TITÁN: TÖRTÉNELEM, SZERKEZET, TULAJDONSÁGOK, REAKCIÓK, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2026

A titán egy átmeneti fém, amelyet a Ti kémiai szimbólum ábrázol. Ez a második fém, amely a periódusos rendszer d blokkjából jelenik meg, közvetlenül a skandium után. Atomszáma 22, és a természetben annyi izotópot és radioizotópot tartalmaz, amelyek közül ⁴⁸ Ti a legszélesebb.

Színe ezüstszürke, részei oxid védőréteggel vannak borítva, amely a titánt a korróziónak nagyon ellenálló fémévé teszi. Ha ez a réteg sárgás, akkor a titán-nitrid (TiN), amely egy vegyület, amely akkor képződik, amikor ez a fém nitrogén jelenlétében ég, egyedülálló és megkülönböztetett tulajdonság.

Titán gyűrűk. Forrás: Pxhere.

A fent említettek mellett rendkívül ellenáll a mechanikai hatásoknak, annak ellenére, hogy könnyebb, mint az acél. Ez az oka annak, hogy a legerősebb fémként ismertek, és neve neve megegyezik az erővel. Erõssége és könnyûsége is van, két jellemzõ, ami miatt válogatható anyagává válik a repülõgépek gyártása során.

Hasonlóképpen, és nem kevésbé fontos, hogy a titán biokompatibilis fém, amely kellemes tapintású, ezért használják ékszerben gyűrűk készítéséhez; és az orvosbiológiában, például az ortopédiai és fogászati ​​implantátumokban, amelyek képesek beépülni a csontszövetbe.

A legismertebb felhasználása azonban TiO _{2-ben található}, mint pigment, adalékanyag, bevonat és fotokatalizátor.

Ez a Földön a kilencedik leggyakoribb elem, és a fémekben hetedik. Ennek ellenére költsége magas, mivel nehézségeket kell leküzdeni, hogy ásványaiból nyerjék ki a rutilt, anatázt, ilmenitet és perovszkitet. Az összes előállítási módszer közül a Kroll-folyamat a legszélesebb körben alkalmazott.

Történelem

Felfedezés

A titánt először 1791-ben, a lelkész és amatőr mineralogista William Gregor, a manaccani völgyben (Egyesült Királyság) azonosította az ilmenit ásványban. Az Egyesült Királyság képes volt azonosítani, hogy vasoxidot tartalmaz, mivel a homok áthaladt a mágnes befolyása; de arról is beszámolt, hogy van még egy ismeretlen fém oxidja, amelyet "manacanitának" hívott.

Sajnos, bár a Cornwalli Királyi Geológiai Társasághoz és más üzletekhez fordult, hozzászólásai nem keltették fel a felvetést, hogy nem tudományos ember elismert személy.

Négy évvel később, 1795-ben, a német kémikus, Martin Heinrich Klaproth önállóan ismerte fel ugyanazt a fémet; de rutinércben Boiniknál ​​(jelenleg Szlovákia).

Néhányan azt állítják, hogy ezt az új fémet titánnak nevezte, amelyet annak keménysége ihlette, a Titánokhoz hasonlítva. Mások szerint inkább a mitológiai karakterek semlegességének tudható be. Így a titán kémiai elemként született, és Klaproth később arra a következtetésre jutott, hogy ugyanaz a manacanit, mint az ásványi ilmenit.

Elkülönítés

Azóta megkíséreltek elkülöníteni az ilyen ásványoktól; de többségük sikertelen volt, mivel a titánt oxigénnel vagy nitrogénnel szennyezték, vagy karbidot képeztek, amelyet lehetetlen redukálni. Szinte egy évszázad (1887) telt el Lars Nilson és Otto Pettersson számára, hogy elkészítsék a 95% -os tisztaságú mintát.

Ezután 1896-ban Henry Moissannek sikerült 98% -os tisztaságú mintát kinyernie, a fém-nátrium redukáló hatásának köszönhetően. Ezek a tiszta titánok azonban törékenyek voltak az oxigén- és a nitrogénatomok hatása miatt, ezért meg kellett dolgozni egy eljárást, hogy azok ne kerüljenek a reakcióelegyből.

