TITÁN: HISTÓRIA, ŠTRUKTÚRA, VLASTNOSTI, REAKCIE, POUŽITIA - CHÉMIA - 2025

Titanu je prechodný kov, ktorý je reprezentovaný chemickej značky Ti. Je to druhý kov, ktorý sa objavil z bloku d periodickej tabuľky, hneď po škandiu. Jeho atómové číslo je 22 a vyskytuje sa v prírode toľko izotopov a rádioizotopov, z ktorých ⁴⁸ Ti je najhojnejším zo všetkých.

Jeho farba je strieborno šedá a jej časti sú pokryté ochrannou vrstvou oxidu, ktorý robí z titánu kov veľmi odolný voči korózii. Ak je táto vrstva žltkastá, je to nitrid titánu (TiN), čo je zlúčenina, ktorá sa vytvára, keď tento kov horí v prítomnosti dusíka, čo je jedinečná a charakteristická vlastnosť.

Titánové prstene. Zdroj: Pxhere.

Okrem toho, čo už bolo uvedené, je vysoko odolný proti mechanickým nárazom, napriek tomu, že je ľahší ako oceľ. Preto je známy ako najsilnejší kov zo všetkých a jeho samotné meno je synonymom sily. Má tiež pevnosť a ľahkosť, dve vlastnosti, vďaka ktorým je vhodným materiálom pre výrobu lietadiel.

Podobne a nemenej dôležitý je titán biokompatibilný kov, ktorý je na dotyk príjemný, a preto sa v šperkoch používa na výrobu prsteňov; a v biomedicíne, ako sú ortopedické a zubné implantáty, schopné integrácie do kostných tkanív.

Avšak, jeho najlepší známe spôsoby použitia sú umiestnené v TiO ₂ , ako farbivo, prísady, povlak a fotokatalyzátor.

Je to deviaty najhojnejší prvok na Zemi a siedmy v kovoch. Napriek tomu sú jeho náklady vysoké kvôli ťažkostiam, ktoré sa musia prekonať pri ťažbe z minerálov, medzi ktoré patrí rutil, anatas, ilmenit a perovskit. Zo všetkých výrobných metód je proces Kroll najrozšírenejší na svete.

histórie

objav

Titán bol prvýkrát identifikovaný v ilmenitovom mineráli v Manaccanskom údolí (Spojené kráľovstvo) farárom a amatérskym mineralogom Williamom Gregorom v roku 1791. Bol schopný zistiť, že obsahuje oxid železa, pretože jeho piesky sa pohybovali cez vplyv magnetu; oznámil však, že existuje aj iný oxid neznámeho kovu, ktorý nazval „manacanit“.

Nanešťastie, hoci sa obrátil na Kráľovskú geologickú spoločnosť v Cornwalle a na iných miestach, jeho príspevky nevyvolávali rozruch, pretože nebol uznávaným vedeckým mužom.

O štyri roky neskôr, v roku 1795, nemecký chemik Martin Heinrich Klaproth nezávisle rozpoznal ten istý kov; ale v rutinnej rude v Boiniku, dnes na Slovensku.

Niektorí tvrdia, že nazval tento nový kovový „titán“ inšpirovaný jeho tvrdosťou podobnou Titanom. Iní tvrdia, že to bolo viac kvôli neutralite samotných mytologických postáv. Titán sa tak narodil ako chemický prvok a Klaproth bol neskôr schopný dospieť k záveru, že išlo o rovnaký manakatan ako minerálny ilmenit.

Izolácia

Odvtedy sa pokusy začali izolovať od týchto minerálov; ale väčšina z nich bola neúspešná, pretože titán bol kontaminovaný kyslíkom alebo dusíkom alebo tvoril karbid, ktorý nebolo možné redukovať. Trvalo takmer storočie (1887), keď Lars Nilson a Otto Pettersson pripravili vzorku s čistotou 95%.

V roku 1896 sa Henrymu Moissanovi vďaka redukcii kovového sodíka podarilo získať vzorku s čistotou až 98%. Avšak tieto nečisté titány boli krehké pôsobením atómov kyslíka a dusíka, takže bolo potrebné navrhnúť postup, ktorý by ich udržal mimo reakčnej zmesi.

