História titánu, štruktúra, vlastnosti, reakcie, použitie

On titán Je to prechodný kov, ktorý predstavuje chemický symbol TI. Je to druhý kov, ktorý sa objaví v bloku d periodickej tabuľky, hneď za škandino. Jeho atómové číslo je 22 a je prezentované v prírode ako mnoho izotopov a rádioizotopov, z ktorých ⁴⁸Ste najčastejšie zo všetkých.

Jeho farba je strieborná šedá a jej kúsky sú pokryté ochrannou vrstvou oxidu, vďaka ktorej je kov titánom veľmi odolný voči korózii. Ak je táto vrstva žltkastá, je to titánový nitruro (cín), ktorý je zlúčeninou, ktorá sa tvorí, keď tento kov horí v prítomnosti dusíka, jedinečnej a rozlišovanej vlastnosti.

Titánový prsteň. Zdroj: pxhere.

Okrem toho, čo už bolo spomenuté, je mimoriadne odolný voči mechanickým dopadom napriek tomu, že je ľahší ako oceľ. Preto je známy ako najsilnejší kov zo všetkých a jeho jediné meno je synonymom pevnosti. Má tiež odpor a ľahkosť, dve vlastnosti, vďaka ktorým je potrebný materiál na výrobu lietadiel.

Tiež, a v neposlednom rade, titán je biokompatibilný kov a je príjemný na dotyk, takže sa používa v šperkoch na vypracovanie krúžkov; a v biomedicíne, ako sú ortopedické a zubné implantáty, schopné integrovať sa do kostných tkanív.

Jeho najznámejšie použitia však bývajú v strýko₂, ako pigment, aditívne, poťahovanie a fotokatizácia.

Je to deviaty najhojnejší prvok na Zemi a siedmy v kovoch. Napriek tomu sú jej náklady vysoké kvôli ťažkostiam, ktoré je potrebné prekonať na výťažku z ich minerálov, medzi ktoré patria Rutilo, Anatas, ilmenit a Perovskita. Zo všetkých výrobných metód je proces Kroll najpoužívanejším na celom svete.

[TOC]

História

Objavenie

Titán bol prvýkrát identifikovaný v ilmenitovom mineráli v údolí Manaccan (Spojené kráľovstvo), fanúšikmi William Gregor, tam v roku 1791 tam v roku 1791. Dokázal zistiť, že obsahoval oxid železa, pretože jeho piesky sa pohybovali vplyvom magnetu; Uviedol však, že existoval ďalší neznámy oxid kovu, ktorý nazval „Manacanita“.

Bohužiaľ, hoci Royal Geological Society of Cornwall odišla do Royal Geological a ďalších médií, jeho príspevky sa nezvýšili za to, že nie sú uznaným mužom vedy.

O štyri roky neskôr, v roku 1795, nemecký chemik Martin Heinrich Klaproth nezávisle uznal ten istý kov; Ale v minerále Rutilo v bainike v Slovensku v súčasnosti.

Existujú tí, ktorí tvrdia, že do tohto nového kovu vymenoval „Titanio“ inšpirovaný jeho tvrdosťou v podobnosti s Titanmi. Iní zaisťujú, že neutralita rovnakých mytologických postáv bude splatná viac. Titán sa teda zrodil ako chemický prvok a Klaproth potom mohol dospieť k záveru, že to bol ten istý manacanit ilmenitského minerálu.

Izolácia

Odvtedy sa začali pokusy o ich izolovanie od takýchto minerálov; Ale väčšina z nich bola zbytočná, pretože titán bol kontaminovaný kyslíkom alebo dusíkom alebo sa z karbidu nemožno znížiť. Museli prejsť takmer storočím (1887), aby Lars Nilson a Otto Pettersson mohli pripraviť vzorku s 95% čistotou.

Potom, v roku 1896, sa Henrymu Moissanovi podarilo získať vzorku s čistotou až 98%, a to vďaka zníženiu pôsobenia kovového sodíka. Avšak títo nečistých titánov boli krehké pôsobením kyslíka a atómov dusíka, takže bolo potrebné navrhnúť proces na ich udržanie mimo reakčnej zmesi.

