titan Este un metal de tranziție care este reprezentat de simbolul chimic Ti. Este al doilea metal care apare din bloc d a tabelului periodic, imediat după scandiu. Numărul său atomic este 22 și apare în natură la fel de mulți izotopi și radioizotopi, dintre care 48Ești cel mai abundent dintre toți.
Culoarea sa este gri argintiu, iar părțile sale sunt acoperite de un strat protector de oxid care face din titan un metal foarte rezistent la coroziune. Dacă acest strat este gălbuie, este nitrură de titan (TiN), care este un compus care se formează atunci când acest metal arde în prezența azotului, o proprietate unică și distinctă.
În plus față de cele menționate anterior, este foarte rezistent la impacturile mecanice, deși este mai ușor decât oțelul. De aceea este cunoscut ca cel mai puternic metal dintre toate, iar chiar numele său este sinonim cu rezistența. De asemenea, are rezistență și ușurință, două caracteristici care îl fac un material de dorit pentru fabricarea aeronavelor..
La fel, și nu mai puțin important, titanul este un metal biocompatibil, care este plăcut la atingere, motiv pentru care este folosit în bijuterii pentru a realiza inele; și în biomedicină, cum ar fi implanturile ortopedice și dentare, capabile să se integreze în țesuturile osoase.
Cu toate acestea, cele mai cunoscute utilizări ale sale se află în TiODouă, ca pigment, aditiv, acoperire și fotocatalizator.
Este al nouălea cel mai abundent element de pe Pământ și al șaptelea în cadrul metalelor. În ciuda acestui fapt, costul său este ridicat din cauza dificultăților care trebuie depășite pentru a-l extrage din mineralele sale, printre care se numără rutilul, anataza, ilmenitul și perovskitul. Dintre toate metodele de producție, Procesul Kroll este cel mai utilizat la nivel mondial.
Indice articol
Titanul a fost identificat pentru prima dată în mineralul ilmenit din Valea Manaccan (Regatul Unit), de către pastorul și mineralogul amator William Gregor, în 1791. El a reușit să identifice că acesta conține un oxid de fier, deoarece nisipurile sale se mișcau prin influența un magnet; dar a mai raportat că a existat un alt oxid dintr-un metal necunoscut, pe care l-a numit „manacanit”.
Din păcate, deși a apelat la Royal Geological Society din Cornwall și în alte părți, contribuțiile sale nu au provocat agitație pentru că nu au fost un om recunoscut al științei..
Patru ani mai târziu, în 1795, chimistul german Martin Heinrich Klaproth a recunoscut independent același metal; dar în minereul de rutil de la Boinik, în prezent Slovacia.
Există cei care susțin că el a numit acest nou metal „titan” inspirat de duritatea acestuia, asemănător cu titanii. Alții susțin că s-a datorat mai mult neutralității personajelor mitologice în sine. Astfel, titanul s-a născut ca element chimic și Klaproth a reușit mai târziu să concluzioneze că este același manacanit al ilmenitului mineral.
De atunci, au început încercările de a-l izola de astfel de minerale; dar majoritatea nu au avut succes, deoarece titanul s-a contaminat cu oxigen sau azot sau a format o carbură imposibil de redus. A durat aproape un secol (1887) ca Lars Nilson și Otto Pettersson să pregătească o probă cu puritate de 95%..
Apoi, în 1896, Henry Moissan a reușit să obțină o probă cu o puritate de până la 98%, datorită acțiunii reducătoare a sodiului metalic. Cu toate acestea, aceste titanii impuri au fost fragile prin acțiunea atomilor de oxigen și azot, astfel încât a fost necesar să se proiecteze un proces care să le țină în afara amestecului de reacție..
Și cu această abordare a luat naștere Procesul Hunter în 1910, conceput de Matthew A. Hunter în colaborare cu General Electric de la Institutul Politehnic Rensselaer..
Douăzeci de ani mai târziu, în Luxemburg, William J. Kroll a conceput o altă metodă folosind calciu și magneziu. Astăzi, Procesul Kroll rămâne una dintre principalele metode de producere a titanului metalic la scară comercială și industrială..
