Titanhistorie, struktur, egenskaper, reaksjoner, bruksområder

2739
Simon Doyle

De titan Det er et overgangsmetall som er representert med det kjemiske symbolet Ti. Det er det andre metallet som dukker opp fra blokken d av det periodiske systemet, like etter skandium. Dens atomnummer er 22, og det forekommer i naturen så mange isotoper og radioisotoper, hvorav 48Du er den rikeste av alle.

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

Titanringer. Kilde: Pxhere.

I tillegg til de ovennevnte er den svært motstandsdyktig mot mekaniske støt til tross for at den er lettere enn stål. Det er derfor det er 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 flyproduksjon..

På samme måte, og ikke mindre viktig, er titan et biokompatibelt metall som er behagelig å ta på, og det er derfor det brukes i smykker til å lage ringer; og i biomedisin, slik som ortopediske og tannimplantater, som er i stand til å integreres i beinvev.

Imidlertid ligger de mest kjente bruksområdene i TiOto, som et pigment, tilsetningsstoff, belegg og fotokatalysator.

Det er det niende mest utbredte 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 den fra mineralene, blant annet rutil, anatase, ilmenitt og perovskitt. Av alle produksjonsmetodene er Kroll-prosessen den mest brukte over hele verden.

Artikkelindeks

  • 1 Historie
    • 1.1 Oppdagelse
    • 1.2 Isolasjon
  • 2 Struktur og elektronisk konfigurasjon
    • 2.1 Kobling
    • 2.2 Legeringer
    • 2.3 oksidasjonsnumre
  • 3 eiendommer
    • 3.1 Fysisk utseende
    • 3.2 Molarmasse
    • 3.3 Smeltepunkt
    • 3.4 Kokepunkt
    • 3.5 Selvantennelsestemperatur
    • 3.6 Duktilitet
    • 3.7 Tetthet
    • 3.8 Fusjonsvarme
    • 3.9 Fordampningsvarme
    • 3.10 Molar varmekapasitet
    • 3.11 Elektronegativitet
    • 3.12 Ioniseringsenergier
    • 3.13 Mohs hardhet
  • 4 Nomenklatur
  • 5 Hvor å finne og produsere
    • 5.1 Titaniferous mineraler
    • 5.2 Kroll-prosess
  • 6 Reaksjoner
    • 6.1 Med luften
    • 6.2 Med syrer og baser
    • 6.3 Med halogener
    • 6.4 Med sterke oksidanter
  • 7 Risiko
    • 7.1 Metallisk titan
    • 7.2 Nanopartikler
  • 8 bruksområder
    • 8.1 Pigment og tilsetningsstoff
    • 8.2 Belegg
    • 8.3 Solkrem
    • 8.4 Luftfart
    • 8.5 Sport
    • 8.6 Pyroteknikk
    • 8.7 Medisin
    • 8.8 Biologisk
  • 9 Referanser

Historie

Oppdagelse

Titan ble først identifisert i ilmenittmineralet i Manaccan Valley (Storbritannia), av pastoren og amatørmineralogen William Gregor, i 1791. Han var i stand til å identifisere at det inneholdt et jernoksid, siden sanden beveget seg gjennom påvirkning av en magnet; men han rapporterte også at det var et annet oksid av et ukjent metall, som han kalte "manacanite".

Dessverre, selv om han henvendte seg til Royal Geological Society of Cornwall og andre steder, skapte hans bidrag ikke opprør for ikke å være en anerkjent vitenskapsmann..

Fire år senere, i 1795, anerkjente den tyske kjemikeren Martin Heinrich Klaproth uavhengig det samme metallet; men i rutilmalmen i Boinik, for tiden Slovakia.

Det er de som 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 til mineralet ilmenitt..

Isolering

Siden den gang begynte forsøk på å isolere den fra slike mineraler; men de fleste av dem lyktes ikke, siden titanet ble 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 med 95% renhet..

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

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

Tjue år senere, i Luxembourg, utviklet William J. Kroll en annen metode med kalsium og magnesium. I dag er Kroll-prosessen fortsatt en av de viktigste metodene for å produsere metallisk titan på kommersielle og industrielle skalaer..

