TITAN: HISTORIE, STRUKTUR, EGENSKAPER, REAKSJONER, BRUK - KJEMI - 2025

Den titan er et overgangsmetall som er representert ved den kjemiske symbol Ti. Det er det andre metallet som vises fra blokk d i det periodiske systemet, like etter skandium. Dets atomnummer er 22, og det forekommer i naturen som mange isotoper og radioisotoper, hvorav ⁴⁸ Ti er det mest tallrike av alle.

Fargen er sølvgrå, og delene er dekket av et beskyttende lag av oksid som gjør titan til et metall som er meget motstandsdyktig mot korrosjon. Hvis dette laget er gulaktig, er det titannitrid (TiN), som er en forbindelse som dannes når dette metallet brenner i nærvær av nitrogen, en unik og utmerket egenskap.

Titanringer. Kilde: Pxhere.

I tillegg til det som allerede er nevnt, er det meget motstandsdyktig mot mekaniske støt til tross for at det er lettere enn stål. Derfor er det kjent som det sterkeste metallet av alle, og selve navnet er synonymt med styrke. Den har også styrke og letthet, to egenskaper som gjør det til et ønskelig materiale for produksjon av fly.

På samme måte, og ikke minst, er titan et biokompatibelt metall som er behagelig å berøre, og det er derfor det brukes i smykker til å lage ringer; og i biomedisin, så som ortopediske og tannimplantater, som er i stand til å integrere seg i beinvev.

Imidlertid er dens mest kjente bruksområder bosatt i TiO ₂ , som pigment, tilsetningsstoff, belegg og fotokatalysator.

Det er det niende rikeste elementet på jorden, og det syvende innen metaller. Til tross for dette er kostnadene høye på grunn av vanskelighetene som må overvinnes for å utvinne det fra mineralene, blant annet rutil, anatase, ilmenitt og perovskitt. Av alle produksjonsmetodene er Kroll-prosessen den mest brukte over hele verden.

Historie

Oppdagelse

Titan ble for første gang identifisert i ilmenitt-mineralet i Manaccan Valley (Storbritannia), av pastoren og amatørmineralog William Gregor, tilbake i 1791. Han klarte å identifisere at den inneholdt et jernoksid, siden sandene beveget seg gjennom påvirkning av en magnet; men han rapporterte også at det var et annet oksid av et ukjent metall, som han kalte "manakanitt."

Selv om han henvendte seg til Royal Geological Society of Cornwall og andre utsalgssteder, førte dessverre ikke hans bidrag til at han ikke var en anerkjent vitenskapsmann.

Fire år senere, i 1795, anerkjente den tyske kjemikeren Martin Heinrich Klaproth uavhengig av det samme metallet; men i rutilmalm i Boinik, nå Slovakia.

Noen hevder at han kalte dette nye metallet 'titan' inspirert av dets seighet i likhet med titanene. Andre hevder at det skyldtes mer nøytraliteten til de mytologiske karakterene selv. Dermed ble titan født som et kjemisk element, og Klaproth kunne senere konkludere med at det var den samme manakanitten som mineralet ilmenitt.

Isolering

Siden den gang begynte forsøk på å isolere den fra slike mineraler; men de fleste av dem lyktes ikke, siden titanet var forurenset med oksygen eller nitrogen, eller dannet et karbid som det var umulig å redusere. Det tok nesten et århundre (1887) for Lars Nilson og Otto Pettersson å utarbeide en prøve som var 95% ren.

I 1896 klarte Henry Moissan å oppnå en prøve med opp til 98% renhet, takket være den reduserende virkningen av metallisk natrium. Imidlertid var disse urene titanene sprø av virkningen av oksygen og nitrogenatomer, så det var nødvendig å utforme en prosess for å holde dem utenfor reaksjonsblandingen.

Og med denne tilnærmingen oppsto Hunter Process i 1910, utviklet av Matthew A. Hunter i samarbeid med General Electric ved Rensselaer Polytechnic Institute.

20 år senere, i Luxembourg, utarbeidet William J. Kroll en annen metode ved bruk av kalsium og magnesium. I dag er Kroll-prosessen fortsatt en av de ledende metodene for å produsere metallisk titan i kommersiell og industriell skala.

Fra dette tidspunktet følger titanens historie løpet av legeringene i applikasjoner for luftfart og militær industri.

Struktur og elektronisk konfigurasjon

Rent titan kan krystallisere med to strukturer: en kompakt heksagonal (hcp), kalt α-fasen, og en kroppssentrert kubikk (bcc), kalt ß-fasen. Således er det et dimorf metall, som er i stand til å gjennomgå allotropiske (eller fase) overganger mellom hcp og bcc strukturer.