Din acest moment, istoria titanului urmează cursul aliajelor sale în aplicații pentru industria aerospațială și militară..
Titanul pur poate cristaliza cu două structuri: un hexagonal compact (hcp), numit faza α, și un cub centrat pe corp (bcc), numit faza β. Astfel, este un metal dimorf, capabil să sufere tranziții alotrope (sau de fază) între structurile hcp și bcc..
Faza α este cea mai stabilă la temperatura și presiunea ambiantă, cu atomii de Ti înconjurați de doisprezece vecini. Când temperatura crește la 882 ° C, cristalul hexagonal devine unul cubic, mai puțin dens, care este în concordanță cu vibrațiile atomice mai mari cauzate de căldură..
Pe măsură ce temperatura crește, faza α se opune unei rezistențe termice mai mari; adică crește și căldura sa specifică, deci este nevoie de tot mai multă căldură pentru a ajunge la 882 ° C.
Ce se întâmplă dacă în loc să mărească temperatura, presiunea o face? Apoi, veți obține cristale bcc distorsionate.
În aceste cristale metalice, electronii de valență ai orbitalelor 3d și 4s intervin în legătura care unește atomii de Ti, conform configurației electronice:
[Ar] 3dDouă 4sDouă
Abia are patru electroni de împărțit cu vecinii săi, rezultând benzi 3d aproape goale și, prin urmare, titanul nu este la fel de bun conductor de electricitate sau căldură ca alte metale..
Chiar mai important decât ceea ce s-a spus cu privire la structura cristalină a titanului este că ambele faze, α și β, își pot forma propriile aliaje. Acestea pot consta din aliaje α sau β pure, sau amestecuri ale ambelor în proporții diferite (α + β).
De asemenea, dimensiunea boabelor lor cristaline influențează proprietățile finale ale aliajelor de titan menționate, precum și compoziția masei și relațiile aditivilor adăugați (alți câțiva metale sau atomi de N, O, C sau H)..
Aditivii exercită o influență semnificativă asupra aliajelor de titan, deoarece pot stabiliza unele dintre cele două faze specifice. De exemplu: Al, O, Ga, Zr, Sn și N sunt aditivi care stabilizează faza α (cristale hcp mai dense); și Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe și alții, sunt aditivi care stabilizează faza β (cristale bcc mai puțin dense).
Studiul tuturor acestor aliaje de titan, structurile, compoziția, proprietățile și aplicațiile acestora, fac obiectul lucrărilor metalurgice care se bazează pe cristalografie.
Conform configurației electronice, titanul ar avea nevoie de opt electroni pentru a umple complet orbitalii 3d. Acest lucru nu poate fi realizat în niciunul dintre compușii săi și, cel mult, câștigă până la doi electroni; adică poate dobândi numere de oxidare negative: -2 (3d4) și -1 (3d3).
Motivul se datorează electronegativității titanului și că, în plus, este un metal, deci are o tendință mai mare de a avea numere de oxidare pozitive; cum ar fi +1 (3dDouă4s1), +2 (3dDouă4s0), +3 (3d14s0) și +4 (3d04s0).
Rețineți cum electronii orbitalilor 3d și 4s pleacă pe măsură ce se presupune existența cationilor Ti+, TuDouă+ și așa mai departe.
Numărul de oxidare +4 (Ti4+) este cel mai reprezentativ dintre toate deoarece corespunde cu cel al titanului din oxidul său: TiODouă (Tu4+SAUDouăDouă-).
Metal gri-argintiu.
47,867 g / mol.
1668 ° C. Acest punct de topire relativ ridicat îl face un metal refractar..
3287 ° C.
1200 ° C pentru metalul pur și 250 ° C pentru pulberea fin divizată.
Titanul este un metal ductil dacă îi lipsește oxigen.
4,506 g / ml. Și la punctul său de topire, 4,11 g / ml.
14,15 kJ / mol.
425 kJ / mol.
25060 J / mol K.
1,54 pe scara Pauling.
Mai întâi: 658,8 kJ / mol.
Al doilea: 1309,8 kJ / mol.
În al treilea rând: 2652,5 kJ / mol.
6.0.
