Historia tytanu, struktura, właściwości, reakcje, zastosowania

On tytan Jest to metal przejściowy reprezentowany przez symbol chemiczny Ti. Jest to drugi metal, który pojawi się w bloku D stolika okresowego, tuż po skandio. Jego liczba atomowa wynosi 22 i jest przedstawiona w naturze, jak wiele izotopów i radioizotopów, z których ⁴⁸Jesteś najbardziej obfity ze wszystkich.

Jego kolor jest srebrny szary, a jego kawałki są pokryte ochronną warstwą tlenku, która sprawia, że ​​tytan jest metalem bardzo odpornym na korozję. Jeśli ta warstwa jest żółtawa, to tytan nitrruro (cyna), który jest związek, który tworzy się, gdy metal pali się w obecności azotu, unikalnej i wybitnej właściwości.

Pierścienie tytanu. Źródło: Pxhere.

Oprócz tego, co zostało już wspomniane, jest to wyjątkowo odporne na uderzenia mechaniczne, mimo że jest lżejszy niż stal. Dlatego jest znany jako najsilniejszy metal ze wszystkich, a jego pojedyncza nazwa jest synonimem siły. Ma również opór i lekkość, dwie cechy, które sprawiają, że jest to pożądany materiał do produkcji samolotów.

Ponadto tytan jest biokompatybilnym metalem i przyjemnym w dotykaniu, więc jest używany w biżuterii do opracowania pierścieni; oraz w biomedycynie, takiej jak implanty ortopedyczne i dentystyczne, zdolne do integracji z tkankami kostnymi.

Jednak jego najbardziej znane zastosowania znajdują się w wujku₂, jako pigment, addytyw, powłoka i fotokatyzacja.

Jest to dziewiąty najliczszy element na ziemi i siódmy w metalach. Mimo to jego koszt jest wysoki ze względu na trudności, które należy pokonać, aby wydobyć z ich minerałów, wśród których są Rutilo, Anataza, Ilmenit i Perovskita. Ze wszystkich metod produkcji proces KROLL jest najczęściej stosowany na całym świecie.

[TOC]

Historia

Odkrycie

Tytan został po raz pierwszy zidentyfikowany w minerałach Ilmenite w dolinie Manaccan (Wielka Brytania), przez fanów Williama Gregora, tam w 1791 roku. Był w stanie zidentyfikować, że zawierał tlenek żelaza, ponieważ jego piaski poruszyły wpływ magnesu; Ale poinformował również, że istniał inny nieznany tlenek metalu, który nazwał „Manacanita”.

Niestety, chociaż Royal Geological Society of Cornwall trafiło do królewskiej geologicznej i innych mediów, jego wkład nie wzbudził, że nie jest uznanym człowiekiem naukowym.

Cztery lata później, w 1795 r. Niemiecki chemik Martin Heinrich Klaproth niezależnie rozpoznał ten sam metal; Ale w minerałach Rutilo w Binik na Słowacji obecnie.

Są tacy, którzy twierdzą, że mianował „Titanio” do tego nowego metalu zainspirowanego jego twardością podobieństwem do Tytanów. Inni zapewniają, że neutralność tych samych mitologicznych postaci była bardziej zależna. Tak więc tytan urodził się jako element chemiczny, a Klaproth mógł stwierdzić, że był to ten sam manakanit minerałów ilmenitu.

Izolacja

Od tego czasu zaczęły się próby odizolowania go od takich minerałów; Ale większość z nich była bezowocna, ponieważ tytan był zanieczyszczony tlenem lub azotem lub utworzył węglika niemożliwe do zmniejszenia. Musieli minąć prawie sto lat (1887), aby Lars Nilson i Otto Pettersson mogli przygotować próbkę z 95% czystością.

Następnie, w 1896 r., Henry'emu Moissanowi udało się uzyskać próbkę o czystości do 98%, dzięki działaniu redukującego metalicznego sodu. Jednak ci nieczyste Tytanianie były kruche przez działanie atomów tlenu i azotu, więc konieczne było zaprojektowanie procesu, aby powstrzymać je z dala od mieszanki reakcyjnej.

I przy tym podejściu proces Hunter powstał w 1910 roku, opracowany przez Matthew. Hunter we współpracy z General Electric w Renselaer Polytechnic Institute.

