Titanhistorie, struktur, egenskaper, reaksjoner, bruker

Han Titan Det er et overgangsmetall som er representert av Ti Chemical Symbol. Det er det andre metallet som vises i blokken d av det periodiske bordet, like etter Scandio. Dets atomnummer er 22, og presenteres i naturen som mange isotoper og radioisotoper, hvorav ⁴⁸Du er den mest tallrike av alle.

Fargen er sølvgrå, og delene er dekket av et beskyttende oksydlag som gjør titanen til et metall veldig motstandsdyktig mot korrosjon. Hvis dette laget er gulaktig, er det titan -nitruro (tinn), som er en forbindelse som dannes når dette metallet brenner i nærvær av nitrogen, unik og utmerket eiendom.

Titanringer. Kilde: Pxhere.

I tillegg til det som allerede er nevnt, er det ekstremt motstandsdyktig mot mekaniske påvirkninger til tross for at de er lettere enn stål. Det er grunnen til at det er kjent som det sterkeste metallet av alle, og dets eneste navn er synonymt med styrke. Den har også motstand og letthet, to egenskaper som gjør det til et ønskelig materiale for flyproduksjon.

Også, og ikke minst, er titan et biokompatibelt metall og hyggelig å berøre, så det brukes i smykker til utdyping av ringer; og i biomedisin, for eksempel ortopediske og tannimplantater, som er i stand til å integrere seg i beinvev.

Imidlertid er den mest kjente brukeren bosatt i onkelen₂, Som pigment, additiv, belegg og fotokatisering.

Det er det niende mest tallrike elementet på jorden, og det syvende innen metaller. Til tross for dette er kostnadene høye på grunn av vanskene som må overvinnes for å trekke ut fra sine mineraler, blant dem er Rutilo, Anatase, Ilmenite og Perovskita. Av alle produksjonsmetoder er Kroll -prosessen den mest brukte over hele verden.

[TOC]

Historie

Oppdagelse

Titanet ble for første gang identifisert i Ilmenitt -mineralet i Manaccan Valley (Storbritannia), av fansen William Gregor, der i 1791. Han var i stand til å identifisere at han inneholdt et jernoksid, siden sandene hans beveget seg av påvirkningen av en magnet; Men han rapporterte også at det var et annet ukjent metalloksyd, som han kalte "Manacanita".

Dessverre, selv om Royal Geological Society of Cornwall dro til Royal Geological og andre medier, reiste hans bidrag ikke for å ikke være en anerkjent vitenskapsmann.

Fire år senere, i 1795, anerkjente den tyske kjemikeren Martin Heinrich Klaproth uavhengig av det samme metallet; Men i Rutilo -mineralet i Bainik, Slovakia for tiden.

Det er de som hevder at han utnevnte 'Titanio' til dette nye metallet inspirert av dets hardhet i likhet med Titans. Andre sørger for at nøytraliteten til de samme mytologiske karakterene skyldtes mer. Dermed ble titanet født som et kjemisk element, og Klaproth kunne da konkludere med at det var den samme manacanitten til det ilmenittiske mineralet.

Isolering

Siden den gang begynte forsøk på å isolere det fra slike mineraler; Men de fleste av dem var fruktløse, siden titan var forurenset med oksygen eller nitrogen, eller dannet et karbid umulig å redusere. De måtte passere nesten et århundre (1887) slik at Lars Nilson og Otto Pettersson kunne utarbeide en prøve med 95% renhet.

I 1896 klarte Henry Moissan å få en prøve med opptil 98% renhet, takket være den reduserende virkningen av metallisk natrium. Imidlertid var disse uren titanerne sprø ved virkningen av oksygen- og nitrogenatomer, så det var nødvendig å designe en prosess for å holde dem utenfor reaksjonsblandingen.

Og med denne tilnærmingen har Hunter -prosessen oppstått i 1910, utviklet av Matthew til. Hunter i samarbeid med General Electric ved Renselaer Polytechnic Institute.