Dintre numerele de oxidare, +2, +3 și +4 sunt cele mai frecvente și cele menționate în nomenclatura tradițională atunci când se numesc compuși de titan. În caz contrar, regulile stocului și nomenclaturile sistematice rămân aceleași.
De exemplu, luați în considerare TiODouă și TiCl4, doi dintre cei mai cunoscuți compuși ai titanului.
S-a spus deja că în TiODouă numărul de oxidare al titanului este +4 și, prin urmare, fiind cel mai mare (sau pozitiv), numele trebuie să se termine cu sufixul -ico. Astfel, numele său este oxid titanic, conform nomenclaturii tradiționale; oxid de titan (IV), conform nomenclaturii stocului; și dioxid de titan, în conformitate cu nomenclatura sistematică.
Și pentru TiCl4 vom proceda într-un mod mai direct:
Nomenclatură: nume
-Tradițional: clorură titanică
-Stoc: clorură de titan (IV)
-Sistematică: tetraclorură de titan
În engleză, acest compus este denumit adesea „Gâdilă”.
Fiecare compus din titan poate avea chiar nume proprii în afara regulilor de numire și va depinde de jargonul tehnic al domeniului în cauză..
Titanul, deși este al șaptelea cel mai abundent metal de pe Pământ și al nouălea cel mai abundent în scoarța terestră, nu se găsește în natură ca un metal pur, ci în combinație cu alte elemente din oxizii minerali; mai cunoscut sub numele de minerale titanifere.
Astfel, pentru a-l obține, este necesar să se utilizeze aceste minerale ca materie primă. Unii dintre ei sunt:
-Titanit sau sfenă (CaTiSiO5), cu impurități de fier și aluminiu care își înverzesc cristalele.
-Brookite (TiODouă ortorombic).
-Rutile, cel mai stabil polimorf al TiODouă, urmat de mineralele anataza și brookitul.
-Ilmenita (FeTiO3).
-Perovskit (CaTiO3)
-Leucoxen (amestec eterogen de anatază, rutil și perovskit).
Rețineți că există mai multe minerale titanifere menționate, chiar dacă există altele. Cu toate acestea, nu toate sunt la fel de abundente și, la fel, pot prezenta impurități greu de îndepărtat și care pun în pericol proprietățile titanului metalic final..
De aceea sfena și perovskitul sunt de obicei utilizate pentru producerea titanului, deoarece conținutul lor de calciu și siliciu este dificil de îndepărtat din amestecul de reacție..
Dintre toate aceste minerale, rutilul și ilmenitul sunt cele mai utilizate din punct de vedere comercial și industrial datorită conținutului ridicat de TiODouă; adică sunt bogate în titan.
Selectarea oricărui mineral ca materie primă, TiODouă în ele trebuie redus. Pentru a face acest lucru, mineralele, împreună cu cărbunele, sunt încălzite într-un reactor cu pat fluidizat la 1000 ° C. Acolo, TiODouă reacționează cu clor gazos conform următoarei ecuații chimice:
UnchiuleDouă(s) + C (s) + 2CIDouă(g) => TiCl4(l) + CODouă(g)
TiCl4 Este un lichid incolor incolor, deoarece la temperatura respectivă este dizolvat împreună cu alte cloruri metalice (fier, vanadiu, magneziu, zirconiu și siliciu) provenite din impuritățile prezente în minerale. Prin urmare, TiCl4 apoi se purifică prin distilare fracționată și precipitare.
TiCl deja purificat4, o specie mai ușor de redus, este turnată într-un recipient din oțel inoxidabil pe care se aplică un vid, pentru a elimina oxigenul și azotul și este umplut cu argon pentru a asigura o atmosferă inertă care nu afectează titanul produs. Se adaugă magneziu în proces, care reacționează la 800 ° C în conformitate cu următoarea ecuație chimică:
TiCl4(l) + 2Mg (l) => Ti (s) + 2MgClDouă(l)
Titanul precipită ca un solid spongios, care este supus unor tratamente pentru a-l purifica și a-i oferi forme solide mai bune, sau este utilizat direct pentru fabricarea mineralelor de titan.