Dwadzieścia lat później, w Luksemburgu, William J. Kroll opracował inną metodę przy użyciu wapnia i magnezu. Obecnie proces KROLL pozostaje jedną z głównych metod produkcji metalicznego tytanu w skali komercyjnej i przemysłowej.

Od tego momentu historia tytanu podąża za jego stopami w zastosowaniach dla przemysłu lotniczego i wojskowego.

Struktura elektroniczna i konfiguracja

Czysty tytan może krystalizować za pomocą dwóch struktur: zwartego sześciokątnego (HCP), zwanego fazą α i sześciennym wyśrodkowanym w ciele (BCC), zwanym fazą β β β. Zatem jest to metal dimorficzny, który jest w stanie cierpieć przejść alotropowych (lub fazowych) między strukturami HCP i BCC.

Faza α jest najbardziej stabilna w środowiskach temperaturowych i ciśnieni. Gdy temperatura wzrasta do 882 ° C, sześciokątne szkło jest przekształcane w sześcienne, mniej gęste, co zgadza się z najwyższym produktem wibracji atomowych.

W miarę wzrostu temperatury faza α sprzeciwia się większej odporności termicznej; Oznacza to, że jego ciepło właściwe również wzrasta, więc coraz częściej jest ciepło, aby osiągnąć 882 ° C.

Co jeśli zamiast zwiększać temperaturę, czyni ciśnienie? Następnie uzyskuje się zniekształcone kryształy BCC.

Połączyć

W tych metalowych kryształach interweniują w linku, który łączy atomy ich walencyjne elektrony orbitali 3D i 4S, zgodnie z konfiguracją elektroniczną:

Może ci służyć: wodorotlenek żelaza (ii): struktura, właściwości, użycia

[AR] 3D² 4s²

Ledwo musi dzielić cztery elektrony ze swoimi sąsiadami, które pochodzą prawie puste pasma, a zatem tytan nie jest tak dobrym przewodnikiem elektrycznym lub ciepła, jak inne metale.

Stopy

Jeszcze ważniejsze niż skomentowane o krystalicznej strukturze tytanu jest to, że zarówno fazy, α, jak i β, mogą tworzyć własne stopy. Mogą one składać się z czystych stopów α lub β lub mieszanin obu w różnych proporcjach (α + β).

Podobnie wielkość ich odpowiednich ziaren krystalicznych wpływa na końcowe właściwości takich stopów tytanowych, a także skład masy i relacje dodatków agregatowych (inne metale lub atomy N, O, C lub H).

Dodatki wywierają znaczący wpływ na stopy tytanu, ponieważ mogą ustabilizować niektóre z dwóch określonych faz. Na przykład: Al, O, Ga, Zr, Sn i N są dodatkami, które stabilizują α (najsychniejsze kryształy HCP); i Mo, V, W, Cu, MN, H, Faith i inne są dodatkami, które stabilizują fazę β (mniej gęste kryształy BCC).

Badanie wszystkich tych stopów tytanowych, ich struktury, składu, właściwości i zastosowań, podlegają pracom metalurgicznym, które spoczywają w krystalografii.

Liczby utleniania

Według konfiguracji elektronicznej tytan potrzebowałby ośmiu elektronów, aby całkowicie wypełnić orbitale 3D. To nie może go zdobyć w żadnym ze swoich związków, a Máxima udaje się wygrać do dwóch elektronów; Oznacza to, że możesz uzyskać negatywne liczby utleniania: -2 (3D⁴) i -1 (3D³).

Przyczyną jest elektrocjalność tytanu, a ponadto jest to metal, więc ma większą tendencję do posiadania dodatnich liczby utleniania; takie jak +1 (3D²4s¹), +2 (3D²4s⁰), +3 (3D¹4s⁰) i +4 (3D⁰4s⁰).

Zwróć uwagę, w jaki sposób elektrony orbity 3D i 4S⁺, Ty²⁺ i tak dalej.

Numer utleniania +4 (ti⁴⁺) jest najbardziej reprezentatywnym ze wszystkich, ponieważ odpowiada tytanowi w tlenku: wujek₂ (Ty⁴⁺ALBO₂^2-).

