ТИТАН: ИСТОРИЯ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, РЕАКЦИИ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2024

Титана представляет собой переходный металл , который представлен химический символ Ti. Это второй металл из блока d периодической таблицы, сразу после скандия. Его атомный номер 22, и он встречается в природе в виде множества изотопов и радиоизотопов, из которых ⁴⁸ Ti является наиболее распространенным из всех.

Его цвет серебристо-серый, а его части покрыты защитным слоем оксида, который делает титан очень устойчивым к коррозии металлом. Если этот слой желтоватый, это нитрид титана (TiN), который представляет собой соединение, которое образуется, когда этот металл горит в присутствии азота, что является уникальным и выдающимся свойством.

Титановые кольца. Источник: Pxhere.

В дополнение к уже упомянутому, он обладает высокой устойчивостью к механическим воздействиям, несмотря на то, что он легче стали. Вот почему он известен как самый прочный металл из всех, и само его название является синонимом силы. Он также обладает прочностью и легкостью - двумя характеристиками, которые делают его желательным материалом для производства самолетов.

Точно так же, что не менее важно, титан - это биосовместимый металл, приятный на ощупь, поэтому он используется в ювелирных изделиях для изготовления колец; и в биомедицине, например, в ортопедических и зубных имплантатах, способных интегрироваться в костные ткани.

Однако его наиболее известное применение связано с TiO ₂ в качестве пигмента, добавки, покрытия и фотокатализатора.

Это девятый по распространенности элемент на Земле и седьмой среди металлов. Несмотря на это, его стоимость высока из-за трудностей, которые необходимо преодолеть, чтобы извлечь его из полезных ископаемых, среди которых рутил, анатаз, ильменит и перовскит. Из всех производственных методов процесс Кролла наиболее широко используется во всем мире.

История

открытие

Титан был впервые обнаружен в минерале ильменит в долине Манаккан (Соединенное Королевство) пастором и минералогом-любителем Уильямом Грегором еще в 1791 году. Он смог определить, что он содержит оксид железа, поскольку его пески перемещались через влияние магнита; но он также сообщил, что существует еще один оксид неизвестного металла, который он назвал «манаканитом».

К сожалению, хотя он обратился в Королевское геологическое общество Корнуолла и другие организации, его вклад не вызвал особого шума из-за того, что он не был признанным ученым.

Четыре года спустя, в 1795 году, немецкий химик Мартин Генрих Клапрот независимо обнаружил тот же металл; но в рутиловой руде в Бойнике, ныне Словакия.

Некоторые утверждают, что он назвал этот новый металл «титаном», вдохновленный его прочностью и сходством с титанами. Другие утверждают, что это было связано скорее с нейтральностью самих мифологических персонажей. Таким образом, титан родился как химический элемент, и Клапрот позже смог сделать вывод, что это тот же манаканит, что и минерал ильменит.

Изоляция

С тех пор начались попытки выделить его из таких минералов; но большинство из них не увенчались успехом, поскольку титан был загрязнен кислородом или азотом или образовывал карбид, который невозможно было восстановить. Ларсу Нильсону и Отто Петтерссону понадобилось почти столетие (1887 г.), чтобы приготовить образец с чистотой 95%.

Затем, в 1896 году, Генри Муассану удалось получить образец с чистотой до 98% благодаря восстанавливающему действию металлического натрия. Однако эти нечистые титаны были хрупкими из-за действия атомов кислорода и азота, поэтому необходимо было разработать процесс, чтобы они не попадали в реакционную смесь.

И с этим подходом в 1910 году зародился процесс Хантера, разработанный Мэтью А. Хантером в сотрудничестве с General Electric в Политехническом институте Ренсселера.

Двадцать лет спустя в Люксембурге Уильям Дж. Кролл изобрел другой метод с использованием кальция и магния. Сегодня процесс Кролла остается одним из ведущих методов производства металлического титана в коммерческих и промышленных масштабах.

С этого момента история титана следует за ходом использования его сплавов в аэрокосмической и военной промышленности.

Структура и электронная конфигурация

Чистый титан может кристаллизоваться с двумя структурами: компактной гексагональной (ГПУ), называемой α-фазой, и объемно-центрированной кубической (ОЦК), называемой β-фазой. Таким образом, это диморфный металл, способный к аллотропным (или фазовым) переходам между ГПУ- и ОЦК-структурами.

