TITAN: POVIJEST, STRUKTURA, SVOJSTVA, REAKCIJE, UPORABE - KEMIJA - 2025

Titan je prijelazni metal koji je predstavljen kemijskom simbolom Ti. To je drugi metal koji se pojavio iz bloka d periodične tablice, odmah nakon skandiranja. Njegov atomski broj je 22, a u prirodi se pojavljuje podosta izotopa i radioizotopa, od kojih je ⁴⁸ Ti najbrojniji od svih.

Boja mu je srebrno siva, a njegovi dijelovi prekriveni su zaštitnim slojem oksida što čini titan metal vrlo otpornim na koroziju. Ako je ovaj sloj žućkast, to je titanov nitrid (TiN), koji je spoj koji nastaje kada taj metal izgori u prisustvu dušika, jedinstveno i razlikovno svojstvo.

Titanijski prstenovi. Izvor: Pxhere.

Pored gore navedenog, vrlo je otporan na mehaničke utjecaje iako je lakši od čelika. Zato je poznat kao najjači metal od svih, a samo ime mu je sinonim za snagu. Također ima snagu i lakoću, dvije karakteristike koje ga čine poželjnim materijalom za proizvodnju zrakoplova.

Isto tako, i ne najmanje bitno, titan je biokompatibilan metal ugodan na dodir, zbog čega se koristi u nakitu za izradu prstenova; i u biomedicini, poput ortopedskih i zubnih implantata, koji se mogu integrirati u koštano tkivo.

Međutim, njegova najpoznatija primjena nalazi se u TiO ₂, kao pigment, aditiv, prevlaka i fotokatalizator.

Deveti je najbogatiji element na Zemlji, a sedmi unutar metala. Unatoč tome, troškovi su mu visoki zbog poteškoća koje treba prevladati da bi se izvukao iz minerala, među kojima su rutil, anataza, ilmenit i perovskit. Od svih metoda proizvodnje, Kroll Process se najviše koristi u cijelom svijetu.

Povijest

Otkriće

Titanium je pastor i amaterski mineralog William Gregor prvi put identificirao u mineralima ilmenita u dolini Manaccan (Ujedinjeno Kraljevstvo) još davne 1791. godine. On je mogao identificirati da sadrži željezni oksid, odakle su se njegovi pijesci kretali kroz utjecaj magneta; ali je također izvijestio da postoji još jedan oksid nepoznatog metala, kojeg je nazvao "manacanit".

Nažalost, iako se obratio Kraljevskom geološkom društvu iz Cornwalla i drugim prodajnim mjestima, njegovi doprinosi nisu izazvali pomutnju zbog toga što nisu bili priznati čovjek znanosti.

Četiri godine kasnije, 1795., njemački kemičar Martin Heinrich Klaproth neovisno je prepoznao isti metal; ali u rutilnoj rudi na Boiniku, sada Slovačkoj.

Neki tvrde da je ovaj novi metal nazvao 'titanijem' nadahnutim njegovom čvrstinom sličnom Titanima. Drugi tvrde da je do toga došlo više zbog neutralnosti samih mitoloških likova. Tako se titanijum rodio kao kemijski element i Klaproth je kasnije mogao zaključiti da je isti manacanit kao i mineral ilmenit.

Izolacija

Od tada su ga počeli pokušaji izolirati od takvih minerala; ali većina je bila neuspješna, jer je titan bio kontaminiran kisikom ili dušikom ili je formirao karbid koji je nemoguće smanjiti. Lars Nilson i Otto Pettersson trebali su skoro stoljeće (1887.) pripremiti uzorak čist 95%.

Zatim je 1896. godine Henry Moissan uspio dobiti uzorak čistoće do 98% zahvaljujući reducirajućem djelovanju metalnog natrija. Međutim, ti nečisti titani su bili krhki djelovanjem atoma kisika i dušika, pa je bilo potrebno osmisliti postupak kako se oni ne bi uklonili iz reakcijske smjese.