A s týmto prístupom vznikol Hunterský proces v roku 1910, ktorý navrhol Matthew A. Hunter v spolupráci s General Electric v Rensselaer Polytechnic Institute.

O dvadsať rokov neskôr vymyslel William J. Kroll v Luxembursku ďalšiu metódu s použitím vápnika a horčíka. V súčasnosti je Kroll proces jednou z vedúcich metód výroby kovového titánu v komerčnom a priemyselnom meradle.

Od tejto chvíle história titánu sleduje priebeh jeho zliatin v aplikáciách pre letecký a vojenský priemysel.

Štruktúra a elektronická konfigurácia

Čistý titán môže kryštalizovať s dvoma štruktúrami: kompaktný šesťuholník (hcp), nazývaný a fáza, a kubický centrom (bcc) zameraný na telo, nazývaný β fáza. Ide teda o dimorfný kov, ktorý je schopný podstúpiť allotropické (alebo fázové) prechody medzi štruktúrami hcp a bcc.

Fáza a je najstabilnejšia pri teplote a tlaku okolia, pričom atómy Ti sú obklopené dvanástimi susedmi. Keď sa teplota zvýši na 882 ° C, šesťuholníkový kryštál sa zmení na menej hustý kubický, čo je v súlade s vyššími atómovými vibráciami produkovanými teplom.

Keď sa teplota zvyšuje, fáza a je v rozpore s väčším tepelným odporom; to znamená, že sa zvyšuje aj jej špecifické teplo, takže na dosiahnutie 882 ° C je potrebné stále viac tepla.

Čo ak namiesto zvyšovania teploty tlak pôsobí? Potom získate zdeformované kryštály bcc.

odkaz

V týchto kovových kryštáloch valenčné elektróny orbitálov 3d a 4s zasahujú do väzby, ktorá spája atómy Ti, podľa elektronickej konfigurácie:

3d ² 4s ²

Má iba štyri elektróny, ktoré môžu zdieľať so svojimi susedmi, čo vedie k takmer prázdnym 3d pásmam, a preto titán nie je tak dobrým vodičom elektriny alebo tepla ako iné kovy.

zliatiny

Ešte dôležitejšie ako to, čo sa hovorí o kryštalickej štruktúre titánu, je to, že obe fázy, a a p, môžu tvoriť svoje vlastné zliatiny. Tieto môžu pozostávať z čistých a alebo p zliatin alebo ich zmesí v rôznych pomeroch (a + β).

Podobne veľkosť ich príslušných kryštalických zŕn ovplyvňuje konečné vlastnosti uvedených zliatin titánu, ako aj hmotnostné zloženie a vzťahy pridaných prísad (niekoľko ďalších kovov alebo atómov N, O, C alebo H).

Prísady majú významný vplyv na zliatiny titánu, pretože môžu stabilizovať niektoré z týchto dvoch špecifických fáz. Napríklad: Al, O, Ga, Zr, Sn a N sú prísady, ktoré stabilizujú fázu α (hustejšie kryštály hcp); a Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe a ďalšie sú prísady, ktoré stabilizujú p fázu (menej husté kryštály bcc).

Štúdium všetkých týchto zliatin titánu, ich štruktúr, zloženia, vlastností a aplikácií je predmetom metalurgických prác, ktoré sa spoliehajú na kryštalografiu.

Oxidačné čísla

Podľa konfigurácie elektrónov by titán potreboval osem elektrónov, aby úplne vyplnil 3d orbitaly. To sa nedá dosiahnuť v žiadnej z jej zlúčenín a dosahuje maximálne dva elektróny; to znamená, že môže získať záporné oxidačné čísla: -2 (3d ⁴ ) a -1 (3d ³ ).

Dôvodom je elektronická aktivita titánu a že okrem toho je to kov, takže má väčšiu tendenciu mať kladné oxidačné čísla; ako +1 (3d ² 4s ¹ ), +2 (3d ² 4s ⁰ ), +3 (3d ¹ 4s ⁰ ) a +4 (3d ⁰ 4s ⁰ ).