Nieruchomości

Wygląd fizyczny

Szarawy srebrny metal.

Masa cząsteczkowa

47, 867 g/mol.

Temperatura topnienia

1668 ° C. Ten stosunkowo wysoki punkt fuzji jest wytwarzany przez refrakcyjny metal.

Punkt wrzenia

3287 ° C.

Temperatura samo -kierunkowego

1200 ° C dla czystego metalu i 250 ° C dla drobno podzielonego kurzu.

Plastyczność

Tytan jest metalem plastycznym, jeśli brakuje tlenu.

Gęstość

4506 g/ml. I w punkcie topnienia, 4,11 g/ml.

Fusion Heat

14,15 kJ/mol.

Ciepło parowe

425 kJ/mol.

Molowa pojemność cieplna

25060 J/mol · k.

Elektronialiczność

1.54 w skali Pauling.

Energie jonizacyjne

Po pierwsze: 658,8 kJ/mol.

Po drugie: 1309,8 kJ/mol.

Po trzecie: 2652,5 kJ/mol.

Twardość mohs

6.0.

Nomenklatura

Liczb utleniania +2, +3 i +4 są najczęstsze, a te, o których mowa w tradycyjnej nomenklaturze podczas nazywania związków tytanowych. Resztę zasady nomenklatury i systematyczne pozostają takie same.

Weźmy na przykład wujka₂ i ticl₄, Dwa z najbardziej znanych związków tytanu.

Mówiono już, że u wuja₂ Numer utleniania tytanu wynosi +4, a zatem będąc największym (lub pozytywnym), nazwa musi zakończyć się przyrostkiem -ico. Zatem jego nazwa jest tlenkiem tytanicznym, zgodnie z tradycyjną nomenklaturą; Tleńczyk (IV), zgodnie z nomenklaturą zapasową; i dwutlenek tytanu, zgodnie z systematyczną nomenklaturą.

I dla TICL₄ Będzie kontynuować bezpośrednio:

Nomenklatura: Nazwa

-Tradycyjny: chlorek tytaniczny

-Zapas: Chlorek tytanu (IV)

-Systematyczne: tetrachlorek tytanu

W języku angielskim zwykle nazywają ten związek jako „łaskotanie”.

Każdy związek tytanowy może mieć nawet właściwe nazwy poza zasadami nomenklatury i będzie zależeć od technicznego żargonu danego pola.

Gdzie jest i produkcja

Titanifous Minerals

Rutilo Quartz, jeden z minerałów o najwyższej zawartości tytanu. Źródło: Didier Descuens [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licencje/by-sa/3.0)]

Tytan, nawet jeśli jest najliczniejszy siódmy na Ziemi, a dziewiąty w skórce Ziemi, nie znajduje się w naturze jako czysty metal, ale w połączeniu z innymi pierwiastkami tlenków mineralnych; lepiej znane jako minerały titanifouse.

Zatem, aby go uzyskać, konieczne jest użycie tych minerałów jako surowca. Niektórzy z nich są:

-Titanita lub Spheny (Catisio₅), z zanieczyszczeniami żelaza i glin.

-Brookita (wujek₂ Ortorrombic).

-Rutilo, bardziej stabilny polimorf wuja₂, a następnie Minerały Anatasa i Brookita.

-Ilmenita (Fetio₃).

-Perovskita (Catio₃)

-Leucokseno (heterogeniczna mieszanka anatazy, Rutilo i Perovskita).

Zauważ, że wymieniono kilka titaniferous minerałów, nawet jeśli są inne. Jednak nie wszystkie są takie same jak obfite i, podobnie, mogą przedstawić zanieczyszczenia trudne do wyeliminowania i które narażają właściwości końcowego metalowego tytanu.

Może ci służyć: Holmio

Właśnie dlatego Sfen lub Perovskita są zwykle stosowane do produkcji tytanu, ponieważ ich zawartość wapnia i krzemu są trudne do wyeliminowania z mieszaniny reakcyjnej.

Spośród tych minerałów Rutilo i Ilmenit są najczęściej używane komercyjnie i przemysłowo ze względu na wysoką zawartość wuja₂; to znaczy są bogate w tytan.

