ТИТАНИЈУМ: ИСТОРИЈА, СТРУКТУРА, СВОЈСТВА, РЕАКЦИЈЕ, УПОТРЕБЕ - ХЕМИЈА - 2026

Титанијум је прелазног метала које је представљено хемијском симболом Ти. То је други метал који се појавио из блока д периодичне табеле, непосредно након скандијума. Њен атомски број је 22, а у природи се јавља онолико изотопа и радиоизотопа, од којих је ⁴⁸ Ти најбројнији од свих.

Боја му је сребрно сива, а делови су прекривени заштитним слојем оксида који чини титанијум металом веома отпорним на корозију. Ако је овај слој жућкаст, то је титан нитрид (ТиН), који је једињење које настаје када овај метал сагорева у присуству азота, јединствено и одликовано својство.

Титанијумски прстенови. Извор: Пкхере.

Поред већ споменутог, врло је отпоран на механичке ударе упркос томе што је лакши од челика. Због тога је познат као најјачи метал од свих, а само име му је синоним за снагу. Такође има снагу и лакоћу, две карактеристике које га чине пожељним материјалом за производњу авиона.

Исто тако, и не мање важан, титанијум је биокомпатибилни метал који је пријатан на додир, због чега се користи у накиту за израду прстенова; и у биомедицини, као што су ортопедски и зубни имплантати, способни да се интегришу у коштано ткиво.

Међутим, његова најпознатија употреба борави у ТиО ₂ , као пигмент, адитив, превлака и фотокатализатор.

Девети је најбогатији елемент на Земљи, а седми унутар метала. Упркос томе, његова цена је велика због тешкоћа које је потребно савладати да би се извукао из минерала, међу којима су рутил, анатаза, илменит и перовскит. Од свих метода производње, Кролл Процесс се највише користи у свету.

Историја

Откриће

Титан је први пут идентификован у минералу илменита у долини Манаццан (Велика Британија), пастор и аматерски минералог Виллиам Грегор, још давне 1791. године. Он је успео да утврди да садржи оксид гвожђа откад су се његови песци кретали кроз утицај магнета; али је такође известио да постоји још један оксид непознатог метала, који је он назвао „манацанит“.

Нажалост, иако се обратио Краљевском геолошком друштву из Корнвола и другим продајним местима, његови прилози нису изазвали помутњу због тога што нису били признати човек науке.

Четири године касније, 1795. године, немачки хемичар Мартин Хеинрицх Клапротх независно је препознао исти метал; али у рутилној руди у Боинику, сада Словачка.

Неки тврде да је овај нови метал назвао "титанијум" инспирисан снажношћу сличном Титанима. Други тврде да је то више последица неутралности самих митолошких ликова. Тако се титанијум родио као хемијски елемент и Клапротх је касније могао да закључи да је исти манацанит као и минерал илменит.

Изолација

Од тада, почели су покушаји да се изолирају од таквих минерала; али већина њих је била неуспешна, јер је титан био контаминиран кисеоником или азотом или је формирао карбид који је немогуће смањити. Ларс Нилсон и Отто Петтерссон требали су скоро век (1887.) припремити узорак чист 95%.

Затим је 1896. године Хенри Моиссан успео да добије узорак чистоће до 98% захваљујући редукционом деловању металног натријума. Међутим, ови нечисти титанијум били су ломљиви дејством атома кисеоника и азота, па је било неопходно осмислити поступак који их спречава да избегну реакциону смешу.

А с тим приступом је настао Хунтер Процесс 1910. године, који је смислио Маттхев А. Хунтер у сарадњи са Генерал Елецтриц-ом на Политехничком институту Ренсселаер.

Двадесет година касније, у Луксембургу, Виллиам Ј. Кролл је осмислио још једну методу користећи калцијум и магнезијум. Данас је Кролл процес један од водећих метода за производњу металног титанијума на комерцијалним и индустријским нивоима.

Од овог тренутка историја титанијума прати ток његових легура у применама за ваздухопловну и војну индустрију.

Структура и електронска конфигурација

Чисти титанијум може кристализирати са две структуре: компактним шестерокутним (хцп), званим α фаза, и телесним кубичним (бцц), названим β фаза. Дакле, то је диморфни метал који је способан да подвргне алотропним (или фазним) прелазима између ХЦП и бцц структуре.

