ТИТАН: ІСТОРІЯ, СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ, РЕАКЦІЇ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Титана являє собою перехідний метал , який представлений хімічний символ Ti. Це другий метал, що з’являється з блоку d періодичної таблиці, відразу після скандію. Його атомне число - 22, і в природі він зустрічається як багато ізотопів і радіоізотопів, з яких ⁴⁸ Ti є найпоширенішим з усіх.

Його колір - сріблясто-сірий, а його частини вкриті захисним шаром оксиду, що робить титан металом дуже стійким до корозії. Якщо цей шар жовтуватий, це нітрид титану (TiN), який являє собою сполуку, яка утворюється, коли цей метал згорає в присутності азоту, унікальне і вирізняється властивість.

Титанові кільця. Джерело: Pxhere.

Крім того, що вже було сказано, він відрізняється високою стійкістю до механічних впливів, незважаючи на те, що він легший за сталь. Ось чому він відомий як найсильніший метал з усіх, а сама його назва є синонімом міцності. Він також має міцність і легкість, дві характеристики, які роблять його бажаним матеріалом для виробництва літаків.

Так само і не менш важливий, титан - біологічно сумісний метал, приємний на дотик, саме тому його використовують в ювелірних виробах для виготовлення кілець; і в біомедицині, такі як ортопедичні та зубні імплантати, здатні інтегруватися в кісткові тканини.

Однак найвідоміші його використання містяться в TiO ₂ в якості пігменту, добавки, покриття та фотокаталізатора.

Це дев'ятий найпоширеніший елемент на Землі і сьомий у складі металів. Незважаючи на це, його вартість висока через труднощі, які необхідно подолати, щоб витягнути її з корисних копалин, серед яких рутил, анатаза, ільменіт та перовскіт. З усіх методів виробництва процес Kroll є найбільш широко використовуваним у всьому світі.

Історія

Відкриття

Титан вперше був ідентифікований в ільменітовому мінералі в долині Манакан (Великобританія) пастором і мінераловим аматором Вільямом Грегором ще в 1791 році. Він зміг визначити, що він містить оксид заліза, оскільки його піски переміщалися по вплив магніту; але він також повідомив, що був ще один оксид невідомого металу, який він назвав "манаканітом".

На жаль, хоча він звернувся до Королівського геологічного товариства Корнуолла та інших торгових точок, його внески не викликали занепокоєння за те, що він не був визнаною людиною науки.

Через чотири роки, у 1795 році, німецький хімік Мартін Генріх Клапрот незалежно визнав цей же метал; але в рутильній руді на Бойнік, тепер Словаччина.

Дехто стверджує, що він назвав цей новий метал «титаном», натхненний його міцністю, схожою на титани. Інші стверджують, що це було зумовлено більше нейтралітетом самих міфологічних персонажів. Таким чином, титан народився як хімічний елемент, і Клапрот згодом зміг зробити висновок, що це той самий манаканіт, як і мінерал ільменіт.

Ізоляція

З того часу почалися спроби ізолювати його від таких мінералів; але більшість з них були невдалими, оскільки титан був забруднений киснем або азотом, або утворював карбід, який неможливо було зменшити. Ларсу Нілсону та Отто Петтерссону було потрібно майже століття (1887 р.), Щоб підготувати зразок, чистий на 95%.

Тоді, у 1896 році, Генрі Мойссану вдалося отримати зразок з чистотою до 98% завдяки зменшувальній дії металевого натрію. Однак ці нечисті титани були крихкими під дією атомів кисню та азоту, тому необхідно було розробити процес, який не мав їх реакційної суміші.

І з таким підходом виникла Охоронний процес у 1910 р., Розроблений Метью А. Хантер у співпраці з General Electric при Політехнічному інституті Ренсселера.

Через двадцять років у Люксембурзі Вільям Дж. Кролл розробив інший метод, використовуючи кальцій і магній. Сьогодні процес «Кролл» залишається одним із провідних методів отримання металевого титану на комерційних та промислових масштабах.

З цього моменту історія титану слідкує за ходом його сплавів у додатках для аерокосмічної та військової промисловості.

Структура та електронна конфігурація

Чистий титан може кристалізуватися з двох структур: компактного шестикутника (hcp), який називають α-фазою, і кубічного кубіка (bcc), який називається β фазою. Таким чином, це диморфний метал, здатний зазнавати алотропних (або фазових) переходів між структурами hcp та bcc.