20 år senere, i Luxembourg, William J. Kroll utviklet en annen metode ved bruk av kalsium og magnesium. For tiden er Kroll -prosessen fortsatt en av hovedmetodene for å produsere metallisk titan i kommersiell og industriell skala.

Fra dette tidspunktet følger titanens historie løpet av legeringene i applikasjoner for luftfart og militær industri.

Elektronisk struktur og konfigurasjon

Det rene titanet kan krystallisere med to strukturer: en kompakt sekskantet (HCP), kalt fase α, og en kubikk sentrert i kroppen (BCC), kalt fase β β. Dermed er det et dimorfisk metall, som er i stand til å lide allotropiske (eller fase) overganger mellom HCP og BCC -strukturer.

Α -fasen er den mest stabile ved temperatur- og trykkmiljøer, med deg atomer omgitt av tolv naboer. Når temperaturen øker til 882 ° C, blir det sekskantede glasset transformert til et kubikk, mindre tett, noe som stemmer overens med det høyeste atomvibrasjonsproduktet av varmen.

Når temperaturen øker α -fasen motsetter seg større termisk motstand; Det vil si at den spesifikke varmen også øker, så det blir stadig mer varme å nå 882 ° C.

Hva om i stedet for å øke temperaturen gjør trykket? Deretter oppnås forvrengte BCC -krystaller.

Lenke

I disse metallkrystallene griper de inn i lenken som sammenføyer atomene i deg deres valenselektroner i 3D og 4S orbitals, i henhold til den elektroniske konfigurasjonen:

Kan tjene deg: jernhydroksid (ii): struktur, egenskaper, bruk

[AR] 3D² 4s²

Han må knapt dele fire elektroner med naboene, som har nesten tomme bånd, og derfor er titanen ikke så god leder for strøm eller varme som andre metaller.

Legeringer

Enda viktigere enn det som er kommentert den krystallinske strukturen i titanen, er at både faser, α og β, kan danne sine egne legeringer. Disse kan bestå av rene α- eller β -legeringer, eller blandinger av begge i forskjellige proporsjoner (α + β).

På samme måte påvirker størrelsen på deres respektive krystallinske korn de endelige egenskapene til slike titanlegeringer, så vel som massesammensetningen og forholdet til de samlede tilsetningsstoffene (andre metaller eller atomer av N, O, C eller H).

Tilsetningsstoffer har en betydelig innflytelse på titanlegeringer fordi de kan stabilisere noen av de to spesifikke fasene. For eksempel: Al, O, GA, ZR, SN og N er tilsetningsstoffer som stabiliserer a (tetteste HCP -krystaller); og MO, V, W, Cu, MN, H, Faith og andre er tilsetningsstoffer som stabiliserer β -fasen (mindre tette BCC -krystaller).

Studien av alle disse titanlegeringene, deres strukturer, sammensetning, egenskaper og anvendelser, er underlagt metallurgiske arbeider som hviler i krystallografi.

Oksidasjonstall

I følge elektronisk konfigurasjon ville titanet trenge åtte elektroner for å fylle 3D -orbitaler fullstendig. Dette kan ikke få det i noen av sine forbindelser, og Máxima klarer å vinne opptil to elektroner; Det vil si at du kan skaffe deg negative oksidasjonstall: -2 (3D⁴) og -1 (3D³).

Årsaken skyldes elektronegativiteten til titanet, og at det i tillegg er et metall, så det har en større tendens til å ha positive oksidasjonstall; for eksempel +1 (3D²4s¹), +2 (3D²4s⁰), +3 (3D¹4s⁰) og +4 (3D⁰4s⁰).

Legg merke til hvordan elektronene til 3D og 4S orbital⁺, Du²⁺ og så videre.

Oksidasjonsnummeret +4 (ti⁴⁺) er den mest representative av alle fordi det tilsvarer titanen i oksydet: onkel₂ (Du⁴⁺ENTEN₂^2-).