Proces KROLL

Wybrał dowolny z minerałów jako surowiec, wujek₂ W nich należy go zmniejszyć. Aby to zrobić, minerały, wraz z węglem, podgrzewaj się do czerwonego, żyją w reaktorze złoża fluidalnym o 1000 ° C. Tam, wujek₂ Reaguje z chlorem gazowym zgodnie z następującym równaniem chemicznym:

Wujek₂(s) + c (s) + 2cl₂(g) => ticl₄(L) +CO₂(G)

Ticl₄ Jest nieczystą bezbarwną cieczą, ponieważ w tej temperaturze jest rozpuszczona wraz z innymi chlorkami metalowymi (żelaza, wanadu, magnezu, cyrkonu i krzemu) pochodzi z zanieczyszczeń obecnych w minerałach. Dlatego ticl₄ Następnie jest oczyszczany przez frakcjonalną destylację i opady.

Już oczyszczył TICL₄, Łatwy gatunek do zmniejszenia, wlewa się do pojemnika ze stali nierdzewnej, do którego stosuje się puste, w celu wyeliminowania tlenu i azotu, i jest wypełniony argonem, aby zapewnić obojętną atmosferę, która nie wpływa na wytwarzany tytan. W tym procesie dodaje się magnez, który reaguje na 800 ° C zgodnie z następującym równaniem chemicznym:

Ticl₄(l) + 2mg (l) => ti (s) + 2mgcl₂(L)

Tytan wytrąca się jako gąbczasta substancja stała, która ulega oczyszczaniu go i nadaje lepsze formy stałe lub jest bezpośrednio przeznaczone do produkcji tytanowych minerałów.

Reakcje

Z powietrzem

Tytan ma wysoką odporność na korozję z powodu warstwy wuja₂ który chroni wnętrze metalu utleniania. Jednak gdy temperatura wzrośnie powyżej 400 ° C, cienki kawałek metalu zaczyna się całkowicie palić, tworząc mieszaninę wuja₂ i cyna:

Ti (s)+ o₂(g) => wujek₂(S)

2Ti (s)+ n₂(g) => cyny (s)

Oba gazy lub₂ oraz n₂, logicznie są w powietrzu. Te dwie reakcje występują szybko po ogrzewaniu tytanu do czerwonego żywe. A jeśli jest to drobno podzielony kurz, reakcja jest jeszcze bardziej energiczna, więc tytan w tym stanie stałym jest bardzo łatwopalny.

Z kwasami i podstawami

Ta warstwa wuja₂-Tina nie tylko chroni tytan przed koronką, ale także przed atakiem kwasów i podstaw, więc nie jest łatwe do rozpuszczenia metalu.

Aby to osiągnąć, należy stosować wysoce skoncentrowane kwasy i gotować do wrzenia, uzyskując fioletowy produkt roztworu wodnych kompleksów tytanu; Na przykład [ti (och₂)₆]⁺³.

Istnieje jednak kwas, który może go rozpuścić bez wielu powikłań: kwas fluorowy:

2Ti (s)+ 12HF (aq) 2 [tif₆]^3-(aq)+ 3H₂(g)+ 6h⁺(aq)

Z halogenami

Tytan może reagować bezpośrednio z halogenami, tworząc odpowiednie halogenuryny. Na przykład jego reakcja z jodem jest następująca:

Ti (s)+ 2i₂(s) => tii₄(S)

Podobnie występuje w przypadku fluorku, chloru i bromu, gdzie powstaje intensywny płomień.

Z silnymi utleniaczami

Kiedy tytan jest drobno podzielony, jest on nie tylko podatny na rozpalenie, ale także energicznie reaguje z silnymi środkami utleniającymi na najmniejsze źródło ciepła.

Część tych reakcji jest używana do pirotechniki, ponieważ generowane są jasne białe iskry. Na przykład reaguje z nadchloranem amonu zgodnie z równaniem chemicznym:

2Ti (s) + 2nh₄Clo₄(s) => 2Tio₂(s) + n₂(g) + cl₂(g) + 4h₂O (g)

Ryzyko

Metal Titanium

Titanium Proszek to wysoce łatwopalne stałe. Źródło: w. Oelen [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licencje/by-sa/3.0)]

Sam metaliczny tytan nie reprezentuje żadnego ryzyka zdrowotnego tych, którzy z nim pracują. Jest nieszkodliwy stał; Chyba że jest zmielony jako drobny proszek cząstek. Ten biały pył może być niebezpieczny ze względu na jego wysoką łatwopalność, wspomnianą w sekcji reakcji.