A týmto prístupom poľovnícky proces vznikol v roku 1910, navrhol Matthew. Hunter v spolupráci s General Electric na Renselaer Polytechnic Institute.

O dvadsať rokov neskôr v Luxemburgu, William J. Kroll vymyslel inú metódu pomocou vápnika a horčíka. V súčasnosti zostáva proces Kroll jednou z hlavných metód na výrobu kovového titánu v komerčných a priemyselných mierkach.

Od tohto momentu sa história titánu riadi priebehom svojich zliatin v aplikáciách pre letecký a vojenský priemysel.

Elektronická štruktúra a konfigurácia

Čistý titán môže kryštalizovať dvoma štruktúrami: kompaktný hexagonálny (HCP), nazývaný fáza a a kubický sústredený v tele (BCC), nazývaný fázový β β. Je to teda dimorfný kov, ktorý je schopný trpieť alotropnými (alebo fázovými) prechodmi medzi štruktúrami HCP a BCC.

Fáza a je najstabilnejšia v prostredí teploty a tlaku, pričom atómy sú obklopené dvanástimi susedmi. Keď sa teplota zvýši na 882 ° C, šesťuholnné sklo sa transformuje na kubický, menej hustý, čo súhlasí s najvyšším produktom tepla s najvyšším atómovým vibráciám.

Keď teplota zvyšuje fázu a je proti väčšiemu tepelnému odporu; To znamená, že jeho špecifické teplo sa zvyšuje aj na dosiahnutie 882 ° C čoraz viac tepla.

Čo ak namiesto zvýšenia teploty robí tlak? Potom sa získajú skreslené kryštály BCC.

Prepojiť

V týchto kovových kryštáloch zasahujú do odkazu, ktorý sa spája s atómami vašich valenčných elektrónov 3D a 4S orbitálov podľa elektronickej konfigurácie:

Môže vám slúžiť: Hydroxid železa (ii): Štruktúra, vlastnosti, použitia

[AR] 3D² 4s²

Sotva musí zdieľať štyri elektróny so svojimi susedmi, ktoré pochádzajú takmer prázdnymi pásmami, a preto titán nie je taký dobrý vodič elektriny alebo tepla ako iné kovy.

Zliatiny

Ešte dôležitejšie ako to, čo je komentované na kryštalickej štruktúre titánu, je to, že obe fázy a a β môžu tvoriť svoje vlastné zliatiny. Môžu pozostávať z čistých zliatin a alebo p alebo zmesí oboch v rôznych pomeroch (a + β).

Podobne aj veľkosť ich príslušných kryštalických zŕn ovplyvňuje konečné vlastnosti takýchto zliatin titánu, ako aj hromadné zloženie a vzťahy agregovaných prísad (iné kovy alebo atómy N, O, C alebo H).

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

Štúdium všetkých týchto zliatin titánu, ich štruktúry, zloženie, vlastnosti a aplikácie, podliehajú metalurgickým dielam, ktoré spočívajú v kryštalografii.

Oxidácia

Podľa elektronickej konfigurácie by titán potreboval osem elektrónov, aby úplne vyplnil 3D orbitály. To ho nemôže dostať do žiadnej zo svojich zlúčenín a Máxima dokáže vyhrať až dva elektróny; to znamená, že môžete získať negatívne oxidačné čísla: -2 (3D⁴) a -1 (3d³).

Dôvod je z dôvodu elektronegativity titánu a že je to kov, takže má väčšiu tendenciu mať pozitívne oxidačné čísla; ako je +1 (3D²4s¹), +2 (3D²4s⁰), +3 (3D¹4s⁰) a +4 (3D⁰4s⁰).

Všimnite si, ako elektróny orbitálu 3D a 4S⁺, Vy²⁺ a tak ďalej.

Oxidačné číslo +4 (Ti⁴⁺) je najreprezentatívnejší zo všetkých, pretože zodpovedá titánu v jeho oxidu: strýko₂ (Ty⁴⁺Ani₂^2-).

Vlastnosti

Fyzický vzhľad

Šedivo strieborný kov.

