TITAN: ZGODOVINA, STRUKTURA, LASTNOSTI, REAKCIJE, UPORABE - KEMIJA - 2026

Titana je prehodna kovina, ki jo predstavlja kemijski simbol Ti. To je druga kovina, ki se pojavi iz bloka d periodične tabele, takoj za skandijem. Njegova atomska številka je 22, v naravi pa se pojavlja čim več izotopov in radioizotopov, od tega je ⁴⁸ Ti najbolj bogat od vseh.

Njegova barva je srebrno siva, njegovi deli pa so prekriti z zaščitno plastjo oksida, zaradi česar je titan kovina zelo odporna proti koroziji. Če je ta plast rumenkasta, je to titanov nitrid (TiN), ki je spojina, ki nastane, ko ta kovina gori v prisotnosti dušika, edinstvena in prepoznavna lastnost.

Titanovi obroči. Vir: Pxhere.

Poleg že omenjenega je zelo odporen na mehanske udarce, kljub temu da je lažji od jekla. Zato je znan kot najmočnejša kovina od vseh, že samo ime pa je sinonim za moč. Ima tudi moč in lahkotnost, dve značilnosti, zaradi katerih je zaželen material za izdelavo letal.

Prav tako in nič manj pomemben je titan biokompatibilna kovina, prijetna na dotik, zato se v nakitu uporablja za izdelavo prstanov; in v biomedicini, kot so ortopedski in zobni vsadki, ki se lahko vključijo v kostno tkivo.

Vendar pa je njegova najbolj znana uporaba v TiO ₂ kot pigment, aditiv, premaz in fotokatalizator.

Je deveti najbolj obilen element na Zemlji in sedmi znotraj kovin. Kljub temu so njegovi stroški visoki zaradi težav, ki jih je treba premagati, da ga lahko izvlečemo iz svojih mineralov, med katerimi so rutil, anataza, ilmenit in perovskit. Od vseh proizvodnih metod je najbolj razširjen postopek Kroll po vsem svetu.

Zgodovina

Odkritje

Titanij je leta 1791 prvič v identifikaciji rudnika ilmenita v dolini Manaccan (Združeno kraljestvo) določil pastor in amaterski mineralog William Gregor. Znal je ugotoviti, da vsebuje železov oksid, saj so se njegovi peski premikali skozi vpliv magneta; vendar je tudi sporočil, da obstaja še en oksid neznane kovine, ki ga je imenoval "manacanit."

Na žalost, čeprav se je obrnil na kraljevsko geološko društvo v Cornwallu in druge poslovalnice, njegovi prispevki niso vzbudili vznemirjenja, ker ni bil priznan človek znanosti.

Štiri leta pozneje, leta 1795, je nemški kemik Martin Heinrich Klaproth samostojno prepoznal isto kovino; vendar v rutilni rudi pri Boiniku, zdaj na Slovaškem.

Nekateri trdijo, da je to novo kovino poimenoval "titan", ki jo je navdihnila njegova žilavost v primerjavi s Titani. Drugi trdijo, da je bil bolj posledica nevtralnosti samih mitoloških likov. Tako se je rodil titan kot kemični element in Klaproth je pozneje lahko sklepal, da gre za enak manacanit kot mineral ilmenit.

Izolacija

Od takrat so ga začeli poskusiti izolirati od takšnih mineralov; vendar večina od njih ni bila uspešna, saj je bil titan onesnažen s kisikom ali dušikom ali je tvoril karbid, ki ga ni bilo mogoče zmanjšati. Lars Nilson in Otto Pettersson sta pripravila vzorec, ki je bil 95% čist.

Nato je leta 1896 Henryju Moissanu uspel pridobiti vzorec z do 98% čistostjo, zahvaljujoč reducirnemu delovanju kovinskega natrija. Vendar so bili ti nečisti titani krhki zaradi delovanja kisikovih in dušikovih atomov, zato je bilo treba zasnovati postopek, da se jih prepreči iz reakcijske mešanice.