Kiedy tytan jest mielony, jego reakcja z tlenem i azotem jest szybsza i bardziej energiczna, oprócz nawet granicznego nawet wybuchowego. Dlatego reprezentuje straszne ryzyko ognia, jeśli jest tam przechowywane, dochodzi do niego płomienie.

Podczas spalania ogień może być wyłączony z grafitem lub chlorkiem sodu; Nigdy z wodą, przynajmniej w tych przypadkach.

Podobnie należy unikać kontaktu z halogenami za wszelką cenę; to znaczy z pewnym gazowym wyciekiem fluoru lub chloru lub oddziaływanie z czerwonawą cieczą bromową lub jodem lotnym kryształami. Jeśli tak się stanie, tytan jest podpalony. Silne środki utleniające nie powinny też się kontaktować: Permanganatos, chlor, nadchlorany, azotany itp.

Reszty ich wlewki lub stopy nie mogą stanowić większego ryzyka niż fizyczne ciosy, ponieważ nie są zbyt dobrymi czynnikami cieplnymi lub elektrycznymi i są przyjemne w dotknięciu.

Nanocząstki

Jeśli drobno podzielona substancja stała jest łatwopalna, jeszcze więcej, które składają się na nanocząsteczka tytanu. Jednak centralnym punktem tego subsekcji jest nanocząstki Tio₂, które zostały użyte w symfinach aplikacji, w których zasługują na ich biały kolor; Jak słodycze i słodycze.

Może ci służyć: hydroliza: co to jest i przykłady reakcji

Chociaż nie wiadomo, w jaki sposób jego absorpcja, dystrybucja, wydalanie lub toksyczność w ciele jest one toksyczne w badaniach myszy. Na przykład wykazali, że generuje to płuc i zaczerwienienie w płucach, a także inne zaburzenia oddechowe w ich rozwoju.

Przez ekstrapolację od myszy do nas stwierdza się, że oddychanie nanocząstek Tio₂ Wpływa na nasze płuca. Mogą również zmienić region hipokampa mózgu. Ponadto Międzynarodowe Centrum Badań Raka nie rządzi ich możliwymi substancjami rakotwórczymi.

Aplikacje

Pigment i addytyw

Mówienie o zastosowaniach tytanowych ma odnieść się do jego związku dwutlenku tytanu. Wujek₂ W rzeczywistości obejmuje około 95% wszystkich zastosowań dotyczących tego metalu. Przyczyny: jego biały kolor jest nierozpuszczalny i nie jest również toksyczny (nie wspominając o czystych nanocząstkach).

Dlatego jest zwykle stosowany jako pigment lub addytyw we wszystkich tych produktach, które wymagają białych zabarwień; takie jak pasta do zębów, leki, słodycze, papiery, klejnoty, obrazy, tworzywa sztuczne itp.

Powłoki

Wujek₂ Można go również używać do tworzenia filmów pokrywających dowolną powierzchnię, takich jak narzędzia szkła lub chirurgiczne.

Mając te powłoki, woda nie może ich zwilżyć i przesuwa nad nimi, tak jak deszcz miałby miejsce w samochodach. Narzędzia z tymi powłokami mogą zabić bakterie poprzez pochłanianie promieniowania UV.

Mocz psów lub guma do żucia nie mogła spojrzeć na asfalteczne lub cementy przez działanie wuja₂, co ułatwiłoby jego późniejsze usunięcie.

Krem do opalania

Wujek2 jest jednym z aktywnych elementów blokerów słonecznych. Źródło: Pixabay.

I zakończyć w odniesieniu do wuja₂, Jest to fotokatalizujący, zdolny do pochodzenia rodników organicznych, które są jednak neutralizowane przez folii krzemionkowe lub tlenku glinu w blokerach słonecznych. Jego biały kolor już wyraźnie pokazuje, że musisz mieć ten tytanowy tlenek.

Przemysł lotniczy

Stopy tytanowe są używane do produkcji dużych samolotów lub statków Velces. Źródło: Pxhere.

