TITAN: HISTORIE, STRUKTURA, VLASTNOSTI, REAKCE, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Titanu je přechodný kov, který je reprezentován chemické značky Ti. Je to druhý kov, který se objevil z bloku d periodické tabulky, hned po skandiu. Její atomové číslo je 22 a vyskytuje se v přírodě tolik izotopů a radioizotopů, z nichž ⁴⁸ Ti je nejhojnější ze všech.

Jeho barva je stříbrně šedá a její části jsou pokryty ochrannou vrstvou oxidu, který z titanu dělá kov velmi odolný vůči korozi. Pokud je tato vrstva nažloutlá, jedná se o nitrid titaničitý (TiN), což je sloučenina, která se vytváří, když tento kov hoří v přítomnosti dusíku, což je jedinečná a odlišná vlastnost.

Titanové prsteny. Zdroj: Pxhere.

Kromě toho, co již bylo zmíněno, je vysoce odolný vůči mechanickým nárazům, přestože je lehčí než ocel. Proto je znám jako nejsilnější kov ze všech a jeho samotné jméno je synonymem síly. Má také pevnost a lehkost, dvě vlastnosti, díky nimž je žádoucím materiálem pro výrobu letadel.

Stejně tak neméně důležitý je titan biokompatibilní kov, který je na dotek příjemný, a proto se v klenotnictví používá k výrobě prstenů; a v biomedicíně, jako jsou ortopedické a zubní implantáty, schopné integrace do kostních tkání.

Nicméně, jeho nejlepší známé způsoby použití jsou umístěny v TiO ₂, jako barvivo, přísady, povlak a fotokatalyzátoru.

Je to devátý nejhojnější prvek na Zemi a sedmý v kovech. Navzdory tomu jsou jeho náklady vysoké kvůli obtížím, které je třeba překonat, aby bylo možné těžit z jeho minerálů, mezi něž patří rutil, anatas, ilmenit a perovskit. Ze všech výrobních metod je proces Kroll nejrozšířenější na světě.

Dějiny

Objev

Titan byl poprvé identifikován v ilmenitovém minerálu v údolí Manaccan (Velká Británie) pastorem a amatérským mineralogem Williamem Gregorem v roce 1791. Byl schopen identifikovat, že obsahuje oxid železa, protože se jeho písek pohyboval vliv magnetu; ale také uvedl, že existuje další oxid neznámého kovu, který nazval „manacanit“.

Bohužel, i když se obrátil na Královskou geologickou společnost v Cornwallu a dalších odbytištěch, jeho příspěvky nevyvolávaly rozruch, protože nebyl uznávaným vědeckým mužem.

O čtyři roky později, v roce 1795, německý chemik Martin Heinrich Klaproth nezávisle rozpoznal stejný kov; ale v rutilní rudě v Boiniku, nyní na Slovensku.

Někteří tvrdí, že jmenoval tento nový kovový „titan“ inspirovaný jeho tvrdostí podobnou Titanům. Jiní tvrdí, že to bylo způsobeno více neutrálností samotných mytologických postav. Titan se tak narodil jako chemický prvek a Klaproth byl později schopen dospět k závěru, že se jedná o stejný manacanit jako minerální ilmenit.

Izolace

Od té doby se pokusy začaly izolovat od takových minerálů; ale většina z nich byla neúspěšná, protože titan byl kontaminován kyslíkem nebo dusíkem nebo tvořil karbid, který nebylo možné redukovat. Trvalo téměř století (1887), než Lars Nilson a Otto Pettersson připravili vzorek s čistotou 95%.

V roce 1896 se Henrymu Moissanovi díky redukčnímu působení kovového sodíku podařilo získat vzorek s čistotou až 98%. Tyto nečisté titany však byly křehké působením atomů kyslíku a dusíku, takže bylo nutné navrhnout způsob, jak je udržet mimo reakční směs.

A s tímto přístupem vznikl Hunterův proces v roce 1910, navržený Matthewem A. Hunterem ve spolupráci s General Electric v Rensselaer Polytechnic Institute.

O dvacet let později vymyslel William J. Kroll v Lucembursku další metodu pomocí vápníku a hořčíku. V současné době zůstává Krollův proces jednou z hlavních metod výroby kovového titanu v komerčním a průmyslovém měřítku.

Od této chvíle historie titanu sleduje průběh jeho slitin v aplikacích pro letecký a vojenský průmysl.