Α фаза је најстабилнија на собној температури и притиску, са Ти атомима окружено дванаест суседа. Када се температура повећа на 882 ° Ц, шестерокутни кристал се трансформише у мање густ кубични, што је у складу са већим атомским вибрацијама које производи топлота.

Како се температура повећава, α фаза се противи већем топлотном отпору; то јест, повећава се и његова специфична топлота, тако да је потребно све више и више топлоте да би се досегло 882 ° Ц.

Шта ако уместо повећања температуре, притисак делује? Тада добијате искривљене бцц кристале.

Линк

У тим металним кристалима валентни електрони из 3д и 4с орбитала интервенишу у вези која спаја Ти атоме, у складу са електронском конфигурацијом:

3д ² 4с ²

Има само четири електрона које дели са својим комшијама, што резултира готово празним 3Д опсезима, па стога титанијум није тако добар проводник струје или топлоте као остали метали.

Легуре

Чак је важније од онога што је речено о кристалној структури титанијума да обе фазе, α и β, могу формирати сопствене легуре. Они се могу састојати од чистих α или β легура, или смеша обеју у различитим омјерима (α + β).

Слично томе, величина њихових кристалних зрнаца утиче на коначна својства легура титанијума, као и на масни састав и односе додатих адитива (неколико других метала или Н, О, Ц или Х атома).

Адитиви имају значајан утицај на легуре титанијума јер могу стабилизовати неке од две специфичне фазе. На пример: Ал, О, Га, Зр, Сн и Н су адитиви који стабилизују α фазу (гушће кристале хцп); и Мо, В, В, Цу, Мн, Х, Фе и други су адитиви који стабилизују β фазу (мање густи кцц кристали).

Проучавање свих ових легура титанијума, њихових структура, састава, својстава и примене предмет су металуршких радова који се ослањају на кристалографију.

Оксидациони бројеви

Према конфигурацији електрона, титанијуму ће требати осам електрона да потпуно испуне 3д орбитале. То се не може постићи ни у једном од његових једињења, а највише може добити до два електрона; то јест, може да добије негативне оксидационе бројеве: -2 (3д ⁴ ) и -1 (3д ³ ).

Разлог је последица електронегативности титанијума и што је, уз то, метал, тако да има већу тенденцију да има позитивне оксидационе бројеве; као што су +1 (3д ² 4с ¹ ), +2 (3д ² 4с ⁰ ), +3 (3д ¹ 4с ⁰ ) и +4 (3д ⁰ 4с ⁰ ).

Обратите пажњу на то како електрони из 3д и 4с орбитала одлазе јер се претпоставља постојање катиона Ти ⁺ , Ти ²⁺ и тако даље.

Оксидациони број +4 (Ти ⁴⁺ ) је најрепрезентативнији од свих, јер одговара оном титанијума у ​​његовом оксиду: ТиО ₂ (Ти ⁴⁺ О ₂ ^2- ).

Својства

Физичка присутност

Сивкасто сребрни метал.

Моларна маса

47.867 г / мол.

Тачка топљења

1668 ° Ц. Ово релативно велико талиште чини ватростални метал.

Тачка кључања

3287 ° Ц

температура самопаљења

1200 ° Ц за чисти метал и 250 ° Ц за фино подељени прах.

Дуктилност

Титанијум је дуктилни метал ако му недостаје кисеоника.

Густина

4.506 г / мЛ. И при талишту 4,11 г / мл.

Топлина фузије

14,15 кЈ / мол.

Топлина испаравања

425 кЈ / мол.

Моларни топлотни капацитет

25060 Ј / мол · К.

Електронегативност

1,54 по Паулинг-овој скали.

Енергије јонизације

Прво: 658,8 кЈ / мол.

Друго: 1309,8 кЈ / мол.

Треће: 2652,5 кЈ / мол.

Мохсова тврдоћа

6.0.

Номенклатура

Од оксидационих бројева најчешћи су +2, +3 и +4, како се називају у традиционалној номенклатури приликом именовања једињења титанијума. Иначе, правила о залихама и систематским номенклатурама остају иста.

На пример, размотримо Тио ₂ и ТиЦл ₄ , два најпознатијих једињења титанијума.

То је већ рекао да је у ТиО ₂ оксидација број титанијума је +4 и, самим тим, што је највећи (или позитивна), име мора да се заврши са суфикс -ицо. Дакле, његово име је титански оксид, према традиционалној номенклатури; титанов (ИВ) оксид, према номенклатури залиха; и титанијум-диоксид, према систематској номенклатури.