Α-фаза является наиболее стабильной при температуре и давлении окружающей среды, поскольку атомы Ti окружены двенадцатью соседями. Когда температура повышается до 882 ° C, гексагональный кристалл превращается в менее плотный кубический, что согласуется с более высокими атомными колебаниями, производимыми теплом.

При повышении температуры α-фаза противодействует большему тепловому сопротивлению; то есть его удельная теплоемкость также увеличивается, так что для достижения 882 ° C требуется все больше и больше тепла.

Что, если вместо повышения температуры повысится давление? Тогда получаются искаженные ОЦК кристаллы.

Ссылка на сайт

В этих металлических кристаллах валентные электроны 3d- и 4s-орбиталей вмешиваются в связь, соединяющую атомы Ti, в соответствии с электронной конфигурацией:

3д ² 4с ²

У него есть только четыре электрона, которыми он может поделиться со своими соседями, что приводит к почти пустым 3d-зонам, и поэтому титан не так хорошо проводит электричество или тепло, как другие металлы.

сплавы

Еще более важным, чем то, что было сказано о кристаллической структуре титана, является то, что обе фазы, α и β, могут образовывать свои собственные сплавы. Они могут состоять из чистых α- или β-сплавов или их смесей в различных пропорциях (α + β).

Подобным образом размер их соответствующих кристаллических зерен влияет на конечные свойства указанных титановых сплавов, а также на массовый состав и соотношение добавляемых добавок (несколько других металлов или атомов N, O, C или H).

Добавки оказывают значительное влияние на титановые сплавы, поскольку они могут стабилизировать некоторые из двух конкретных фаз. Например: Al, O, Ga, Zr, Sn и N - добавки, стабилизирующие α-фазу (более плотные кристаллы ГПУ); а Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe и другие - добавки, стабилизирующие β-фазу (менее плотные ОЦК кристаллы).

Изучение всех этих титановых сплавов, их структуры, состава, свойств и областей применения является предметом металлургических работ, основанных на кристаллографии.

Числа окисления

В соответствии с электронной конфигурацией титану потребуется восемь электронов, чтобы полностью заполнить 3d-орбитали. Этого нельзя достичь ни в одном из его соединений, и в лучшем случае он получает до двух электронов; то есть он может иметь отрицательную степень окисления: -2 (3d ⁴ ) и -1 (3d ³ ).

Причина заключается в электроотрицательности титана и в том, что, кроме того, это металл, поэтому он имеет большую тенденцию иметь положительную степень окисления; например +1 (3d ² 4s ¹ ), +2 (3d ² 4s ⁰ ), +3 (3d ¹ 4s ⁰ ) и +4 (3d ⁰ 4s ⁰ ).

Обратите внимание на то, как электроны 3d- и 4s-орбиталей уходят, поскольку предполагается существование катионов Ti ⁺ , Ti ²⁺ и так далее.

Степень окисления +4 (Ti ⁴⁺ ) является наиболее представительной из всех, поскольку она соответствует окислительной способности титана в его оксиде: TiO ₂ (Ti ⁴⁺ O ₂ ^2- ).

Свойства

Внешность

Серовато-серебристый металл.

Молярная масса

47,867 г / моль.

Температура плавления

1668 ° С. Эта относительно высокая температура плавления делает его тугоплавким металлом.

Точка кипения

3287 ° С.

температура самовоспламенения

1200 ° C для чистого металла и 250 ° C для мелкодисперсного порошка.

Пластичность

Титан - пластичный металл, если ему не хватает кислорода.

плотность

4,506 г / мл. И при его температуре плавления 4,11 г / мл.

Теплота плавления

14,15 кДж / моль.

Теплота испарения

425 кДж / моль.

Молярная теплоемкость

25060 Дж / моль · К.

Электроотрицательность

1,54 по шкале Полинга.

Энергии ионизации

Первая: 658,8 кДж / моль.

Второй: 1309,8 кДж / моль.

Третий: 2652,5 кДж / моль.

Твердость по Моосу

6.0.

Номенклатура

Из степеней окисления +2, +3 и +4 являются наиболее распространенными, поскольку они упоминаются в традиционной номенклатуре при наименовании соединений титана. В остальном правила номенклатуры акций и систематической номенклатуры остаются прежними.

Например, рассмотрим TiO ₂ и TiCl ₄ , два самых известных соединения титана.