Všimnite si, ako opúšťajú elektróny orbitálov 3d a 4s, pretože sa predpokladá existencia katiónov Ti ⁺ , Ti ²⁺ atď.

Oxidačné číslo 4 (Ti ⁴⁺ ) je najreprezentatívnejšia zo všetkých, pretože to zodpovedá titánu v jeho oxidu: TiO ₂ (Ti ⁴⁺ O ₂ ² ).

vlastnosti

Fyzický vzhľad

Šedivý strieborný kov.

Molárna hmota

47,867 g / mol.

Bod topenia

1668 ° C Tento relatívne vysoký bod topenia z neho robí žiaruvzdorný kov.

Bod varu

3287 ° C

Teplota samovznietenia

1200 ° C pre čistý kov a 250 ° C pre jemne rozptýlený prášok.

kujnosť

Titán je tvárny kov, ak nemá kyslík.

Hustota

4,506 g / ml. A pri teplote topenia 4,11 g / ml.

Teplo fúzie

14,15 kJ / mol.

Odparovacie teplo

425 kJ / mol.

Molárna tepelná kapacita

25060 J / mol · K.

electronegativity

1,54 v Paulingovej stupnici.

Ionizačné energie

Najprv: 658,8 kJ / mol.

Po druhé: 1309,8 kJ / mol.

Tretia: 2652,5 kJ / mol.

Mohsova tvrdosť

6.0.

názvoslovie

Z oxidačných čísiel sú najbežnejšie +2, +3 a +4, ako sa uvádza v tradičnej nomenklatúre pri pomenovaní zlúčenín titánu. V opačnom prípade zostanú pravidlá skladových zásob a systematické nomenklatúry rovnaké.

Uvažujme napríklad TiO ₂ a TiCl ₄ , dve z najznámejších zlúčenín titánu.

Ako už bolo povedané, že v TiO ₂ oxidačné číslo titánu je 4, a preto je najväčší (alebo pozitívne), meno musí končiť prípona -ico. Jej názov je teda oxid titaničitý podľa tradičnej nomenklatúry; oxid titaničitý podľa nomenklatúry zásob; a oxid titaničitý podľa systematickej nomenklatúry.

A pre TiCl ₄ budeme postupovať priamejšie:

Nomenklatúra: meno

- Tradičné: chlorid titaničitý

-Stock: chlorid titaničitý

-Systematický: chlorid titaničitý

V angličtine sa táto zlúčenina často označuje ako „Tickle“.

Každá zlúčenina titánu môže mať dokonca vlastné názvy mimo pravidiel pomenovávania a bude závisieť od technického žargónu príslušného poľa.

Kde hľadať a produkovať

Titánové minerály

Rutilný kremeň, jeden z minerálov s najvyšším obsahom titánu. Zdroj: Didier Descouens

Titán, hoci je to siedmy najhojnejší kov na Zemi a deviaty najhojnejší v zemskej kôre, sa v prírode nenachádza ako čistý kov, ale v kombinácii s inými prvkami v oxidoch minerálov; lepšie známy ako titánové minerály.

Preto je potrebné tieto minerály použiť ako surovinu. Niektoré z nich sú:

-Titanit alebo sfén (CaTiSiO ₅ ), so železnými a hliníkovými nečistotami, ktoré zafarbia ich kryštály na zelenú.

-Brookite ( kosoštvorcová TiO ₂ ).

-Rutile, najstabilnejší polymorfov TiO ₂ , a následne minerály anatas a brookit.

-Lmenit (FeTiO ₃ ).

-Perovskit (CaTiO ₃ )

- leukoxén (heterogénna zmes anatasu, rutilu a perovskitu).

Všimnite si, že je uvedených niekoľko minerálov titánu, hoci sú tu aj iné. Nie všetky z nich sú však rovnako hojné a rovnako môžu obsahovať nečistoty, ktoré sa dajú ťažko odstrániť a ktoré ohrozujú vlastnosti výsledného kovového titánu.

Preto sa na výrobu titánu často používajú sfén a perovskit, pretože ich obsah vápnika a kremíka je ťažké z reakčnej zmesi odstrániť.