Fra dette punktet følger historien til titan løpet av legeringer i applikasjoner for luftfart og militærindustri..

Struktur og elektronisk konfigurasjon

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

Α-fasen er den mest stabile ved omgivelsestemperatur og trykk, med Ti-atomer omgitt av tolv naboer. Når temperaturen økes til 882 ° C, blir den sekskantede krystallen en kubisk, mindre tett, noe som samsvarer med de høyere atomvibrasjonene forårsaket av varme..

Når temperaturen øker, motarbeider α-fasen større termisk motstand; det vil si at dens spesifikke varme også øker, så mer og mer varme er nødvendig for å nå 882 ° C.

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

Link

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

[Ar] 3dto 4sto

Den har knapt fire elektroner å dele med naboene, noe som resulterer i nesten tomme 3d-bånd, og titan er derfor ikke like god en 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 fasene, α og β, kan danne sine egne legeringer. Disse kan bestå av rene α- eller β-legeringer, eller blandinger av begge i forskjellige proporsjoner (α + β).

Likeledes påvirker størrelsen på deres respektive krystallinske korn de endelige egenskapene til nevnte titanlegeringer, så vel som massesammensetningen og forholdet til de tilsatte additivene (andre få metaller eller atomer av N, O, C eller H)..

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 α-fasen (tettere hcp-krystaller); og Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe og andre, er tilsetningsstoffer som stabiliserer β-fasen (mindre tette bcc-krystaller).

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

Oksidasjonsnumre

I henhold til den elektroniske konfigurasjonen vil titan trenge åtte elektroner for å fylle 3d-orbitalene helt. Dette kan ikke oppnås i noen av dets forbindelser, og maksimalt får det opptil to elektroner; det vil si at den kan få negative oksidasjonstall: -2 (3d4) og -1 (3d3).

Årsaken skyldes elektronegativiteten til titan og at det i tillegg er et metall, så det har en større tendens til å ha positive oksidasjonstall; slik som +1 (3dto4s1), +2 (3dto4s0), +3 (3d14s0) og +4 (3d04s0).

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

Oksidasjonsnummeret +4 (Ti4+) er den mest representative av alle fordi den tilsvarer titan i oksidet: TiOto (Du4+ELLERtoto-).

Eiendommer

Fysisk utseende

Sølvgrått metall.

Molarmasse

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 finfordelt pulver.

Duktilitet

Titan er et duktilt metall hvis det mangler oksygen.

Tetthet

4,506 g / ml. Og ved smeltepunkt, 4,11 g / ml.

Fusjonsvarme

14,15 kJ / mol.

Fordampningsvarme

425 kJ / mol.

Molar varmekapasitet

25060 J / mol K.

Elektronegativitet

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, og de som er referert til i den tradisjonelle nomenklaturen når de navngir titanforbindelser. Ellers forblir reglene for aksjen og systematiske nomenklaturer de samme.

Tenk for eksempel på TiOto og TiCl4, to av de mest kjente forbindelsene av titan.

Det ble allerede sagt det i TiOto oksidasjonsnummeret til titan er +4, og da 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 lagernomenklaturen; og titandioksid, i henhold til den systematiske nomenklaturen.

Og for TiCl4 vi vil gå på en mer direkte måte:

Nomenklatur: navn

-Tradisjonelt: titanklorid

-Lager: titan (IV) klorid

-Systematikk: titantetraklorid

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

Hver titanforbindelse kan til og med ha egennavn utenfor navnereglene, og vil avhenge av den tekniske sjargongen til det aktuelle feltet..

Hvor den ligger og produksjon

Titaniferous mineraler

Rutilkvarts, et av mineralene med høyest innhold av titan. Kilde: Didier Descouens [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Titan, selv om det er det syvende mest vanlige metallet på jorden, og det niende mest vanlige i jordskorpen, finnes ikke i naturen som et rent metall, men i kombinasjon med andre elementer i mineraloksider; bedre kjent som titaniferous mineraler.

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

-Titanitt eller sfen (CaTiSiO5), med urenheter i jern og aluminium som gjør krystallene deres grønne.

-Brookite (TiOto ortorombisk).

