TITANIUM: HISTORIE, STRUKTUR, EGENSKABER, REAKTIONER, ANVENDELSER - KEMI - 2025

Den titanium er et overgangsmetal, som er repræsenteret ved den kemiske symbol Ti. Det er det andet metal, der vises fra blok d i det periodiske system, lige efter skandium. Dets atomnummer er 22, og det forekommer i naturen som mange isotoper og radioisotoper, hvoraf ⁴⁸ Ti er den mest rigelige af alle.

Dens farve er sølvgrå, og dens dele er dækket af et beskyttende lag af oxid, der gør titanium til et metal meget resistent mod korrosion. Hvis dette lag er gulligt, er det titannitrid (TiN), som er en forbindelse, der dannes, når dette metal forbrænder i nærværelse af nitrogen, en unik og markant egenskab.

Titanium ringe. Kilde: Pxhere.

Ud over hvad der allerede er nævnt, er det yderst modstandsdygtigt over for mekaniske påvirkninger på trods af at det er lettere end stål. Derfor er det kendt som det stærkeste metal af alle, og selve navnet er synonymt med styrke. Det har også styrke og lethed, to egenskaber, der gør det til et ønskeligt materiale til flyproduktion.

Ligeledes og ikke mindst er titan et biokompatibelt metal, der er behageligt at røre ved, hvorfor det bruges i smykker til at fremstille ringe; og i biomedicin, såsom ortopædiske og tandimplantater, der er i stand til at integreres i knoglevæv.

Imidlertid sit bedste kendte anvendelser bor i TiO ₂, som et pigment, tilsætningsstof, belægning og fotokatalysator.

Det er det niende mest rigelige element på Jorden og det syvende inden for metaller. På trods af dette er omkostningerne høje på grund af de vanskeligheder, der skal overvindes for at udvinde det fra dets mineraler, blandt andet er rutil, anatase, ilmenit og perovskit. Af alle produktionsmetoder er Kroll-processen den mest anvendte på verdensplan.

Historie

Opdagelse

Titanium blev identificeret for første gang i ilmenit-mineralet i Manaccan Valley (Det Forenede Kongerige) af præsten og amatørmineralog William Gregor, tilbage i 1791. Han var i stand til at identificere, at det indeholdt et jernoxid, da dets sand bevægede sig gennem påvirkning af en magnet; men han rapporterede også, at der var et andet oxid af et ukendt metal, som han kaldte "manacanite."

Desværre, selvom han henvendte sig til Royal Geological Society of Cornwall og andre forretninger, skabte hans bidrag ikke en anstød for ikke at være en anerkendt videnskabsmand.

Fire år senere, i 1795, anerkendte den tyske kemiker Martin Heinrich Klaproth uafhængigt af det samme metal; men i rutilmalm i Boinik, nu Slovakiet.

Nogle hævder, at han navngav dette nye metal 'titan' inspireret af dets sejhed i lighed med titanerne. Andre hævder, at det skyldtes mere neutraliteten af ​​de mytologiske figurer selv. Titanium blev således født som et kemisk element, og Klaproth kunne senere konkludere, at det var den samme manacanit som mineralet ilmenit.

Isolation

Siden da begyndte forsøg på at isolere det fra sådanne mineraler; men de fleste af dem lykkedes ikke, da titanet var forurenet med ilt eller nitrogen eller dannede et karbid, som det var umuligt at reducere. Det tog næsten et århundrede (1887) for Lars Nilson og Otto Pettersson at forberede en prøve, der var 95% ren.

I 1896 lykkedes det Henry Moissan at opnå en prøve med op til 98% renhed takket være den reducerende virkning af metallisk natrium. Imidlertid var disse urene titaner sprøde af virkningen af ​​oxygen og nitrogenatomer, så det var nødvendigt at designe en fremgangsmåde 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 anvendelse af calcium og magnesium. I dag er Kroll-processen fortsat en af ​​de førende metoder til fremstilling af metallisk titan i kommerciel og industriel skala.

Fra dette tidspunkt følger titanens historie løbene med dets legeringer i applikationer til luftfarts- og militærindustrien.

Struktur og elektronisk konfiguration

Rent titan kan krystallisere med to strukturer: en kompakt hexagonal (hcp), kaldet α-fasen, og en kropscentreret kubik (bcc), kaldet ß-fasen. Det er således et dimorfisk metal, der er i stand til at gennemgå allotropiske (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 hexagonale krystal en kubisk, mindre tæt, hvilket er i overensstemmelse med de højere atomvibrationer forårsaget af varme.