Ezzel a megközelítéssel 1910-ben a Hunter-folyamat származik, amelyet Matthew A. Hunter dolgozott ki a Rensselaer Politechnikai Intézet General Electric-szel együttműködésben.

Húsz évvel később, Luxemburgban, William J. Kroll kidolgozott egy másik módszert kalcium és magnézium felhasználására. Manapság a Kroll-folyamat továbbra is az egyik vezető módszer a fémes titán előállítására kereskedelmi és ipari méretekben.

Ettől a ponttól kezdve a titán története követi ötvözeteinek menetét az űrrepülés és a katonai ipar számára.

Felépítés és elektronikus konfiguráció

A tiszta titán két szerkezettel kristályosodhat: egy kompakt hatszögletű (hcp), amelyet α fázisnak neveznek, és egy testközpontú köbméter (bcc), amelyet β fázisnak neveznek. Tehát egy dimorf fém, amely képes allotrop (vagy fázis) átmenetekre a hcp és a ccc struktúrák között.

Az α fázis a legstabilabb környezeti hőmérsékleten és nyomáson, amikor a Ti atomokat tizenkét szomszéd veszi körül. Amikor a hőmérsékletet 882 ° C-ra emelik, a hatszögletű kristály kevésbé sűrű köbméterré alakul, amely összhangban van a hő által keltett nagyobb atomi rezgésekkel.

A hőmérséklet emelkedésével az α fázis nagyobb hőállósággal szemben áll; vagyis a fajlagos hője is növekszik, így egyre több hőre van szükség a 882 ° C eléréséhez.

Mi lenne, ha a hőmérséklet növelése helyett a nyomás megtörténne? Akkor torz bcc kristályok lesznek.

Link

Ezekben a fémkristályokban a 3d és a 4s pálya valencia elektronjai az elektronikus konfiguráció szerint beavatkoznak a Ti-atomokkal összekötő kötésbe:

3d ² 4s ²

Mindössze négy elektronja van, hogy megosszák a szomszédaival, így szinte üres 3D-sávokat eredményeznek, ezért a titán nem olyan jó elektromos vagy villamos vezető, mint más fémek.

ötvözetek

A titán kristályszerkezetével kapcsolatban még fontosabb, hogy mind az α, mind a β fázis képezze saját ötvözetét. Ezek lehetnek tiszta α vagy β ötvözetek vagy ezek keverékei különböző arányban (α + β).

Hasonlóképpen, a megfelelő kristályos szemcsék mérete befolyásolja az említett titánötvözetek végső tulajdonságait, valamint a hozzáadott adalékanyagok (néhány más fémet vagy N, O, C vagy H atomot) tömegösszetételét és viszonyát.

Az adalékanyagok jelentősen befolyásolják a titánötvözeteket, mivel stabilizálhatják a két specifikus fázis egy részét. Például: Al, O, Ga, Zr, Sn és N olyan adalékanyagok, amelyek stabilizálják az a-fázist (sűrűbb hcp kristályok); és Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe és mások olyan adalékanyagok, amelyek stabilizálják a β-fázist (kevésbé sűrű bcc-kristályok).

Mindezen titánötvözetek, szerkezetük, összetételük, tulajdonságaik és alkalmazásuk tanulmányozása a fémkohászati ​​művek tárgyát képezi, amelyek a kristálylográfiára támaszkodnak.

Oxidációs számok

Az elektronkonfiguráció szerint a titánnak nyolc elektronra lenne szüksége, hogy teljes mértékben megtöltse a 3D-s keringőket. Ezt egyetlen vegyületnél sem lehet elérni, legfeljebb két elektron nyerhető; vagyis negatív oxidációs számokat szerezhet: -2 (3d ⁴) és -1 (3d ³).

Ennek oka a titán elektronegativitása és emellett fém is, tehát nagyobb a pozitív oxidációs számainak hajlama; mint például +1 (3d ² 4s ¹), +2 (3d ² 4s ⁰), +3 (3d ¹ 4s ⁰) és +4 (3d ⁰ 4s ⁰).