Α-fasen er den mest stabile ved omgivelsestemperatur og trykk, med Ti-atomene omgitt av tolv naboer. Når temperaturen økes til 882 ° C, forvandles den sekskantede krystallen til en mindre tett kubikk, noe som er konsistent med de høyere atomvibrasjoner som produseres av varme.

Når temperaturen øker, tilbyr a-fasen større termisk motstand; det vil si at den spesifikke varmen øker også, slik at mer og mer varme er nødvendig for å komme opp i 882 ° C.

Hva om trykket gjør i stedet for å øke temperaturen? Da får du forvrengte bcc-krystaller.

link

I disse metalliske krystaller griper valenselektronene fra 3d og 4s orbitalene inn i bindingen som forbinder Ti-atomene, i henhold til den elektroniske konfigurasjonen:

3d ² 4s ²

Den har bare fire elektroner å dele med naboene, noe som resulterer i nesten tomme 3d-bånd, og derfor er titan ikke en like god leder av elektrisitet eller varme som andre metaller.

legeringer

Enda viktigere enn det som er blitt sagt angående den krystallinske strukturen til titan, er at begge faser, α og β, kan danne sine egne legeringer. Disse kan bestå av rene α- eller ß-legeringer, eller blandinger av begge i forskjellige proporsjoner (α + β).

På samme måte påvirker størrelsen på deres respektive krystallinske korn de endelige egenskapene til nevnte titanlegeringer, så vel som massesammensetningen og sammenhengene til de tilsetningsstoffer (noen få andre metaller eller N, O, C eller H-atomer).

Tilsetningsstoffer har en betydelig innflytelse på titanlegeringer fordi de kan stabilisere noen av de to spesifikke fasene. For eksempel: Al, O, Ga, Zr, Sn og N er tilsetningsstoffer som stabiliserer a-fasen (tettere hcp-krystaller); og Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe og andre er tilsetningsstoffer som stabiliserer ß-fasen (mindre tette bcc-krystaller).

Studiet av alle disse titanlegeringene, deres strukturer, sammensetning, egenskaper og anvendelser er gjenstand for metallurgiske verk som er avhengige av krystallografi.

Oksidasjonsnummer

I henhold til elektronkonfigurasjonen ville titan trenge åtte elektroner for å fylle 3d orbitaler fullstendig. Dette kan ikke oppnås i noen av dets forbindelser, og på det meste får det opp til to elektroner; det vil si at den kan skaffe seg negative oksidasjonstall: -2 (3d ⁴ ) og -1 (3d ³ ).

Årsaken skyldes elektronegativiteten til titan og at det i tillegg er et metall, så det har en større tendens til å ha positive oksidasjonstall; som +1 (3d ² 4s ¹ ), +2 (3d ² 4s ⁰ ), +3 (3d ¹ 4s ⁰ ) og +4 (3d ⁰ 4s ⁰ ).

Legg merke til hvordan elektronene fra 3d og 4s-orbitalene forlater ettersom eksistensen av kationene Ti ⁺ , Ti ²⁺ og så videre antas .

Oksydasjonen nummer 4 (Ti ⁴⁺ ) er den mest representative for alt, fordi det svarer til den av titan i oxide: TiO ₂ (Ti ^{4 +} O ₂ ² ).

Egenskaper

Fysisk utseende

Gråaktig sølvmetall.

Molmasse

47,867 g / mol.

Smeltepunkt

1668 ° C. Dette relativt høye smeltepunktet gjør det til et ildfast metall.

Kokepunkt

3287 ° C.

Selvantennelsestemperatur

1200 ° C for rent metall, og 250 ° C for fint delt pulver.

duktilitet

Titan er et duktilt metall hvis det mangler oksygen.

tetthet

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

Fusjonsvarme

14,15 kJ / mol.

Fordampingsvarme

425 kJ / mol.

Molar varmekapasitet

25060 J / mol · K.

elektro

1.54 på Pauling-skalaen.

Ioniseringsenergier

Først: 658,8 kJ / mol.

Andre: 1309,8 kJ / mol.

Tredje: 2652,5 kJ / mol.

Mohs hardhet

6.0.

nomenklatur

Av oksidasjonstallene er +2, +3 og +4 de vanligste, som de er referert til i den tradisjonelle nomenklaturen når man benevner titanforbindelser. Ellers forblir reglene for bestanden og systematiske nomenklaturer de samme.