A s tim je pristupom nastao Hunter Process 1910. godine, koji je osmislio Matthew A. Hunter u suradnji s General Electricom na Politehničkom institutu Rensselaer.

Dvadeset godina kasnije, u Luksemburgu, William J. Kroll izmislio je drugu metodu koristeći kalcij i magnezij. Danas je Kroll postupak jedan od vodećih metoda za proizvodnju metalnog titana na komercijalnim i industrijskim mjerilima.

Od ovog trenutka, povijest titana prati tijek njegovih legura u primjenama u zrakoplovnoj i vojnoj industriji.

Struktura i elektronička konfiguracija

Čisti titan može kristalizirati s dvije strukture: kompaktnim šesterokutnim (hcp), nazvanim α faza, i kubičnim (bcc) u središtu tijela, koji se naziva β faza. Dakle, riječ je o dimorfnom metalu, sposobnom podvrgnuti alotropnim (ili faznim) prijelazima između strukture HCP-a i bcc-a.

Α faza je najstabilnija na sobnoj temperaturi i tlaku, s Ti atomima okruženo dvanaest susjeda. Kada se temperatura poveća na 882 ° C, šesterokutni kristal pretvara se u manje gusti kubični, što je u skladu s većim atomskim vibracijama proizvedenim toplinom.

Kako se temperatura povećava, α faza se protivi većem toplinskom otporu; to jest, povećava se i njegova specifična toplina, tako da je potrebno sve više topline da dosegne 882 ° C.

Što ako se umjesto povećanja temperature, tlak učini? Tada dobivate iskrivljene bcc kristale.

Veza

U tim metalnim kristalima valentni elektroni iz 3d i 4s orbitala interveniraju u vezi koja spaja Ti atome, u skladu s elektroničkom konfiguracijom:

3d ² 4s ²

Ima samo četiri elektrona koja dijeli sa svojim susjedima, što rezultira gotovo praznim 3d pojasevima, pa stoga titanijum nije tako dobar provodnik električne energije ili topline kao i drugi metali.

legure

Čak je važnije od onoga što je rečeno o kristalnoj strukturi titana da obje faze, α i β, mogu tvoriti vlastite legure. Oni se mogu sastojati od čistih α ili β legura, ili smjesa oboje u različitim omjerima (α + β).

Isto tako, veličina njihovih kristalnih zrnaca utječe na konačna svojstva legura od titana, kao i na masni sastav i odnose dodanih aditiva (nekoliko drugih metala ili atoma N, O, C ili H).

Aditivi imaju značajan utjecaj na legure titana jer mogu stabilizirati neke od dvije specifične faze. Na primjer: Al, O, Ga, Zr, Sn i N su aditivi koji stabiliziraju α fazu (gušće kristale hcp); i Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe, i drugi su aditivi koji stabiliziraju β fazu (manje gusti kcc kristali).

Proučavanje svih ovih legura titana, njihovih struktura, sastava, svojstava i primjene predmet su metalurških radova koji se oslanjaju na kristalografiju.

Oksidacijski brojevi

Prema konfiguraciji elektrona, titaniju bi bilo potrebno osam elektrona da potpuno ispune 3d orbitale. To se ne može postići ni u jednom od njegovih spojeva, a najviše može dobiti dva elektrona; to jest, može steći negativne oksidacijske brojeve: -2 (3d ⁴) i -1 (3d ³).

Razlog je zbog elektronegativnosti titana i što je, uz to, metal, tako da ima veću sklonost pozitivnim oksidacijskim brojevima; kao što su +1 (3d ² 4s ¹), +2 (3d ² 4s ⁰), +3 (3d ¹ 4s ⁰) i +4 (3d ⁰ 4s ⁰).

Primjetite kako elektroni iz 3d i 4s orbitala odlaze kao što se pretpostavlja postojanje kationa Ti ⁺, Ti ²⁺ i tako dalje.