А за ТиЦл ₄ наставимо директно:

Номенклатура: назив

-Традиционално: титански хлорид

-Заштита: титан (ИВ) хлорид

-Систематично: титанијум тетраклорид

На енглеском се ово једињење често назива 'Тицкле'.

Свако једињење титанијума може чак и да има своја имена ван правила о именовању и зависиће од техничког жаргона поља о којој је реч.

Где се могу наћи и продуцирати

Титаниферни минерали

Рутил кварц, један од минерала са највишим садржајем титанијума. Извор: Дидиер Десцоуенс

Титанијум, иако је седми најбогатији метал на Земљи, и девети најзаступљенији у земљиној кори, у природи се не налази као чисти метал, већ у комбинацији са другим елементима у минералним оксидима; познатији као титаниферни минерали.

Према томе, за добијање је потребно ове минерале користити као сировину. Неки од њих су:

-Титанит или сфен (ЦаТиСиО ₅ ), са нечистоћама гвожђа и алуминијума који своје кристале зелене боје.

-Брооките ( Ортхорхомбиц ТиО ₂ ).

-Рутиле, најстабилнији полиморф ТиО ₂ , затим минералима Анатасе и брооките.

-Илмените (ФеТиО ₃ ).

-Перовските (ЦаТиО ₃ )

-Леукоксен (хетерогена смеша анатазе, рутила и перовскита).

Имајте на уму да је поменуто неколико титанових минерала, мада има и других. Међутим, нису сви подједнако обилни и, исто тако, могу садржати нечистоће које је тешко уклонити и које угрожавају својства коначног металног титанијума.

Због тога се сфен и перовскит често користе за производњу титанијума, јер је њихов садржај калцијума и силицијума тешко уклонити из реакционе смеше.

Од свих ових минерала, рутил и илменит се најчешће користе у комерцијалној и индустријској индустрији због високог садржаја ТиО ₂ ; то јест, богати су титаном.

Кролл процес

Одабиром било којег од минерала као сировине, ТиО ₂ у њима мора се смањити. Да би се то постигло, минерали се заједно са угљем загревају црвено топло у реактору са флуидним слојем на 1000 ° Ц. Тамо ТиО ₂ реагује са хлоровим гасом према следећој хемијској једначини:

ТиО ₂ (а) + Ц (с) + 2Цл ₂ (г) => ТиЦУ ₄ (л) + ЦО ₂ (г)

ТиЦл ₄ је нечиста безбојна течност, јер се на тој температури раствара заједно са другим металним хлоридима (гвожђе, ванадијум, магнезијум, цирконијум и силицијум) који потичу из нечистоћа присутних у минералима. Стога ТиЦУ _{4 је} затим пречишћен фракционом дестилацијом и падавина.

Једном када је прочишћен, ТиЦл ₄ , врста коју је лакше смањити, сипа се у посуду од нехрђајућег челика на коју се наноси вакуум, да би се елиминисао кисеоник и азот, и напуни аргоном како би се осигурала инертна атмосфера која не утиче на титан. произведено. У процес се додаје магнезијум који реагује на 800 ° Ц према следећој хемијској једначини:

ТиЦл ₄ (л) + 2Мг (л) => Ти (с) + 2МгЦл ₂ (л)

Титанијум се таложи као сунђераста чврста супстанца, који се подвргава третманима за његово пречишћавање и добијање бољих чврстих форми, или се директно користи за производњу минерала титанијума.

Реакције

Са ваздухом

Титанијум има високу отпорност на корозију захваљујући слоју ТиО ₂ који штити унутрашњост метала од оксидације. Међутим, када температура порасте изнад 400 ° Ц, танки комад метала почиње у потпуности да гори и формира смешу ТиО ₂ и ТиН:

Ти (с) + О ₂ (г) => ТиО ₂ (с)

2Ти (с) + Н ₂ (г) => ТиН (с)

Оба гасови, О ₂ и Н ₂ , логички у ваздуху. Ове две реакције се дешавају брзо када се титан загреја црвено. А ако се нађе у облику фино подељеног праха, реакција је још снажнија, па титанијум у овом чврстом стању постаје лако запаљив.

Са киселинама и базама

Овај слој ТиО ₂ -ТИН не само да штити титаниум од корозије, али и од напада киселинама и базама, тако да није лако метал за растварање.