Struktura a elektronická konfigurace

Čistý titan může krystalizovat se dvěma strukturami: kompaktní hexagonální (hcp), nazývaný α fáze, a kubický centrovaný na tělo (bcc), nazývaný β fáze. Jedná se tedy o dimorfní kov, který je schopen podstoupit allotropické (nebo fázové) přechody mezi strukturami hcp a bcc.

Fáze a je nejstabilnější při okolní teplotě a tlaku, přičemž atomy Ti jsou obklopeny dvanácti sousedy. Když se teplota zvýší na 882 ° C, hexagonální krystal se stane krychlovým, méně hustým, což je v souladu s vyššími atomovými vibracemi způsobenými teplem.

Jak se teplota zvyšuje, fáze a se staví proti většímu tepelnému odporu; to znamená, že její specifické teplo se také zvyšuje, takže k dosažení 882 ° C je potřeba stále více tepla.

Co když namísto zvyšování teploty tlak působí? Pak dostanete zkreslené bcc krystaly.

Odkaz

V těchto kovových krystalech valenční elektrony orbitálů 3d a 4s zasahují do vazby, která spojuje atomy Ti, podle elektronické konfigurace:

3d ² 4s ²

Má jen čtyři elektrony, které sdílí se svými sousedy, což vede k téměř prázdným 3d pásmům, a proto titan není tak dobrý vodič elektřiny nebo tepla jako jiné kovy.

Slitiny

Ještě důležitější než to, co bylo řečeno o krystalické struktuře titanu, je to, že obě fáze, a a p, mohou tvořit své vlastní slitiny. Mohou sestávat z čistých slitin a nebo p nebo ze směsí obou v různých poměrech (a + β).

Podobně velikost jejich příslušných krystalických zrn ovlivňuje konečné vlastnosti uvedených slitin titanu, jakož i složení hmoty a vztahy přidaných přísad (několik dalších kovů nebo atomů N, O, C nebo H).

Aditiva mají významný vliv na slitiny titanu, protože mohou stabilizovat některé ze dvou specifických fází. Například: Al, O, Ga, Zr, Sn a N jsou přísady, které stabilizují a fázi (hustší krystaly hcp); a Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe a další jsou přísady, které stabilizují p fázi (méně husté krystaly bcc).

Studium všech těchto titanových slitin, jejich struktur, složení, vlastností a aplikací je předmětem metalurgických prací, které se spoléhají na krystalografii.

Oxidační čísla

Podle konfigurace elektronů by titan potřeboval osm elektronů, aby zcela vyplnil 3d orbitaly. Toho nelze dosáhnout v žádné ze svých sloučenin a nanejvýš získá až dva elektrony; to znamená, že může získat záporná oxidační čísla: -2 (3d ⁴) a -1 (3d ³).

Důvod je způsoben elektronegativitou titanu a navíc je to kov, takže má větší tendenci mít kladná oxidační čísla; například +1 (3d ² 4s ¹), +2 (3d ² 4s ⁰), +3 (3d ¹ 4s ⁰) a +4 (3d ⁰ 4s ⁰).

Všimněte si, jak opouštějí elektrony orbitálů 3d a 4s, protože se předpokládá existence kationtů Ti ⁺, Ti ²⁺ atd.

Oxidační číslo +4 (Ti ⁴⁺) je nejreprezentativnější ze všech, protože odpovídá titanu v jeho oxidu: TiO ₂ (Ti ⁴⁺ O ₂ ^2-).

Vlastnosti

Fyzický vzhled

Šedý stříbrný kov.

Molární hmotnost

47,867 g / mol.

Bod tání

1668 ° C Tento relativně vysoký bod tání z něj činí žáruvzdorný kov.

Bod varu

3287 ° C

teplota samovznícení

1200 ° C pro čistý kov a 250 ° C pro jemně rozmělněný prášek.

Kujnost

Titan je tvárný kov, pokud mu chybí kyslík.

Hustota

4,506 g / ml. A při teplotě tání 4,11 g / ml.

Teplo fúze

14,15 kJ / mol.

Odpařovací teplo

425 kJ / mol.

Molární tepelná kapacita

25060 J / mol · K.

Elektronegativita

1,54 v Paulingově stupnici.

Ionizační energie

První: 658,8 kJ / mol.

Za druhé: 1309,8 kJ / mol.

Třetí: 2652,5 kJ / mol.

Mohsova tvrdost

6.0.

Nomenklatura

Z oxidačních čísel jsou nejčastější +2, +3 a +4, protože jsou pojmenovány v tradiční nomenklatuře při pojmenování sloučenin titanu. Jinak zůstanou pravidla skladových zásob a systematické nomenklatury stejná.