Фаза α є найбільш стійкою при температурі навколишнього середовища і тиску, атоми Ti оточені дванадцятьма сусідами. При підвищенні температури до 882 ° С гексагональний кристал перетворюється на менш щільний кубічний, що відповідає більш високим атомним коливанням, що утворюються теплом.

З підвищенням температури фаза α надає більший термостійкість; тобто його питома теплота також збільшується, так що для досягнення 882 ° C потрібно все більше і більше тепла.

Що робити, якщо замість підвищення температури тиск робить? Тоді ви отримуєте спотворені кристали ОЦК.

Посилання

У цих металевих кристалах валентні електрони 3d і 4s орбіталей втручаються у зв’язок, який приєднується до атомів Ti, відповідно до електронної конфігурації:

3d ² 4s ²

У нього є лише чотири електрони, якими можна ділитися з сусідами, в результаті чого утворюються майже порожні 3d смуги, а тому титан не такий хороший провідник електрики або тепла, як інші метали.

Сплави

Ще важливішим, ніж те, що було сказано про кристалічну структуру титану, є те, що обидві фази, α і β, можуть утворювати власні сплави. Вони можуть складатися з чистого α або β сплавів або сумішей обох у різних пропорціях (α + β).

Так само розмір їх відповідних кристалічних зерен впливає на кінцеві властивості згаданих титанових сплавів, а також на масовий склад та співвідношення доданих добавок (декілька інших металів або атомів N, O, C або H).

Добавки мають значний вплив на титанові сплави, оскільки вони можуть стабілізувати деякі з двох конкретних фаз. Наприклад: Al, O, Ga, Zr, Sn і N - добавки, що стабілізують α-фазу (щільніші кристали hcp); і Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe та ін - добавки, які стабілізують β-фазу (менш щільні кристали ОЦК).

Вивчення всіх цих титанових сплавів, їх структури, складу, властивостей та застосувань є об’єктом металургійних робіт, які спираються на кристалографію.

Окислювальні числа

Відповідно до конфігурації електронів, титану знадобиться вісім електронів, щоб повністю заповнити 3d орбіталі. Цього не можна досягти ні в одній з його сполук, і максимум вона набирає до двох електронів; тобто він може набувати негативних чисел окислення: -2 (3d ⁴ ) та -1 (3d ³ ).

Причина пояснюється електронегативністю титану і тим, що, крім того, це метал, тому він має більшу тенденцію до позитивних окислювальних чисел; наприклад +1 (3d ² 4s ¹ ), +2 (3d ² 4s ⁰ ), +3 (3d ¹ 4s ⁰ ) та +4 (3d ⁰ 4s ⁰ ).

Зверніть увагу, як електрони 3d і 4s орбіталей залишають, як передбачається існування катіонів Ti ⁺ , Ti ²⁺ тощо.

Окислювальне число +4 (Ti ⁴⁺ ) є найбільш репрезентативним з усіх, оскільки відповідає титану в його оксиді: TiO ₂ (Ti ⁴⁺ O ₂ ^2- ).

Властивості

Зовнішність

Сірувато-сріблястий метал.

Молярна маса

47,867 г / моль.

Точка плавлення

1668 ° С. Ця відносно висока температура плавлення робить її вогнетривким металом.

Точка кипіння

3287 ° С.

Температура автозапуску

1200 ° C для чистого металу та 250 ° C для тонкодисперсного порошку.

Пластичність

Титан - пластичний метал, якщо йому не вистачає кисню.

Щільність

4,550 г / мл А при температурі плавлення 4,11 г / мл

Тепло синтезу

14,15 кДж / моль.

Тепло випаровування

425 кДж / моль.

Молярна теплоємність

25060 Дж / моль · К.

Електронегативність

1,54 за шкалою Полінга.

Енергії іонізації

По-перше: 658,8 кДж / моль.

Другий: 1309,8 кДж / моль.

Третя: 2652,5 кДж / моль.

Твердість Мооса

6,0.

Номенклатура

З числа окиснення найпоширенішими є +2, +3 та +4, як їх називають у традиційній номенклатурі при називанні сполук титану. В іншому випадку правила фондової та систематичної номенклатури залишаються однаковими.

Наприклад, розглянемо TiO ₂ і TiCl ₄ , два найвідоміші сполуки титану.