Tenk for eksempel på TiO ₂ og TiCl ₄ , to av de best kjente forbindelser av titan.

Det har allerede blitt sagt at i TiO ₂ er oksidasjonsnummeret av titan +4, og derfor, fordi det er det største (eller positive), må navnet slutte med suffikset -ico. Dermed er navnet titanoksid, i henhold til den tradisjonelle nomenklaturen; titan (IV) oksid, i henhold til aksjenomenklaturen; og titandioksid, i henhold til den systematiske nomenklaturen.

Og for TiCl ₄ vil vi fortsette mer direkte:

Nomenklatur: navn

-Tradisjonelt: titanklorid

-Lager: titan (IV) klorid

-Systematisk: titantetraklorid

På engelsk blir denne forbindelsen ofte referert til som "Tickle".

Hver titanforbindelse kan til og med ha riktige navn utenfor navneforskrifterne, og vil avhenge av den tekniske sjargongen til det aktuelle feltet.

Hvor du finner og produserer

Titanholdige mineraler

Rutilkvarts, et av mineralene med det høyeste innholdet av titan. Kilde: Didier Descouens

Selv om det er det syvende rikeste metallet på jorden, titan, finnes det ikke i naturen som et rent metall, men i kombinasjon med andre elementer i mineraloksider; bedre kjent som titaniferholdige mineraler.

For å oppnå det er det nødvendig å bruke disse mineralene som råstoff. Noen av dem er:

-Titanite eller sfene (CaTiSiO ₅ ), med urenheter av jern og aluminium som gjør krystallene grønne.

-Brookite ( Orthorhombic TiO ₂ ).

-Rutil, den mest stabile polymorfen av TiO ₂ , etterfulgt av mineralene anatase og brookitt.

-Ilmenitt (FeTiO ₃ ).

-Perovskite (CaTiO ₃ )

-Leucoxene (heterogen blanding av anatase, rutil og perovskitt).

Merk at det er flere titanformige mineraler som er nevnt, selv om det er andre. Imidlertid er ikke alle av dem like rikelig, og de kan også inneholde urenheter som er vanskelige å fjerne og som bringer egenskapene til det endelige metalliske titanet i fare.

Det er grunnen til at sfin og perovskitt ofte brukes til fremstilling av titan, siden kalsium- og silisiuminnholdet er vanskelig å fjerne fra reaksjonsblandingen.

Av alle disse mineralene er rutil og ilmenitt de mest brukte kommersielt og industrielt på grunn av deres høye innhold av TiO ₂ ; det vil si at de er rike på titan.

Kroll prosess

Hvis du velger noen av mineralene som råstoff, må TiO ₂ i dem reduseres. For å gjøre dette varmes mineralene sammen med kull rødglødende i en reaktor med fluidisert sjikt ved 1000 ° C. Der reagerer TiO ₂ med klorgass i henhold til følgende kjemiske ligning:

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

TiCl ₄ er en uren fargeløs væske, siden den ved den temperaturen er oppløst sammen med andre metalliske klorider (jern, vanadium, magnesium, zirkonium og silisium) som stammer fra urenheter som er tilstede i mineralene. Derfor TiCl _{blir 4} renses deretter ved fraksjonert destillasjon og nedbør.

Når det er renset, det TiCl ₄ , en art lettere å redusere, helles i en beholder av rustfritt stål til hvilken et vakuum påføres for å fjerne oksygen og nitrogen, og fylt med argon for å sikre en inert atmosfære som ikke påvirker titan. produsert. Magnesium tilsettes i prosessen, som reagerer ved 800 ° C i henhold til følgende kjemiske ligning:

TiCl ₄ (l) + 2Mg (l) => Ti (s) + 2MgCl ₂ (l)

Titan utfeller som et svampaktig faststoff, som blir behandlet for å rense det og gi det bedre faste former, eller brukes direkte til fremstilling av titanmineraler.

reaksjoner

Med lufta

Titan har en høy motstand mot korrosjon på grunn av et lag TiO ₂ som beskytter metallets indre mot oksidasjon. Men når temperaturen stiger over 400 ° C, et tynt stykke av metall begynner å brenne fullstendig for å danne en blanding av TiO ₂ og TiN:

Ti (s) + O ₂ (g) => TiO ₂ (s)

2Ti (s) + N ₂ (g) => TiN (s)

Begge gassene, O ₂ og N ₂ , er logisk i lufta. Disse to reaksjonene oppstår raskt når titanet er oppvarmet rødhet. Og hvis det blir funnet som et fint delt pulver, er reaksjonen enda kraftigere, noe som gjør titan i denne faste tilstanden svært brannfarlig.