Zo všetkých týchto minerálov, rutil a ilmenit sú najpoužívanejšie komerčne a priemyselne kvôli ich vysokému obsahu TiO ₂ ; to znamená, že sú bohaté na titán.

Kroll proces

Výberom niektorého z minerálov ako surovina sa TiO ₂ v nich musí byť znížené. Za týmto účelom sa minerály spolu s uhlím zahrievajú v horúcom reaktore s fluidným lôžkom na teplotu 1000 ° C. Tam, TiO ₂ reaguje s plynným chlórom podľa nasledujúcej chemickej rovnice:

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

TiCl ₄ je nečistú bezfarebná kvapalina, pretože pri tejto teplote sa rozpustí spoločne s inými kovovými chloridy (železo, vanád, horčíka, zirkónu a kremíka), pochádza z nečistôt prítomných v minerálov. Z tohto dôvodu, TiCl _{4 sa} potom čistí frakčnou destiláciou a zrážanie.

Po čistený, TiCl ₄ , druh ľahšie znížiť, sa naleje do nádoby z nehrdzavejúcej ocele, na ktoré sa aplikuje vákuum, aby sa odstránil kyslík a dusík, a následne naplnená argónom, pre zaistenie inertná atmosféra, ktorá nemá vplyv na titán. produkoval. Horčík sa pridáva do procesu, ktorý reaguje pri 800 ° C podľa nasledujúcej chemickej rovnice:

TiCl ₄ (l) + 2 mg (l) => Ti (y) + 2MgCl ₂ (l)

Titán sa vyzráža ako hubovitá tuhá látka, ktorá sa podrobí úprave na jej čistenie a získanie lepších pevných foriem alebo sa používa priamo na výrobu titánových minerálov.

reakcie

Vzduchom

Titan má vysokú odolnosť proti korózii v dôsledku vrstvou TiO ₂ , ktorá chráni vnútro kovu pred oxidáciou. Avšak, keď sa teplota zvýši nad 400 ° C, tenký kúsok kovu začne úplne spáliť, aby sa vytvorila zmes TiO ₂ a TiN:

Ti (S) + O ₂ (g) => TiO ₂ (y)

2Ti (y) + N ₂ (g) => TiN (y)

Oba plyny, O ₂ a N ₂ , sú logicky vo vzduchu. Tieto dve reakcie sa objavujú rýchlo, keď je titán zahriaty na červenú. Ak sa zistí, že ide o jemne rozptýlený prášok, je reakcia ešte intenzívnejšia, vďaka čomu je titán v tomto pevnom stave vysoko horľavý.

S kyselinami a zásadami

Táto vrstva TiO _2- TiN chráni nielen titán pred koróziou, ale aj pred napadnutím kyselinami a zásadami, takže rozpustenie nie je ľahké.

Na dosiahnutie tohto cieľa je potrebné použiť vysoko koncentrované kyseliny a prevariť do varu, čím sa získa fialový roztok, ktorý je výsledkom vodných komplexov titánu; napríklad ⁺³ .

Existuje však kyselina, ktorá ju môže rozpustiť bez mnohých komplikácií: kyselina fluorovodíková:

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

S halogénmi

Titán môže priamo reagovať s halogénmi za vzniku príslušných halogenidov. Vaša reakcia na jód je napríklad nasledujúca:

Ti (y) + 2I ₂ (s) => TII ₄ (s)

Podobne ako u fluóru, chlóru a brómu sa vytvára intenzívny plameň.

So silnými oxidantmi

Ak je titán jemne rozdelený, nie je náchylný iba na vznietenie, ale tiež na prudkú reakciu so silnými oxidačnými činidlami pri najmenšom zdroji tepla.

Časť týchto reakcií sa používa na pyrotechnické účely, pretože vznikajú jasne biele iskry. Napríklad reaguje s chloristanom amónnym podľa chemickej rovnice:

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

riziká

Kovový titán

Titánový prášok je vysoko horľavá tuhá látka. Zdroj: W. Oelen

Samotný kovový titán nepredstavuje žiadne riziko pre zdravie tých, ktorí s ním pracujú. Je to neškodná pevná látka; Pokiaľ nie je mletá ako prášok jemných častíc. Tento biely prášok môže byť nebezpečný z dôvodu vysokej horľavosti uvedenej v reakčnej časti.