Вже було сказано, що в TiO ₂ число окислення титану становить +4, а тому, будучи найбільшим (або позитивним), назва має закінчуватися суфіксом -ico. Таким чином, його назва - титановий оксид, згідно з традиційною номенклатурою; оксид титану (IV), відповідно до номенклатури запасів; і діоксид титану відповідно до систематичної номенклатури.

А для TiCl ₄ ми почнемо більш безпосередньо:

Номенклатура: назва

-Традиційне: титановий хлорид

-Так: хлорид титану (IV)

-Систематичні: тетрахлорид титану

В англійській мові цю сполуку часто називають «Tickle».

Кожен титановий склад може навіть мати власні назви поза правилами іменування, і це залежатиме від технічного жаргону відповідного поля.

Де знайти і виробництво

Титанові мінерали

Рутиловий кварц, один з мінералів з найбільшим вмістом титану. Джерело: Дідьє Дескуен

Титан, хоча він є сьомим найпоширенішим металом на Землі і дев'ятим за найпоширенішим вмістом земної кори, в природі не зустрічається як чистий метал, а в поєднанні з іншими елементами мінеральних оксидів; більш відомий як мінерали титану.

Таким чином, для його отримання необхідно використовувати ці мінерали як сировину. Деякі з них:

-Тітаніт або сфен (CaTiSiO ₅ ), із домішками заліза та алюмінію, які зеленіють їх кристалами.

-Броокіт ( орторомбічний TiO ₂ ).

-Рутил, найбільш стійкий поліморф TiO ₂ , за ним слідують мінерали анатаза та брокіт.

-Ілменіт (FeTiO ₃ ).

-Перовскіт (CaTiO ₃ )

-Лейкоксен (гетерогенна суміш анатази, рутилу та перовскіту).

Зверніть увагу, що є кілька згаданих мінералів титану, хоча є й інші. Однак не всі вони однаково рясні, і, таким же чином, вони можуть містити домішки, які важко видалити, і які ставлять під загрозу властивості кінцевого металевого титану.

Ось чому сфеен і перовскіт часто використовують для отримання титану, оскільки їх вміст кальцію і кремнію складно вивести з реакційної суміші.

З усіх цих корисних копалин рутил та ільменіт найбільш використовуються комерційно та промислово завдяки високому вмісту TiO ₂ ; тобто вони багаті титаном.

Процес кроля

Вибравши будь-який з корисних копалин як сировину, TiO ₂ в них повинен бути зменшений. Для цього корисні копалини разом з вугіллям нагрівають гаряче в реакторі з киплячим шаром при температурі 1000 ° C. Там TiO ₂ реагує з газом хлору згідно з наступним хімічним рівнянням:

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

TiCl ₄ - це нечиста безбарвна рідина, оскільки при цій температурі вона розчиняється разом з іншими хлоридами металів (залізо, ванадій, магній, цирконій та кремній), що походять від домішок, присутніх у мінералах. Тому TiCl ₄ потім очищають фракційною дистиляцією та осадженням.

Після очищення TiCl ₄ , виду, який легше зменшити, виливають у ємність з нержавіючої сталі, до якої застосовується вакуум, для усунення кисню та азоту, і наповнюють аргоном, щоб забезпечити інертну атмосферу, яка не впливає на титан. виробляється. Магній додають у процесі, який реагує при 800 ° С відповідно до наступного хімічного рівняння:

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

Титан осаджується як губчасте тверде речовина, яке піддають обробці для його очищення та надання йому кращих твердих форм, або використовується безпосередньо для виготовлення мінералів титану.

Реакції

З повітрям

Титан має високу стійкість до корозії завдяки шару TiO _2, який захищає внутрішню частину металу від окислення. Однак, коли температура піднімається вище 400 ° С, тонкий шматок металу починає горіти повністю, утворюючи суміш TiO ₂ і TiN:

Ti (s) + O ₂ (g) => TiO ₂ (s)

2Ti (s) + N ₂ (g) => TiN (s)

Обидва гази, O ₂ і N ₂ , логічно перебувають у повітрі. Ці дві реакції відбуваються швидко, коли титан нагрівається до гарячого. І якщо його виявляють як дрібнодисперсний порошок, реакція стає ще більш енергійною, завдяки чому титан в цьому твердому стані є легкозаймистим.