Vegye figyelembe, hogy a 3d és a 4s pálya elektronjai miként távoznak, amikor feltételezzük, hogy a Ti ⁺, Ti ²⁺ kationok léteznek.

A +4 (Ti ⁴⁺) oxidációs száma a leginkább reprezentatív, mert megfelel az oxidjában lévő titáné: TiO ₂ (Ti ⁴⁺ O ₂ ^2-).

Tulajdonságok

Fizikai megjelenés

Szürkés ezüst fém.

Moláris tömeg

47,867 g / mol.

Olvadáspont

1668 ° C Ez a viszonylag magas olvadáspont tűzálló fémmé teszi.

Forráspont

3287 ° C

Öngyulladási hőmérséklet

1200 ° C tiszta fém esetén és 250 ° C finom eloszlású por esetén.

Hajlékonyság

A titán egy elasztikus fém, ha nincs oxigénje.

Sűrűség

4,506 g / ml. Olvadáspontja 4,11 g / ml.

A fúziós hő

14,15 kJ / mol.

A párolgás hője

425 kJ / mol.

Moláris hőkapacitás

25060 J / mol · K.

elektronegativitás

1.54 a Pauling skálán.

Ionizációs energiák

Először: 658,8 kJ / mol.

Második: 1309,8 kJ / mol.

Harmadik: 2652,5 kJ / mol.

Mohs keménysége

6.0.

Elnevezéstan

Az oxidációs számok közül a +2, +3 és +4 a leggyakoribb, mivel a hagyományos nómenklatúrában hivatkoznak a titánvegyületek elnevezésére. Egyébként az állomány és a szisztematikus nómenklatúra szabályai változatlanok maradnak.

Vegyük például a TiO ₂ és a TiCl ₄, a titán két legismertebb vegyületét.

Már elmondták, hogy a TiO _2-ban a titán oxidációs száma +4, ezért a legnagyobb (vagy pozitív) névnek a -ico utótaggal kell végződnie. Így neve a titán-oxid, a hagyományos nómenklatúra szerint; titán (IV) -oxid, az állomány-nómenklatúra szerint; és titán-dioxid, a szisztematikus nómenklatúra szerint.

A TiCl _{4 esetében} pedig közvetlenül folytatjuk:

Nómenklatúra: név

- Hagyományos: titán-klorid

Készlet: titán (IV) -klorid

-Szisztematikus: titán-tetraklorid

Angol nyelven ezt a vegyületet gyakran „Tickle” -nek nevezik.

Minden titánvegyületnek megnevezéses szabályokon kívül is lehetnek megfelelő nevei, és az a kérdéses terület műszaki zsargonjától függ.

Hol található és gyártás

Titánalapú ásványok

Rutilkvarc, az egyik ásványi anyag, amelyben a legnagyobb titántartalom található. Forrás: Didier Descouens

A titán, bár ez a hetedik leggyakoribb fém a Földön és a kilencedik leggyakrabban a földkéregben, a természetben nem tiszta fémként található meg, hanem az ásványi-oxidok más elemeivel kombinálva; jobb néven titántartalmú ásványok.

Tehát annak előállításához ezeket az ásványokat kell felhasználni nyersanyagként. Néhány ezek közül:

-Titán vagy gén (CaTiSiO ₅), vas- és alumíniumszennyeződésekkel, amelyek kristályaikat zöldre változtatják.

-Brookite (Orthorombás TiO ₂).

-Rutile, a TiO ₂ legstabilabb polimorf formája, amelyet az anatáz és brookite ásványok követnek.

-Ilmenit (FeTiO ₃).

-Perovskite (CaTiO ₃)

-Leucoxene (anatáz, rutil és perovszkitet heterogén keveréke).

Vegye figyelembe, hogy számos titántartalmú ásványi anyag említésre kerül, bár vannak ezek is. Ugyanakkor nem mindegyik egyformán bőséges, és ugyanúgy tartalmazhatnak szennyeződéseket, amelyeket nehéz eltávolítani, és amelyek veszélyeztetik a végső fémes titán tulajdonságait.