Titanul are o rezistență ridicată la coroziune datorită unui strat de TiODouă care protejează interiorul metalului de oxidare. Cu toate acestea, când temperatura crește peste 400 ° C, o bucată subțire de metal începe să ardă complet pentru a forma un amestec de TiO.Două și TiN:
Ti (s) + ODouă(g) => TiODouă(s)
2Ti (s) + NDouă(g) => TiN (s)
Ambele gaze, SAUDouă si nDouă, logic sunt în aer. Aceste două reacții apar rapid odată ce titanul este încălzit roșu. Și dacă se găsește sub formă de pulbere fin divizată, reacția este și mai viguroasă, motiv pentru care titanul în această stare solidă este extrem de inflamabil..
Acest strat de TiODouă-TiN protejează nu numai titanul de coroziune, ci și de atacul acizilor și bazelor, deci nu este un metal ușor de dizolvat.
Pentru a realiza acest lucru, trebuie folosiți acizi foarte concentrați și fierți la fierbere, obținându-se o soluție de culoare violet rezultată din complexele apoase de titan; de exemplu, [Ti (OHDouă)6]+3.
Cu toate acestea, există un acid care îl poate dizolva fără multe complicații: acid fluorhidric:
2Ti (s) + 12HF (aq) 2 [TiF6]3-(aq) + 3HDouă(g) + 6H+(aq)
Titanul poate reacționa direct cu halogeni pentru a forma halogenurile respective. De exemplu, reacția dumneavoastră la iod este următoarea:
Ti (s) + 2IDouă(s) => TiI4(s)
În mod similar se întâmplă cu fluor, clor și brom, unde se formează o flacără intensă.
Atunci când titanul este divizat fin, nu este doar predispus la aprindere, ci și la reacția energică cu agenți oxidanți puternici la cea mai mică sursă de căldură..
O parte din aceste reacții este folosită pentru pirotehnică, deoarece sunt generate scântei albe strălucitoare. De exemplu, reacționează cu perclorat de amoniu conform ecuației chimice:
2Ti (s) + 2NH4ClO4(s) => 2TiODouă(s) + NDouă(g) + ClDouă(g) + 4HDouăO (g)
Titanul metalic în sine nu prezintă niciun risc pentru sănătate pentru cei care lucrează cu acesta. Este un solid inofensiv; Cu excepția cazului în care este măcinat sub formă de pulbere de particule fine. Această pulbere albă poate fi periculoasă datorită inflamabilității sale ridicate, menționată în secțiunea de reacții..
Când titanul este măcinat, reacția sa cu oxigenul și azotul este mai rapidă și mai viguroasă și poate chiar arde exploziv. De aceea reprezintă un risc teribil de incendiu dacă acolo unde este depozitat este lovit de flăcări..
La ardere, focul poate fi stins doar cu grafit sau clorură de sodiu; niciodată cu apă, cel puțin pentru aceste cazuri.
De asemenea, contactul lor cu halogeni ar trebui evitat cu orice preț; adică cu orice scurgere gazoasă de fluor sau clor sau interacționând cu lichidul roșiatic al bromului sau cu cristalele volatile de iod. Dacă se întâmplă acest lucru, titanul ia foc. Nici nu ar trebui să intre în contact cu agenți oxidanți puternici: permanganate, clorați, perclorați, nitrați etc..
În caz contrar, lingourile sau aliajele sale nu pot reprezenta mai multe riscuri decât loviturile fizice, deoarece nu sunt conductori foarte buni de căldură sau electricitate și sunt plăcuți la atingere..
Dacă solidul fin divizat este inflamabil, acesta trebuie să fie cu atât mai mult cu cât este format din nanoparticule de titan. Cu toate acestea, accentul acestei subsecțiuni se datorează nanoparticulelor TiODouă, care au fost folosite în aplicații nesfârșite unde își merită culoarea albă; precum dulciurile și bomboanele.
Deși absorbția, distribuția, excreția sau toxicitatea lor în organism nu sunt cunoscute, s-a demonstrat că sunt toxice în studiile efectuate pe șoareci. De exemplu, au arătat că generează emfizem și roșeață în plămâni, precum și alte tulburări respiratorii în dezvoltarea lor.