З кислотами та основами

Цей TiO ₂ -TiN шар не тільки захищає титан від корозії, але і від нападу кислот та основ, тому розчинити метал непросто.

Щоб цього досягти, висококонцентровані кислоти потрібно вживати і кип’ятити до кипіння, отримуючи фіолетовий розчин, що утворюється з водних комплексів титану; наприклад, ⁺³ .

Однак є кислота, яка може розчинити її без багатьох ускладнень: фтороводородна кислота:

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

З галогенами

Титан може безпосередньо реагувати з галогенами з утворенням відповідних галогенідів. Наприклад, ваша реакція на йод така:

Ti (s) + 2I ₂ (s) => TiI ₄ (s)

Аналогічно з фтором, хлором і бромом, де утворюється інтенсивне полум'я.

З сильними окислювачами

Коли титан дрібно розділений, він не тільки схильний до займання, але й енергійно реагує з сильними окислювачами при найменшому джерелі тепла.

Частина цих реакцій використовується для піротехніки, оскільки утворюються яскраві білі іскри. Наприклад, він реагує з перхлоратом амонію згідно хімічного рівняння:

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

Ризики

Металевий титан

Титановий порошок є легкозаймистим твердим речовиною. Джерело: В. Олен

Металевий титан сам по собі не представляє ніякого ризику для здоров'я тих, хто з ним працює. Це нешкідливе тверде тіло; Якщо тільки вона не подрібнена як порошок дрібної частинки. Цей білий порошок може бути небезпечним через високу горючість, про яку йдеться у розділі реакцій.

Коли титан подрібнюється, його реакція з киснем і азотом відбувається швидше і енергійніше, і він може навіть спалювати вибухонебезпечно. Ось чому він представляє жахливий ризик пожежі, якщо там, де він зберігається, потрапляє полум'я.

При горінні вогонь можна гасити лише графітом або хлоридом натрію; ніколи з водою, принаймні для цих випадків.

Так само слід уникати їх контакту з галогенами за будь-яку ціну; тобто з будь-яким газоподібним витоком фтору або хлору або взаємодіючи з червонуватою рідиною брому або летючими кристалами йоду. Якщо це станеться, титан запалює вогонь. Він також не повинен контактувати з сильними окислювачами: перманганатами, хлоратами, перхлоратами, нітратами тощо.

В іншому випадку його зливки або сплави не можуть становити більше ризиків, ніж фізичні удари, оскільки вони не дуже хороші провідники тепла чи електрики і приємні на дотик.

Наночастинки

Якщо дрібнодисперсне тверде речовина є займистим, воно повинно бути тим більше, що складається з наночастинок титану. Однак центральна точка цього підрозділу обумовлена ​​наночастинками TiO ₂ , які використовувались у безлічі застосувань, де вони заслуговують на свій білий колір; як солодощі та цукерки.

Хоча його всмоктування, розподіл, виведення або токсичність в організмі не відомі, вони виявились токсичними в дослідженнях на мишах. Наприклад, вони показали, що це породжує емфізему та почервоніння в легенях, а також інші порушення дихання в їх розвитку.

Екстраполяцією від мишей до нас робиться висновок, що дихання наночастинок TiO ₂ впливає на наші легені. Вони також можуть змінити область гіпокампу мозку. Крім того, Міжнародне агентство з досліджень раку не виключає їх як можливих канцерогенів.

Програми

Пігмент і добавка

Якщо говорити про використання титану, то обов'язково слід посилатися на використання його сполуки діоксиду титану. Фактично TiO ₂ охоплює близько 95% усіх застосувань, що стосуються цього металу. Причини: його білий колір, він нерозчинний, а також нетоксичний (не кажучи вже про чисті наночастинки).

Ось чому його зазвичай використовують як пігмент або добавку у всіх тих продуктах, які потребують білого забарвлення; наприклад зубна паста, ліки, цукерки, папери, дорогоцінні камені, фарби, пластмаса тощо.

Покриття

TiO ₂ також може бути використаний для створення плівок для покриття будь-якої поверхні, наприклад, скла або хірургічних інструментів.

Маючи ці покриття, вода не може їх змочити і біжить по них, як дощ на лобових скло автомобілів. Інструменти з цими покриттями можуть вбивати бактерії, поглинаючи УФ-випромінювання.