-Rutil, den mest stabile polymorfen av TiOto, etterfulgt av mineralene anatase og brookite.

-Ilmenita (FeTiO3).

-Perovskite (CaTiO3)

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

Merk at det er flere titaniferous mineraler nevnt, selv om det er andre. Imidlertid er ikke alle like store, og de kan også presentere urenheter som er vanskelige å fjerne, og som setter egenskapene til det endelige metalliske titanet i fare..

Det er derfor sfen og perovskitt vanligvis brukes til produksjon av titan, siden kalsium- og silisiuminnholdet er vanskelig å fjerne fra reaksjonsblandingen..

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

Kroll prosess

Velge noen av mineralene som råstoff, TiOto i dem må det reduseres. For å gjøre dette oppvarmes mineralene sammen med kull rødvarmt i en reaktor med fluidisert seng ved 1000 ° C. Der, TiOto reagerer med klorgass i henhold til følgende kjemiske ligning:

Onkelto(s) + C (s) + 2Clto(g) => TiCl4(l) + COto(g)

TiCl4 Det er en uren fargeløs væske, siden den ved den temperaturen oppløses sammen med andre metallklorider (jern, vanadium, magnesium, zirkonium og silisium) stammer fra urenhetene i mineralene. Derfor er TiCl4 deretter renses den ved brøkdestillasjon og utfelling.

TiCl allerede renset4, en enklere art å redusere, den helles i en rustfritt stålbeholder som det påføres et vakuum for å eliminere oksygen og nitrogen, og den er fylt med argon for å sikre en inert atmosfære som ikke påvirker produsert titan. Magnesium tilsettes i prosessen, som reagerer ved 800 ° C i henhold til følgende kjemiske ligning:

TiCl4(l) + 2Mg (l) => Ti (s) + 2MgClto(l)

Titan faller ut som et svampaktig fast stoff, 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 høy korrosjonsbestandighet på grunn av et lag av TiOto som beskytter innsiden av metallet mot oksidasjon. Men når temperaturen stiger over 400 ° C, begynner et tynt stykke metall å brenne helt for å danne en TiO-blanding.to og TiN:

Ti (s) + Oto(g) => TiOto(s)

2Ti (s) + Nto(g) => TiN (s)

Begge gassene, ELLERto og Nto, logisk sett er de i lufta. Disse to reaksjonene oppstår raskt når titanet blir glødende. Og hvis det blir funnet som et findelt pulver, er reaksjonen enda kraftigere, og det er derfor titan i denne faste tilstanden er svært brannfarlig..

Med syrer og baser

Dette laget av TiOto-TiN beskytter ikke bare titan mot korrodering, men også mot angrep fra syrer og baser, så det er ikke et lett metall å oppløse.

For å oppnå dette må høykonsentrerte syrer brukes og koke opp, og oppnå en lilla-farget løsning som resulterer fra de vandige kompleksene av titan; for eksempel [Ti (OHto)6]+3.

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

2Ti (s) + 12HF (aq) 2 [TiF6]3-(aq) + 3Hto(g) + 6H+(En q)

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) + 2Ito(s) => TiI4(s)

På lignende måte skjer det med fluor, klor og brom, hvor en intens flamme dannes.

Med sterke oksidanter

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

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

2Ti (s) + 2NH4ClO4(s) => 2TiOto(s) + Nto(g) + Clto(g) + 4HtoO (g)

Risiko

Metallisk titan

Titanpulver er et meget brennbart fast stoff. Kilde: W. Oelen [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Metallisk titan i seg selv utgjør ingen helserisiko for de som jobber med det. Det er et ufarlig fast stoff; Med mindre det er malt som et fint partikkelpulver. Dette hvite pulveret kan være farlig på grunn av dets høye brennbarhet, nevnt i reaksjonsdelen..

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

Ved brenning kan ilden bare slukkes med grafitt eller natriumklorid; aldri med vann, i det minste for disse tilfellene.

Likeledes bør deres kontakt med halogener unngås for enhver pris; det vil si med en hvilken som helst gasslekkasje av fluor eller klor, eller samvirker med den rødlige væsken av brom eller de flyktige jodkrystallene. Hvis dette skjer, tar titan fyr. Det skal heller ikke komme i kontakt med sterke oksidasjonsmidler: permanganater, klorater, perklorater, nitrater, etc..