Når temperaturen stiger, modvirker a-fasen større termisk modstand; det vil sige, dens specifikke varme stiger også, så der er behov for mere og mere varme for at nå 882 ° C.

Hvad hvis trykket i stedet for at hæve temperaturen? Derefter får du forvrængede bcc-krystaller.

Link

I disse metalliske krystaller intervenerer valenselektronerne i 3d og 4s orbitaler i bindingen, der forbinder Ti-atomerne, i henhold til den elektroniske konfiguration:

3d ² 4s ²

Den har kun fire elektroner at dele med sine naboer, hvilket resulterer i næsten tomme 3d-bånd, og titan er derfor ikke en god leder af elektricitet eller varme som andre metaller.

Legeringer

Endnu vigtigere end hvad der er blevet sagt om den krystallinske struktur af titan, er, at begge faser, a og β, kan danne deres egne legeringer. Disse kan bestå af rene α- eller ß-legeringer eller blandinger af begge i forskellige forhold (α + β).

Ligeledes påvirker størrelsen af ​​deres respektive krystallinske korn de endelige egenskaber af nævnte titanlegeringer såvel som massesammensætningen og forholdene mellem de tilsatte additiver (et par andre metaller eller N, O, C eller H-atomer).

Tilsætningsstoffer har en betydelig indflydelse på titanlegeringer, 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 ß-fasen (mindre tætte bcc-krystaller).

Undersøgelsen af ​​alle disse titanlegeringer, deres strukturer, sammensætning, egenskaber og anvendelser er genstand for metallurgiske værker, der er afhængige af krystallografi.

Oxidationsnumre

I henhold til elektronkonfigurationen ville titan have brug for otte elektroner til fuldt ud at fylde 3d orbitaler. Dette kan ikke opnås i nogen af ​​dets forbindelser, og på det højeste vinder det op til to elektroner; det vil sige, det kan få negative oxidationsnumre: -2 (3d ⁴) og -1 (3d ³).

Årsagen skyldes elektronegativiteten af ​​titan, og at det desuden er et metal, så det har en større tendens til at have positive oxidationstal; såsom +1 (3d ² 4s ¹), +2 (3d ² 4s ⁰), +3 (3d ¹ 4s ⁰) og +4 (3d ⁰ 4s ⁰).

Bemærk, hvordan elektronerne fra 3d og 4s orbitaler forlader, da eksistensen af ​​kationerne Ti ⁺, Ti ²⁺ osv. Antages.

Oxidationen nummer 4 (Ti ⁴⁺) er den mest repræsentative for alle, fordi det svarer til den af titan i oxid: TiO ₂ (Ti ⁴⁺ O ₂ ^2-).

Ejendomme

Fysisk fremtoning

Grålig sølvmetal.

Molar masse

47,867 g / mol.

Smeltepunkt

1668 ° C Dette relativt høje smeltepunkt gør det til et ildfast metal.

Kogepunkt

3287 ° C

Selvantændelsestemperatur

1200 ° C for rent metal og 250 ° C for fint opdelt pulver.

duktilitet

Titanium er et duktilt metal, hvis det mangler ilt.

Massefylde

4,506 g / ml. Og på dets smeltepunkt, 4,11 g / ml.

Fusionsvarme

14,15 kJ / mol.

Fordampningsvarme

425 kJ / mol.

Molær varmekapacitet

25060 J / mol · K.

elektronegativitet

1.54 på Pauling-skalaen.

Ioniseringsenergier

Først: 658,8 kJ / mol.

Andet: 1309,8 kJ / mol.

Tredje: 2652,5 kJ / mol.

Mohs hårdhed

6.0.

nomenklatur

Af oxidationsnumrene er +2, +3 og +4 de mest almindelige, som de er omtalt i den traditionelle nomenklatur, når man benævner titanforbindelser. Ellers forbliver reglerne for bestanden og systematiske nomenklaturer de samme.

Betragt for eksempel TiO ₂ og TiCU ₄, to af de mest kendte forbindelser af titan.

Det er allerede blevet sagt, at i TiO ₂ er oxidationsnummeret på titan +4, og derfor skal navnet være det største (eller positive) med endelsen -ico. Således hedder det titanoxid i henhold til den traditionelle nomenklatur; titanium (IV) oxid ifølge stamnomenklaturen; og titandioxid i henhold til den systematiske nomenklatur.