In s tem pristopom je leta 1910 izhajal Hunter Process, ki ga je oblikoval Matthew A. Hunter v sodelovanju s General Electric na Politehničnem inštitutu Rensselaer.

Dvajset let kasneje je v Luksemburgu William J. Kroll zasnoval drugo metodo z uporabo kalcija in magnezija. Danes proces Kroll ostaja ena vodilnih metod za proizvodnjo kovinskega titana na komercialni in industrijski ravni.

Od tega trenutka naprej zgodovina titana sledi poteku njegovih zlitin v aplikacijah za vesoljsko in vojaško industrijo.

Struktura in elektronska konfiguracija

Čisti titan lahko kristalizira z dvema strukturama: kompaktnim šesterokotnikom (hcp), ki se imenuje α faza, in telesno centriranim kubikom (bcc), ki se imenuje β faza. Tako gre za dimorfno kovino, ki je sposobna opraviti alotropne (ali fazne) prehode med strukturo hcp in bcc.

Faza α je najbolj stabilna pri zunanji temperaturi in tlaku, z atomi Ti obdaja dvanajst sosedov. Ko se temperatura poveča na 882 ° C, se šesterokotni kristal pretvori v manj gost kubični, kar je skladno z višjimi atomskimi vibracijami, ki jih povzroča toplota.

Ko se temperatura povečuje, se faza α upira večji toplotni upornosti; torej njegova specifična toplota se tudi povečuje, tako da je za dosego 882 ° C potrebno vse več toplote.

Kaj pa, če tlak namesto povišanja temperature naredi? Nato dobite popačene kristale bcc.

Povezava

V teh kovinskih kristalih valenčni elektroni 3d in 4s orbitale posegajo v vez, ki se pridruži atomom Ti, v skladu z elektronsko konfiguracijo:

3d ² 4s ²

Ima le štiri elektrone, ki si jih lahko deli s sosedi, kar ima za posledico skoraj prazne 3d pasove, zato titan ni tako dober prevodnik električne energije ali toplote kot druge kovine.

Zlitine

Še pomembnejše od tistega, kar je bilo rečeno o kristalni strukturi titana, je, da lahko obe fazi, α in β, tvorita lastne zlitine. Lahko so sestavljene iz čiste α ali β zlitine ali mešanice obeh v različnih razmerjih (α + β).

Prav tako velikost njihovih kristalnih zrn vpliva na končne lastnosti omenjenih titanovih zlitin, pa tudi na masno sestavo in razmerje dodanih aditivov (nekaj drugih kovin ali atomov N, O, C ali H).

Aditivi pomembno vplivajo na titanove zlitine, ker lahko stabilizirajo nekatere od dveh specifičnih faz. Na primer: Al, O, Ga, Zr, Sn in N so dodatki, ki stabilizirajo fazo α (gostejši kristali hcp); in Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe in drugi so dodatki, ki stabilizirajo β fazo (manj gosti kristali bcc).

Študij vseh teh titanovih zlitin, njihovih struktur, sestave, lastnosti in uporabe so predmet metalurških del, ki temeljijo na kristalografiji.

Oksidacijske številke

Glede na konfiguracijo elektronov bi za titan potrebovali osem elektronov, da bi popolnoma zapolnili 3d orbitale. Tega ni mogoče doseči v nobeni izmed njegovih spojin in kvečjemu pridobi do dva elektrona; to pomeni, da lahko pridobi negativne oksidacijske številke: -2 (3d ⁴ ) in -1 (3d ³ ).

Razlog je v elektronegativnosti titana in v tem, da je kovina, zato ima večjo težnjo po pozitivnih oksidacijskih številkah; kot so +1 (3d ² 4s ¹ ), +2 (3d ² 4s ⁰ ), +3 (3d ¹ 4s ⁰ ) in +4 (3d ⁰ 4s ⁰ ).

Upoštevajte, kako elektroni 3d in 4s orbitale odhajajo, ko se domneva obstoj kationov Ti ⁺ , Ti ²⁺ in tako naprej.

