Det titanium Det er et overgangsmetal, der er repræsenteret af det kemiske symbol Ti. Det er det andet metal, der vises fra blokken d i det periodiske system lige efter scandium. Dens atomnummer er 22, og det forekommer i naturen så mange isotoper og radioisotoper, hvoraf 48Du er den mest rigelige af alle.
Dens farve er sølvgrå, og dens dele er dækket af et beskyttende lag af oxid, der gør titanium et metal meget modstandsdygtigt over for korrosion. Hvis dette lag er gulagtigt, er det titannitrid (TiN), som er en forbindelse, der dannes, når dette metal brænder i nærvær af nitrogen, en unik og fremtrædende egenskab.
Ud over det ovennævnte er det meget modstandsdygtigt over for mekaniske stød på trods af at det er lettere end stål. Derfor er det kendt som det stærkeste metal af alle, og dets navn er synonymt med styrke. Det har også styrke og lethed, to egenskaber, der gør det til et ønskeligt materiale til flyproduktion..
Ligeledes, og ikke mindre vigtigt, titanium er et biokompatibelt metal, der er behageligt at røre ved, hvorfor det bruges i smykker til at lave ringe; og i biomedicin, såsom ortopædiske og tandimplantater, der er i stand til at integrere i knoglevæv.
Imidlertid ligger dens bedst kendte anvendelser i TiOto, som pigment, additiv, belægning og fotokatalysator.
Det er det niende mest forekommende element på jorden og det syvende inden for metaller. På trods af dette er dets omkostninger høje på grund af de vanskeligheder, der skal overvindes for at ekstrahere det fra dets mineraler, blandt hvilke rutil, anatase, ilmenit og perovskit er. Af alle produktionsmetoderne er Kroll-processen den mest udbredte verden over.
Artikelindeks
Titanium blev først identificeret i ilmenitmineralet i Manaccan Valley (Det Forenede Kongerige) af præsten og amatørmineralogen William Gregor tilbage i 1791. Han var i stand til at identificere, at den indeholdt en jernoxid, da dens sand bevægede sig gennem indflydelse af en magnet; men han rapporterede også, at der var en anden oxid af et ukendt metal, som han kaldte "manacanite".
Desværre, selvom han henvendte sig til Royal Geological Society of Cornwall og andre steder, skabte hans bidrag ikke ophidselse for ikke at være en anerkendt videnskabsmand..
Fire år senere, i 1795, anerkendte den tyske kemiker Martin Heinrich Klaproth uafhængigt det samme metal; men i rutilmalmen i Boinik, i øjeblikket Slovakiet.
Der er dem, der hævder, at han kaldte dette nye metal 'titanium' inspireret af dets sejhed i lighed med titanerne. Andre hævder, at det mere skyldtes neutraliteten af de mytologiske karakterer selv. Titanium blev således født som et kemisk element, og Klaproth kunne senere konkludere, at det var den samme manacanit af mineralet ilmenit.
Siden da begyndte forsøg på at isolere det fra sådanne mineraler; men de fleste af dem lykkedes ikke, da titanet blev forurenet med ilt eller kvælstof eller dannede et hårdmetal, som det var umuligt at reducere. Det tog næsten et århundrede (1887) for Lars Nilson og Otto Pettersson at forberede en prøve med 95% renhed..
I 1896 lykkedes det Henry Moissan at opnå en prøve med op til 98% renhed takket være den reducerende virkning af metallisk natrium. Disse urene titaner var imidlertid skøre ved virkningen af ilt- og nitrogenatomer, så det var nødvendigt at designe en proces for at holde dem ude af reaktionsblandingen..
Og med denne tilgang opstod Hunter-processen i 1910, udtænkt af Matthew A. Hunter i samarbejde med General Electric ved Rensselaer Polytechnic Institute..
Tyve år senere, i Luxembourg, udtænkte William J. Kroll en anden metode ved hjælp af calcium og magnesium. I dag er Kroll-processen fortsat en af de vigtigste metoder til produktion af metallisk titanium på kommercielle og industrielle skalaer..