Уже было сказано, что в TiO ₂ степень окисления титана составляет +4, и поэтому, будучи наибольшим (или положительным), название должно заканчиваться суффиксом -ico. Таким образом, его название - оксид титана, согласно традиционной номенклатуре; оксид титана (IV) по номенклатуре запасов; и диоксид титана согласно систематической номенклатуре.

А для TiCl ₄ поступим более прямо:

Номенклатура: название

-Традиционный: хлорид титана

-Запас: хлорид титана (IV)

-Систематический: тетрахлорид титана

На английском языке это соединение часто называют «щекотка».

Каждое соединение титана может даже иметь собственные имена вне правил именования и будет зависеть от технического жаргона в рассматриваемой области.

Где найти и производство

Титаносодержащие минералы

Рутиловый кварц, один из минералов с самым высоким содержанием титана. Источник: Дидье Дескуэн

Титан, хотя он является седьмым по распространенности металлом на Земле и девятым по распространенности в земной коре, в природе встречается не как чистый металл, а в сочетании с другими элементами в минеральных оксидах; более известен как титаносодержащие минералы.

Таким образом, для его получения необходимо использовать эти минералы в качестве сырья. Некоторые из них:

-Титанит или сфен (CaTiSiO ₅ ) с примесями железа и алюминия, которые окрашивают их кристаллы в зеленый цвет.

-Брукит (орторомбический TiO ₂ ).

-Рутил, наиболее стабильный полиморф TiO ₂ , за которым следуют минералы анатаз и брукит.

-Ильменит (FeTiO ₃ ).

-Перовскит (CaTiO ₃ )

-Лейкоксен (гетерогенная смесь анатаза, рутила и перовскита).

Обратите внимание, что есть несколько упомянутых титаносодержащих минералов, хотя есть и другие. Однако не все из них одинаково многочисленны и, аналогично, они могут содержать примеси, которые трудно удалить и которые ставят под угрозу свойства конечного металлического титана.

Вот почему сфен и перовскит часто используются для производства титана, поскольку их кальций и кремний трудно удалить из реакционной смеси.

Из всех этих минералов рутил и ильменит наиболее широко используются в коммерческих и промышленных целях из-за высокого содержания TiO ₂ ; то есть они богаты титаном.

Кролл процесс

Выбирая какой-либо из минералов в качестве сырья, содержание TiO ₂ в них должно быть уменьшено. Для этого минералы вместе с углем нагреваются докрасна в реакторе с псевдоожиженным слоем при 1000 ° C. Здесь TiO ₂ реагирует с газообразным хлором в соответствии со следующим химическим уравнением:

TiO ₂ (тв) + C (тв) + 2Cl ₂ (г) => TiCl ₄ (ж) + CO ₂ (г)

TiCl ₄ представляет собой нечистую бесцветную жидкость, поскольку при этой температуре он растворяется вместе с другими хлоридами металлов (железом, ванадием, магнием, цирконием и кремнием), происходящими из примесей, присутствующих в минералах. Поэтому TiCl ₄ затем очищают фракционной перегонкой и осаждением.

После очистки TiCl ₄ , вещество , которое легче восстанавливать, выливают в контейнер из нержавеющей стали, к которому применяется вакуум для удаления кислорода и азота, и заполняют его аргоном, чтобы создать инертную атмосферу, не влияющую на титан. произведено. В процесс добавляется магний, который реагирует при 800 ° C в соответствии со следующим химическим уравнением:

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

Титан выпадает в осадок в виде губчатого твердого вещества, которое подвергается обработке для его очистки и придания ему более твердых форм, или используется непосредственно для производства минералов титана.

Реакции

С воздухом

Титан обладает высокой устойчивостью к коррозии благодаря слою TiO _2, который защищает внутреннюю часть металла от окисления. Однако, когда температура поднимается выше 400 ° C, тонкий кусок металла начинает полностью гореть, образуя смесь TiO ₂ и TiN:

Ti (т) + O ₂ (г) => TiO ₂ (т)

2Ti (s) + N ₂ (g) => TiN (s)

Оба газа, O ₂ и N ₂ , логически находятся в воздухе. Эти две реакции происходят быстро, когда титан нагревается докрасна. И если он обнаружен в виде мелкодисперсного порошка, реакция будет еще более интенсивной, что делает титан в этом твердом состоянии легковоспламеняющимся.