Egenskaper

Fysisk utseende

Gråaktig sølvmetall.

Molmasse

47, 867 g/mol.

Smeltepunkt

1668 ° C. Dette relativt høye fusjonspunktet er laget av et ildfast metall.

Kokepunkt

3287 ° C.

Selvordemperatur

1200 ° C for rent metall, og 250 ° C for fint delt støv.

Duktilitet

Titan er et duktilt metall hvis det mangler oksygen.

Tetthet

4.506 g/ml. Og på smeltepunktet, 4,11 g/ml.

Fusjonsvarme

14.15 kJ/mol.

Fordampningsvarme

425 kJ/mol.

Molar varmekapasitet

25060 J/mol · K.

Elektronegativitet

1.54 på Pauling -skalaen.

Ioniseringsenergier

Først: 658,8 kJ/mol.

For det andre: 1309,8 kJ/mol.

Tredje: 2652,5 kJ/mol.

Mohs hardhet

6.0.

Nomenklatur

Av oksidasjonstall +2, +3 og +4 er de vanligste, og de som er referert til i den tradisjonelle nomenklaturen når du navngir titanforbindelser. For resten forblir reglene for aksje nomenklaturer og systematisk de samme.

Tenk for eksempel onkelen₂ og ticl₄, To av de mest kjente forbindelsene av titan.

Det ble allerede sagt at i onkelen₂ Titan -oksidasjonsnummeret er +4, og derfor er det største (eller positive), navnet må ende med suffikset -ICO. Dermed er navnet Titanic Oxide, i henhold til den tradisjonelle nomenklaturen; titanoksyd (IV), i henhold til bestandsnomenklaturen; og titandioksid, i henhold til den systematiske nomenklaturen.

Og for ticl₄ Det vil fortsette mer direkte:

Nomenklatur: Navn

-Tradisjonelt: Titanic klorid

-Lager: titanklorid (IV)

-Systematisk: Titaniumtrachloride

På engelsk omtaler de vanligvis denne forbindelsen som 'kiling'.

Hver titanforbindelse kan til og med ha riktige navn utenfor nomenklaturreglene, og vil avhenge av den tekniske sjargongen på det aktuelle feltet.

Hvor er og produksjon

Titaniferous mineraler

Rutilo Quartz, en av mineralene med det høyeste titaninnholdet. Kilde: Didier Descuens [CC BY-SA 3.0 (https: // creativecommons.Org/lisenser/by-SA/3.0)]

Titan, selv om det er den mest tallrike syvende i jorden, og den niende i jordskorpen, finnes ikke i naturen som rent metall, men i kombinasjon med andre elementer i mineraloksider; bedre kjent som titaniferous mineraler.

For å oppnå det er det nødvendig å bruke disse mineralene som råstoff. Noen av dem er:

-Titanita eller Spheny (Catisio₅), med jern- og aluminiums urenheter som vender sine grønne fargekrystaller.

-Brookita (onkel₂ Ortorrombic).

-Rutilo, mer stabil polymorf av onkelen₂, etterfulgt av Anatasa og Brookita Minerals.

-Ilmenita (Fetio₃).

-Perovskita (Catio₃)

-Leucoxeno (heterogen blanding av anatase, rutilo og perovskita).

Merk at det er flere titaniferøse mineraler som er nevnt, selv om det er andre. Imidlertid er ikke alle de samme som rikelig, og på samme måte kan de presentere urenheter som er vanskelige å eliminere, og som utsetter egenskapene til det endelige metalltitanet.

Kan tjene deg: Holmio

Det er grunnen til at Sphen eller Perovskita vanligvis brukes til titanproduksjon, siden deres kalsium- og silisiuminnhold er vanskelig å eliminere fra reaksjonsblandingen.