Fra dette tidspunkt følger historien om titanium forløbet af dets legeringer i applikationer til luftfarts- og militærindustrien..
Rent titanium kan krystallisere med to strukturer: en kompakt sekskantet (hcp), kaldet α-fasen, og en kropscentreret kubik (bcc), kaldet β-fasen. Således er det et dimorft metal, der er i stand til at gennemgå allotrope (eller fase) overgange mellem hcp- og bcc-strukturer..
Α-fasen er den mest stabile ved omgivelsestemperatur og tryk med Ti-atomerne omgivet af tolv naboer. Når temperaturen øges til 882 ° C, bliver den sekskantede krystal en kubisk, mindre tæt, hvilket er i overensstemmelse med de højere atomvibrationer forårsaget af varme..
Når temperaturen stiger, modsætter α-fasen større termisk modstand; det vil sige, at dens specifikke varme også øges, så der er brug for mere og mere varme for at nå 882 ° C.
Hvad hvis trykket i stedet for at øge temperaturen? Så får du forvrængede bcc-krystaller.
I disse metalliske krystaller griber valenselektronerne i 3d- og 4s-orbitalerne ind i bindingen, der forbinder Ti-atomerne, ifølge den elektroniske konfiguration:
[Ar] 3dto 4sto
Det har knap fire elektroner at dele med sine naboer, hvilket resulterer i næsten tomme 3d-bånd, og titanium er derfor ikke så god en leder af elektricitet eller varme som andre metaller..
Endnu vigtigere end hvad der er blevet sagt om titanets krystallinske struktur, er at begge faser, α og β, kan danne deres egne legeringer. Disse kan bestå af rene α- eller β-legeringer eller blandinger af begge i forskellige forhold (α + β).
Ligeledes påvirker størrelsen af deres respektive krystallinske korn de endelige egenskaber af titanlegeringerne såvel som massesammensætningen og forholdet mellem de tilsatte additiver (andre få metaller eller atomer af N, O, C eller H)..
Tilsætningsstoffer har en betydelig indflydelse på titaniumlegeringer, fordi de kan stabilisere nogle af de to specifikke faser. For eksempel: Al, O, Ga, Zr, Sn og N er additiver, der stabiliserer a-fasen (tættere hcp-krystaller); og Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe og andre er additiver, der stabiliserer β-fasen (mindre tætte bcc-krystaller).
Undersøgelsen af alle disse titaniumlegeringer, deres strukturer, sammensætning, egenskaber og anvendelser, er genstand for metallurgiske værker, der er afhængige af krystallografi.
I henhold til den elektroniske konfiguration ville titanium have brug for otte elektroner for fuldstændigt at udfylde de 3d orbitaler. Dette kan ikke opnås i nogen af dets forbindelser, og det vinder højst op til to elektroner; det vil sige, det kan erhverve negative oxidationstal: -2 (3d4) og -1 (3d3).
Årsagen skyldes titaniums elektronegativitet, og at det desuden er et metal, så det har en større tendens til at have positive oxidationstal; såsom +1 (3dto4s1), +2 (3dto4s0), +3 (3d14s0) og +4 (3d04s0).
Bemærk, hvordan elektronerne fra 3d- og 4s-orbitalerne forlader, da der antages, at der findes Ti-kationer+, Duto+ og så videre.
Oxidationsnummeret +4 (Ti4+) er den mest repræsentative af alle, fordi den svarer til titanens i dets oxid: TiOto (Du4+ELLERtoto-).
Sølvgråt metal.
47,867 g / mol.
1668 ° C. Dette relativt høje smeltepunkt gør det til et ildfast metal..
3287 ° C.
1200 ° C til rent metal og 250 ° C til findelt pulver.
Titanium er et duktilt metal, hvis det mangler ilt.
4,506 g / ml. Og ved sit smeltepunkt 4,11 g / ml.
14,15 kJ / mol.