Oksidacijski broj +4 (Ti ⁴⁺) je najreprezentativniji od svih jer odgovara onome od titana u njegovom oksidu: TiO ₂ (Ti ⁴⁺ O ₂ ^2-).

Svojstva

Fizički izgled

Sivkasto srebrni metal.

Molekulska masa

47.867 g / mol.

Talište

1668 ° C. Ovo relativno visoko talište čini vatrostalni metal.

Vrelište

3287 ° C.

Temperatura samozapaljivanja

1200 ° C za čisti metal i 250 ° C za fino podijeljeni prah.

rastegljivost

Titan je duktilni metal ako mu nedostaje kisika.

Gustoća

4.506 g / ml. A pri temperaturi topljenja 4,11 g / ml.

Toplina fuzije

14,15 kJ / mol.

Toplina isparavanja

425 kJ / mol.

Molarni toplinski kapacitet

25060 J / mol · K.

Elektronegativnost

1,54 na Paulingovoj skali.

Ionizirajuće energije

Prvo: 658,8 kJ / mol.

Drugo: 1309,8 kJ / mol.

Treće: 2652,5 kJ / mol.

Mohsova tvrdoća

6.0.

Nomenklatura

Od oksidacijskih brojeva najčešći su +2, +3 i +4, kako se nazivaju u tradicionalnoj nomenklaturi prilikom imenovanja spojeva titana. Inače, pravila o dionicama i sustavnim nomenklaturama ostaju ista.

Na primjer, razmotrite TiO ₂ i TiCl ₄, dva najpoznatija spoja titana.

Već je rekao da je u TiO ₂ oksidacija broj od titana je 4 i, stoga, što je najveći (ili pozitivna), ime mora završavati sa sufiks -ico. Dakle, njegovo ime je titanski oksid, prema tradicionalnoj nomenklaturi; titanov (IV) oksid, prema nomenklaturi zaliha; i titanov dioksid, sukladno sustavnoj nomenklaturi.

A za TiCl ₄ nastavit ćemo izravno:

Nomenklatura: naziv

-Tradicionalno: titanski klorid

-Zaštita: titanov (IV) klorid

-Sistematično: titanov tetraklorid

U engleskom se ovaj spoj često naziva 'Tickle'.

Svaki titanijev spoj može imati i odgovarajuća imena izvan pravila imenovanja, a ovisit će o tehničkom žargonu predmetnog polja.

Gdje pronaći i producirati

Titaniferni minerali

Rutil kremen, jedan od minerala s najvišim sadržajem titana. Izvor: Didier Descouens

Titan, iako je sedmi najzastupljeniji metal na Zemlji, i deveti najzastupljeniji u zemljinoj kori, u prirodi se ne nalazi kao čisti metal, već u kombinaciji s drugim elementima u mineralnim oksidima; poznatiji kao titaniferni minerali.

Dakle, za dobivanje je potrebno ove minerale koristiti kao sirovinu. Neki od njih su:

-Titanit ili sfen (CaTiSiO ₅), s nečistoćama željeza i aluminija koji svoje kristale zelene boje.

-Brookit (Orthorhombic TiO ₂).

-Rutil, najstabilniji polimorf TiO ₂, nakon čega slijede minerali anataza i brookit.

-Ilmenite (FeTiO ₃).

-Perovskite (CaTiO ₃)

-Leukoksen (heterogena mješavina anataze, rutila i perovskita).

Napominjemo da se spominje nekoliko titanovih minerala, iako ima i drugih. Međutim, nisu svi podjednako obilni i, isto tako, mogu sadržavati nečistoće koje je teško ukloniti i koje ugrožavaju svojstva konačnog metalnog titana.

Zbog toga se sfen i perovskit često koriste za proizvodnju titana, jer je njihov sadržaj kalcija i silicija teško ukloniti iz reakcijske smjese.