Да би се ово постигло, потребно је користити високо концентроване киселине и прокухати до кључања, чиме се добија љубичасти раствор који настаје из водених комплекса титанијума; на пример, ⁺³ .

Међутим, постоји киселина која је може растворити без много компликација: флуороводична киселина:

2Ти (с) + 12ХФ (ак) 2 ^3- (ак) + 3Х ₂ (г) + 6Х ⁺ (ак)

Са халогенима

Титанијум може директно реаговати са халогенима да би формирао одговарајуће халогене. На пример, ваша реакција на јод је следећа:

Ти (с) + 2И ₂ (с) => ТиИ ₄ (с)

Слично је са флуором, хлором и бромом, где се ствара интензиван пламен.

Са јаким оксидансима

Када се титан фино подели, он није само склон паљењу, већ и снажно реагује са јаким оксидантима на најмањи извор топлоте.

Део ових реакција користи се за пиротехничка средства јер се стварају јарко беле искре. На пример, реагује са амонијум перхлоратом према хемијској једначини:

2Ти (с) + 2НХ ₄ ЦлО ₄ (с) => 2ТиО ₂ (а) + Н ₂ (г) + Цл ₂ (г) + 4Х ₂ О (г)

Ризици

Метални титанијум

Прах од титанијума је лако запаљива чврста супстанца. Извор: В. Оелен

Метални титанијум сам по себи не представља ризик за здравље оних који са њим раде. То је безопасна чврста супстанца; Осим ако је млевен у праху ситних честица. Овај бели прах може бити опасан због велике запаљивости, поменуте у одељку о реакцијама.

Када се титанијум млеве, његова реакција са кисеоником и азотом је бржа и снажнија, па чак може експлодирати. Зато представља страшан ризик од пожара ако га, где се складишти, погоди пламен.

При горењу ватра се може угасити само са графитом или натријум хлоридом; никада са водом, бар за ове случајеве.

Исто тако, треба избјегавати њихов контакт са халогенима по сваку цијену; то јест, са било којим гасовитим цурењем флуора или хлора или у интеракцији са црвенкастом течношћу кристала брома или испарљивих кристала јода. Ако се то догоди, титанијум запали. Такође не сме да дође у контакт са јаким оксидантима: перманганати, хлорати, перхлорати, нитрати, итд.

У супротном, његови инготи или легуре не могу представљати више ризика од физичких удараца, јер нису баш добри проводници топлоте или електричне енергије и пријатни су на додир.

Наночестице

Ако је фино подељена чврста супстанца запаљива, мора бити још више састављена од наночестица титанијума. Међутим, средишња тачка овог пододјељка је због наночестица ТиО ₂ , које су кориштене у безброј апликација гдје заслужују своју бијелу боју; попут слаткиша и бомбона.

Иако није позната његова апсорпција, дистрибуција, излучивање или токсичност у организму, показало се да су токсичне у студијама на мишевима. На пример, показали су да ствара емфизем и црвенило у плућима, као и друге респираторне поремећаје у њиховом развоју.

Екстраполацијом од мишева до нас закључује се да дисање наночестица ТиО ₂ утиче на наша плућа. Такође, могу да измене мозак хипокампуса. Уз то, Међународна агенција за истраживање рака не искључује их као могуће канцерогене.

Апликације

Пигмент и адитиви

Када говоримо о употреби титанијума нужно се односи на употребу његовог једињења титанијум диоксида. ТиО ₂ у ствари покрива око 95% свих примена које се тичу овог метала. Разлози: његова бела боја, нерастворљив је, а такође је нетоксичан (да не спомињемо чисте наночестице).

Због тога се обично користи као пигмент или додатак у свим оним производима за које је потребна бела обојена боја; попут пасте за зубе, лекова, слаткиша, папира, драгуља, боја, пластике итд.

Премази

ТиО ₂ се такође може користити за стварање филмова за премазивање било које површине, попут стакла или хируршких алата.

Имајући ове премазе, вода их не може мокрити и тече по њима, као да би киша падала на ветробранска стакла аутомобила. Алат са тим премазима може убити бактерије апсорбирањем УВ зрачења.

Урин пса или жвакаћа гума не могу се фиксирати на асфалт или цемент дејством ТиО ₂ , што би олакшало његово накнадно уклањање.

