TITAN: HISTORIA, STRUKTUR, EGENSKAPER, REAKTIONER, ANVÄNDNINGAR - KEMI - 2025

Den titan är en övergångsmetall som representeras av den kemiska symbolen Ti. Det är den andra metallen som visas från block d i det periodiska systemet, precis efter skandium. Dess atomantal är 22, och det förekommer i naturen som många isotoper och radioisotoper, varav ⁴⁸ Ti är den rikligaste av alla.

Färgen är silvergrå, och dess delar täcks av ett skyddande oxidlager som gör titan till en metall mycket motståndskraftig mot korrosion. Om detta skikt är gulaktigt är det titannitrid (TiN), som är en förening som bildas när denna metall bränner i närvaro av kväve, en unik och utmärkt egenskap.

Titanringar. Källa: Pxhere.

Förutom vad som redan nämnts är det mycket motståndskraftigt mot mekaniska stötar trots att det är lättare än stål. Det är därför det är känt som den starkaste metallen av alla, och dess namn är synonymt med styrka. Den har också styrka och lätthet, två egenskaper som gör det till ett önskvärt material för tillverkning av flygplan.

På samma sätt, och inte mindre viktigt, är titan en biokompatibel metall som är behaglig att beröra, varför den används i smycken för att göra ringar; och i biomedicin, såsom ortopediska och tandimplantat, som kan integreras i benvävnader.

De mest kända användningarna är emellertid bosatta i TiO ₂ , som pigment, tillsats, beläggning och fotokatalysator.

Det är det nionde vanligaste elementet på jorden och det sjunde inom metaller. Trots detta är dess kostnader höga på grund av svårigheterna som måste övervinnas för att utvinna det från dess mineraler, bland vilka är rutil, anatas, ilmenit och perovskite. Av alla produktionsmetoder är Kroll-processen den mest använda världen över.

Historia

Upptäckt

Titan identifierades för första gången i ilmenitmineralen i Manaccan Valley (Storbritannien), av pastorn och amatörmineralologen William Gregor, redan 1791. Han kunde identifiera att den innehöll en järnoxid, eftersom dess sand rörde sig igenom påverkan av en magnet; men han rapporterade också att det fanns en annan oxid av en okänd metall, som han kallade "manakanit."

Tyvärr, även om han vände sig till Royal Geological Society of Cornwall och andra butiker, orsakade hans bidrag inte uppståndelse för att inte vara en erkänd vetenskapsman.

Fyra år senare, 1795, erkände den tyska kemisten Martin Heinrich Klaproth oberoende av samma metall; men i rutilmalm i Boinik, nu Slovakien.

Vissa hävdar att han kallade denna nya metall 'titan' inspirerad av dess seghet i likhet med titanerna. Andra påstår att det berodde mer på neutraliteten hos de mytologiska karaktärerna själva. Således föddes titan som ett kemiskt element och Klaproth kunde senare dra slutsatsen att det var samma manakanit som mineralet ilmenit.

Isolering

Sedan dess började försök att isolera den från sådana mineraler; men de flesta av dem lyckades inte, eftersom titanet var förorenat med syre eller kväve eller bildade en karbid som det var omöjligt att minska. Det tog nästan ett sekel (1887) för Lars Nilson och Otto Pettersson att förbereda ett prov som var 95% rent.

Sedan 1896 lyckades Henry Moissan få ett prov med upp till 98% renhet, tack vare den reducerande verkan av metalliskt natrium. Dessa orena titaner var emellertid spröda genom inverkan av syre och kväveatomer, så det var nödvändigt att utforma en process för att hålla dem borta från reaktionsblandningen.

Och med detta tillvägagångssätt uppstod Hunter Processen 1910, utformad av Matthew A. Hunter i samarbete med General Electric vid Rensselaer Polytechnic Institute.

Tjugo år senare, i Luxemburg, tänkte William J. Kroll på en annan metod med användning av kalcium och magnesium. Idag förblir Krollprocessen en av de ledande metoderna för att producera metalliskt titan på kommersiell och industriell skala.

Från denna tidpunkt följer historia av titan förlopp för dess legeringar i applikationer för flyg- och militärindustrin.

Struktur och elektronisk konfiguration

Rent titan kan kristallisera med två strukturer: en kompakt hexagonal (hcp), kallad α-fasen, och en kroppscentrerad kubik (bcc), kallad ß-fasen. Således är det en dimorf metall som kan genomgå allotropa (eller fas) övergångar mellan hcp- och bcc-strukturerna.