Med syrer og baser

Dette laget av TiO _2- Ti beskytter ikke bare titanet mot korrodering, men også mot angrep fra syrer og baser, så det er ikke et lett metall å løse opp.

For å oppnå dette må høykonsentrerte syrer brukes og kokes til koke, hvorved man får en lilla løsning som er et resultat av de vandige kompleksene av titan; for eksempel ⁺³ .

Imidlertid er det en syre som kan oppløse den uten mange komplikasjoner: flussyre:

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

Med halogener

Titan kan reagere direkte med halogener for å danne de respektive halogenider. For eksempel er reaksjonen din på jod som følger:

Ti (s) + 2I ₂ (s) => TiI ₄ (s)

Tilsvarende med fluor, klor og brom, der det dannes en intens flamme.

Med sterke oksidanter

Når titan er fint delt, er det ikke bare utsatt for antennelse, men også å reagere kraftig med sterke oksidasjonsmidler ved den minste varmekilde.

En del av disse reaksjonene brukes til pyroteknikk, siden lyse hvite gnister genereres. For eksempel reagerer den med ammoniumperklorat i henhold til den kjemiske ligningen:

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

risiko

Metallisk titan

Titanpulver er et meget brennbart fast stoff. Kilde: W. Oelen

Det metalliske titanet i seg selv representerer ikke noen risiko for helsen til de som jobber med det. Det er et ufarlig fast stoff; Med mindre den er malt som et fint partikkelpulver. Dette hvite pulveret kan være farlig på grunn av dets høye brennbarhet, nevnt i reaksjonsdelen.

Når titan er malt, er reaksjonen med oksygen og nitrogen raskere og kraftigere, og den kan til og med brenne eksplosivt. Derfor representerer det en fryktelig brannfare hvis den blir lagret av flammer der den er lagret.

Ved brenning kan brannen bare slukkes med grafitt eller natriumklorid; aldri med vann, i alle fall for disse tilfellene.

På samme måte bør deres kontakt med halogener unngås for enhver pris; det vil si med litt gasslekkasje av fluor eller klor, eller samvirke med den rødlige væsken av brom eller de flyktige jodkrystallene. Hvis dette skjer, får titan fyr. Den skal heller ikke komme i kontakt med sterke oksidasjonsmidler: permanganater, klorater, perklorater, nitrater, etc.

Ellers kan ikke blokker eller legeringer utgjøre større risiko enn fysiske slag, siden de ikke er veldig gode ledere av varme eller elektrisitet og er behagelige å ta på.

Nanopartikler

Hvis det finfordelte faste stoffet er brennbart, må det være enda mer slik at det består av titan-nanopartikler. Imidlertid skyldes det sentrale punktet i dette underavsnittet TiO ₂ nanopartikler , som har blitt brukt i utallige bruksområder der de fortjener sin hvite farge; som søtsaker og godteri.

Selv om absorpsjon, distribusjon, utskillelse eller toksisitet i kroppen ikke er kjent, har de vist seg å være giftige i studier på mus. For eksempel viste de at det genererer emfysem og rødhet i lungene, samt andre luftveissykdommer i deres utvikling.

Ved ekstrapolering fra mus til oss, konkluderes det med at å puste TiO ₂ nanopartikler påvirker lungene våre. De kan også endre hippocampus-regionen i hjernen. I tillegg utelukker ikke International Agency for Research on Cancer dem som mulige kreftfremkallende stoffer.

applikasjoner

Pigment og tilsetningsstoff

Å snakke om bruken av titan refererer nødvendigvis til bruken av titandioksid. TiO ₂ dekker faktisk rundt 95% av alle bruksområder angående dette metallet. Årsakene: den hvite fargen, den er uoppløselig, og den er også giftfri (for ikke å nevne de rene nanopartiklene).

Derfor brukes det vanligvis som pigment eller tilsetningsstoff i alle de produktene som krever hvite farger; som tannkrem, medisiner, godteri, papir, edelstener, maling, plast osv.

belegg

TiO ₂ kan også brukes til å lage filmer for å belegge enhver overflate, for eksempel glass eller kirurgiske verktøy.

Ved å ha disse beleggene, kan ikke vannet våte dem og renner på dem, som regn ville gjort på frontrutene på bilen. Verktøy med disse beleggene kan drepe bakterier ved å absorbere UV-stråling.