Prin extrapolare de la șoareci la noi, se concluzionează că respirația nanoparticulelor de TiODouă ne afectează plămânii. De asemenea, pot modifica regiunea hipocampului creierului. În plus, Agenția Internațională pentru Cercetarea Cancerului nu le exclude ca posibili agenți cancerigeni..
A vorbi despre utilizările titanului se referă în mod necesar la dioxidul de titan compus. UnchiulDouă de fapt, acoperă aproximativ 95% din toate aplicațiile referitoare la acest metal. Motivele: culoarea sa albă, este insolubil și este, de asemenea, netoxic (ca să nu mai vorbim de nanoparticulele pure).
De aceea este de obicei folosit ca pigment sau aditiv în toate acele produse care necesită colorații albe; precum pasta de dinți, medicamente, dulciuri, hârtii, pietre prețioase, vopsele, materiale plastice etc..
UnchiulDouă poate fi, de asemenea, utilizat pentru a crea filme care acoperă orice suprafață, cum ar fi sticlă sau instrumente chirurgicale.
Având aceste acoperiri, apa nu le poate uda și curge pe ele, așa cum ar fi ploaia pe parbrizele mașinii. Instrumentele cu aceste acoperiri ar putea ucide bacteriile prin absorbția radiațiilor UV.
Urina câinelui sau guma de mestecat nu s-au putut fixa pe asfalt sau ciment din cauza acțiunii TiODouă, ceea ce ar facilita eliminarea ulterioară a acestuia.
Și în cele din urmă în ceea ce privește TiODouă, este un fotocatalizator, capabil să genereze radicali organici care, cu toate acestea, sunt neutralizați de pelicule de siliciu sau alumină în protecție solară. Culoarea sa albă indică deja în mod clar că trebuie să aibă acest oxid de titan.
Titanul este un metal cu rezistență și duritate considerabile în raport cu densitatea sa mică. Acest lucru îl face un înlocuitor pentru oțel pentru toate acele aplicații în care sunt necesare viteze mari sau sunt proiectate avioane cu anvergură mare, cum ar fi avionul A380 din imaginea de mai sus..
De aceea, acest metal are multe utilizări în industria aerospațială, deoarece rezistă la oxidare, este ușor, puternic și aliajele sale pot fi îmbunătățite cu aditivi exacti..
Nu numai în industria aerospațială titanul și aliajele sale ocupă locul central, ci și în industria sportivă. Acest lucru se datorează faptului că multe dintre ustensilele lor trebuie să fie ușoare, astfel încât purtătorii, jucătorii sau sportivii lor să poată să le facă față fără a se simți prea grei..
Unele dintre aceste articole sunt: biciclete, bastoane de golf sau hochei, căști de fotbal, rachete de tenis sau badminton, săbii de garduri, patine de gheață, schiuri, printre altele..
La fel, deși într-o măsură mult mai mică datorită costului ridicat, titanul și aliajele sale au fost utilizate în mașinile de lux și sport..
Titanul măcinat poate fi amestecat cu, de exemplu, KClO4, și să servească drept foc de artificii; care, de fapt, sunt realizate de cei care le realizează în spectacole pirotehnice.
Titanul și aliajele sale sunt materialele metalice prin excelență în aplicații biomedicale. Ele sunt biocompatibile, inerte, puternice, greu de oxidat, netoxice și se integrează perfect cu oasele.
Acest lucru le face foarte utile pentru implanturi ortopedice și dentare, pentru articulații artificiale de șold și genunchi, ca șuruburi pentru fixarea fracturilor, pentru stimulatoare cardiace sau inimi artificiale..
Rolul biologic al titanului este incert și, deși se știe că se poate acumula în unele plante și poate beneficia de creșterea anumitor culturi agricole (cum ar fi roșiile), mecanismele în care intervine sunt necunoscute..
Se spune că promovează formarea de carbohidrați, enzime și clorofile. Ei presupun că se datorează unui răspuns al organismelor vegetale să se apere împotriva concentrațiilor scăzute biodisponibile de titan, deoarece acestea sunt dăunătoare pentru acestea. Cu toate acestea, problema este încă în întuneric.
Nimeni nu a comentat acest articol încă.