Ezért gyakran használják a szférát és a perovszkitet titán előállítására, mivel kalcium- és szilíciumtartalmukat nehéz eltávolítani a reakcióelegyből.

Ezen ásványok közül a rutilt és az ilmenitet a kereskedelemben és az ipari felhasználásban használják a legtöbb TiO ₂ tartalom miatt; vagyis gazdag titánban.

Kroll folyamat

Válasszon az ásványi anyagok, mint nyersanyag, a TiO ₂ bennük csökkenteni kell. Ehhez az ásványokat a széntel együtt hevítésre hevítik egy fluidágyas reaktorban 1000 ° C-on. A TiO _{2 ott} reagál klórgázzal a következő kémiai egyenlet szerint:

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

A TiCl ₄ szennyezetlen színtelen folyadék, mivel ezen a hőmérsékleten feloldódik más fémkloridokkal (vas, vanádium, magnézium, cirkónium és szilícium), amelyek az ásványokban található szennyeződésekből származnak. Ezért, TiCl ₄, majd frakcionált desztillációval tisztítjuk és a csapadék.

Miután megtisztítottuk, a TiCl ₄, egy faj könnyebb, hogy csökkentse, öntenek egy rozsdamentes acél tartály, amely egy vákuum alá, hogy eltávolítsuk az oxigén és nitrogén, és argonnal megtöltöttük annak biztosítására, inert atmoszférában, amely nem befolyásolja a titán. termelt. A folyamathoz magnéziumot adunk hozzá, amely 800 ° C-on a következő kémiai egyenlet szerint reagál:

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

A titán szivacsos szilárd anyag formájában csapódik le, amelyet tisztítás és jobb szilárd formák előállítása céljából kezelnek, vagy közvetlenül titán ásványi anyagok előállítására használják.

reakciók

A levegővel

A titánnak nagy a korrózióállósága a TiO ₂ réteg miatt, amely megvédi a fém belsejét az oxidációtól. Amikor a hőmérséklet 400 ° C fölé emelkedik, egy vékony fémdarab teljesen égni kezd, így TiO ₂ és TiN keverékét képezi:

Ti (ek) + O ₂ (g) => TiO ₂ (k)

2Ti (s) + N ₂ (g) => TiN (ek)

Mindkét gáz, O ₂ és N ₂ logikusan a levegőben van. Ez a két reakció gyorsan megtörténik, amikor a titánt melegvörösre melegítik. És ha finoman eloszlatott porként találják, akkor a reakció még erősebb, és ebben a szilárd állapotban a titán nagyon gyúlékony.

Savakkal és bázisokkal

Ez a TiO ₂ -TiN réteg nemcsak megvédi a titánt a korrodálástól, hanem a savak és lúgok támadásaitól is, így a fémet nem könnyű feloldani.

Ennek elérése érdekében erősen koncentrált savakat kell használni, és forrásig kell forralni, és így titán vizes komplexeiből nyert lila oldatot kapnak; például ⁺³.

Van azonban egy sav, amely számos szövődmény nélkül feloldhatja azt: hidrogén-fluorid:

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

Halogénekkel

A titán közvetlenül reagálhat a halogénekkel, hogy a megfelelő halogenideket képezzék. Például a jódra adott reakciója a következő:

Ti (s) + 2I ₂ (s) => TiI ₄ (s)

Hasonlóan a fluorhoz, klórhoz és brómhoz, ahol intenzív láng képződik.

Erős oxidáló szerekkel

A titán finom eloszlása ​​esetén nemcsak hajlamos a gyulladásra, hanem erőteljes reakcióba lép az erős oxidáló szerekkel is a legkisebb hőforrásnál.

Ezen reakciók egy részét pirotechnikai célokra használják, mivel élénk fehér szikra keletkezik. Például ammónium-perkloráttal reagál a kémiai egyenlet szerint:

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

kockázatok

Fémes titán

A titánpor nagyon gyúlékony szilárd anyag. Forrás: W. Oelen

A fém titán önmagában nem jelent semmiféle kockázatot az azokkal dolgozók egészségére. Ártalmatlan szilárd anyag; Hacsak nem finom részecskeporként őrlik. Ez a fehér por veszélyes lehet a nagyon gyúlékonysága miatt, amint azt a reakció szakaszban említik.