Hundurin eller tyggegummi kunne ikke fikses på asfalt eller sement ved hjelp av TiO ₂ , noe som ville lette dets etterfølgende fjerning.

solkrem

TiO2 er en av de aktive komponentene i solkrem. Kilde: Pixabay.

Og til slutt, med hensyn til TiO ₂ , er det en fotokatalysator som er i stand til å opprette organiske radikaler som imidlertid nøytraliseres av silisiumdioksyd eller aluminiumoksydfilmer i solkrem. Den hvite fargen indikerer allerede tydelig at den må ha dette titanoksydet.

Luftfartsindustri

Titanlegeringer brukes til å lage store fly eller hurtigskip. Kilde: Pxhere.

Titan er et metall med betydelig styrke og hardhet i forhold til dets lave tetthet. Dette gjør det til en erstatning for stål for alle bruksområder der høye hastigheter er påkrevd, eller store vingespennfly er designet, for eksempel A380-flyene på bildet over.

Det er grunnen til at dette metallet har mange bruksområder i romfartsindustrien, da det motstår oksidasjon, det er lett, sterkt og legeringene kan forbedres med de nøyaktige tilsetningsstoffene.

Sport

Ikke bare innen luftfartsindustrien tar titan og legeringene sentralt, men også innen sportsindustrien. Dette er fordi mange av redskapene deres trenger å være lette, slik at deres bærere, spillere eller idrettsutøvere kan takle dem uten å føle seg for tunge.

Noen av disse varene er: sykler, golf- eller hockeypinner, fotballhjelmer, tennis- eller badmintonracket, gjerder sverd, skøyter, ski, blant andre.

Selv om det i mye mindre grad på grunn av dets høye kostnader, er titan og legeringer blitt brukt i luksus- og sportsbiler.

pyroteknikk

Det malte titanet kan blandes med for eksempel KClO ₄ , og tjene som fyrverkeri; det gjør faktisk de som lager dem på pyrotekniske show.

Medisin

Titan og legeringene er de metalliske materialene som er fremragende innen biomedisinske anvendelser. De er biokompatible, inerte, sterke, vanskelige å oksidere, ikke-giftige og integreres sømløst med bein.

Dette gjør dem veldig nyttige for ortopediske og tannimplantater, for kunstige hofte- og kneledd, som skruer for å fikse brudd, for pacemakere eller kunstige hjerter.

biologisk

Den biologiske rollen til titan er usikker, og selv om det er kjent at det kan samle seg i noen planter og være til fordel for veksten av visse landbruksavlinger (for eksempel tomater), er mekanismene der det griper inn ukjente.

Det sies å fremme dannelsen av karbohydrater, enzymer og klorofyll. De antar at det skyldes en reaksjon fra planteorganismer å forsvare seg mot de lave biotilgjengelige konsentrasjonene av titan, siden de er skadelige for dem. Imidlertid er saken fortsatt i mørket.

referanser

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Titanium. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
3. Bomull Simon. (2019). Titanium. Royal Society of Chemistry. Gjenopprettet fra: chemistryworld.com
4. Davis Marauo. (2019). Hva er titan? Egenskaper og bruksområder. Studere. Gjenopprettet fra: study.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3. juli 2019). Titanium kjemiske og fysiske egenskaper. Gjenopprettet fra: thoughtco.com
6. KDH Bhadeshia. (SF). Metallurgi av titan og dets legeringer. University of Cambridge. Gjenopprettet fra: phase-trans.msm.cam.ac.uk
7. Chambers Michelle. (7. desember 2017). Hvordan titan hjelper liv. Gjenopprettet fra: titaniumprocessingcenter.com
8. Clark J. (05. juni 2019). Titankjemi. Kjemi LibreTexts. Gjenopprettet fra: chem.libretexts.org
9. Venkatesh Vaidyanathan. (2019). Hvordan lages titan? Science ABC. Gjenopprettet fra: scienceabc.com
10. Dr. Edward Group. (10. september 2013). Helserisikoen ved titan. Global Healing Center. Gjenopprettet fra: globalhealingcenter.com
11. Tlustoš, P. Cígler, M. Hrubý, S. Kužel, J. Száková & J. Balík. (2005). Titanens rolle i produksjonen av biomasse og dens innflytelse på innholdet av essensielle elementer i avlinger i felt. PLANTJORDMILJØ., 51, (1): 19–25.
12. KYOCERA SGS. (2019). Titaniums historie. Gjenopprettet fra: kyocera-sgstool.eu