Og for TiCl ₄ fortsætter vi mere direkte:

Nomenklatur: navn

-Traditionel: titanchlorid

-Lager: titan (IV) chlorid

-Systematisk: titantetrachlorid

På engelsk benævnes denne forbindelse ofte 'Tickle'.

Hver titanforbindelse kan endda have rigtige navne uden for navnebestemmelserne og vil afhænge af det tekniske jargon på det pågældende felt.

Hvor man finder og producerer

Titanholdige mineraler

Rutilkvarts, et af mineraler med det højeste indhold af titan. Kilde: Didier Descouens

Selv om det er det syvende mest rigelige metal på Jorden, og det niende hyppigste i jordskorpen, findes der ikke i naturen som et rent metal, men i kombination med andre elementer i mineraloxider; bedre kendt som titaniferholdige mineraler.

For at opnå det er det nødvendigt at bruge disse mineraler som råmateriale. Nogle af dem er:

-Titanit eller sfen (CaTiSiO ₅), med jern og aluminium urenheder, der gør deres krystaller grøn.

-Brookit (Orthorhombic TiO ₂).

-Rutil, den mest stabile polymorf af TiO ₂, efterfulgt af mineraler anatase og brookit.

-Ilmenite (FeTiO ₃).

-Perovskite (CaTiO ₃)

-Leucoxen (heterogen blanding af anatase, rutil og perovskit).

Bemærk, at der er adskillige titanholdige mineraler nævnt, selvom der er andre. Imidlertid er ikke alle dem lige så rigelige, og de kan ligeledes indeholde urenheder, der er svære at fjerne, og som sætter egenskaberne for det endelige metalliske titan i fare.

Det er grunden til at sphen og perovskite ofte bruges til fremstilling af titan, da deres calcium- og siliciumindhold er vanskeligt at fjerne fra reaktionsblandingen.

Af alle disse mineraler, rutil og ilmenit er de mest anvendte kommercielt og industrielt på grund af deres høje indhold af TiO ₂; de er rige på titan.

Kroll-processen

Hvis du vælger en af ​​mineraler som råmateriale, skal TiO ₂ i dem reduceres. For at gøre dette opvarmes mineralerne, sammen med kul, rødt varmt i en reaktor med fluidiseret leje ved 1000 ° C. Der, TiO ₂ reagerer med chlorgas i henhold til følgende reaktionsskema:

TiO ₂ (s) + C (s) + 2Cl ₂ (g) => TiCU ₄ (l) + CO ₂ (g)

TiCl ₄ er en uren farveløs væske, da den ved denne temperatur opløses sammen med andre metalliske chlorider (jern, vanadium, magnesium, zirconium og silicium) stammer fra urenhederne, der er til stede i mineralerne. Derfor TiCU _{er 4} oprenses derefter ved fraktioneret destillation og udfældning.

Når oprenset, den TiCl ₄, en art lettere at reducere, hældes i en rustfri stålbeholder, til hvilken der påføres et vakuum, for at eliminere oxygen og nitrogen, og fyldt med argon for at sikre en inert atmosfære, som ikke påvirker titanium. produceret. Magnesium tilsættes i processen, som reagerer ved 800 ° C i henhold til følgende kemiske ligning:

TiCU ₄ (l) + 2 mg (l) => Ti (s) + 2MgCl ₂ (l)

Titan udfældes som et svampet fast stof, der underkastes behandlinger for at rense det og give det bedre faste former, eller bruges direkte til fremstilling af titanmineraler.

Reaktioner

Med luften

Titanium har en høj modstand mod korrosion på grund af et lag TiO _2, der beskytter det indre af metallet mod oxidation. Men når temperaturen stiger til over 400 ° C, et tyndt stykke metal begynder at brænde fuldstændigt til dannelse af en blanding af TiO ₂ og TiN:

Ti (s) + O ₂ (g) => TiO ₂ (s)

2Ti (s) + N ₂ (g) => TiN (s)

Både gasser, O ₂ og N ₂, er logisk i luften. Disse to reaktioner forekommer hurtigt, når titanet er opvarmet rødglødende. Og hvis det findes som et fint opdelt pulver, er reaktionen endnu mere kraftig, hvilket gør titan i denne faste tilstand meget brandfarlig.