Uvažujme například TiO ₂ a TiCl ₄, dvě z nejznámějších sloučenin titanu.

Již bylo řečeno, že v TiO ₂ je oxidační číslo titanu +4, a proto, protože je největší (nebo pozitivní), musí název končit příponou -ico. Tak, jeho jméno je oxid titaničitý, podle tradiční nomenklatury; oxid titaničitý podle nomenklatury zásob; a oxid titaničitý podle systematické nomenklatury.

A pro TiCl ₄ budeme postupovat přímo:

Nomenklatura: jméno

-Tradiční: chlorid titaničitý

-Stock: chlorid titaničitý

-Systematický: chlorid titaničitý

V angličtině je tato směs často označována jako „Tickle“.

Každá sloučenina titanu může mít i vlastní jména mimo pravidla pojmenování a bude záviset na technickém žargonu daného pole.

Kde najít a vyrobit

Titaniferous minerals

Rutilový křemen, jeden z minerálů s nejvyšším obsahem titanu. Zdroj: Didier Descouens

Titan, ačkoli je to sedmý nejhojnější kov na Zemi a devátý nejhojnější v zemské kůře, se v přírodě nenachází jako čistý kov, ale v kombinaci s jinými prvky v oxidech minerálů; lépe známý jako titaniferous minerals.

K získání je tedy nutné tyto minerály použít jako surovinu. Někteří z nich jsou:

-Titanit nebo sphen (CaTiSiO ₅), se železnými a hliníkovými nečistotami, které změní jejich zelené krystaly.

-Brookite (ortorombický TiO ₂).

-Rutile, nejstabilnější polymorf TiO ₂, a následně minerály anatasu a brookit.

-Ilmenit (FeTiO ₃).

-Perovskite (CaTiO ₃)

- Leucoxen (heterogenní směs anatas, rutilu a perovskitu).

Všimněte si, že existuje několik zmiňovaných minerálů titanu, i když existují i ​​jiné. Avšak ne všechny z nich jsou stejně hojné a mohou také obsahovat nečistoty, které je obtížné odstranit a které ohrožují vlastnosti konečného kovového titanu.

To je důvod, proč se pro výrobu titanu často používají sfen a perovskit, protože jejich obsah vápníku a křemíku je obtížné odstranit z reakční směsi.

Ze všech těchto minerálů, rutil a ilmenit jsou nejpoužívanější komerčně a průmyslově kvůli jejich vysokému obsahu TiO ₂; to znamená, že jsou bohaté na titan.

Krollův proces

Výběr jakéhokoli z minerálů jako suroviny musí být v nich TiO ₂ snížen. K tomu se minerály společně s uhlím zahřívají v horkém reaktoru s fluidním ložem při teplotě 1000 ° C. Tam TiO ₂ reaguje s plynným chlorem podle následující chemické rovnice:

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

TiCl ₄ je nečistou bezbarvá kapalina, protože při této teplotě se rozpustí společně s jinými kovovými chloridy (železo, vanad, hořčíku, zirkonu a křemíku), pochází z nečistot přítomných v minerálů. Z tohoto důvodu, TiCl _{4 se} potom čistí frakční destilací a srážení.

Po čištěný, TiCl ₄, druh snazší snížit, se nalije do nádoby z nerezavějící oceli, na které se aplikuje vakuum, aby se odstranil kyslík a dusík, a následně naplněna argonem, pro zajištění inertní atmosféra, která nemá vliv na titan. vyrobeno. Do procesu se přidává hořčík, který reaguje při 800 ° C podle následující chemické rovnice:

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

Titan se vysráží jako houbovitá pevná látka, která se podrobí úpravám, aby se čistila a poskytovala lepší pevné formy, nebo se přímo používá pro výrobu titanových minerálů.

Reakce

Se vzduchem

Titan má vysokou odolnost proti korozi v důsledku vrstvou TiO ₂, která chrání vnitřek kovu před oxidací. Nicméně, když se teplota zvýší nad 400 ° C, tenký kousek kovu začne zcela spálit, aby se vytvořila směs 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, jsou logicky ve vzduchu. Tyto dvě reakce nastávají rychle, jakmile se titan zahřeje červeně. A pokud se zjistí, že jde o jemně rozmělněný prášek, je reakce ještě intenzivnější, takže je titan v tomto pevném stavu vysoce hořlavý.