Molárna hmota

47, 867 g/mol.

Bod topenia

1668 ° C. Tento relatívne vysoký bod fúzie je vyrobený refraktérnym kovom.

Bod varu

3287 ° C.

Teplota

1200 ° C pre čistý kov a 250 ° C pre jemne rozdelený prach.

Ťažkosť

Titán je ťažný kov, ak mu chýba kyslík.

Hustota

4 506 g/ml. A v jeho bode topenia, 4,11 g/ml.

Fúzne teplo

14,15 kJ/mol.

Odparovanie

425 kj/mol.

Kapacita moláru

25060 j/mol · k.

Elektronegativita

1,54 v Pauling Scale.

Ionizačné energie

Prvé: 658,8 kJ/mol.

Po druhé: 1309,8 kJ/mol.

Tretie: 2652,5 kJ/mol.

Mohs tvrdosť

6.0.

Menovanie

Oxidačných čísel +2, +3 a +4 sú najbežnejšie a čísla uvedené v tradičnej nomenklatúre pri pomenovaní titánových zlúčenín. Pokiaľ ide o zvyšok, pravidlá akcií nomenklatúry a systematické zostávajú rovnaké.

Zvážte napríklad strýka₂ a Ticl₄, dve z najznámejších zlúčenín titánu.

Už sa hovorilo, že v strýko₂ Číslo oxidácie titánu je +4, a preto je najväčším (alebo pozitívnym) názov musí skončiť príponou -ICO. Jeho názov je teda podľa tradičnej nomenklatúry titanický oxid; oxid titánu (IV) podľa nomenklatúry zásob; a oxid titaničitý podľa systematickej nomenklatúry.

A pre TICL₄ Bude postupovať priamejšie:

Nomenklatúra: meno

-Tradičné: titanický chlorid

-Zásoba: chlorid titánu (IV)

-Systematický: titánový tetrachlorid

V angličtine zvyčajne označujú túto zlúčeninu ako „šteklenie“.

Každá titánová zlúčenina môže mať dokonca aj vlastné mená mimo pravidiel nomenklatúry a bude závisieť od technického žargónu daného poľa.

Kde je a výroba

Titaniferné minerály

Rutilo Quartz, jeden z minerálov s najvyšším obsahom titánu. Zdroj: Didier Descuens [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licencie/By-SA/3.0)]

Titanium, aj keď je najhojnejším siedmym v Zemi a deviaty v zemskej kôre, sa v prírode nepovažuje za čistý kov, ale v kombinácii s inými prvkami pri oxidoch minerálov; lepšie známe ako titaniferné minerály.

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

-Titanita alebo sfény (Catisio₅), so železnou a hliníkovou nečistotami, ktoré otáčajú svoje zelené farbové kryštály.

-Brookita (strýko₂ Ortorrombický).

-Rutilo, stabilnejší polymorf strýka₂, nasledované minerálmi Anatasa a Brookita.

-Ilmenita (fetio₃).

-Perovskita (Catio₃)

-Leukoxen (heterogénna zmes anatázy, rutilo a Perovskita).

Všimnite si, že existuje niekoľko spomenutých titaniferných minerálov, aj keď existujú aj iné. Nie všetky sú však rovnaké ako bohaté a podobne môžu predstavovať nečistoty, ktoré sú ťažko eliminované a ktoré ohrozujú vlastnosti konečného kovového titánu.

Môže vám slúžiť: Holmio

Z tohto dôvodu sa sfény alebo Perovskita zvyčajne používajú na produkciu titánu, pretože ich obsah vápnika a kremíka je ťažké z reakčnej zmesi ťažko odstrániť.

Zo všetkých týchto minerálov sú rutilo a ilmenit najpoužívanejším komerčne a priemyselne pre svoj vysoký obsah strýka₂; to znamená, že sú bohatí na titán.