Od svih ovih minerala, rutil i ilmenit se najčešće koriste komercijalno i industrijski zbog visokog sadržaja TiO ₂; to jest, oni su bogati titanom.

Kroll postupak

Odabirom bilo kojeg minerala kao sirovine, TiO ₂ u njima mora se smanjiti. Da bi se to postiglo, minerali se zajedno s ugljenom zagrijavaju u reaktoru s fluidnim slojem na 1000 ° C. Tamo, TiO ₂ reagira s plinom klora prema sljedećoj kemijskoj jednadžbi:

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

TiCl ₄ je nečista bezbojna tekućina, budući da se pri toj temperaturi rastvara zajedno s drugim metalnim kloridima (željezo, vanadij, magnezij, cirkonij i silicij) nastali iz nečistoća prisutnih u mineralima. Stoga, TiCU _{4 je} zatim pročišćen frakcijskom destilacijom i taloženjem.

Jednom pročišćen, TiCl ₄, vrstu koju je lakše smanjiti, izlije se u spremnik od nehrđajućeg čelika u koji se primjenjuje vakuum, kako bi se uklonili kisik i dušik, i napuni argonom kako bi se osigurala inertna atmosfera koja ne utječe na titan. proizvedena. Magnezij se dodaje u procesu koji reagira na 800 ° C prema sljedećoj kemijskoj jednadžbi:

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

Titan se taloži kao spužvasta kruta tvar, koji se podvrgava tretmanima za pročišćavanje i dobivanje boljih čvrstih oblika, ili se izravno koristi za proizvodnju minerala od titana.

reakcije

Zrakom

Titan ima visoku otpornost na koroziju zbog sloja TiO ₂ koji štiti unutrašnjost metala od oksidacije. Međutim, kad temperatura poraste iznad 400 ° C, tanki komad metala počinje potpuno sagorjeti da bi tvorio mješavinu TiO ₂ i TiN:

Ti (s) + O ₂ (g) => TiO ₂ (s)

2Ti (s) + N ₂ (g) => kositar (s)

Oba plinovi, O ₂ i N ₂, logički u zraku. Te se dvije reakcije brzo događaju kad se titan zagrijava. A ako se nađe u obliku fino podijeljenog praha, reakcija je još snažnija, što čini titan u ovom čvrstom stanju lako zapaljivim.

Sa kiselinama i bazama

Ovaj sloj TiO ₂ -TiN ne samo da štiti titan od korozije, već i od napada kiselina i baza, tako da se otapa metal nije lako.

Da bi se to postiglo, potrebno je koristiti visoko koncentrirane kiseline i prokuhati do vrenja da bi se dobila ljubičasta otopina koja je nastala iz vodenih kompleksa titana; na primjer, ⁺³.

Međutim, postoji kiselina koja je može otopiti bez mnogo komplikacija: fluorovodična kiselina:

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

S halogenima

Titan može izravno reagirati s halogenima da tvore odgovarajuće halogenide. Na primjer, vaša reakcija na jod je sljedeća:

Ti (s) + 2I ₂ (s) => TiI ₄ (s)

Slično je s fluorom, klorom i bromom, gdje nastaje intenzivan plamen.

S jakim oksidansima

Kad se titan fino podijeli, on nije samo sklon paljenju, već i snažno reagira s jakim oksidantima pri najmanjem izvoru topline.

Dio tih reakcija koristi se za pirotehniku, jer se stvaraju svijetle bijele iskre. Na primjer, reagira s amonijevim perhloratom u skladu s kemijskom jednadžbom:

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

rizici

Metalni titan

Prah od titana je vrlo zapaljiva krutina. Izvor: W. Oelen

Metalni titan sam po sebi ne predstavlja rizik za zdravlje onih koji s njim rade. To je bezopasna kruta tvar; Osim ako je mljeven kao prah sitnih čestica. Ovaj bijeli prah može biti opasan zbog svoje velike zapaljivosti, spomenute u odjeljku o reakcijama.