Крема за сунчање

ТиО2 је једна од активних компоненти креме за сунчање. Извор: Пикабаи.

И коначно , што се тиче ТиО ₂ , то је фотокатализатор, способан да ствара органске радикале, који се, међутим, неутрализирају силикатним или алуминијевим филмима у креми за сунчање. Његова бела боја већ јасно указује да мора да садржи тај титанов оксид.

Ваздухопловна индустрија

Титанове легуре користе се за израду великих авиона или брзих бродова. Извор: Пкхере.

Титанијум је метал значајне чврстоће и тврдоће у односу на његову ниску густину. То га чини заменом челика за све оне примене где су потребне велике брзине или су пројектовани велики авиони са распоном крила, као што је авион А380 на горњој слици.

Због тога овај метал има много користи у ваздухопловној индустрији, јер одолева оксидацији, лаган је, јак и његове легуре се могу побољшати тачним додацима.

Спорт

Титанијум и његове легуре не само у ваздухопловној индустрији заузимају средишње место, већ и спортска индустрија. То је зато што многи њихови прибор морају бити лагани, тако да њихови носиоци, играчи или спортисти могу да се носе са њима, а да се не осећају превише тешки.

Неки од ових предмета су: бицикли, палице за голф или хокеј, фудбалске кациге, рекет за тенис или бадминтон, мачеви за ограде, клизаљке, скије, између осталог.

Такође, иако у знатно мањем степену због високих трошкова, титан и његове легуре се користе у луксузним и спортским аутомобилима.

Пиротехника

Уземљени титанијум може се мешати са, на пример, КЦлО ₄ , и служити као ватромет; то заправо чине они који их праве у пиротехничким емисијама.

Лек

Титанијум и његове легуре су метални материјали изврсни у биомедицинским применама. Они су биокомпатибилни, инертни, јаки, тешко оксидирају, нетоксични су и неприметно се интегришу са костима.

То их чини врло корисним за ортопедске и зубне имплантате, за вештачке зглобове кука и колена, као шрафове за поправљање прелома, за пејсмејкере или за вештачка срца.

Биолошки

Биолошка улога титанијума је неизвесна, а иако је познато да се у неким биљкама може акумулирати и погодовати расту одређених пољопривредних култура (попут парадајза), механизми у којима се умеша нису познати.

Каже се да подстиче стварање угљених хидрата, ензима и хлорофила. Они претпостављају да је то због реакције биљних организама да се бране од ниских концентрација титанијума које су на биорасположивости, јер су за њих штетне. Међутим, ствар је и даље у мраку.

Референце

1. Схивер & Аткинс. (2008). Неорганска хемија . (Четврто издање). Мц Грав Хилл.
2. Википедиа. (2019). Титанијум. Опоравак од: ен.википедиа.орг
3. Памук Симон. (2019). Титанијум. Краљевско хемијско друштво. Опоравак од: цхемистриворлд.цом
4. Давис Марауо. (2019). Шта је титанијум? Својства и употребе. Студи. Опоравак од: студи.цом
5. Хелменстине, др Анне Марие (03. јула 2019.). Хемијска и физичка својства титана. Опоравак од: тхинкцо.цом
6. КДХ Бхадесхиа. (сф) Металургија титанијума и његових легура. Универзитет у Кембриџу. Опоравак од: пхасе-транс.мсм.цам.ац.ук
7. Цхамберс Мицхелле. (7. децембра 2017). Како титан помаже животу. Опоравак од: титаниумпроцессингцентер.цом
8. Цларк Ј. (05. јуна 2019). Хемија титанијума. Цхемистри ЛибреТектс. Опоравак од: цхем.либретектс.орг
9. Венкатесх Ваидианатхан. (2019). Како се прави титанијум? Сциенце АБЦ. Опоравак од: сциенцеабц.цом
10. Др. Едвард Гроуп. (10. септембар 2013.). Здравствени ризици од титанијума. Глобални Центар за исцељење Опоравак од: глобалхеалингцентер.цом
11. Тлустош, П. Циглер, М. Хрубы, С. Кужел, Ј. Сзакова и Ј. Балик. (2005). Улога титанијума у ​​производњи биомасе и његов утицај на садржај основних елемената у ратарским културама. БИЉНА ТЕЛА ЕНВИРОН., 51, (1): 19–25.
12. КИОЦЕРА СГС. (2019). Историја титанијума. Опоравак од: киоцера-сгстоол.еу