С кислотами и основаниями

Этот слой TiO ₂ -TiN не только защищает титан от коррозии, но и от воздействия кислот и щелочей, поэтому этот металл непросто растворить.

Для этого необходимо использовать высококонцентрированные кислоты и кипятить их до кипения, получая пурпурный раствор, полученный из водных комплексов титана; например, ⁺³ .

Однако есть кислота, которая может растворить его без особых осложнений: фтористоводородная кислота:

2Ti (т) + 12HF (водн.) 2 ^3- (водн.) + 3H ₂ (г) + 6H ⁺ (водн.)

С галогенами

Титан может напрямую реагировать с галогенами с образованием соответствующих галогенидов. Например, ваша реакция на йод следующая:

Ti (s) + 2I ₂ (s) => TiI ₄ (s)

То же самое с фтором, хлором и бромом, где образуется интенсивное пламя.

С сильными окислителями

Когда титан мелко измельчен, он не только склонен к возгоранию, но и активно реагирует с сильными окислителями при малейшем источнике тепла.

Часть этих реакций используется в пиротехнике, поскольку образуются ярко-белые искры. Например, он реагирует с перхлоратом аммония в соответствии с химическим уравнением:

2Ti (т) + 2NH ₄ ClO ₄ (т) => 2TiO ₂ (т) + N ₂ (г) + Cl ₂ (г) + 4H ₂ O (г)

риски

Металлический титан

Титановый порошок - легковоспламеняющееся твердое вещество. Источник: W. Oelen

Металлический титан сам по себе не представляет опасности для здоровья тех, кто с ним работает. Это безвредное твердое вещество; Если только он не измельчен в виде мелкодисперсного порошка. Этот белый порошок может быть опасен из-за его высокой воспламеняемости, упомянутой в разделе реакций.

Когда титан измельчается, его реакция с кислородом и азотом идет быстрее и интенсивнее, и он может даже взорваться. Вот почему он представляет собой ужасную опасность пожара, если в месте хранения он поражен пламенем.

При горении огонь можно потушить только графитом или хлоридом натрия; никогда с водой, по крайней мере, в этих случаях.

Точно так же следует избегать их контакта с галогенами любой ценой; то есть с некоторой утечкой газа фтора или хлора или взаимодействием с красноватой жидкостью брома или летучими кристаллами йода. Если это произойдет, титан загорится. Также он не должен контактировать с сильными окислителями: перманганатами, хлоратами, перхлоратами, нитратами и т. Д.

В противном случае его слитки или сплавы не могут представлять большей опасности, чем физические удары, поскольку они не очень хорошо проводят тепло или электричество и приятны на ощупь.

Наночастицы

Если мелкодисперсное твердое вещество является легковоспламеняющимся, оно должно быть даже в большей степени, чем состоящее из наночастиц титана. Однако центральный момент этого подраздела связан с наночастицами TiO ₂ , которые использовались в бесчисленных приложениях, где они заслуживают своего белого цвета; люблю сладости и конфеты.

Хотя его абсорбция, распределение, выведение или токсичность в организме неизвестны, в исследованиях на мышах было показано, что они токсичны. Например, они показали, что он вызывает эмфизему и покраснение в легких, а также другие респираторные заболевания в их развитии.

Путем экстраполяции данных с мышей на нас можно сделать вывод, что вдыхание наночастиц TiO ₂ влияет на наши легкие. Они также могут изменять область гиппокампа мозга. Кроме того, Международное агентство по изучению рака не исключает их как возможных канцерогенов.

Приложения

Пигмент и добавка

Говоря об использовании титана, мы обязательно подразумеваем его составной диоксид титана. На самом деле TiO ₂ покрывает около 95% всех применений, связанных с этим металлом. Причины: белый цвет, он нерастворим и к тому же нетоксичен (не говоря уже о чистых наночастицах).

Вот почему его обычно используют в качестве пигмента или добавки во всех тех продуктах, которые требуют белого цвета; такие как зубная паста, лекарства, конфеты, бумага, драгоценные камни, краски, пластмассы и т. д.

Покрытия

TiO ₂ также можно использовать для создания пленок для покрытия любой поверхности, например стекла или хирургических инструментов.

Благодаря этим покрытиям вода не может смачивать их и стекать по ним, как дождь на лобовые стекла автомобилей. Инструменты с таким покрытием могут убивать бактерии, поглощая УФ-излучение.