Oksidacijsko število +4 (Ti ⁴⁺ ) je najbolj reprezentativno od vseh, ker ustreza številu titana v njegovem oksidu: TiO ₂ (Ti ⁴⁺ O ₂ ^2- ).

Lastnosti

Fizični videz

Sivkasto srebrna kovina.

Molarna masa

47.867 g / mol.

Tališče

1668 ° C. Zaradi sorazmerno visokega tališča je ognjevzdržna kovina.

Vrelišče

3287 ° C.

Temperatura samovžiga

1200 ° C za čisto kovino in 250 ° C za fino razdeljen prah.

Duktilnost

Titan je duktilna kovina, če mu primanjkuje kisika.

Gostota

4.506 g / ml. 4,11 g / ml pri temperaturi taljenja.

Vročina fuzije

14,15 kJ / mol.

Toplota izparevanja

425 kJ / mol.

Molarna toplotna zmogljivost

25060 J / mol · K.

Elektronegativnost

1,54 po Paulingovi lestvici.

Ionizacijske energije

Najprej: 658,8 kJ / mol.

Drugo: 1309,8 kJ / mol.

Tretjič: 2652,5 kJ / mol.

Mohsova trdota

6,0

Nomenklatura

Med oksidacijskimi številkami so najpogostejše +2, +3 in +4, kot jih omenjajo v tradicionalni nomenklaturi pri poimenovanju titanovih spojin. V nasprotnem primeru pravila delniške in sistematične nomenklature ostajajo enaka.

Na primer, upoštevajte TiO ₂ in TiCl ₄ , dve najbolj znani spojini titana.

Rečeno je že, da je v TiO ₂ oksidacijsko število titana +4, zato mora biti ime največje (ali pozitivno), ime pa se mora končati s pripono -ico. Tako je njegovo ime titanski oksid po tradicionalni nomenklaturi; titanov (IV) oksid, v skladu z nomenklaturo zalog; in titanov dioksid v skladu s sistematično nomenklaturo.

Za TiCl ₄ bomo nadaljevali bolj neposredno:

Nomenklatura: ime

-Tradicionalno: titanski klorid

-Zaloga: titanov (IV) klorid

-Sistematično: titanov tetraklorid

V angleščini se ta sestavina pogosto imenuje "Tickle".

Vsaka titanova spojina ima lahko celo pravilna imena zunaj pravil o poimenovanju in je odvisna od tehničnega žargona zadevnega polja.

Kje najti in izdelati

Titanovi minerali

Rutilov kremen, eden izmed mineralov z največjo vsebnostjo titana. Vir: Didier Descouens

Titan, čeprav je sedma najpogostejša kovina na Zemlji in deveta najpogostejša v zemeljski skorji, v naravi ne najdemo kot čista kovina, ampak v kombinaciji z drugimi elementi v mineralnih oksidih; bolj znani kot titanovi minerali.

Tako je za njegovo pridobitev potrebno uporabiti te minerale kot surovino. Nekateri od njih so:

-Titanit ali sfen (CaTiSiO ₅ ), z nečistočami železa in aluminija, ki svoje kristale obarvajo zeleno.

-Brookit (Orthorhombic TiO ₂ ).

-Rutil, najstabilnejši polimorf TiO ₂ , sledita mu minerala anataza in brookit.

-Ilmenite (FeTiO ₃ ).

-Perovskite (CaTiO ₃ )

-Leukoksen (heterogena mešanica anataze, rutila in perovskita).

Upoštevajte, da je omenjenih več titanovih mineralov, čeprav obstajajo tudi drugi. Vendar pa vsi niso enako obilni, prav tako pa lahko vsebujejo nečistoče, ki jih je težko odstraniti in zaradi katerih so ogrožene lastnosti končnega kovinskega titana.

Zaradi tega se za proizvodnjo titana pogosto uporabljajo spen in perovskit, saj je njihova vsebnost kalcija in silicija težko odstraniti iz reakcijske mešanice.