Med syrer og baser

Dette TiO ₂ -TiN lag beskytter ikke kun titan mod korrodering, men også mod angreb fra syrer og baser, så det er ikke et let metal at opløse.

For at opnå dette skal høje koncentrerede syrer anvendes og koges til koges ved opnåelse af en lilla opløsning, der er resultatet af de vandige komplekser af titan; for eksempel ⁺³.

Der er dog en syre, der kan opløse den uden mange komplikationer: fluorid:

2Ti (s) + 12HF (aq) 2 ^3- (aq) + 3H ₂ (g) + 6H ⁺ (aq)

Med halogener

Titanium kan reagere direkte med halogener for at danne de respektive halogenider. For eksempel er din reaktion på jod som følger:

Ti (s) + 2I ₂ (s) => tii ₄ (s)

På lignende måde sker det med fluor, klor og brom, hvor der dannes en intens flamme.

Med stærke oxidanter

Når titan er fint opdelt, er det ikke kun tilbøjeligt til antændelse, men også til at reagere kraftigt med stærke oxidationsmidler ved den mindste varmekilde.

En del af disse reaktioner bruges til pyroteknologi, da der genereres klare hvide gnister. F.eks. Reagerer det med ammoniumperchlorat i henhold til den kemiske ligning:

2Ti (s) + 2NH ₄ ClO ₄ (s) => 2TiO ₂ (s) + N ₂ (g) + Cl ₂ (g) + 4H ₂ O (g)

Risici

Metallisk titan

Titanpulver er et meget brandfarligt fast stof. Kilde: W. Oelen

Det metalliske titan udgør i sig selv ingen risiko for helbredet for dem, der arbejder med det. Det er et ufarligt fast stof; Medmindre det males som et fint partikelpulver. Dette hvide pulver kan være farligt på grund af dets høje antændelighed, nævnt i reaktionsafsnittet.

Når titan er formalet, er dets reaktion med ilt og nitrogen hurtigere og kraftigere, og det kan endda brænde eksplosivt. Derfor repræsenterer det en frygtelig brandfare, hvis den, hvor den opbevares, rammes 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 en gasformig lækage af fluor eller chlor eller interaktion med den rødlige væske af brom eller de flygtige iodkrystaller. Hvis dette sker, tændes titanet. Det må heller ikke komme i kontakt med stærke oxidationsmidler: permanganater, chlorater, perchlorater, nitrater osv.

Ellers kan dens blokke eller legeringer ikke udgøre mere risiko end fysiske slag, da de ikke er særlig gode ledere af varme eller elektricitet og er behagelige at røre ved.

Nanopartikler

Hvis det findelte faste stof er brandfarligt, skal det være endnu mere, så det består af titan-nanopartikler. Det centrale punkt i dette underafsnit skyldes imidlertid TiO _2- nanopartiklerne, som er blevet brugt i utallige anvendelser, hvor de fortjener deres hvide farve; som slik og slik.

Selv om dets absorption, distribution, udskillelse eller toksicitet i kroppen ikke er kendt, har de vist sig at være giftige i studier på mus. For eksempel viste de, at det genererer emfysem og rødme i deres lunger, samt andre åndedrætsforstyrrelser i deres udvikling.

Ved ekstrapolering fra mus til os konkluderes det, at indånding af TiO _2- nanopartikler påvirker vores lunger. De kan også ændre hippocampusregionen i hjernen. Derudover udelukker Det Internationale Agentur for Kræftforskning dem ikke som mulige kræftfremkaldende stoffer.

Applikationer

Pigment og tilsætningsstof

At tale om anvendelsen af ​​titan refererer nødvendigvis til brugen af ​​titandioxid. TiO ₂ dækker faktisk omkring 95% af alle anvendelser vedrørende dette metal. Årsagerne: dets hvide farve, det er uopløseligt, og det er også ikke-giftigt (for ikke at nævne de rene nanopartikler).

Derfor bruges det normalt som pigment eller tilsætningsstof i alle de produkter, der kræver hvide farver; såsom tandpasta, medicin, slik, papirer, ædelstene, maling, plast osv.

Belægninger

TiO ₂ kan også bruges til at skabe film til belægning af enhver overflade, såsom glas eller kirurgisk værktøj.

Ved at have disse overtræk kan vandet ikke fugtige dem og køre på dem, ligesom regn ville gøre på bilens forruder. Værktøjer med disse belægninger kunne dræbe bakterier ved at absorbere UV-stråling.

