdwa(s)
2Ti (s) + Ndwa(g) => TiN (s)
Oba gazy, LUBdwa oraz ndwa, logicznie rzecz biorąc, są w powietrzu. Te dwie reakcje zachodzą szybko, gdy tytan jest rozgrzany do czerwoności. A jeśli zostanie znaleziony jako drobno rozdrobniony proszek, reakcja jest jeszcze bardziej energiczna, dlatego tytan w tym stanie stałym jest wysoce łatwopalny..
Ta warstwa TiOdwa-TiN nie tylko chroni tytan przed korozją, ale także przed atakiem kwasów i zasad, dzięki czemu nie jest łatwo rozpuszczalnym metalem.
Aby to osiągnąć, należy użyć silnie stężonych kwasów i zagotować je do wrzenia, uzyskując purpurowy roztwór będący wynikiem wodnych kompleksów tytanu; na przykład [Ti (OHdwa)6]+3.
Istnieje jednak kwas, który może go rozpuścić bez wielu komplikacji: kwas fluorowodorowy:
2Ti (s) + 12HF (aq) 2 [TiF6]3-(aq) + 3Hdwa(g) + 6H+(aq)
Tytan może reagować bezpośrednio z halogenami, tworząc odpowiednie halogenki. Na przykład Twoja reakcja na jod wygląda następująco:
Ti (s) + 2 I.dwa(s) => TiI4(s)
Podobnie dzieje się z fluorem, chlorem i bromem, gdzie powstaje intensywny płomień.
Gdy tytan jest rozdrobniony, jest nie tylko podatny na zapłon, ale także gwałtownie reaguje z silnymi utleniaczami przy najmniejszym źródle ciepła..
Część tych reakcji jest wykorzystywana w pirotechnice, ponieważ generowane są jasne, białe iskry. Na przykład reaguje z nadchloranem amonu zgodnie z równaniem chemicznym:
2Ti (s) + 2NH4ClO4(s) => 2TiOdwa(s) + N.dwa(g) + Cldwa(g) + 4HdwaO (g)
Metaliczny tytan sam w sobie nie stanowi zagrożenia dla zdrowia osób, które z nim pracują. Jest to nieszkodliwe ciało stałe; Chyba że jest zmielony w postaci drobnoziarnistego proszku. Ten biały proszek może być niebezpieczny ze względu na wysoką palność, o której mowa w sekcji dotyczącej reakcji..
Gdy tytan jest mielony, jego reakcja z tlenem i azotem jest szybsza i bardziej energiczna, a nawet może spalić się wybuchowo. Dlatego stanowi straszne zagrożenie pożarowe, jeśli jest przechowywany w płomieniach..
Podczas palenia ogień można ugasić tylko za pomocą grafitu lub chlorku sodu; nigdy wodą, przynajmniej w takich przypadkach.
Podobnie należy za wszelką cenę unikać ich kontaktu z halogenami; to znaczy przy każdym gazowym wycieku fluoru lub chloru lub interakcji z czerwonawą cieczą bromu lub lotnymi kryształami jodu. Jeśli tak się stanie, tytan zapali się. Nie powinien też wchodzić w kontakt z silnymi utleniaczami: nadmanganianami, chloranami, nadchloranami, azotanami itp..
W przeciwnym razie jego wlewki lub stopy nie mogą stanowić większego zagrożenia niż uderzenia fizyczne, ponieważ nie są one bardzo dobrymi przewodnikami ciepła lub elektryczności i są przyjemne w dotyku..
Jeśli subtelnie rozdrobnione ciało stałe jest łatwopalne, musi być nawet bardziej złożone z nanocząsteczek tytanu. Jednak głównym tematem tej podsekcji są nanocząsteczki TiOdwa, które były używane w niekończących się zastosowaniach, gdzie zasługują na swój biały kolor; jak słodycze i cukierki.
Chociaż ich wchłanianie, dystrybucja, wydalanie lub toksyczność w organizmie nie jest znana, w badaniach na myszach wykazano, że są toksyczne. Na przykład wykazali, że powoduje rozedmę i zaczerwienienie płuc, a także inne zaburzenia układu oddechowego w ich rozwoju.