Od vseh teh mineralov se rutil in ilmenit zaradi visoke vsebnosti TiO ₂ najbolj komercialno in industrijsko uporabljajo ; torej so bogati s titanom.

Postopek kroženja

Če izberete katerega izmed mineralov za surovino, je treba TiO ₂ v njih zmanjšati. Da bi to naredili, minerale skupaj s premogom segrevamo rdeče vroče v reaktorju s fluidiziranim slojem pri 1000 ° C. Tam TiO ₂ reagira s klorovim plinom v skladu z naslednjo kemijsko enačbo:

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

TiCl ₄ je nečista brezbarvna tekočina, saj se pri tej temperaturi raztaplja skupaj z drugimi kovinskimi kloridi (železo, vanadij, magnezij, cirkonij in silicij), ki izvirajo iz nečistoč, prisotnih v mineralih. Zato se TiCl ₄ očisti s frakcijsko destilacijo in obarjanjem.

Ko je očiščen TiCl ₄ , vrsto, ki jo je lažje zmanjšati, vlijemo v posodo iz nerjavečega jekla, v katero se nanese vakuum, da se izloči kisik in dušik, ter napolni z argonom, da se zagotovi inertna atmosfera, ki ne vpliva na titan. proizvedeno. V postopku dodamo magnezij, ki reagira pri 800 ° C v skladu z naslednjo kemijsko enačbo:

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

Titani oborimo kot gobasto trdno snov, ki jo obdelamo, da jo prečistimo in dobimo bolj trdne oblike ali pa jo uporabimo neposredno za proizvodnjo titanovih mineralov.

Reakcije

Z zrakom

Titan ima visoko odpornost proti koroziji zaradi plasti TiO _2, ki ščiti notranjost kovine pred oksidacijo. Ko pa se temperatura dvigne nad 400 ° C, začne tanek kovin v celoti goreti, da nastane mešanica TiO ₂ in TiN:

Ti (s) + O ₂ (g) => TiO ₂ (s)

2Ti (s) + N ₂ (g) => TiN (s)

Oba plina, O ₂ in N ₂ , sta logično v zraku. Ti dve reakciji se hitro zgodita, ko se titan segreje rdeče. In če ga najdemo kot drobno razdeljen prah, je reakcija še bolj živahna, zaradi česar je titan v tem trdnem stanju lahko vnetljiv.

S kislinami in bazami

Ta TiO ₂ -TiN plast ne samo da ščiti titan pred korozijo, ampak tudi pred napadi kislin in baz, zato se raztapljanje kovine ni enostavno.

Da bi to dosegli, je treba uporabiti visoko koncentrirane kisline in jih vreti do vrenja, da dobimo vijolično raztopino, ki nastane iz vodnih kompleksov titana; na primer ⁺³ .

Vendar pa obstaja kislina, ki jo lahko raztopi brez številnih zapletov: fluorovodikova kislina:

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

S halogeni

Titan lahko neposredno reagira s halogeni in tvori ustrezne halogene. Na primer, vaša reakcija na jod je naslednja:

Ti (s) + 2I ₂ (s) => TiI ₄ (s)

Podobno je s fluorom, klorom in bromom, kjer nastane močan plamen.

Z močnimi oksidanti

Ko je titan fino razdeljen, ni samo nagnjen k vžigu, ampak tudi burno reagira z močnimi oksidanti pri najmanjšem viru toplote.

Del teh reakcij se uporablja za pirotehniko, saj nastajajo svetle bele iskre. Na primer, reagira z amonijevim perkloratom v skladu s kemijsko enačbo:

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

Tveganja

Kovinski titan

Titanov prah je zelo vnetljiva trdna snov. Vir: W. Oelen

Kovinski titan sam po sebi ne predstavlja nobenega tveganja za zdravje tistih, ki delajo z njim. Je neškodljiva trdna snov; Razen če je mlet kot prah drobnih delcev. Ta beli prah je lahko nevaren zaradi svoje visoke vnetljivosti, omenjene v oddelku o reakcijah.