Av alle disse mineralene er rutiloen og ilmenitten de mest brukte kommersielt og industrielt for det høye innholdet av onkel₂; det vil si at de er rike på titan.

Kroll -prosess

Valgte noen av mineralene som råstoff, onkelen₂ I dem må det reduseres. For å gjøre dette, varmer, sammen med kull, opp til rødt live i en reaktor på 1000 ° C. Der, onkelen₂ Reagerer med gassformig klor i henhold til følgende kjemiske ligning:

Onkel₂(S) + C (S) + 2Cl₂(g) => ticl₄(l) +co₂(g)

Ticl₄ Det er en uren fargeløs væske, siden den ved den temperaturen blir oppløst sammen med andre metallklorider (av jern, vanadium, magnesium, zirkonium og silisium) stammer fra urenheter som er til stede i mineraler. Derfor ticl₄ Deretter blir det renset ved fraksjonell destillasjon og nedbør.

Allerede renset TICL₄, En enkel art å redusere, helles i en rustfritt stålbeholder som tom blir påført, for å eliminere oksygen og nitrogen, og er fylt med argon for å sikre en inert atmosfære som ikke påvirker titanen som produseres. I prosessen tilsettes magnesium, som reagerer på 800 ° C i henhold til følgende kjemiske ligning:

Ticl₄(l) + 2 mg (l) => ti (s) + 2mgcl₂(L)

Titan utfeller som et svampete faststoff, som gjennomgår behandlinger for å rense det og gi bedre faste former, eller er direkte beregnet på fremstilling av titanmineraler.

Reaksjoner

Med luften

Titan har høy korrosjonsmotstand på grunn av et lag med onkel₂ som beskytter interiøret i oksidasjonsmetallet. Når temperaturen stiger over 400 ° C, begynner imidlertid et tynt stykke metall å brenne helt for å danne en blanding av onkel₂ og tinn:

Ti (S)+ O₂(g) => onkel₂(S)

2ti (S)+ n₂(g) => tinn (er)

Begge gassene, eller₂ og n₂, logisk sett er de i luften. Disse to reaksjonene oppstår raskt når titanet er oppvarmet til rødt i live. Og hvis det er som et fint delt støv, er reaksjonen enda kraftigere, så titanen i denne solide tilstanden er veldig brennbar.

Med syrer og baser

Dette laget med onkel₂-Tinn beskytter ikke bare titanet mot korrors, men også mot angrepet av syrer og baser, så det er ikke et lett å oppløse metall.

For å oppnå dette, må sterkt konsentrerte syrer brukes og koke opp til koking, og oppnå et lilla løsningsprodukt av de vandige kompleksene i titanet; For eksempel [ti (åh₂)₆]⁺³.

Imidlertid er det en syre som kan oppløse den uten mange komplikasjoner: fluorhorinsyre:

2ti (S)+ 12HF (aq) 2 [TIF₆]^3-(aq)+ 3H₂(g)+ 6H⁺(En q)

Med halogener

Titan kan reagere direkte med halogener for å danne de respektive halogenuros. For eksempel er hans reaksjon med jod som følger:

Ti (S)+ 2i₂(S) => tii₄(S)

Tilsvarende forekommer det med fluor, klor og brom, der en intens flamme dannes.

Med sterke oksidanter

Når titan er fint delt, er det ikke bare utsatt for å betente, men også å reagere kraftig med sterke oksidasjonsmidler til den minste varmekilde.

En del av disse reaksjonene brukes til pyroteknikk, siden lyse hvite gnister genereres. For eksempel reagerer det med ammoniumperklorat i henhold til den kjemiske ligningen:

2ti (S) + 2NH₄Clo₄(S) => 2tio₂(S) + n₂(g) + cl₂(g) + 4h₂O (g)

Risiko

Metalltitan

Titanpulver er et svært brennbart fast stoff. Kilde: w. Oelen [CC BY-SA 3.0 (https: // creativecommons.Org/lisenser/by-SA/3.0)]

Metallisk titan i seg selv representerer ingen helserisiko for de som jobber med ham. Det er et ufarlig fast stoff; Med mindre det er malt som et fint partikkelpulver. Dette hvite støvet kan være farlig på grunn av den høye brennbarheten, nevnt i reaksjonsdelen.