Krupice

Vybraný niektorý z minerálov ako suroviny, strýko₂ V nich sa musí znížiť. Za týmto účelom, minerály spolu s uhlím, zahrievajú sa na červené žijúce v fluidnom reaktore lôžka 1000 ° C. Tam, strýko₂ Reaguje s plynným chlórom podľa nasledujúcej chemickej rovnice:

Strýko₂(s) + c (s) + 2cl₂(g) => Ticl₄(l) +co₂g)

Ticl₄ Je to nečistá bezfarebná kvapalina, pretože pri tejto teplote sa rozpustí spolu s ďalšími kovovými chloridmi (železa, vanádia, horčíka, zirkónia a kremíka) pochádza z nečistôt prítomných v mineráloch. Preto TICL₄ Potom sa čistí frakčnou destiláciou a zrážkami.

Už očistil TICL₄, Ľahký druh sa zníži, naleje sa do nádoby z nehrdzavejúcej ocele, na ktorú sa aplikuje prázdna, na odstránenie kyslíka a dusíka a je vyplnená argónom, aby sa zabezpečila inertná atmosféra, ktorá nemá vplyv na výrobu titánu. V tomto procese sa pridá horčík, ktorý reaguje na 800 ° C podľa nasledujúcej chemickej rovnice:

Tekl₄(l) + 2 mg (l) => ti (s) + 2mgcl₂(L)

Titánový vyzráža sa ako špongiová pevná látka, ktorá prechádza ošetrením na čistenie a prepožičanie lepších tuhých foriem alebo je priamo určená na výrobu titánových minerálov.

Reakcie

So vzduchom

Titán má vysokú odolnosť proti korózii v dôsledku vrstvy strýka₂ ktorý chráni vnútro oxidačného kovu. Keď však teplota stúpa nad 400 ° C, tenký kus kovu začne úplne horieť, aby sa vytvoril zmes strýka₂ a cín:

Ti (s)+ o₂(g) => strýko₂(S)

2ti (s)+ n₂(g) => cín (s)

Oba plyny, alebo₂ a n₂, logicky sú vo vzduchu. Tieto dve reakcie sa vyskytujú rýchlo, keď sa titán zahrieva na červenú nažive. A ak je ako jemne rozdelený prach, reakcia je ešte energickejšia, takže titán v tomto tuhom stave je veľmi horľavý.

S kyselinami a základňami

Táto vrstva strýka₂-Cín nielen chráni titán pred korózom, ale aj pred útokom na kyseliny a základne, takže nie je ľahké rozpustiť kov.

Na dosiahnutie tohto cieľa je potrebné použiť vysoko koncentrované kyseliny a variť až do varu, čím sa získa produkt fialového roztoku vodných komplexov titánu; Napríklad [Ti (OH₂)₆]⁺³.

Existuje však kyselina, ktorá ju dokáže rozpustiť bez mnohých komplikácií: kyselina fluórska:

2ti (s)+ 12HF (aq) 2 [tif₆]^3-(aq)+ 3h₂g)+ 6h⁺(aq)

S halogénmi

Titán môže reagovať priamo s halogénmi za vzniku príslušných halogenuróz. Napríklad jeho reakcia s jódom je nasledovná:

Ti (s)+ 2i₂(s) => tii₄(S)

Podobne sa vyskytuje s fluoridom, chlórom a brómom, kde sa tvorí intenzívny plameň.

So silnými oxidantmi

Ak je titán jemne rozdelený, je nielen náchylný k zapáleniu, ale tiež rázne reagovať so silnými oxidačnými činidlami na najmenší zdroj tepla.

Časť týchto reakcií sa používa pre pyrotechniku, pretože sa generujú jasne biele iskry. Napríklad reaguje s chloristétom amónneho podľa chemickej rovnice:

2ti (s) + 2nh₄Clo₄(s) => 2tio₂(s) + n₂g) + Cl₂g) + 4h₂O (g)

Riziká

Kovový titán

Titánový prášok je vysoko horľavá pevná látka. Zdroj: W. Oelen [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licencie/By-SA/3.0)]

Samotný kovový titán nepredstavuje žiadne zdravotné riziko pre tých, ktorí s ním pracujú. Je to neškodná pevná látka; Pokiaľ nie je zem ako jemný časticový prášok. Tento biely prach môže byť nebezpečný kvôli svojej vysokej horľavosti uvedenej v sekcii reakcií.