Ko je titan zmlet, je njegova reakcija s kisikom in dušikom hitrejša in močnejša, lahko pa tudi eksplozivno gori. Zato predstavlja strašno nevarnost požara, če ga tam, kjer je shranjen, prizadene plamen.

Pri gorenju lahko ogenj ugasnemo le z grafitom ali natrijevim kloridom; nikoli z vodo, vsaj za te primere.

Prav tako se je treba za vsako ceno izogibati njihovemu stiku s halogeni; torej s kakršnim koli plinskim uhajanjem fluora ali klora ali z interakcijo z rdečkasto tekočino kroma ali hlapnih jodnih kristalov. Če se to zgodi, se titan vname. Prav tako ne sme priti v stik z močnimi oksidanti: permanganati, klorati, perklorati, nitrati itd.

V nasprotnem primeru njegovi ingoti ali zlitine ne morejo predstavljati večje nevarnosti kot fizični udarci, saj niso zelo dobri prevodniki toplote ali električne energije in so prijetni na dotik.

Nanodelci

Če je fino razdeljena trdna sestavina vnetljiva, mora biti še toliko bolj sestavljena iz nanodelcev titana. Vendar je osrednja točka tega pododdelka posledica nanodelcev TiO ₂ , ki so bili uporabljeni v neštetih aplikacijah, kjer si zaslužijo svojo belo barvo; kot sladkarije in bombone.

Čeprav njihova absorpcija, porazdelitev, izločanje ali strupenost v telesu niso znani, so v raziskavah na miših pokazali, da so strupeni. Na primer, pokazali so, da ustvarja emfizem in pordelost v pljučih, pa tudi druge dihalne motnje v njihovem razvoju.

Z ekstrapolacijo od miši do nas je sklenjeno, da dihanje nanodelcev TiO ₂ vpliva na naša pljuča. Prav tako lahko spremenijo hipokampusno območje možganov. Poleg tega jih Mednarodna agencija za raziskave raka ne izključuje kot možnih rakotvornih snovi.

Prijave

Pigment in aditivi

Če govorimo o uporabi titana, se nujno nanaša na uporabo njegovega sestavljenega titanovega dioksida. TiO ₂ dejansko pokriva približno 95% vseh aplikacij v zvezi s to kovino. Razlogi: bela barva, je netopna, poleg tega pa je tudi netoksična (da ne omenjam čistih nanodelcev).

Zato se običajno uporablja kot pigment ali dodatek v vseh tistih izdelkih, ki potrebujejo belo obarvanje; kot so zobna pasta, zdravila, bomboni, papirji, dragulji, barve, plastika itd.

Premazi

TiO ₂ se lahko uporablja tudi za ustvarjanje filmov za premazovanje katere koli površine, na primer stekla ali kirurškega orodja.

Z oblogami jih voda ne more zmočiti in teče po njih, kot dež na vetrobranskih steklih avtomobilov. Orodja s temi premazi lahko ubijejo bakterije z absorpcijo UV sevanja.

Pasjega urina ali žvečilnega gumija ni bilo mogoče pritrditi na asfalt ali cement z dejstvom TiO ₂ , kar bi olajšalo njegovo nadaljnjo odstranitev.

Sončna krema

TiO2 je ena izmed aktivnih sestavin krem ​​za zaščito pred soncem. Vir: Pixabay.

In končno, v zvezi s TiO ₂ gre za fotokatalizator, ki lahko tvori organske radikale, ki pa jih na sončni zaščiti nevtralizirajo folije kremena ali glinice. Njegova bela barva že jasno kaže, da mora imeti ta titanov oksid.

Vesoljska industrija

Titanove zlitine se uporabljajo za izdelavo velikih letal ali hitrih ladij. Vir: Pxhere.