425 kJ / mol.
25060 J / mol K.
1.54 på Pauling-skalaen.
Først: 658,8 kJ / mol.
Andet: 1309,8 kJ / mol.
Tredje: 2652,5 kJ / mol.
6.0.
Af oxidationstallene er +2, +3 og +4 de mest almindelige, og dem der henvises til i den traditionelle nomenklatur ved navngivning af titaniumforbindelser. Ellers forbliver reglerne for bestanden og de systematiske nomenklaturer de samme.
Overvej for eksempel TiOto og TiCl4, to af de mest kendte titaniumforbindelser.
Det blev allerede sagt, at i TiOto oxidationsantalet af titanium er +4, og da det er det største (eller positive), skal navnet slutte med suffikset -ico. Således er dets navn titanoxid ifølge den traditionelle nomenklatur; titanium (IV) oxid i henhold til lagernomenklaturen og titandioxid i henhold til den systematiske nomenklatur.
Og til TiCl4 vi fortsætter på en mere direkte måde:
Nomenklatur: navn
-Traditionelt: titanchlorid
-Lager: titanium (IV) klorid
-Systematik: titantetrachlorid
På engelsk kaldes denne forbindelse ofte 'Tickle'.
Hver titaniumforbindelse kan endda have egennavne uden for navngivningsreglerne og vil afhænge af det tekniske fagjargon i det pågældende felt..
Selvom det er det syvende mest rigelige metal på jorden og det niende mest forekommende i jordskorpen, findes titanium ikke i naturen som et rent metal, men i kombination med andre grundstoffer i mineraloxider; bedre kendt som titaniferøse mineraler.
For at opnå det er det derfor nødvendigt at bruge disse mineraler som råmateriale. Nogle af dem er:
-Titanit eller sfen (CaTiSiO5), med urenheder i jern og aluminium, der gør deres krystaller grønne.
-Brookite (TiOto orthorhombisk).
-Rutil, den mest stabile polymorfe af TiOto, efterfulgt af mineraler anatase og brookite.
-Ilmenita (FeTiO3).
-Perovskite (CaTiO3)
-Leucoxen (heterogen blanding af anatase, rutil og perovskit).
Bemærk, at der er flere titaniferøse mineraler nævnt, selvom der er andre. Imidlertid er ikke alle lige så rigelige, og de kan ligeledes udvise urenheder, som er vanskelige at fjerne, og som sætter egenskaberne af det endelige metalliske titanium i fare..
Det er grunden til, at sfen og perovskit normalt anvendes til produktion af titanium, da deres calcium- og siliciumindhold er vanskelige at fjerne fra reaktionsblandingen..
Af alle disse mineraler er rutil og ilmenit mest anvendt kommercielt og industrielt på grund af deres høje indhold af TiOto; de er rige på titanium.
Valg af et af mineralerne som råmateriale, TiOto i dem skal det reduceres. For at gøre dette opvarmes mineralerne sammen med kul rødvarmt i en reaktor med fluidiseret leje ved 1000 ° C. Der TiOto reagerer med klorgas i overensstemmelse med følgende kemiske ligning:
Onkelto(s) + C (s) + 2Clto(g) => TiCl4(l) + COto(g)
TiCl4 Det er en uren farveløs væske, da den ved den temperatur opløses sammen med andre metalliske klorider (jern, vanadium, magnesium, zirconium og silicium) stammer fra de urenheder, der findes i mineralerne. Derfor er TiCl4 derefter renses den ved fraktioneret destillation og udfældning.
TiCl allerede oprenset4, en lettere art at reducere, hældes den i en rustfri stålbeholder, hvorpå der påføres et vakuum for at fjerne ilt og nitrogen, og den fyldes med argon for at sikre en inert atmosfære, der ikke påvirker det producerede titanium. Magnesium tilsættes i processen, som reagerer ved 800 ° C i henhold til følgende kemiske ligning:
TiCl4(l) + 2Mg (l) => Ti (s) + 2MgClto(l)
Titanium udfældes som et svampet fast stof, der udsættes for behandlinger for at rense det og give det bedre faste former eller bruges direkte til fremstilling af titanmineraler.