Keď je titán mletý, jeho reakcia s kyslíkom a dusíkom je rýchlejšia a energickejšia, okrem toho, že dokonca aj hraničenie s výbušnou hranicou. Preto predstavuje hrozné riziko požiaru, ak je uložené, dosahujú ho plamene.

Pri spaľovaní môže byť oheň vypnutý iba s chloridom grafitu alebo sodného; Nikdy s vodou, aspoň v týchto prípadoch.

Podobne by sa vášmu kontaktu s halogénmi malo vyhnúť za každú cenu; To znamená, že s nejakým plynným únikom fluóru alebo chlóru alebo interakciou s červenkastým brómovým kvapalinou alebo prchavým kryštálom jódu. Ak sa to stane, titán je zapálený. Nemali by sa do kontaktu prísť ani silné oxidačné činidlá: permanganatos, chlóry, chlorise, dusičnany atď.

Zvyšok ich ingoty alebo zliatiny nemôžu predstavovať viac rizík ako pri fyzických úderoch, pretože nie sú veľmi dobrými hnacími silami tepla alebo elektriny a sú príjemné dotknúť sa.

Nanočastice

Ak je jemne rozdelená tuhá látka horľavá, musí byť ešte viac, čo predstavuje titánové nanočastice. Centrálny bod tejto podsekcie je však spôsobený nanočasticiami TIO₂, ktoré sa použili v aplikácii Symphines, kde si zaslúžia svoju bielu farbu; Ako sladkosti a sladkosti.

Môže vám slúžiť: Hydrolýza: Čo je to a príklady reakcií

Aj keď nie je známe, ako je jeho absorpcia, distribúcia, vylučovanie alebo toxicita v tele, uviedli, že v štúdiách o myšiach je toxický. Napríklad preukázali, že v ich pľúcach vytvára emfyzém a začervenanie, ako aj ďalšie poruchy dýchacích ciest vo svojom vývoji.

Extrapoláciou z myší k nám sa dospelo k záveru, že dýchanie nanočastíc TIO₂ Ovplyvňuje naše pľúca. Môžu tiež zmeniť oblasť hippocampu mozgu. Medzinárodné centrum pre výskum rakoviny ich okrem toho nevylučuje ako možné karcinogénne látky.

Žiadosti

Pigment a aditív

Hovoriť o použití titánu je odkaz na zlúčeninu oxidu titánu. Strýko₂ V skutočnosti pokrýva asi 95% všetkých aplikácií týkajúcich sa tohto kovu. Dôvody: jeho biela farba je nerozpustná a nie je tiež toxická (nehovoriac o čistých nanočasticiach).

Preto sa zvyčajne používa ako pigment alebo aditívna vo všetkých výrobkoch, ktoré potrebujú biele sfarbenie; ako je zubná pasta, lieky, sladkosti, papiere, drahokamy, maľby, plasty atď.

Povlaky

Strýko₂ Môže sa tiež použiť na vytváranie filmov, ktoré pokrývajú ľubovoľný povrch, napríklad sklo alebo chirurgické náradie.

Tým, že tieto povlaky majú, voda ich nemôže navlhčiť a skĺzne nad nimi, ako by to robilo dážď v autách automobilov. Nástroje s týmito povlakmi by mohli zabíjať baktérie absorbovaním UV žiarenia.

Moč psov alebo žuvací gum₂, čo by uľahčilo jeho následné odstránenie.

Opaľovací krém

Strýko2 je jednou z aktívnych komponentov blokátorov slnka. Zdroj: Pixabay.

A skončiť s ohľadom na strýka₂, Je to fotokatalizačná, schopná pôvodu organických radikálov, ktoré sú však neutralizované filmami oxidu kremičitého alebo hlinitého v blokátoroch slnka. Jeho biela farba už jasne ukazuje, že musíte mať tento oxid titánu.

Letecký priemysel

Zliatiny titánu sa používajú na výrobu veľkých lietadiel alebo lodí Velces. Zdroj: pxhere.