A titán őrlésekor az oxigénnel és a nitrogénnel való reakció gyorsabb és erősebb, és akár robbanásveszélyes is lehet. Ezért rettenetes tűzveszélyt jelent, ha tárolásának helyén lángok sújtják.

Égetéskor a tűz csak grafitból vagy nátrium-kloridból adható ki; soha vízzel, legalább ezekben az esetekben.

Hasonlóképpen, minden áron el kell kerülni a halogénekkel való érintkezést; vagyis valamilyen fluor- vagy klórgáz-szivárgás esetén, vagy kölcsönhatásba lépve a bróm vöröses folyadékával vagy az illékony jódkristályokkal. Ha ez megtörténik, a titán felgyullad. Nem szabad érintkeznie erős oxidálószerekkel: permanganátokkal, klorátokkal, perklorátokkal, nitrátokkal stb.

Egyébként az öntvényei vagy ötvözetei nem jelenthetnek nagyobb kockázatot, mint a fizikai ütések, mivel nem túl jó hő- vagy villamosvezetők és kellemes tapintásúak.

A nanorészecskék

Ha a finoman eloszlatott szilárd anyag tűzveszélyes, akkor annak még titán nanorészecskékből kell állnia. Ennek az alszakasznak a központi pontja azonban a TiO ₂ nanorészecskéknek köszönhető, amelyeket végtelen alkalmazásokban használtak, ahol megérdemlik a fehér színüket; mint édességek és cukorkák.

Noha a felszívódása, eloszlása, kiválasztása vagy a szervezetben kifejtett toxicitás nem ismert, egerekkel végzett vizsgálatok során kimutatták, hogy toxikusak. Például kimutatták, hogy emfizémát és bőrpírot okoz a tüdőben, valamint egyéb légúti rendellenességeket a fejlődésük során.

Az egerektől extrapolációval arra a következtetésre jutunk, hogy a TiO ₂ nanorészecskék belélegzése hatással van a tüdőre. Megváltoztathatják az agy hippokampusz régióját is. Ezenkívül a Nemzetközi Rákkutatási Ügynökség nem zárja ki őket a lehetséges rákkeltő anyagokként.

Alkalmazások

Pigment és adalékanyag

A titán felhasználásáról beszélve szükségszerűen a titán-dioxid vegyületére utal. A TiO ₂ valójában az e fémmel kapcsolatos alkalmazások kb. 95% -át lefedi. Okok: fehér színű, oldhatatlan, és szintén nem mérgező (a tiszta nanorészecskékről nem is beszélve).

Ez az oka annak, hogy pigmentet vagy adalékanyagot használnak mindazon termékekben, amelyekben fehér színezés szükséges; például fogkrém, gyógyszerek, édességek, papírok, drágakövek, festékek, műanyagok stb.

Coatings

A TiO ₂ felhasználható filmek készítésére bármilyen felület bevonására, például üveg vagy sebészeti eszközök.

Ezeknek a bevonatoknak köszönhetően a víz nem nedvesíti meg őket, és rajtuk fut, mint az eső az autó szélvédőin. Az ezekkel a bevonatokkal ellátott szerszámok elpusztíthatják a baktériumokat az UV sugárzás elnyelésével.

A kutya vizeletét vagy a rágógumit nem lehetett rögzíteni aszfalton vagy cementen a TiO _{2 hatására}, ami megkönnyítené annak későbbi eltávolítását.

fényvédő

A TiO2 a fényvédő aktív alkotóelemei. Forrás: Pixabay.

És végül, ami a TiO _{2-t illeti}, fotokatalizátor, amely képes olyan szerves gyökökre származni, amelyeket azonban a fényvédőben lévő szilícium-dioxid vagy alumínium-oxid filmek semlegesítenek. Fehér színe már egyértelműen jelzi, hogy ennek a titán-oxidnak kell lennie.

Repülőipar

A titánötvözeteket nagy repülőgépek vagy gyorshajók előállításához használják. Forrás: Pxhere.