Titanium har en høj modstandsdygtighed over for korrosion på grund af et lag TiOto der beskytter metalets inderside mod oxidation. Men når temperaturen stiger over 400 ° C, begynder et tyndt stykke metal at brænde fuldstændigt for at danne en TiO-blanding.to og TiN:
Ti (s) + Oto(g) => TiOto(s)
2Ti (s) + Nto(g) => TiN (s)
Begge gasser, ELLERto og Nto, logisk set er de i luften. Disse to reaktioner forekommer hurtigt, når titanium er opvarmet rødglødende. Og hvis det findes som et findelt pulver, er reaktionen endnu mere kraftig, hvorfor titanium i denne faste tilstand er meget brandfarligt..
Dette lag af TiOto-TiN beskytter ikke kun titanium mod korrodering, men også mod angreb fra syrer og baser, så det er ikke let metal at opløse.
For at opnå dette skal stærkt koncentrerede syrer anvendes og koges til kog, hvorved der fås en lilla-farvet opløsning, der er resultatet af de vandige komplekser af titan; for eksempel [Ti (OHto)6]+3.
Der er dog en syre, der kan opløse den uden mange komplikationer: flussyre:
2Ti (s) + 12HF (aq) 2 [TiF6]3-(aq) + 3Hto(g) + 6H+(aq)
Titanium kan reagere direkte med halogener for at danne de respektive halogenider. For eksempel er din reaktion på jod som følger:
Ti (s) + 2Ito(s) => TiI4(s)
På samme måde sker det med fluor, klor og brom, hvor der dannes en intens flamme.
Når titan er fint opdelt, er det ikke kun tilbøjeligt til antændelse, men også at reagere kraftigt med stærke oxidationsmidler ved den mindste varmekilde..
En del af disse reaktioner bruges til pyroteknik, da der genereres lyse hvide gnister. For eksempel reagerer det med ammoniumperchlorat i henhold til den kemiske ligning:
2Ti (s) + 2NH4ClO4(s) => 2TiOto(s) + Nto(g) + Clto(g) + 4HtoO (g)
Metallisk titanium i sig selv udgør ikke nogen sundhedsrisiko for dem, der arbejder med det. Det er et harmløst fast stof; Medmindre det formales som et fint partikelpulver. Dette hvide pulver kan være farligt på grund af dets høje antændelighed, nævnt i reaktionsafsnittet..
Når titanium formales, er reaktionen med ilt og nitrogen hurtigere og mere kraftig, og det kan endda brænde eksplosivt. Derfor repræsenterer den en frygtelig brandrisiko, hvis den bliver opbevaret, hvor den bliver ramt af flammer..
Ved brænding kan ilden kun slukkes med grafit eller natriumchlorid; aldrig med vand, i det mindste i disse tilfælde.
Ligeledes bør deres kontakt med halogener undgås for enhver pris; det vil sige med enhver gasformig lækage af fluor eller klor eller interagerer med den rødlige væske af brom eller de flygtige iodkrystaller. Hvis dette sker, tager titan ild. Det bør heller ikke komme i kontakt med stærke oxidationsmidler: permanganater, chlorater, perchlorater, nitrater osv..
Ellers kan dens ingots eller legeringer ikke udgøre flere risici end fysiske slag, da de ikke er særlig gode ledere af varme eller elektricitet og er behagelige at røre ved..
Hvis det findelte faste stof er brændbart, skal det være endnu mere, så det består af titananopartikler. Fokus for dette underafsnit skyldes imidlertid TiO-nanopartiklerneto, som er blevet brugt i endeløse applikationer, hvor de fortjener deres hvide farve; som slik og slik.