Сеча собак або жувальної гумки не могла бути закріплена на асфальті чи цементі дією TiO ₂ , що полегшило б її подальше видалення.

Сонячний крем

TiO2 - один з активних компонентів сонцезахисного крему. Джерело: Pixabay.

І нарешті, стосовно TiO ₂ - це фотокаталізатор, здатний утворювати органічні радикали, які, проте, нейтралізуються плівками кремнезему або глинозему в сонцезахисному кремі. Його білий колір вже чітко вказує на те, що він повинен мати цей оксид титану.

Аерокосмічна промисловість

Титанові сплави використовуються для виготовлення великих літаків або швидких кораблів. Джерело: Pxhere.

Титан - метал зі значною міцністю і твердістю по відношенню до його низької щільності. Це робить його замінником сталі для всіх тих застосувань, де потрібні високі швидкості руху або розроблені великі літаки з розмахом крил, наприклад, літак А380 на зображенні вище.

Ось чому цей метал має багато застосувань у космічній промисловості, оскільки він чинить опір окисленню, він легкий, міцний і його сплави можна покращити за допомогою точних добавок.

Спорт

Титан та його сплави займають не лише в аерокосмічній галузі центральне місце, але й у спортивній галузі. Це тому, що багато їхнього посуду має бути легким, щоб їхні користувачі, гравці чи спортсмени могли обробляти їх, не відчуваючи себе занадто важкими.

Деякі з цих предметів - це велосипеди, палички для гольфу чи хокею, футбольні шоломи, ракетки для тенісу чи бадмінтону, мечі для фехтування, ковзани для льоду, лижі тощо.

Також, хоча в значно меншій мірі через високу вартість, титан та його сплави використовувались у розкішних та спортивних автомобілях.

Піротехніка

Подрібнений титан може бути змішаний, наприклад, з KClO ₄ , і служити феєрверком; що насправді роблять ті, хто їх робить на піротехнічних шоу.

Ліки

Титан та його сплави - це досконалість металевих матеріалів у біомедичних застосуваннях. Вони біосумісні, інертні, сильні, важко окислюються, нетоксичні та безперешкодно інтегруються з кісткою.

Це робить їх дуже корисними для ортопедичних та зубних імплантатів, для штучних тазостегнових та колінних суглобів, як гвинти для фіксації переломів, для кардіостимуляторів або штучних сердець.

Біологічні

Біологічна роль титану невизначена, і хоча відомо, що він може накопичуватися в деяких рослинах і приносити користь росту певних сільськогосподарських культур (наприклад, помідорів), механізми, де він втручається, невідомі.

Кажуть, що сприяє утворенню вуглеводів, ферментів та хлорофілів. Вони гадають, що це пов'язано з реакцією рослинних організмів захищатися від низьких біодоступних концентрацій титану, оскільки вони для них шкідливі. Однак справа все ще в темряві.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Вікіпедія. (2019). Титан. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Бавовна Саймон. (2019). Титан. Королівське хімічне товариство. Відновлено з: chemistryworld.com
4. Девіс Марао. (2019). Що таке титан? Властивості та використання. Вивчення. Відновлено з: study.com
5. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (03 липня 2019 р.). Хімічні та фізичні властивості титану. Відновлено з: thinkco.com
6. KDH Bhadeshia. (sf). Металургія титану та його сплавів. Кембриджський університет. Відновлено з: phase-trans.msm.cam.ac.uk
7. Камери Мішель. (7 грудня 2017 р.). Як титан допомагає життю. Відновлено з: titaniumprocessingcenter.com
8. Кларк Дж. (05 червня 2019 р.). Хімія титану. Хімія LibreTexts. Відновлено з: chem.libretexts.org
9. Венкатеш Вайдянатан. (2019). Як виготовляється титан? Наука ABC. Відновлено з: scienceabc.com
10. Група доктора Едварда. (10 вересня 2013 р.). Ризики для здоров'я титану. Глобальний центр зцілення. Відновлено з: globalhealingcenter.com
11. Tlustoš, P. Cígler, M. Hrubý, S. Kužel, J. Száková & J. Balík. (2005). Роль титану у виробництві біомаси та його вплив на вміст основних елементів у польових культурах. ЕКОЛОГІЯ РОСЛИННИХ., 51, (1): 19–25.
12. KYOCERA SGS. (2019). Історія титану. Відновлено з: kyocera-sgstool.eu