A titán egy olyan fém, amelynek alacsony sűrűsége viszonylag jelentős szilárdsággal és keménységgel rendelkezik. Ez helyettesíti az acélt azokban az alkalmazásokban, ahol nagy sebességre van szükség, vagy ha nagy szárnyszélességű repülőgépeket terveznek, például a fenti képen látható A380 repülőgépek.

Ez az oka annak, hogy ennek a fémnek sok felhasználása van a repülőgépiparban, mivel ellenáll az oxidációnak, könnyű, erős és ötvözetei a pontos adalékanyagokkal javíthatók.

Sport

A titán és ötvözetei nemcsak a repülőgépiparban, hanem a sportiparban is központi szerepet játszanak. Ennek oka az, hogy sok eszközüknek könnyűnek kell lennie, hogy viselőik, játékosok vagy sportolók anélkül tudják kezelni őket, hogy túl nehéznek érezzék magukat.

Ezek közül néhány: kerékpárok, golf- vagy jégkorong-botok, futball-sisakok, tenisz- vagy tollaslabda ütők, kerítéses kardok, korcsolya, síléc, többek között.

Ugyanakkor, bár a költségeik miatt sokkal kisebb mértékben, a titánt és ötvözeteit luxus- és sportkocsikban használják.

Pirotechnika

Az őrölt titánt össze lehet keverni például KClO _4- gyel, és tűzijátékként szolgálhat; valójában azok, akik pirotechnikai kiállításon készítik őket.

Gyógyszer

A titán és ötvözetei a biomedicinális alkalmazásokban kiemelkedően jó minőségű fémes anyagok. Biokompatibilisek, inertek, erősek, nehéz oxidálódni, nem mérgezőek, és tökéletesen integrálódnak a csonttal.

Ez nagyon ortopédiai és fogászati ​​implantátumokhoz, csípő- és térdízületek műanyagához, törések rögzítésére szolgáló csavarokhoz, pacemakerekhez vagy műszívokhoz használható.

Biológiai

A titán biológiai szerepe bizonytalan, és bár ismert, hogy bizonyos növényekben felhalmozódhat és elősegítheti bizonyos mezőgazdasági növények (például paradicsom) növekedését, a beavatkozási mechanizmusok ismeretlenek.

Azt állítják, hogy elősegíti a szénhidrátok, enzimek és klorofillok képződését. Azt állítják, hogy a növényi organizmusok reakciójának köszönhetően megvédik magukat a titán alacsony biológiailag hozzáférhető koncentrációi ellen, mivel ártalmasak számukra. Az ügy azonban még mindig sötétben van.

Irodalom

1. Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Titán. Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. Cotton Simon. (2019). Titán. A Kémiai Királyi Társaság. Helyreállítva: chemistryworld.com
4. Davis Marauo. (2019). Mi a titán? Tulajdonságok és felhasználások. Tanulmány. Helyreállítva: study.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. július 03.). Titán kémiai és fizikai tulajdonságai. Helyreállítva: gondolat.com
6. KDH Bhadeshia. (Sf). Titán és ötvözeteinek kohászata. Cambridge-i Egyetem. Helyreállítva: phase-trans.msm.cam.ac.uk
7. Chambers Michelle. (2017. december 7.) Hogyan segít a titán az életben? Helyreállítva: titaniumprocessingcenter.com
8. Clark J. (2019. június 5.). A titán kémiája. Kémia LibreTexts. Helyreállítva: chem.libretexts.org
9. Venkatesh Vaidyanathan. (2019). Hogyan készül a titán? Science ABC. Helyreállítva: scienceabc.com
10. Dr. Edward csoport. (2013. szeptember 10.). A titán egészségügyi kockázata. Globális Gyógyítóközpont. Helyreállítva: globalhealingcenter.com
11. Tlustoš, Cígler P., Hrubý M., Kužel S., Száková J. és Balík J. (2005). A titán szerepe a biomassza előállításában és annak hatása az alapvető elemek tartalmára a szántóföldi növényekben. NÖVÉNZTÖRÖK KÖRNYEZET, 51, (1): 19–25.
12. KYOCERA SGS. (2019). A titán története. Helyreállítva: kyocera-sgstool.eu