Selvom deres absorption, fordeling, udskillelse eller toksicitet i kroppen ikke er kendt, har de vist sig at være toksiske i studier på mus. For eksempel viste de, at det genererer emfysem og rødme i deres lunger såvel som andre luftvejssygdomme i deres udvikling.
Ved ekstrapolering fra musene til os konkluderes det, at indånding af TiO-nanopartiklerto det påvirker vores lunger. De kan også ændre hippocampus-regionen i hjernen. Derudover udelukker Det Internationale Agentur for Kræftforskning dem ikke som mulige kræftfremkaldende stoffer..
At tale om anvendelsen af titanium henviser nødvendigvis til dets forbindelse titandioxid. Onkelento faktisk dækker det ca. 95% af alle applikationer vedrørende dette metal. Årsagerne: dens hvide farve, den er uopløselig, og den er også giftfri (for ikke at nævne de rene nanopartikler).
Derfor bruges det normalt som et pigment eller tilsætningsstof i alle de produkter, der kræver hvide farvestoffer; såsom tandpasta, medicin, slik, papirer, ædelstene, maling, plast osv..
Onkelento kan også bruges til at skabe film til at belægge enhver overflade, såsom glas eller kirurgiske værktøjer.
Ved at have disse belægninger kan vandet ikke fugte dem og løbe på dem, som det ville regne på bilruder. Værktøjer med disse belægninger kan dræbe bakterier ved at absorbere UV-stråling.
Hund urin eller tyggegummi kunne ikke fikse sig på asfalt eller cement på grund af TiOs virkningto, hvilket letter dens efterfølgende fjernelse.
Og endelig med hensyn til TiOto, det er en fotokatalysator, der er i stand til at frembringe organiske radikaler, som imidlertid neutraliseres af silica eller aluminiumoxidfilm i solcreme. Dens hvide farve angiver allerede tydeligt, at den skal have dette titaniumoxid.
Titanium er et metal med betydelig styrke og hårdhed i forhold til dets lave densitet. Dette gør det til en erstatning for stål til alle de applikationer, hvor der er behov for høje hastigheder, eller der er designet store vingefangsfly, såsom A380-flyet i billedet ovenfor..
Derfor har dette metal mange anvendelser i luftfartsindustrien, da det modstår oxidation, det er let, stærkt og dets legeringer kan forbedres med de nøjagtige tilsætningsstoffer..
Ikke kun i luftfartsindustrien er titanium og dets legeringer i centrum, men også i sportsindustrien. Dette skyldes, at mange af deres redskaber skal være lette, så deres bærere, spillere eller atleter kan klare dem uden at føle sig for tunge..
Nogle af disse ting er: cykler, golf- eller hockeystokke, fodboldhjelme, tennis- eller badmintonketcher, hegn, sværd, skøjter, ski, blandt andre..
Ligeledes, selvom det i meget mindre grad på grund af dets høje pris, er titanium og dets legeringer blevet brugt i luksus- og sportsvogne..
Formalet titanium kan blandes med for eksempel KClO4, og tjene som fyrværkeri som faktisk er lavet af dem, der laver dem i pyrotekniske shows.
Titanium og dets legeringer er de metalliske materialer i topklasse inden for biomedicinske applikationer. De er biokompatible, inerte, stærke, vanskelige at oxidere, ikke-toksiske og integreres problemfrit med knogler.
Dette gør dem meget nyttige til ortopædiske og tandimplantater, til kunstige hofte- og kneledd, som skruer til fastgørelse af brud, til pacemakere eller kunstige hjerter..
Den biologiske rolle titanium er usikker, og selvom det vides, at det kan akkumuleres i nogle planter og gavne væksten af visse landbrugsafgrøder (såsom tomater), er mekanismerne, hvor det griber ind, ukendte..
Det siges at fremme dannelsen af kulhydrater, enzymer og klorofyler. De formoder, at det skyldes en reaktion fra planteorganismer at forsvare sig mod de lave biotilgængelige koncentrationer af titanium, da de er skadelige for dem. Imidlertid er sagen stadig i mørke.
Endnu ingen kommentarer