Ekstrapolując dane z myszy na nas, można wywnioskować, że oddychają nanocząsteczki TiOdwa wpływa na nasze płuca. Mogą również zmieniać region hipokampu w mózgu. Ponadto Międzynarodowa Agencja Badań nad Rakiem nie wyklucza ich jako potencjalnych czynników rakotwórczych..
Mówienie o zastosowaniach tytanu musi koniecznie odnosić się do jego złożonego dwutlenku tytanu. Wujekdwa w rzeczywistości obejmuje około 95% wszystkich wniosków dotyczących tego metalu. Powody: jego biały kolor, jest nierozpuszczalny, a także nietoksyczny (nie wspominając o czystych nanocząsteczkach).
Dlatego jest zwykle stosowany jako pigment lub dodatek we wszystkich produktach, które wymagają białego zabarwienia; takie jak pasta do zębów, leki, słodycze, papiery, klejnoty, farby, tworzywa sztuczne itp..
Wujekdwa może być również używany do tworzenia folii do pokrywania dowolnej powierzchni, takiej jak szkło lub narzędzia chirurgiczne.
Dzięki tym powłokom woda nie może ich zmoczyć i spłynąć po nich, jak deszcz na szyby samochodowe. Narzędzia z takimi powłokami mogą zabijać bakterie, pochłaniając promieniowanie UV.
Mocz psa lub guma do żucia nie mogły utrwalić się na asfalcie lub cemencie z powodu działania TiOdwa, co ułatwiłoby jego późniejsze usunięcie.
I wreszcie w odniesieniu do TiOdwa, jest to fotokatalizator zdolny do tworzenia rodników organicznych, które jednak są neutralizowane przez warstwy krzemionki lub tlenku glinu w kremie przeciwsłonecznym. Jego biały kolor już wyraźnie wskazuje, że musi mieć ten tlenek tytanu.
Tytan jest metalem o znacznej wytrzymałości i twardości w stosunku do jego małej gęstości. To sprawia, że zastępuje stal we wszystkich zastosowaniach, w których potrzebne są duże prędkości lub projektowane są samoloty o dużej rozpiętości skrzydeł, takie jak samolot A380 na powyższym obrazku..
Dlatego metal ten ma wiele zastosowań w przemyśle lotniczym, ponieważ jest odporny na utlenianie, jest lekki, wytrzymały, a jego stopy można ulepszać za pomocą odpowiednich dodatków..
Nie tylko w przemyśle lotniczym tytan i jego stopy zajmują centralne miejsce, ale także w przemyśle sportowym. Dzieje się tak, ponieważ wiele z ich przyborów musi być lekkich, aby ich noszący, gracze lub sportowcy mogli sobie z nimi poradzić, nie czując się zbyt ciężko..
Niektóre z tych przedmiotów to między innymi: rowery, kije do golfa lub hokeja, kaski piłkarskie, rakiety do tenisa lub badmintona, miecze szermiercze, łyżwy, narty..
Podobnie, choć w znacznie mniejszym stopniu ze względu na wysoki koszt, tytan i jego stopy są stosowane w samochodach luksusowych i sportowych..
Mielony tytan można mieszać np. Z KClO4, i służyć jako fajerwerk; które w rzeczywistości są wykonane przez tych, którzy robią je w pokazach pirotechnicznych.
Tytan i jego stopy są materiałami metalicznymi par excellence w zastosowaniach biomedycznych. Są biokompatybilne, obojętne, mocne, trudne do utlenienia, nietoksyczne i bezproblemowo integrują się z kośćmi.
Dzięki temu są bardzo przydatne w przypadku implantów ortopedycznych i dentystycznych, sztucznych stawów biodrowych i kolanowych, jako śruby do leczenia złamań, do rozruszników serca lub sztucznych serc..
Biologiczna rola tytanu jest niepewna i chociaż wiadomo, że może on gromadzić się w niektórych roślinach i korzystnie wpływać na wzrost niektórych upraw rolniczych (takich jak pomidory), mechanizmy, w których on interweniuje, są nieznane..
Mówi się, że sprzyja tworzeniu się węglowodanów, enzymów i chlorofilów. Przypuszczają, że jest to spowodowane reakcją organizmów roślinnych, które bronią się przed niskimi biodostępnymi stężeniami tytanu, ponieważ są one dla nich szkodliwe. Jednak sprawa jest nadal w ciemności.
Jeszcze bez komentarzy