Titanium je kov so značnou odolnosťou a tvrdosťou vo vzťahu k jeho nízkej hustote. Vyrába sa to oceľovým náhradníkom za všetky tie aplikácie, v ktorých sú potrebné vysoké rýchlosti alebo sú navrhnuté lietadlá s veľkým smerom, ako napríklad rovina A380 horného obrázka.

Preto má tento kov v leteckom priemysle veľa použití, pretože odoláva oxidáciám, je ľahký, silný a jeho zliatiny sa dajú vylepšiť presnými prísadami.

Šport

Nielen v leteckom priemysle majú titán a jeho zliatiny význam, ale aj v športovom priemysle. Dôvodom je, že mnohé z ich náčiní musia byť ľahké, aby ich nosiče, hráči alebo športovci mohli manipulovať bez toho, aby sa cítili príliš ťažké.

Niektoré z týchto položiek sú: bicykle, golfové alebo hokejové palice, americké futbalové prilby, tenis alebo rakety Bádminton, piky prstov, korčule, lyžiarske korčule, okrem iného.

Aj keď v oveľa menšej miere kvôli svojim vysokým nákladom sa použil titán a zliatiny v luxusných a športových automobiloch.

Pyrotechnika

Pozemný titán sa môže zmiešať napríklad s KCLO₄, a slúžiť ako umelý oheň; V skutočnosti robia tých, ktorí ich rozpracovávajú v pyrotechnických predstaveniach.

Liek

Titanium a jeho zliatiny sú kovové materiály par excellence v biomedicínskych aplikáciách. Sú biokompatibilné, inertné, silné, ťažko oxidovateľné, nie toxické a dokonale sa integrujú s kosťami.

Vďaka tomu sú veľmi užitočné pre ortopedické a zubné implantáty, pre umelé kĺby bokov a kolien, ako sú skrutky na opravu zlomenín, pre kardiostimulátory alebo umelé srdcia.

Biologický

Biologická úloha titánu je neistá, a hoci je známe, že v niektorých rastlinách sa môže hromadiť a prospieť rastu určitých poľnohospodárskych plodín (ako sú paradajky), mechanizmy, do ktorých zasahujú, nie sú známe.

Hovorí sa, že podporuje tvorbu uhľohydrátov, enzýmov a chlorofínov. Domnievajú sa, že je to kvôli reakcii rastlinných organizmov na obranu s nízkymi biologickými koncentráciami titánu, pretože sú pre nich škodlivé. Záležitosť je však stále v tme.

Odkazy

1. Triasť a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie). MC Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Titán. Zdroj: In.Wikipedia.orgán
3. Bavlnený Simon. (2019). Titán. Kráľovská spoločnosť chémie. Získané z: Chemistryworld.com
4. Davis Marauo. (2019). Čo je titán? Vlastnosti a použitia. Štúdium. Získané z: štúdie.com
5. HelMestine, Anne Marie, PH.D. (3. júla 2019). Titánske chemické a fyzikálne vlastnosti. Zotavené z: Thoughtco.com
6. Klimatizovať. D. H. Bhadeshia. (s.F.). Metalurgia titánu a jeho zliatiny. University of Cambridge. Získané z: fázových trans.MSM.Vačka.Ac.Uk
7. Michelle Chambers. (7. decembra 2017). Ako titán pomáha životom. Zdroj: TitaniumprossingCenter.com
8. Clark J. (5. júna 2019). Chémia titánu. Chémia librettexts. Získané z: Chem.Librettexts.orgán
9. Venkatesh Vaidyanathan. (2019). Ako sa vyrába titán? Vedecká spoločnosť ABC. Získané z: ScienceABC.com
10. DR. Edward. (10. september 2013). Zdravotné riziká titánu. Globálne liečivé centrum. Získané z: GlobalHealingCenter.com
11. Clustoš, P. Cigler, m. Hrubý, s. Kužel, J. Szákov a J. Balín. (2005). Úloha titánu vo výrobe biomasy a jeho vplyv na obsah základných prvkov v plodinách v teréne. Prostredie na pôdu v pôde., 51, (1): 19-25.
12. Kyocera SGS. (2019). História titánu. Získané z: Kyocera-Sgstool.EÚ