Når titanet er malt, er reaksjonen med oksygen og nitrogen raskere og mer kraftig, i tillegg til at de grenser til og med eksplosivt. Det er grunnen til at det representerer en forferdelig risiko for brann hvis det er lagret der det er nådd av flammene.

Når det brenner, kan brann bare være av med grafitt eller natriumklorid; Aldri med vann, i det minste for disse tilfellene.

På samme måte bør kontakten din med halogener unngås for enhver pris; Det vil si med litt gassform. Hvis slikt skjer, er titanet satt i brann. Heller ikke sterke oksidasjonsmidler kommer i kontakt: permanganatos, kloriner, perklorater, nitrater osv.

Av resten kan deres ingotter eller legeringer ikke representere mer risikoer enn fysiske slag, siden de ikke er veldig gode drivere for varme eller strøm og er hyggelige å ta på.

Nanopartikler

Hvis det fint delte faststoffet er brannfarlig, må enda mer som består av titan -nanopartikler være. Imidlertid skyldes det sentrale punktet i denne underavsnittet nanopartiklene i TIO₂, som har blitt brukt i applikasjonssymfiner der de fortjener sin hvite farge; Som søtsaker og søtsaker.

Det kan tjene deg: Hydrolyse: Hva er det og eksempler på reaksjoner

Selv om det ikke er kjent hvordan dets absorpsjon, distribusjon, utskillelse eller toksisitet i kroppen er, har de oppgitt å være giftig i studier på mus. For eksempel demonstrerte de at det genererer emfysem og rødhet i lungene, så vel som andre luftveislidelser i utviklingen.

Ved ekstrapolering fra musene til oss, konkluderes det med at å puste nanopartikler av TIO₂ Det påvirker lungene våre. De kan også endre hjernehippocampus -regionen. I tillegg styrer ikke International Cancer Research Center dem som mulige kreftfremkallende stoffer.

applikasjoner

Pigment og tilsetningsstoff

Å snakke om Titanium Uses er å referere til den til dens titandioksidforbindelse. Onkelen₂ Faktisk dekker det omtrent 95% av alle applikasjoner om dette metallet. Årsakene: den hvite fargen er uoppløselig, og den er heller ikke giftig (for ikke å nevne de rene nanopartiklene).

Det er derfor det vanligvis brukes som pigment eller tilsetningsstoff i alle de produktene som trenger hvite fargestoffer; som tannkrem, medisiner, søtsaker, papirer, perler, malerier, plast, etc.

Belegg

Onkelen₂ Den kan også brukes til å lage filmer som dekker enhver overflate, for eksempel glass eller kirurgiske verktøy.

Ved å ha disse beleggene, kan ikke vann fukte dem og glir over dem, som regnet ville gjøre i biler med biler. Verktøyene med disse beleggene kan drepe bakterier ved å absorbere UV -stråling.

Urinen til hundene eller tyggegummien kunne ikke se på asfalten eller sementene ved onkelenes virkning₂, som ville lette den påfølgende fjerningen.

Solkrem

Onkel2 er en av de aktive komponentene i solblokkere. Kilde: Pixabay.

Og for å ende med respekt for onkelen₂, Det er en fotokataliserende, i stand til å opprinnelige organiske radikaler som imidlertid blir nøytralisert av silisiumdioksyd- eller aluminiumoksydfilmer i solblokkere. Den hvite fargen viser allerede tydelig at du må ha dette titanoksid.

Luftfartsindustri

Titanlegeringer brukes til fremstilling av store plan eller velces -skip. Kilde: Pxhere.