A-fasen är den mest stabila vid omgivningstemperatur och tryck, med Ti-atomerna omgiven av tolv grannar. När temperaturen höjs till 882 ° C förvandlas den hexagonala kristallen till en mindre tät kubik, vilket överensstämmer med de högre atomvibrationerna som produceras av värme.

När temperaturen ökar motsätter sig a-fasen större termisk motstånd; det vill säga dess specifika värme ökar också, så att mer och mer värme behövs för att nå 882 ° C.

Vad händer om trycket i stället för att öka temperaturen? Då får du förvrängda bcc-kristaller.

Länk

I dessa metalliska kristaller intervenerar valenselektronerna i 3d- och 4-orbitalerna i bindningen som förbinder Ti-atomerna, i enlighet med den elektroniska konfigurationen:

3d ² 4s ²

Den har bara fyra elektroner att dela med sina grannar, vilket resulterar i nästan tomma 3d-band, och därför är titan inte lika bra ledare för el eller värme som andra metaller.

Alloys

Ännu viktigare än vad som har sagts angående den kristallina strukturen hos titan är att båda faserna, a och β, kan bilda sina egna legeringar. Dessa kan bestå av rena a- eller ß-legeringar, eller blandningar av båda i olika proportioner (α + ß).

På samma sätt påverkar storleken på deras respektive kristallina korn de slutliga egenskaperna hos nämnda titanlegeringar, såväl som masskompositionen och förhållandena mellan de tillsatta tillsatserna (några få andra metaller eller N, O, C eller H-atomer).

Tillsatser har ett betydande inflytande på titanlegeringar eftersom de kan stabilisera några av de två specifika faserna. Till exempel: Al, O, Ga, Zr, Sn och N är tillsatser som stabiliserar a-fasen (tätare hcp-kristaller); och Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe och andra är tillsatser som stabiliserar p-fasen (mindre täta bcc-kristaller).

Studien av alla dessa titanlegeringar, deras strukturer, sammansättning, egenskaper och tillämpningar är föremål för metallurgiska verk som förlitar sig på kristallografi.

Oxidationsnummer

Enligt elektronkonfigurationen skulle titan behöva åtta elektroner för att helt fylla 3d-orbitalerna. Detta kan inte uppnås i någon av dess föreningar, och som mest får det upp till två elektroner; det vill säga den kan erhålla negativa oxidationsnummer: -2 (3d ⁴ ) och -1 (3d ³ ).

Anledningen beror på elektronegativiteten hos titan och att det dessutom är en metall, så det har en större tendens att ha positiva oxidationsnummer; såsom +1 (3d ² 4s ¹ ), +2 (3d ² 4s ⁰ ), +3 (3d ¹ 4s ⁰ ) och +4 (3d ⁰ 4s ⁰ ).

Lägg märke till hur elektronerna i 3d- och 4-orbitalerna lämnar när katjonerna Ti ⁺ , Ti ²⁺ och så vidare antas .

Oxidationstalet 4 (Ti ⁴⁺ ) är den mest representativa för alla eftersom det motsvarar den för titan i dess oxid: TiO ₂ (Ti ⁴⁺ O ₂ ^2- ).

Egenskaper

Fysiskt utseende

Gråaktig silvermetall.

Molmassa

47,867 g / mol.

Smältpunkt

1668 ° C Denna relativt höga smältpunkt gör den till en eldfast metall.

Kokpunkt

3287 ° C

Autoignitionstemperatur

1200 ° C för ren metall och 250 ° C för finfördelat pulver.

formbarhet

Titan är en smidbar metall om den saknar syre.

Densitet

4,506 g / ml. Och vid dess smältpunkt, 4,11 g / ml.

Smältvärme

14,15 kJ / mol.

Förångningsvärme

425 kJ / mol.

Molär värmekapacitet

25060 J / mol · K.

Elektronnegativitet

1.54 på Pauling-skalan.

Ioniseringsenergier

Först: 658,8 kJ / mol.

Andra: 1309,8 kJ / mol.

Tredje: 2652,5 kJ / mol.

Mohs hårdhet

6,0.

Nomenklatur

Av oxidationsnumren är +2, +3 och +4 de vanligaste, som de hänvisas till i den traditionella nomenklaturen vid namngivning av titanföreningar. