ТИТАН: ИСТОРИЯ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, РЕАКЦИИ, УПОТРЕБИ - ХИМИЯ - 2026

На титана е преходен метал, който е представен чрез химически символ Ti. Това е вторият метал, който се появява от блок d на периодичната таблица, непосредствено след скандиум. Атомният му брой е 22, а в природата се среща като много изотопи и радиоизотопи, от които ⁴⁸ Ti е най-изобилният от всички.

Цветът му е сребристо сив, а частите му са покрити със защитен слой от оксид, който прави титан метал много устойчив на корозия. Ако този слой е жълтеникав, това е титаниев нитрид (TiN), който е съединение, което се образува, когато този метал изгаря в присъствието на азот, уникално и отличително свойство.

Титанови пръстени. Източник: Pxhere.

В допълнение към споменатото вече, той е силно устойчив на механични въздействия, въпреки че е по-лек от стоманата. Ето защо той е известен като най-силният метал от всички, а самото му име е синоним на сила. Освен това има здравина и лекота, две характеристики, които го правят желан материал за производство на самолети.

По същия начин, и не по-малко важен, титанът е биосъвместим метал, приятен на допир, поради което се използва в бижутата за изработване на пръстени; и в биомедицината, като ортопедични и зъбни импланти, способна да се интегрира в костните тъкани.

Въпреки това, най-известните му употреби се намират в TiO ₂, като пигмент, добавка, покритие и фотокатализатор.

Той е деветият най-изобилен елемент на Земята и седмият в металите. Въпреки това, цената му е висока поради трудностите, които трябва да бъдат преодолени, за да се извлече от минералите му, сред които рутил, анатаза, илменит и перовскит. От всички методи на производство, процесът на Kroll е най-широко използваният в световен мащаб.

история

откритие

Титанът е идентифициран за първи път в илменитния минерал в долината Манакан (Обединеното кралство) от пастора и любител минералог Уилям Грегор, още през 1791 г. Той успя да установи, че съдържа оксид на желязо, тъй като пясъците му се движат през влиянието на магнит; но той също съобщи, че има друг оксид от неизвестен метал, който той нарече „манаканит“.

За съжаление, въпреки че се обърна към Кралското геологическо дружество на Корнуол и други търговски обекти, приносът му не предизвика бъркане, че не е признат човек на науката.

Четири години по-късно, през 1795 г., немският химик Мартин Хайнрих Клапрот независимо разпознава същия метал; но в рутилна руда в Бойник, сега Словакия.

Някои твърдят, че той е нарекъл този нов метал "титан", вдъхновен от неговата здравина в прилика с титаните. Други твърдят, че това се дължало повече на неутралността на самите митологични герои. Така титанът се е родил като химичен елемент и по-късно Клапрот е в състояние да заключи, че е същият манаканит като минерала илменит.

Изолация

Оттогава започнаха опити за изолирането му от такива минерали; но повечето от тях са били неуспешни, тъй като титанът е бил замърсен с кислород или азот или е образувал карбид, който е невъзможно да се намали. Отне почти век (1887 г.) на Ларс Нилсън и Ото Петтерсон да подготвят проба, чиста 95%.

След това през 1896 г. Хенри Моисан успява да получи проба с чистота до 98%, благодарение на редуциращото действие на металния натрий. Тези нечисти титани обаче бяха крехки от действието на кислородните и азотните атоми, така че беше необходимо да се създаде процес, който да ги предпази от реакционната смес.

И с този подход възниква Хънтър процес през 1910 г., разработен от Матю А. Хънтър в сътрудничество с General Electric в Политехническия институт Rensselaer.

Двадесет години по-късно, в Люксембург, Уилям Дж. Крол измисли друг метод, използвайки калций и магнезий. Днес процесът на Kroll остава един от водещите методи за производство на метален титан в търговски и промишлени мащаби.

От този момент нататък историята на титана следва хода на неговите сплави в приложения за аерокосмическата и военната промишленост.

Структура и електронна конфигурация

Чистият титан може да кристализира с две структури: компактен шестоъгълник (hcp), наречен α фаза, и телесно центриран кубик (bcc), наречен β фаза. По този начин това е диморфен метал, способен да претърпи алотропни (или фазови) преходи между hcp и bcc структури.

Афазата е най-стабилна при температура на околната среда и налягане, като Ti атомите са заобиколени от дванадесет съседи. Когато температурата се повиши до 882 ° С, шестоъгълният кристал се трансформира в по-малко плътен кубичен, което е в съответствие с по-високите атомни вибрации, произведени от топлина.

С повишаване на температурата, α фазата се противопоставя на по-голямо термично съпротивление; тоест, специфичната му топлина също се увеличава, така че е необходима все повече и повече топлина, за да достигне 882 ° C.

Какво става, ако вместо да се повиши температурата, налягането става? Тогава получавате изкривени bcc кристали.

връзка

В тези метални кристали валентните електрони на 3d и 4s орбитали се намесват във връзката, която се присъединява към атомите Ti, в съответствие с електронната конфигурация:

3d ² 4s ²

Той има само четири електрона, които може да сподели със своите съседи, което води до почти празни 3d ленти и следователно титанът не е толкова добър проводник на електричество или топлина, колкото другите метали.

сплави

Още по-важно от казаното по отношение на кристалната структура на титана е, че и двете фази, α и β, могат да образуват свои собствени сплави. Те могат да се състоят от чисти α или β сплави или смеси от двете в различни пропорции (α + β).

По същия начин, размерът на съответните им кристални зърна влияе на крайните свойства на споменатите титанови сплави, както и на масата на състава и връзките на добавените добавки (няколко други метала или атоми на N, O, С или Н).

Добавките оказват значително влияние върху титановите сплави, защото могат да стабилизират някои от двете специфични фази. Например: Al, O, Ga, Zr, Sn и N са добавки, които стабилизират α фазата (по-плътни hcp кристали); и Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe и други са добавки, които стабилизират β фазата (по-малко плътни bcc кристали).

Проучването на всички тези титанови сплави, техните структури, състав, свойства и приложения са обект на металургични произведения, които разчитат на кристалографията.

Окислителни числа

Според електронната конфигурация, на титан ще са му необходими осем електрона, за да запълнят изцяло 3D орбиталите. Това не може да бъде постигнато в нито едно от неговите съединения и най-много той натрупва до два електрона; тоест, той може да придобие отрицателни окислителни числа: -2 (3d ⁴) и -1 (3d ³).

Причината се дължи на електроотрицателността на титана и че в допълнение той е метал, така че има по-голяма склонност да има положителни окислителни числа; като +1 (3d ² 4s ¹), +2 (3d ² 4s ⁰), +3 (3d ¹ 4s ⁰) и +4 (3d ⁰ 4s ⁰).

Обърнете внимание как електроните от 3d и 4s орбитали напускат, тъй като се предполага съществуването на катиони Ti ⁺, Ti ²⁺ и т.н.

Окислителното число +4 (Ti ⁴⁺) е най-представителното от всички, защото съответства на това на титана в неговия окис: TiO ₂ (Ti ⁴⁺ O ₂ ^2-).

Имоти

Външен вид

Сивкаво сребрист метал.

Моларна маса

47.867 g / mol.

Точка на топене

1668 ° С. Тази сравнително висока точка на топене го прави огнеупорен метал.

Точка на кипене

3287 ° С.

Температура на самозапалване

1200 ° C за чист метал и 250 ° C за фино разделен прах.

еластичност

Титанът е пластичен метал, ако му липсва кислород.

плътност

4.506 g / mL. А при неговата точка на топене 4,11 g / ml.

Топлина от синтез

14.15 kJ / mol.

Топлина от изпаряване

425 kJ / mol.

Моларен топлинен капацитет

25060 J / mol · K.

Електроотрицателност

1,54 по скалата на Полинг.

Йонизационни енергии

Първо: 658,8 kJ / mol.

Второ: 1309.8 kJ / mol.

Трето: 2652,5 kJ / mol.

Моос твърдост

6.0.

номенклатура

От окислителните числа, +2, +3 и +4 са най-често срещаните, тъй като са посочени в традиционната номенклатура при именуване на титанови съединения. В противен случай правилата на номенклатурата на акциите и систематичните системи остават същите.

Например, помислете за TiO ₂ и TiCl ₄, две от най-известните съединения на титан.

Вече беше казано, че в TiO ₂ окислителното число на титания е +4 и следователно, като е най-голямото (или положително), името трябва да завършва със суфикса -ico. По този начин името му е титанов оксид, според традиционната номенклатура; титанов (IV) оксид, съгласно номенклатурата на запасите; и титанов диоксид, съгласно системната номенклатура.

А за TiCl ₄ ще продължим по-директно:

Номенклатура: име

-Традиционно: титанов хлорид

-Закване: титанов (IV) хлорид

-Систематичен: титанов тетрахлорид

На английски това съединение често се нарича „Tickle“.

Всяко титаново съединение може дори да има подходящи имена извън правилата за именуване и ще зависи от техническия жаргон на въпросното поле.

Къде да намерите и производство

Титанови минерали

Рутилов кварц, един от минералите с най-високо съдържание на титан. Източник: Дидие Дескуен

Титанът, въпреки че е седмият най-разпространен метал на Земята и деветият най-изобилен в земната кора, не се среща в природата като чист метал, а в комбинация с други елементи в минералните оксиди; по-известни като титанови минерали.

По този начин, за да се получи, е необходимо тези минерали да се използват като суровина. Някои от тях са:

-Титанит или сфен (CaTiSiO ₅), с примеси от желязо и алуминий, които превръщат кристалите си в зелено.

-Броокит (Орторомбичен TiO ₂).

-Рутил, най-стабилният полиморф на TiO ₂, следван от минералите анатаза и брокит.

-Ilmenite (FeTiO ₃).

-Перовските (CaTiO ₃)

-Лейкоксен (хетерогенна смес от анатаза, рутил и перовскит).

Обърнете внимание, че има споменати няколко титанови минерали, въпреки че има и други. Не всички обаче са еднакво изобилни и по същия начин могат да съдържат примеси, които са трудни за отстраняване и които застрашават свойствата на крайния метален титан.

Ето защо сфенът и перовскитът често се използват за производството на титан, тъй като съдържанието на калций и силиций е трудно да се отстрани от реакционната смес.

От всички тези минерали, рутилът и илменитът се използват най-често в търговската и индустриалната област поради високото си съдържание на TiO ₂; тоест те са богати на титан.

Kroll процес

Избирайки някой от минералите като суровина, TiO ₂ в тях трябва да бъде намален. За да направите това, минералите, заедно с въглищата, се загряват червено горещо в реактор с кипящ слой при температура 1000 ° С. Там TiO ₂ реагира с хлорен газ съгласно следното химично уравнение:

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

TiCl ₄ е нечиста безцветна течност, тъй като при тази температура се разтваря заедно с други метални хлориди (желязо, ванадий, магнезий, цирконий и силиций), получени от примесите, присъстващи в минералите. Следователно TiCl4 _се пречиства чрез фракционна дестилация и утаяване.

След пречистване TiCl ₄, вид, по-лесен за намаляване, се излива в контейнер от неръждаема стомана, към който се прилага вакуум, за да се елиминира кислородът и азотът, и се напълва с аргон, за да се осигури инертна атмосфера, която не влияе на титана. произведени. В процеса се добавя магнезий, който реагира при 800 ° С съгласно следното химично уравнение:

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

Титанът се утаява като гъбесто твърдо вещество, което се подлага на обработка за неговото пречистване и придаване на по-добри твърди форми или се използва директно за производството на титанови минерали.

реакции

С въздуха

Титанът има висока устойчивост на корозия поради слой от TiO _2, който предпазва вътрешността на метала от окисляване. Когато обаче температурата се повиши над 400 ° С, тънко парче метал започва да гори напълно, за да образува смес от TiO ₂ и TiN:

Ti (s) + O ₂ (g) => TiO ₂ (s)

2Ti (s) + N ₂ (g) => TiN (s)

Двете газове, О ₂ и N ₂, са логично във въздуха. Тези две реакции настъпват бързо, след като титанът се нагрее червено. И ако се намери като фино разделен прах, реакцията е още по-енергична, което прави титан в това твърдо състояние лесно запалим.

С киселини и основи

Този слой TiO ₂ -TiN не само предпазва титана от корозия, но и от атака от киселини и основи, така че не е лесно разтварянето на метала.

За да се постигне това, трябва да се използват силно концентрирани киселини и да се варят до кипене, като се получава лилав разтвор, получен в резултат на водните комплекси от титан; например ⁺³.

Съществува обаче киселина, която може да я разтвори без много усложнения: флуороводородна киселина:

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

С халогени

Титанът може да реагира директно с халогени, за да образува съответните халиди. Например, реакцията ви към йод е следната:

Ti (s) + 2I ₂ (s) => TiI ₄ (s)

Подобно е и с флуор, хлор и бром, където се образува интензивен пламък.

Със силни окислители

Когато титанът е фино разделен, той не само е предразположен към запалване, но и реагира енергично със силни окислители при най-малкия източник на топлина.

Част от тези реакции се използват за пиротехника, тъй като се генерират ярки бели искри. Например, той реагира с амониев перхлорат съгласно химичното уравнение:

2Ti (и) + 2NH ₄ СЮ ₄ (S) => 2TiO ₂ (S) N + ₂ (г) + Cl ₂ (г) + 4Н ₂ O (ж)

Рискове

Метален титан

Титановият прах е силно запалимо твърдо вещество. Източник: W. Oelen

Металният титан сам по себе си не представлява риск за здравето на тези, които работят с него. Това е безобидно твърдо вещество; Освен ако не е смлян като прах от фини частици. Този бял прах може да бъде опасен поради високата си запалимост, спомената в раздела за реакциите.

Когато титанът се смила, реакцията му с кислород и азот е по-бърза и по-енергична и дори може да изгори експлозивно. Ето защо тя представлява ужасен риск от пожар, ако там, където се съхранява, е ударен от пламъци.

При изгаряне огънят може да се гаси само с графит или натриев хлорид; никога с вода, поне за тези случаи.

По същия начин контактът им с халогени трябва да се избягва на всяка цена; тоест с всяко газообразно изтичане на флуор или хлор или взаимодействие с червеникавата течност на брома или летливите йодни кристали. Ако това се случи, титанът се запалва. Нито трябва да влиза в контакт със силни окислители: перманганати, хлорати, перхлорати, нитрати и др.

В противен случай неговите слитъци или сплави не могат да представляват повече рискове от физически удари, тъй като не са много добри проводници на топлина или електричество и са приятни на допир.

Наночастиците

Ако фино разделеното твърдо вещество е запалимо, то трябва да бъде още повече, така че да се състои от наночастици от титан. Централната точка на този подраздел обаче се дължи на TiO ₂ наночастиците, които са били използвани в безброй приложения, където те заслужават своя бял цвят; като сладкиши и бонбони.

Въпреки че неговото усвояване, разпределение, екскреция или токсичност в организма не са известни, при проучвания върху мишки е доказано, че са токсични. Например, те показаха, че той генерира емфизем и зачервяване в белите им дробове, както и други респираторни разстройства в развитието им.

Чрез екстраполация от мишки към нас се стига до заключението, че дишането на TiO ₂ наночастици засяга нашите бели дробове. Те също могат да променят хипокампусната област на мозъка. Освен това Международната агенция за изследвания на рака не ги изключва като възможни канцерогени.

Приложения

Пигмент и добавка

Говоренето за употребата на титан непременно се отнася до употребата на съединението му титанов диоксид. TiO ₂ всъщност обхваща около 95% от всички приложения, отнасящи се до този метал. Причините: неговият бял цвят, той е неразтворим и освен това е нетоксичен (да не говорим за чистите наночастици).

Ето защо обикновено се използва като пигмент или добавка във всички онези продукти, които изискват оцветяване в бяло; като паста за зъби, лекарства, бонбони, хартии, скъпоценни камъни, бои, пластмаси и др.

Покрития

TiO ₂ може също да се използва за създаване на филми за покриване на всякакви повърхности, като например стъкло или хирургически инструменти.

Притежавайки тези покрития, водата не може да ги намокри и да тече по тях, както дъждът би по предните стъкла на автомобилите. Инструментите с тези покрития биха могли да убият бактериите чрез абсорбиране на UV лъчение.

Урината на кучето или дъвката не могат да бъдат фиксирани върху асфалт или цимент чрез действието на TiO ₂, което би улеснило последващото му отстраняване.

Слънцезащитните

TiO2 е един от активните компоненти на слънцезащитния крем. Източник: Pixabay

И накрая, по отношение на TiO ₂, той е фотокатализатор, способен да генерира органични радикали, които обаче се неутрализират от силициев или алуминиев филм в слънцезащитен крем. Белият му цвят вече ясно показва, че трябва да има този титанов оксид.

Аерокосмическа индустрия

Титановите сплави се използват за направата на големи самолети или бързи кораби. Източник: Pxhere.

Титанът е метал със значителна здравина и твърдост по отношение на ниската му плътност. Това го прави заместител на стоманата за всички онези приложения, където се изискват високи скорости или са проектирани големи самолети с размах на крилата, като самолета A380 на изображението по-горе.

Ето защо този метал има много приложения в аерокосмическата промишленост, тъй като издържа на окисляване, той е лек, здрав и сплавите му могат да бъдат подобрени с точните добавки.

спорт

Титанът и неговите сплави заемат централно място не само в аерокосмическата промишленост, но и в спортната индустрия. Това е така, защото много от приборите им трябва да са леки, така че техните носители, играчи или спортисти да могат да се справят с тях, без да се чувстват прекалено тежки.

Някои от тези артикули са: велосипеди, пръчки за голф или хокей, футболни каски, ракети за тенис или бадминтон, фехтовални мечове, кънки за лед, ски и други.

Освен това, макар и в много по-малка степен поради високата си цена, титанът и неговите сплави са били използвани в луксозни и спортни автомобили.

пиротехника

Смленият титан може да се смесва с например KClO ₄ и да служи като фойерверк; че всъщност тези, които ги правят в пиротехнически шоу, правят.

Лекарство

Титанът и неговите сплави са метални материали, отлични постижения в биомедицинските приложения. Те са биосъвместими, инертни, силни, трудно се окисляват, нетоксични и се интегрират безпроблемно с костта.

Това ги прави много полезни за ортопедични и зъбни импланти, за изкуствени тазобедрени и коленни стави, като винтове за фиксиране на фрактури, за пейсмейкъри или изкуствени сърца.

биологичен

Биологичната роля на титана е несигурна и въпреки че се знае, че той може да се натрупва в някои растения и да се възползва от растежа на някои селскостопански култури (като домати), механизмите, в които се намесва, са неизвестни.

Твърди се, че насърчава образуването на въглехидрати, ензими и хлорофили. Те предполагат, че това се дължи на реакция на растителните организми да се защитят от ниските биодостъпни концентрации на титан, тъй като те са вредни за тях. Материята обаче все още е в тъмнината.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Titanium. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. Памук Саймън. (2019). Titanium. Кралско химическо дружество. Възстановено от: chemistryworld.com
4. Дейвис Марао. (2019). Какво е титан? Свойства и приложения. Изследване. Възстановено от: study.com
5. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (03 юли 2019 г.). Титанови химически и физични свойства. Възстановено от: thinkco.com
6. KDH Bhadeshia. (SF). Металургия на титан и неговите сплави. Университета в Кеймбридж. Възстановено от: phase-trans.msm.cam.ac.uk
7. Чамберс Мишел. (7 декември 2017 г.). Как титанът помага на живота. Възстановена от: titaniumprocessingcenter.com
8. Кларк Дж. (05 юни 2019 г.). Химия на титан. Химия LibreTexts. Възстановено от: chem.libretexts.org
9. Venkatesh Vaidyanathan. (2019). Как се прави титан? Наука ABC. Възстановено от: scienceabc.com
10. Д-р Едуард Груп. (10 септември 2013 г.). Здравните рискове от титан. Глобален лечебен център. Възстановени от: globalhealingcenter.com
11. Tlustoš, P. Cígler, M. Hrubý, S. Kužel, J. Száková & J. Balík. (2005 г.). Ролята на титан в производството на биомаса и влиянието му върху съдържанието на основните елементи в полските култури. РАСТИТЕЛНА ПОЧВЕНА ЕКОЛОГИЯ., 51, (1): 19–25.
12. KYOCERA SGS. (2019). История на титана. Възстановено от: kyocera-sgstool.eu