Titan er et metall med betydelig motstand og hardhet i forhold til dens lave tetthet. Dette er laget av en stålstatning for alle de applikasjonene der det er behov for høye hastigheter, eller store flyplasser er designet, for eksempel A380 -planet til det øvre bildet.

Det er grunnen til at dette metallet har mange bruksområder i luftfartsindustrien, siden det motstår oksidasjoner, det er lett, sterkt og legeringene kan forbedres med eksakte tilsetningsstoffer.

Sport

Ikke bare i luftfartsindustrien titanet og legeringene har prominens, men også i sportsbransjen. Dette er fordi mange av redskapene deres trenger å være lette slik at transportørene, spillere eller idrettsutøvere kan manipulere dem uten å føle seg for tunge.

Noen av disse varene er: sykler, golf- eller hockeypinner, amerikanske fotballhjelmer, tennis eller bádminton racketer, spar av fingre, skøyter, skøyter, blant andre.

Selv om det i mye mindre grad på grunn av høye kostnader, har titan og legeringer i luksuriøse og sportsbiler blitt brukt.

Pyrotechnics

Bakken titan kan blandes med for eksempel kclo₄, og tjene som en kunstig brann; at de faktisk gjør de som utdyper dem i pyrotekniske show.

Medisin

Titan og legeringene er metallmaterialer i dyktighet i biomedisinske applikasjoner. De er biokompatible, inerte, sterke, vanskelige å oksidere, ikke giftige, og de integreres perfekt med beinene.

Dette gjør dem veldig nyttige for ortopediske og tannimplantater, for kunstige ledd av hofter og knær, for eksempel skruer for å fikse brudd, for pacemakere eller kunstige hjerter.

Biologisk

Den biologiske rollen til titan er usikker, og selv om det er kjent at det kan samle seg i noen planter og dra nytte av veksten av visse landbruksavlinger (for eksempel tomater), er mekanismene der de griper ut ukjente.

Det sies at det fremmer dannelsen av karbohydrater, enzymer og klorofilas. De antar at det skyldes et svar fra planteorganismer om å forsvare seg med lave biotilgjengelige konsentrasjoner av titan, siden de er skadelige for dem. Imidlertid er saken fremdeles i mørket.

Referanser

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Titan. Hentet fra: i.Wikipedia.org
3. Bomull Simon. (2019). Titan. Royal Society of Chemistry. Gjenopprettet fra: Chemistryworld.com
4. Davis Marauo. (2019). Hva er titan? Egenskaper og bruksområder. Studere. Gjenopprettet fra: Studie.com
5. Helmestine, Anne Marie, PH.D. (3. juli 2019). Titan kjemiske og fysiske egenskaper. Gjenopprettet fra: Thoughtco.com
6. K. D. H. Bhadeshia. (s.F.). Metallurgi av titan og dets legeringer. University of Cambridge. Gjenopprettet fra: fase-trans.MSM.Cam.Ac.Storbritannia
7. Michelle Chambers. (7. desember 2017). Hvordan titan hjelper liv. Hentet fra: TitaniumProssingCenter.com
8. Clark J. (5. juni 2019). Kjemi av titan. Kjemi librettexts. Gjenopprettet fra: Chem.Librettexts.org
9. Venkatesh Vaidyanathan. (2019). Hvordan lages titan? Science ABC. Gjenopprettet fra: ScienceAbc.com
10. Dr. Edward Group. (10. september 2013). Helserisikoen ved titan. Global Healing Center. Gjenopprettet fra: GlobalHealingCenter.com
11. Clustoš, p. Cigler, m. Hrubý, s. Kužel, J. Száková & J. Balík. (2005). Titanens rolle i biomasseproduksjon og dens innflytelse på essensielle elementers innhold i feltvoksende avlinger. Plante jordmiljø., 51, (1): 19-25.
12. Kyocera SGS. (2019). Titanhistorie. Gjenopprettet fra: Kyocera-Sgstool.EU