Ak je titán pomletý, jeho reakcia s kyslíkom a dusíkom je rýchlejšia a silnejšia a môže dokonca horieť výbušne. Preto predstavuje veľké riziko požiaru, ak je pri skladovaní zasiahnutý plameňom.

Pri horení je možné oheň uhasiť iba grafitom alebo chloridom sodným; nikdy nie vodou, aspoň pre tieto prípady.

Podobne by sa im za každú cenu malo zabrániť ich kontaktu s halogénmi; to znamená pri akomkoľvek plynnom úniku fluóru alebo chlóru alebo interakcii s načervenalou kvapalinou brómu alebo prchavých kryštálov jódu. Ak k tomu dôjde, titán sa vznieti. Nesmie prísť ani do styku so silnými oxidačnými činidlami: manganistany, chlorečnany, chloristany, dusičnany atď.

Inak ich ingoty alebo zliatiny nemôžu predstavovať viac rizík ako fyzické úrazy, pretože nie sú veľmi dobrými vodičmi tepla alebo elektriny a sú na dotyk príjemné.

nanočastice

Ak je jemne rozptýlená tuhá látka horľavá, musí byť ešte viac taká, ktorá pozostáva z titánových nanočastíc. Avšak, ústredným bodom tohto odseku je vzhľadom k TiO ₂ nanočastíc , ktoré boli použité v nekonečných aplikáciách, kde si zaslúži svoju bielu farbu; ako sladkosti a cukríky.

Aj keď jeho absorpcia, distribúcia, vylučovanie alebo toxicita v tele nie sú známe, pri štúdiách na myšiach sa ukázalo, že sú toxické. Napríklad preukázali, že v pľúcach vyvolávajú emfyzém a sčervenanie, ako aj ďalšie respiračné poruchy v ich vývoji.

Extrapoláciou z myší k nám, sa dospelo k záveru, že dýcha TiO ₂ nanočastíc ovplyvňuje naše pľúca. Môžu tiež meniť oblasť hippocampu v mozgu. Medzinárodná agentúra pre výskum rakoviny ich navyše nevylučuje ako možné karcinogény.

aplikácia

Pigment a prísada

Hovoriť o použití titánu nevyhnutne odkazuje na jeho zložený oxid titaničitý. TiO ₂ v skutočnosti pokrýva asi 95% všetkých aplikácií týkajúcich sa tohto kovu. Dôvody: jeho biela farba, je nerozpustný a tiež netoxický (nehovoriac o čistých nanočasticiach).

Preto sa zvyčajne používa ako pigment alebo prísada vo všetkých výrobkoch, ktoré vyžadujú biele zafarbenie; ako zubná pasta, lieky, cukrovinky, papiere, drahokamy, farby, plasty atď.

povlaky

TiO ₂ môže byť tiež použitý na vytvorenie filmov potiahnutie akéhokoľvek povrchu, ako je napríklad sklo alebo chirurgické nástroje.

Tým, že majú tieto povlaky, voda ich nemôže navlhčiť a tečie po nich, ako by pršalo na čelných sklách automobilov. Nástroje s týmito povlakmi môžu zabíjať baktérie absorbovaním UV žiarenia.

Pes moč alebo žuvačka nemohli byť stanovené na asfalte alebo cementu pôsobením TiO ₂ , ktorý by uľahčil jej následné odstránenie.

opaľovací krém

TiO2 je jednou z aktívnych zložiek opaľovacích krémov. Zdroj: Pixabay.

A konečne, s ohľadom na TiO ₂ , to je fotokatalyzátor, ktorý je schopný pôvodné organické radikály, ktoré sú však neutralizované oxidu kremičitého alebo oxidu hlinitého filmov ochranu proti slnečnému žiareniu. Jeho biela farba už jasne naznačuje, že musí mať tento oxid titaničitý.

Letecký priemysel

Zliatiny titánu sa používajú na výrobu veľkých lietadiel alebo rýchlych lodí. Zdroj: Pxhere.