Hundurin eller tyggegummi kunne ikke fikseres på asfalt eller cement ved hjælp af TiO ₂, hvilket ville lette dets efterfølgende fjernelse.

Solcreme

TiO2 er en af ​​de aktive komponenter i solcreme. Kilde: Pixabay.

Og endelig med hensyn til TiO ₂ er det en fotokatalysator, der er i stand til at stamme organiske radikaler, som imidlertid neutraliseres af silica eller aluminiumoxidfilm i solcreme. Dens hvide farve indikerer allerede tydeligt, at den skal have dette titaniumoxid.

Luftfartsindustri

Titanium-legeringer bruges til at fremstille store fly eller hurtige skibe. Kilde: Pxhere.

Titanium er et metal med betydelig styrke og hårdhed i forhold til dets lave tæthed. Dette gør det til en erstatning for stål til alle de anvendelser, hvor der kræves høje hastigheder, eller der er designet store vingespidsfly, såsom A380-flyene på billedet ovenfor.

Derfor har dette metal mange anvendelser inden for luftfartsindustrien, da det modstår oxidation, det er let, stærkt og dets legeringer kan forbedres med de nøjagtige tilsætningsstoffer.

Sport

Ikke kun inden for luftfartsindustrien er titan og dens legeringer centralt, men også inden for sportsindustrien. Dette skyldes, at mange af deres redskaber skal være lette, så deres bærere, spillere eller atleter kan håndtere dem uden at føle sig for tunge.

Nogle af disse ting er: cykler, golf- eller hockeystokke, fodboldhjelme, tennis- eller badmintonracket, hegnende sværd, skøjter, ski, blandt andre.

Selvom titan og dens legeringer på grund af dets høje omkostninger på grund af dens høje omkostninger også er blevet brugt i luksus- og sportsbiler.

pyroteknik

Det malede titan kan blandes med for eksempel KClO ₄ og tjene som fyrværkeri; det gør faktisk dem, der fremstiller dem i pyrotekniske shows.

Medicin

Titanium og dets legeringer er de metalliske materialer, der er fremragende inden for biomedicinske anvendelser. 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 knæled, som skruer til fastgørelse af brud, til pacemakere eller kunstige hjerter.

Biologisk

Den biologiske rolle af titan er usikker, og selvom det er kendt, at det kan samle sig i nogle planter og gavne væksten af ​​visse landbrugsafgrøder (såsom tomater), er mekanismerne, hvor det griber ind, ukendt.

Det siges at fremme dannelsen af ​​kulhydrater, enzymer og klorofyler. De antager, at det skyldes en reaktion fra planteorganismer at forsvare sig mod de lave biotilgængelige koncentrationer af titan, da de er skadelige for dem. Men sagen er stadig i mørke.

Referencer

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Titanium. Gendannet fra: en.wikipedia.org
3. Bomuld Simon. (2019). Titanium. Royal Society of Chemistry. Gendannes fra: chemistryworld.com
4. Davis Marauo. (2019). Hvad er titan? Egenskaber & anvendelser. Undersøgelse. Gendannes fra: study.com
5. Helmenstine, Anne Marie, ph.d. (3. juli 2019). Titanium kemiske og fysiske egenskaber. Gendannes fra: thoughtco.com
6. KDH Bhadeshia. (Sf). Metallurgi af titan og dets legeringer. University of Cambridge. Gendannes fra: fase-trans.msm.cam.ac.uk
7. Chambers Michelle. (7. december 2017). Sådan hjælper titan liv. Gendannes fra: titaniumprocessingcenter.com
8. Clark J. (05. juni 2019). Titanium kemi. Kemi LibreTexts. Gendannes fra: chem.libretexts.org
9. Venkatesh Vaidyanathan. (2019). Hvordan fremstilles titanium? Videnskab ABC. Gendannes fra: scienceabc.com
10. Dr. Edward Group. (10. september 2013). Sundhedsrisici ved titanium. Global Healing Center. Gendannes fra: globalhealingcenter.com
11. Tlustoš, P. Cígler, M. Hrubý, S. Kužel, J. Száková & J. Balík. (2005). Titans rolle i biomasseproduktionen og dens indflydelse på væsentlige elementers indhold i markdyrkning. PLANTJORDMILJØ., 51, (1): 19–25.
12. KYOCERA SGS. (2019). Titaniums historie. Gendannes fra: kyocera-sgstool.eu