Kad se titani smrvi, njegova reakcija s kisikom i dušikom je brža i snažnija, pa može čak i eksplozivno izgorjeti. Zato predstavlja strašan rizik od požara ako ga tamo gdje je pohranjen plamen pogodi.

Pri izgaranju vatra se može ugasiti samo grafitom ili natrijevim kloridom; nikad s vodom, barem za ove slučajeve.

Isto tako, njihov se kontakt s halogenima treba izbjegavati pod svaku cijenu; to jest s nekim plinovitim istjecanjem fluora ili klora ili s interakcijom s crvenkastom tekućinom broma ili hlapljivim kristalima joda. Ako se to dogodi, titan zapali vatru. Niti bi trebao doći u kontakt s jakim oksidantima: permanganati, klorati, perhlorati, nitrati itd.

Inače, njegovi ingoti ili legure ne mogu predstavljati više rizika od fizičkih udara, jer nisu vrlo dobri provodnici topline ili električne energije i ugodni su na dodir.

nanočestice

Ako je fino podijeljena kruta tvar zapaljiva, mora biti još veća da se sastoji od nanočestica titana. Međutim, središnja točka ovog potpoglavlja je zbog nanočestica TiO ₂, koje su korištene u bezbroj aplikacija gdje zaslužuju svoju bijelu boju; poput slatkiša i bombona.

Iako nije poznata njegova apsorpcija, distribucija, izlučivanje ili toksičnost u tijelu, pokazalo se da su toksične u studijama na miševima. Na primjer, pokazali su da to stvara emfizem i crvenilo u njihovim plućima, kao i druge respiratorne poremećaje u njihovom razvoju.

Ekstrapolacijom od miševa do nas zaključuje se da disanje nanočestica TiO ₂ utječe na naša pluća. Oni također mogu promijeniti mozak hipokampusa. Uz to, Međunarodna agencija za istraživanje raka ne isključuje ih kao moguće kancerogene.

Prijave

Pigment i aditivi

Kada govorimo o upotrebi titana nužno se odnosi na onu njegova sastavljenog titanijevog dioksida. TiO ₂ zapravo pokriva oko 95% svih primjena koje se tiču ​​ovog metala. Razlozi: njegova je bijela boja, netopljiva je, a također je netoksična (da ne spominjemo čiste nanočestice).

Zbog toga se obično koristi kao pigment ili dodatak u svim onim proizvodima za koje je potrebna bijela obojena boja; poput paste za zube, lijekova, slatkiša, papira, dragulja, boja, plastike itd.

premazi

TiO ₂ se također može koristiti za stvaranje filmova za premazivanje bilo koje površine, poput stakla ili kirurškog alata.

Imajući ove presvlake, voda ih ne može mokriti i trči po njima, poput kiše na vjetrobranskim staklima automobila. Alat s tim premazima može ubiti bakterije apsorbiranjem UV zračenja.

Psi mokraća ili žvakaća guma nisu se mogli učvrstiti na asfalt ili cement djelovanjem TiO ₂, što bi olakšalo njegovo naknadno uklanjanje.

Zaštita od sunca

TiO2 jedna je od aktivnih komponenti kreme za sunčanje. Izvor: Pixabay.

I na kraju, što se tiče TiO ₂, to je fotokatalizator koji može stvoriti organske radikale koji se, međutim, neutraliziraju silicijevim ili aluminijevim filmima u kremi za sunčanje. Njegova bijela boja već jasno ukazuje da mora imati taj titanov oksid.

Zrakoplovna industrija

Titanove legure koriste se za izradu velikih zrakoplova ili brzih brodova. Izvor: Pxhere.