S kyselinami a zásadami

Tato vrstva TiO _2- TiN chrání nejen titan před korozí, ale také před napadením kyselinami a zásadami, takže není snadné rozpouštět kov.

K dosažení tohoto cíle je třeba použít vysoce koncentrované kyseliny a vařit do varu, čímž se získá fialový roztok, který je výsledkem vodných komplexů titanu; například ⁺³.

Existuje však kyselina, která ji může rozpustit bez mnoha komplikací: kyselina fluorovodíková:

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

S halogeny

Titan může reagovat přímo s halogeny za vzniku příslušných halogenidů. Vaše reakce na jód je například následující:

Ti (y) + 2I ₂ (s) => Tii ₄ (s)

Podobně u fluoru, chloru a bromu, kde se vytváří intenzivní plamen.

Se silnými oxidačními činidly

Pokud je titan jemně rozdělen, není náchylný pouze k vznícení, ale také k intenzivní reakci se silnými oxidačními činidly při nejmenším zdroji tepla.

Část těchto reakcí se používá pro pyrotechnické látky, protože vznikají jasně bílé jiskry. Například reaguje s chloristanem amonným podle chemické rovnice:

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

Rizika

Kovový titan

Titanový prášek je vysoce hořlavá pevná látka. Zdroj: W. Oelen

Samotný kovový titan nepředstavuje žádné riziko pro zdraví lidí, kteří s ním pracují. Je to neškodná pevná látka; Pokud není, je mletý jako prášek jemných částic. Tento bílý prášek může být nebezpečný z důvodu jeho vysoké hořlavosti, uvedené v reakční části.

Když je titan mletý, jeho reakce s kyslíkem a dusíkem je rychlejší a energičtější a může dokonce hořet výbušně. Proto představuje obrovské nebezpečí požáru, pokud je při skladování zasaženo plameny.

Při hoření lze oheň uhasit pouze grafitem nebo chloridem sodným; nikdy s vodou, alespoň pro tyto případy.

Stejně tak je třeba se za každou cenu vyhnout jejich kontaktu s halogeny; to znamená, při určitém plynném úniku fluoru nebo chloru nebo při interakci s načervenalou kapalinou bromu nebo těkavými krystaly jodu. Pokud k tomu dojde, titan se vznítí. Nesmí také přijít do styku se silnými oxidačními činidly: manganistany, chlorečnany, chloristany, dusičnany atd.

Jinak jeho ingoty nebo slitiny nemohou představovat více rizik než fyzické rány, protože nejsou velmi dobrými vodiči tepla nebo elektřiny a jsou příjemné na dotek.

Nanočástice

Pokud je jemně rozmělněná pevná látka hořlavá, musí to být ještě více, aby byla vytvořena z nanočástic titanu. Ústředním bodem tohoto pododdílu je však nanočástice TiO ₂, které byly použity v nekonečných aplikacích, kde si zaslouží svou bílou barvu; jako sladkosti a bonbóny.

I když jeho absorpce, distribuce, vylučování nebo toxicita v těle není známa, ve studiích na myších bylo prokázáno, že jsou toxické. Ukázali například, že generují emfyzém a zarudnutí v plicích, jakož i další respirační poruchy v jejich vývoji.

Extrapolací myší na nás se dospělo k závěru, že dýchání nanočástic TiO ₂ ovlivňuje naše plíce. Mohou také změnit oblast hippocampu v mozku. Kromě toho je Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny nevylučuje jako možné karcinogeny.

Aplikace

Pigment a aditivum

Mluvit o použití titanu nutně odkazuje na použití jeho složeného oxidu titaničitého. TiO ₂ ve skutečnosti pokrývá asi 95% všech aplikací týkajících se tohoto kovu. Důvody: jeho bílá barva, je nerozpustný a také netoxický (nemluvě o čistých nanočásticích).

Proto se obvykle používá jako pigment nebo přísada ve všech výrobcích, které vyžadují bílé zbarvení; jako je zubní pasta, léky, bonbóny, papíry, drahokamy, barvy, plasty atd.

Obaly

TiO ₂ lze také použít k vytváření fólií pro potahování jakéhokoli povrchu, jako je sklo nebo chirurgické nástroje.

Tím, že mají tyto povlaky, voda je nemůže namočit a teče na ně, jako by pršelo na čelní sklo automobilu. Nástroje s těmito povlaky mohou zabíjet bakterie absorbováním UV záření.