Titan je kovina s precejšnjo trdnostjo in trdoto glede na svojo nizko gostoto. Zaradi tega je nadomestek jekla za vse tiste aplikacije, pri katerih so potrebne visoke hitrosti ali so zasnovana velika letala z razponom kril, kot je letalo A380 na zgornji sliki.

Zato ima ta kovina v vesoljski industriji veliko koristi, saj se upira oksidaciji, je lahka, močna in njene zlitine je mogoče izboljšati z natančnimi dodatki.

Šport

Titan in njegove zlitine so v središču pozornosti ne le v vesoljski industriji, temveč tudi v športni industriji. To je zato, ker morajo biti številni pripomočki lahki, da lahko njihovi uporabniki, igralci ali športniki z njimi ravnajo, ne da bi se počutili pretežko.

Nekateri od teh predmetov so: kolesa, palice za golf ali hokej, nogometne čelade, loparji za tenis ali badminton, meče za ograjo, drsalke, smuči, med drugim.

Tudi v veliko manjši meri zaradi visokih stroškov se titan in njegove zlitine uporabljajo v luksuznih in športnih avtomobilih.

Pirotehnika

Zmešan titan lahko pomešamo na primer s KClO ₄ in služi kot ognjemet; da v resnici to počnejo tisti, ki jih izdelujejo v pirotehničnih oddajah.

Zdravilo

Titan in njegove zlitine so kovinski materiali odlična v biomedicinskih aplikacijah. So biokompatibilni, inertni, močni, težko oksidirajo, netoksični in se brezhibno integrirajo s kostmi.

Zaradi tega so zelo uporabni za ortopedske in zobne vsadke, za umetne kolčne in kolenske sklepe, kot vijake za odpravljanje zlomov, za srčne spodbujevalnike ali umetna srca.

Biološki

Biološka vloga titana je negotova, in čeprav je znano, da se lahko kopiči v nekaterih rastlinah in koristi rasti nekaterih kmetijskih pridelkov (na primer paradižnika), mehanizmi, kjer se vmešava, niso znani.

Trdi se, da pospešuje tvorbo ogljikovih hidratov, encimov in klorofilov. Domnevajo, da je posledica odziva rastlinskih organizmov, da se branijo pred nizkimi biološko dostopnimi koncentracijami titana, saj so zanje škodljivi. Vendar je zadeva še vedno v temi.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
2. Wikipedija. (2019). Titan. Pridobljeno: en.wikipedia.org
3. Bombaž Simon. (2019). Titan. Royal Society of Chemistry. Pridobljeno: chemistryworld.com
4. Davis Marauo. (2019). Kaj je titan? Lastnosti in uporabe. Študij. Pridobljeno: study.com
5. Helmenstine, Anne Marie, dr. (03. julij 2019). Kitajske in fizikalne lastnosti titana. Pridobljeno: misel.com
6. KDH Bhadeshia. (sf). Metalurgija titana in njegovih zlitin. Univerza v Cambridgeu. Pozdravljeno iz: phase-trans.msm.cam.ac.uk
7. Zbornice Michelle. (7. december 2017). Kako titan pomaga živeti. Pridobljeno: titaniumprocessingcenter.com
8. Clark J. (5. junij 2019). Kemija titana. Kemija LibreTexts. Pridobljeno: chem.libretexts.org
9. Venkatesh Vaidyanathan. (2019). Kako je narejen titan? Znanost ABC. Pridobljeno: scienceabc.com
10. Dr. Edward Group. (10. september 2013). Zdravstvena tveganja titana. Globalni zdravilni center. Pridobljeno: globalhealingcenter.com
11. Tlustoš, P. Cígler, M. Hrubý, S. Kužel, J. Száková & J. Balík. (2005). Vloga titana v proizvodnji biomase in njegov vpliv na vsebnost bistvenih elementov v poljskih pridelkih. RASTLINSKO TLA ENVIRON., 51, (1): 19–25.
12. KYOCERA SGS. (2019). Zgodovina titana. Pridobljeno: kyocera-sgstool.eu