Titan je metal značajne čvrstoće i tvrdoće u odnosu na njegovu nisku gustoću. To ga čini nadomještanjem čelika za sve one primjene gdje su potrebne velike brzine ili su dizajnirani veliki zrakoplovi s rasponom krila, poput zrakoplova A380 na gornjoj slici.

Zbog toga ovaj metal ima mnogo koristi u zrakoplovnoj industriji, jer odolijeva oksidaciji, lagan je, jak i njegove legure mogu se poboljšati točnim dodacima.

Sport

Titan i njegove legure zauzimaju središnje mjesto ne samo u zrakoplovnoj industriji, već i u sportskoj industriji. To je zato što mnogi njihovi pribor moraju biti lagani, tako da njihovi korisnici, igrači ili sportaši, mogu rukovati s njima, a da se ne osjećaju previše teškim.

Neki od ovih predmeta su: bicikli, palice za golf ili hokej, nogometne kacige, reket za tenis ili badminton, mačevi za ograde, klizaljke, skije, među ostalim.

Također, iako u znatno manjem stupnju zbog visokih troškova, titan i njegove legure korišteni su u luksuznim i sportskim automobilima.

Pirotehnika

Mljeveni titan može se pomiješati s, na primjer, KClO ₄, i poslužiti kao vatromet; to zapravo čine oni koji ih prave u pirotehničkim revijama.

Lijek

Titan i njegove legure metalni su materijali izvrsni u biomedicinskim primjenama. Oni su biokompatibilni, inertni, jaki, teško oksidiraju, netoksični su i neprimjetno se integriraju s kostima.

To ih čini vrlo korisnim za ortopedske i zubne implantate, za umjetne zglobove kuka i koljena, kao vijke za popravljanje prijeloma, za pacemakere ili umjetna srca.

Biološki

Biološka uloga titana je neizvjesna, a iako je poznato da se on može akumulirati u nekim biljkama i pogodovati rastu određenih poljoprivrednih kultura (poput rajčice), mehanizmi u kojima intervenira nisu poznati.

Kaže se da potiče stvaranje ugljikohidrata, enzima i klorofila. Pretpostavljaju da je to zbog reakcije biljnih organizama da se brane od niskih bioraspoloživih koncentracija titana jer su za njih štetni. Međutim, stvar je još uvijek u mraku.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. (Četvrto izdanje). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Titan. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
3. Pamuk Simon. (2019). Titan. Kraljevsko društvo za kemiju. Oporavilo od: chemistryworld.com
4. Davis Marauo. (2019). Što je titan? Svojstva i upotrebe. Studija. Oporavilo od: study.com
5. Helmenstine, Anne Marie, dr. Sc. (03. srpnja 2019.). Kemijska i fizikalna svojstva titana. Oporavilo od: misel.com
6. KDH Bhadeshia. (SF). Metalurgija titana i njegovih legura. Sveučilište u Cambridgeu. Oporavak od: phase-trans.msm.cam.ac.uk
7. Komore Michelle. (7. prosinca 2017.). Kako titan pomaže u životu. Oporavak od: titaniumprocessingcenter.com
8. Clark J. (5. lipnja 2019.). Kemija titana. Kemija LibreTexts. Oporavak od: chem.libretexts.org
9. Venkatesh Vaidyanathan. (2019). Kako se proizvodi titan? Znanost ABC. Oporavilo od: scienceabc.com
10. Dr. Edward Group. (10. rujna 2013.). Zdravstveni rizici od titana. Globalni Centar za iscjeljivanje Oporavak od: globalhealingcenter.com
11. Tlustoš, P. Cígler, M. Hrubý, S. Kužel, J. Száková & J. Balík. (2005). Uloga titana u proizvodnji biomase i njegov utjecaj na sadržaje bitnih elemenata u ratarskim kulturama. OKOLICA BILJNOG TLA., 51, (1): 19–25.
12. KYOCERA SGS. (2019). Povijest titana. Ostvareno od: kyocera-sgstool.eu