Tytan jest metalem o znacznym oporze i twardości w stosunku do jego niskiej gęstości. Jest to wykonane przez stalowy substytut wszystkich tych zastosowań, w których potrzebne są duże prędkości, lub zaprojektowane są samoloty o dużej skali, takie jak płaszczyzna A380 górnego obrazu.

Właśnie dlatego ten metal ma wiele zastosowań w branży lotniczej, ponieważ opiera się utleniania, jest lekki, silny, a jego stopy można poprawić za pomocą dokładnych dodatków.

Sport

Nie tylko w branży lotniczej tytan i jego stopy mają znaczenie, ale także w branży sportowej. Dzieje się tak, ponieważ wiele ich przyborów musi być lekkich, aby ich przewoźnicy, gracze lub sportowcy mogli ich manipulować bez poczucia zbyt ciężkiej.

Niektóre z tych przedmiotów to: rowery, golf lub hokejowe, amerykańskie hełmy piłkarskie, rakiety tenisowe lub bádminton, piki palców, łyżwy, łyżwy narciarskie, między innymi.

Ponadto, choć w znacznie mniejszym stopniu ze względu na wysokie koszty, użyto tytanu i stopów w luksusowych i sportowych samochodach.

Pirotechnika

Mielony tytan można mieszać z, na przykład KCLO₄, i służyć jako sztuczny ogień; że w rzeczywistości robią tych, którzy opracowują je na pokazach pirotechnicznych.

Medycyna

Tytan i jego stopy to metalowe materiały excellence w zastosowaniach biomedycznych. Są biokompatybilne, bezwładne, silne, trudne do utleniania, a nie toksyczne i idealnie integrują się z kościami.

To czyni je bardzo przydatnymi do implantów ortopedycznych i dentystycznych, do sztucznych stawów bioder i kolan, takich jak śruby do naprawy złamań, rozruszników lub sztucznych serc.

Biologiczny

Biologiczna rola tytanu jest niepewna i chociaż wiadomo, że może gromadzić się w niektórych roślinach i przynieść korzyści na wzrost niektórych upraw rolnych (takich jak pomidory), mechanizmy, w których interweniują, są nieznane.

Mówi się, że promuje tworzenie węglowodanów, enzymów i chlorofilów. Przypuszczają, że jest to spowodowane reakcją organizmów roślinnych na obronę z niskimi biodostępnymi stężeniami tytanu, ponieważ są dla nich szkodliwe. Jednak sprawa jest nadal w ciemności.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). MC Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Tytan. Źródło: w:.Wikipedia.org
3. Bawełniany Simon. (2019). Tytan. Royal Society of Chemistry. Odzyskane z: ChemistryWorld.com
4. Davis Marauo. (2019). Co to jest tytan? Właściwości i zastosowania. Badanie. Odzyskane z: Study.com
5. Helmestine, Anne Marie, pH.D. (3 lipca 2019). Właściwości chemiczne i fizyczne tytanu. Odzyskane z: Thoughtco.com
6. K. D. H. Bhadeshia. (S.F.). Metallurgia tytanu i jego stopów. Uniwersytet Cambridge. Odzyskane z: trans-fazowe.MSM.Krzywka.AC.Wielka Brytania
7. Michelle Chambers. (7 grudnia 2017 r.). Jak tytan pomaga w życiu. Pobrano z: TitaniumprossingCenter.com
8. Clark J. (5 czerwca 2019). Chemia tytanu. Chemia librettexts. Odzyskane z: chem.Librettexts.org
9. Venkatesh Vaidyanathan. (2019). Jak powstaje tytan? Science ABC. Odzyskane z: scienceabc.com
10. Dr. Edward Group. (10 września 2013 r.). Zagrożenia dla zdrowia tytanu. Globalne centrum uzdrawiania. Odzyskane z: GlobalHealingCenter.com
11. Clustoš, s. 1. Cigler, m. Hrubý, s. Kužel, J. Száková i J. Balík. (2005). Rola tytanu w produkcji biomasy i jej wpływ na zawartość podstawowych elementów w uprawach uprawnych w terenie. Środowisko gleby roślin., 51, (1): 19-25.
12. Kyocera SGS. (2019). Historia tytanu. Odzyskane z: kyocera-sgstool.UE