Pes moč nebo žvýkačka nemohly být stanoveny na asfaltu nebo cementu působením TiO ₂, který by usnadnil její následné odstranění.

Opalovací krém

TiO2 je jednou z aktivních složek opalovacího krému. Zdroj: Pixabay.

A konečně, co se týče TiO ₂, jedná se o fotokatalyzátor schopný vytvářet organické radikály, které jsou však neutralizovány filmy na bázi oxidu křemičitého nebo aluminy na opalovacím krému. Její bílá barva již jasně ukazuje, že musí mít tento oxid titaničitý.

Letecký průmysl

Slitiny titanu se používají k výrobě velkých letadel nebo rychlých lodí. Zdroj: Pxhere.

Titan je kov se značnou pevností a tvrdostí vzhledem k jeho nízké hustotě. Díky tomu je náhradou oceli pro všechny aplikace, kde jsou vyžadovány vysoké rychlosti nebo jsou navržena velká letadla s rozpětí křídel, jako je letadlo A380 na obrázku výše.

Proto má tento kov mnoho použití v leteckém průmyslu, protože odolává oxidaci, je lehký, silný a jeho slitiny mohou být vylepšeny přesnými přísadami.

Sport

Titan a jeho slitiny se nejenom v leteckém průmyslu dostávají do centra pozornosti, ale také ve sportovním průmyslu. Je to proto, že mnoho z jejich náčiní musí být lehké, aby jejich nositelé, hráči nebo sportovci s nimi mohli manipulovat, aniž by se cítili příliš těžce.

Některé z těchto položek jsou: kola, golfové nebo hokejové hole, fotbalové přilby, tenisové nebo badmintonové rakety, šermířské meče, brusle, lyže atd.

Také, ačkoli v mnohem menší míře kvůli vysokým nákladům, byl titan a jeho slitiny používán v luxusních a sportovních vozech.

Pyrotechnika

Půda titanu může být smíchán s, například, KClO ₄, a slouží jako ohňostroje; to ve skutečnosti dělají ti, kdo je vyrábějí v pyrotechnických představeních.

Lék

Titan a jeho slitiny jsou kovové materiály par excellence v biomedicínských aplikacích. Jsou biokompatibilní, inertní, silné, obtížně oxidovatelné, netoxické a hladce se integrují s kostí.

Díky tomu jsou velmi užitečné pro ortopedické a zubní implantáty, pro umělé kyčelní a kolenní klouby, jako šrouby k fixaci zlomenin, pro kardiostimulátory nebo umělá srdce.

Biologický

Biologická role titanu je nejistá, a ačkoli je známo, že se v některých rostlinách může hromadit a prospívat růstu některých zemědělských plodin (jako jsou rajčata), mechanismy, v nichž zasahuje, nejsou známy.

Říká se, že podporuje tvorbu uhlohydrátů, enzymů a chlorofylů. Domnívají se, že je to reakce rostlinných organismů na obranu proti nízkým biologicky dostupným koncentracím titanu, protože jsou pro ně škodlivé. Věc je však stále ve tmě.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Titan. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. Cotton Simon. (2019). Titan. Královská společnost chemie. Obnoveno z: chemistryworld.com
4. Davis Marauo. (2019). Co je titan? Vlastnosti a použití. Studie. Obnoveno z: study.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3. července 2019). Chemické a fyzikální vlastnosti titanu. Obnoveno z: thinkco.com
6. KDH Bhadeshia. (sf). Metalurgie titanu a jeho slitin. Univerzita v Cambridge. Obnoveno z: phase-trans.msm.cam.ac.uk
7. Komory Michelle. (7. prosince 2017). Jak titan pomáhá životům. Obnoveno z: titaniumprocessingcenter.com
8. Clark J. (05.06.2019). Chemie titanu. Chemie LibreTexts. Obnoveno z: chem.libretexts.org
9. Venkatesh Vaidyanathan. (2019). Jak se vyrábí titan? Science ABC. Obnoveno z: scienceabc.com
10. Dr. Edward Group. (10. září 2013). Zdravotní rizika titanu. Globální léčivé centrum. Obnoveno z: globalhealingcenter.com
11. Tlustoš, P. Cígler, M. Hrubý, S. Kužel, J. Száková a J. Balík. (2005). Role titanu ve výrobě biomasy a jeho vliv na obsah základních prvků v polních plodinách. ROSTLINNÁ PŮDA ENVIRON., 51, (1): 19–25.
12. KYOCERA SGS. (2019). Historie titanu. Obnoveno z: kyocera-sgstool.eu