Titán je kov so značnou pevnosťou a tvrdosťou vzhľadom na jeho nízku hustotu. Vďaka tomu je náhradou ocele pre všetky aplikácie, kde sa vyžadujú vysoké rýchlosti alebo sú navrhnuté veľké lietadlá s rozpätím krídel, ako napríklad lietadlo A380 na obrázku vyššie.

Preto má tento kov v leteckom priemysle mnoho použití, pretože odoláva oxidácii, je ľahký, silný a jeho zliatiny je možné vylepšiť pomocou presných prísad.

šport

Titán a jeho zliatiny nie sú len v leteckom priemysle stredobodom pozornosti, ale aj v športovom priemysle. Dôvodom je skutočnosť, že mnohé z ich náradia musia byť ľahké, aby ich nositelia, hráči alebo športovci s nimi mohli manipulovať bez toho, aby sa cítili príliš ťažko.

Niektoré z týchto položiek sú: bicykle, golfové alebo hokejkové palice, futbalové prilby, tenisové alebo bedmintonové rakety, šermovacie meče, ľadové korčule, lyže.

Titán a jeho zliatiny sa v dôsledku svojich vysokých nákladov v oveľa menšej miere používajú aj v luxusných a športových automobiloch.

ohňostroj

Pôda titánu môže byť zmiešaný s, napríklad, KClO ₄ , a slúži ako ohňostroje; to v skutočnosti robia tí, ktorí ich vyrábajú na pyrotechnických predstaveniach.

Liek

Titán a jeho zliatiny sú kovovými materiálmi par excellence v biomedicínskych aplikáciách. Sú biokompatibilné, inertné, silné, ťažko oxidovateľné, netoxické a hladko sa integrujú s kosťou.

Vďaka tomu sú veľmi užitočné pre ortopedické a zubné implantáty, pre umelé bedrové a kolenné kĺby, ako skrutky na fixáciu zlomenín, pre kardiostimulátory alebo umelé srdcia.

biologický

Biologická úloha titánu je neistá, a hoci je známe, že sa môže akumulovať v niektorých rastlinách a prospievať rastu určitých poľnohospodárskych plodín (napríklad rajčiakov), mechanizmy, v ktorých zasahuje, nie sú známe.

Hovorí sa, že podporuje tvorbu uhľohydrátov, enzýmov a chlorofylov. Tvrdia, že je reakciou rastlinných organizmov brániť sa proti nízkym biologicky dostupným koncentráciám titánu, pretože sú pre nich škodlivé. Táto záležitosť je však stále v tme.

Referencie

1. Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Titanium. Obnovené z: en.wikipedia.org
3. Cotton Simon. (2019). Titanium. Kráľovská spoločnosť chémie. Získané z: chemistryworld.com
4. Davis Marauo. (2019). Čo je titán? Vlastnosti a použitie. Štúdia. Obnovené z: study.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3. júla 2019). Chemické a fyzikálne vlastnosti titánu. Získané z: thinkco.com
6. KDH Bhadeshia. (SF). Metalurgia titánu a jeho zliatin. University of Cambridge. Získané z: phase-trans.msm.cam.ac.uk
7. Komory Michelle. (7. decembra 2017). Ako titán pomáha životom. Získané z: titaniumprocessingcenter.com
8. Clark J. (5. júna 2019). Chémia titánu. Chémia LibreTexts. Obnovené z: chem.libretexts.org
9. Venkatesh Vaidyanathan. (2019). Ako sa vyrába titán? Science ABC. Obnovené z: scienceabc.com
10. Edward Group. (10. septembra 2013). Zdravotné riziká titánu. Globálne liečebné centrum. Obnovené z: globalhealingcenter.com
11. Tlustoš, P. Cígler, M. Hrubý, S. Kužel, J. Száková a J. Balík. (2005). Úloha titánu pri výrobe biomasy a jeho vplyv na obsah základných prvkov v poľných plodinách. RASTLINNÁ PÔDA ENVIRON., 51, (1): 19–25.
12. KYOCERA SGS. (2019). História titánu. Získané z: kyocera-sgstool.eu