Ellers kan ingots eller legeringer ikke utgjøre mer risiko enn fysiske slag, siden de ikke er veldig gode varme- eller elektrisitetsledere og er behagelige å ta på..

Nanopartikler

Hvis det finfordelte faste stoffet er brennbart, må det være enda mer slik at det består av titananopartikler. Fokuset til dette underavsnittet skyldes imidlertid TiO-nanopartikleneto, som har blitt brukt i endeløse applikasjoner der de fortjener sin hvite farge; som søtsaker og godteri.

Selv om deres 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, så vel som andre luftveissykdommer i utviklingen.

Ved ekstrapolering fra musene til oss, konkluderes det med å puste TiO-nanopartiklerto det 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 forbindelsen titandioksid. Onkelento faktisk dekker det omtrent 95% av alle applikasjoner som gjelder dette metallet. Årsakene: den hvite fargen, den er uoppløselig, og den er også giftfri (for ikke å nevne de rene nanopartiklene).

Det er derfor det vanligvis brukes som pigment eller tilsetningsstoff i alle de produktene som krever hvite fargestoffer; som tannkrem, medisiner, søtsaker, papirer, edelstener, maling, plast osv..

Belegg

Onkelento kan også brukes til å lage filmer for å belegge hvilken som helst overflate, for eksempel glass eller kirurgiske verktøy.

Ved å ha disse beleggene kan vannet ikke fukte dem og løpe på dem, som regn ville gjort på bilruter. Verktøy med disse beleggene kan drepe bakterier ved å absorbere UV-stråling.

Hund urin eller tyggegummi kunne ikke feste seg på asfalt eller sement på grunn av virkningen av TiOto, som vil gjøre det lettere å fjerne den.

Solkrem

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

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

Flyindustri

Titanlegeringer brukes til å lage store fly eller raske skip. 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 de applikasjonene der det er behov for høye hastigheter, eller store vingespennfly er designet, for eksempel A380-flyet i bildet ovenfor..

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

Sport

Ikke bare i luftfartsindustrien er titan og dets legeringer sentralt, men også i sportsbransjen. Dette er fordi mange av redskapene deres må være lette, slik at brukerne, spillerne eller idrettsutøverne kan takle dem uten å føle seg for tunge..

Noen av disse elementene er: sykler, golf- eller hockeykøller, fotballhjelmer, tennis- eller badmintonracketer, gjerder sverd, skøyter, ski, blant andre..

På samme måte, selv om det i mye mindre grad på grunn av de høye kostnadene, har titan og legeringer blitt brukt i luksus- og sportsbiler..

Pyroteknikk

Malet titan kan blandes med for eksempel KClO4, og tjene som fyrverkeri; som faktisk er laget av de som lager dem i pyrotekniske show.

Medisin

Titan og dets legeringer er metalliske materialer i toppklasse i biomedisinske applikasjoner. 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 ukjent..

Det sies å fremme dannelsen av karbohydrater, enzymer og klorofyll. De antar at det er på grunn av en respons fra planteorganismer å forsvare seg mot de lave biotilgjengelige konsentrasjonene av titan, siden de er skadelige for dem. Saken er imidlertid fortsatt i mørket.

Referanser

  1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
  2. Wikipedia. (2019). Titan. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
  3. Bomull Simon. (2019). Titan. 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). Titan kjemiske og fysiske egenskaper. Gjenopprettet fra: thoughtco.com
  6. K. D. H. Bhadeshia. (s.f.). 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. (5. juni 2019). Kjemi av titan. Kjemi LibreTexts. Gjenopprettet fra: chem.libretexts.org
  9. Venkatesh Vaidyanathan. (2019). Hvordan lages titan? Vitenskap ABC. Gjenopprettet fra: scienceabc.com
  10. Dr. Edward Group. (10. september 2013). Helsefare for 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 feltvoksende avlinger. PLANTJORDMILJØ., 51, (1): 19-25.
  12. KYOCERA SGS. (2019). Historie av titan. Gjenopprettet fra: kyocera-sgstool.eu

Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.