Собачья моча или жевательная резинка не могут быть закреплены на асфальте или цементе под действием TiO ₂ , что облегчит ее последующее удаление.

Солнцезащитный

TiO2 - один из активных компонентов солнцезащитного крема. Источник: Pixabay.

И, наконец, что касается TiO ₂ , это фотокатализатор, способный образовывать органические радикалы, которые, однако, нейтрализуются пленками кремнезема или оксида алюминия в солнцезащитном креме. Его белый цвет уже ясно указывает на то, что в нем должен быть оксид титана.

Аэрокосмическая промышленность

Титановые сплавы используются для создания больших самолетов или быстрых кораблей. Источник: Pxhere.

Титан - это металл со значительной прочностью и твердостью по сравнению с его низкой плотностью. Это делает его заменой стали для всех тех применений, где требуются высокие скорости или проектируются самолеты с большим размахом крыльев, такие как самолет A380 на изображении выше.

Вот почему этот металл имеет множество применений в аэрокосмической промышленности, поскольку он устойчив к окислению, он легкий, прочный, а его сплавы можно улучшить с помощью специальных добавок.

Спорт

Титан и его сплавы занимают центральное место не только в аэрокосмической промышленности, но и в спортивной индустрии. Это связано с тем, что многие из их принадлежностей должны быть легкими, чтобы их владельцы, игроки или спортсмены могли обращаться с ними, не чувствуя себя слишком тяжелыми.

Вот некоторые из этих предметов: велосипеды, клюшки для гольфа или хоккея, футбольные шлемы, ракетки для тенниса или бадминтона, мечи для фехтования, коньки, лыжи и другие.

Кроме того, титан и его сплавы, хотя и в гораздо меньшей степени из-за его высокой стоимости, использовались в роскошных и спортивных автомобилях.

Пиротехника

Молотый титан можно смешивать, например, с KClO ₄ и использовать в качестве фейерверка; что на самом деле делают те, кто делает их в пиротехнических шоу.

Лекарство

Титан и его сплавы - это металлические материалы, которые используются преимущественно в биомедицине. Они биосовместимы, инертны, прочны, трудно окисляются, нетоксичны и легко интегрируются с костью.

Это делает их очень полезными для ортопедических и зубных имплантатов, для искусственных тазобедренных и коленных суставов, в качестве винтов для фиксации переломов, для кардиостимуляторов или искусственного сердца.

биологическая

Биологическая роль титана неясна, и хотя известно, что он может накапливаться в некоторых растениях и способствовать росту определенных сельскохозяйственных культур (например, томатов), механизмы его воздействия неизвестны.

Считается, что он способствует образованию углеводов, ферментов и хлорофиллов. Они предполагают, что это происходит из-за реакции растительных организмов на защиту от низких биодоступных концентраций титана, поскольку они вредны для них. Однако дело до сих пор в неведении.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия . (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Wikipedia. (2019). Титан. Получено с: en.wikipedia.org
3. Коттон Саймон. (2019). Титан. Королевское химическое общество. Получено с: chemistryworld.com
4. Дэвис Марауо. (2019). Что такое титан? Свойства и использование. Учиться. Получено с: study.com
5. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (03 июля 2019 г.). Химические и физические свойства титана. Получено с: thinkco.com
6. KDH Bhadeshia. (SF). Металлургия титана и его сплавов. Кембриджский университет. Получено с: phase-trans.msm.cam.ac.uk
7. Чемберс Мишель. (7 декабря 2017 г.). Как титан помогает жизни. Получено с: titaniumprocessingcenter.com
8. Кларк Дж. (5 июня 2019 г.). Химия титана. Химия LibreTexts. Получено с: chem.libretexts.org
9. Венкатеш Вайдьянатан. (2019). Как делают титан? Наука Азбука. Получено с: scienceabc.com
10. Доктор Эдвард Групп. (10 сентября 2013 г.). Риски для здоровья от титана. Глобальный центр исцеления. Получено с: globalhealingcenter.com
11. Tlustoš, P. Cigler, M. Hrubý, S. Kužel, J. Száková и J. Balík. (2005). Роль титана в производстве биомассы и его влияние на содержание эссенциальных элементов в полевых культурах. РАСТИТЕЛЬНАЯ ПОЧВЕННАЯ СРЕДА., 51, (1): 19-25.
12. KYOCERA SGS. (2019). История титана. Получено с: kyocera-sgstool.eu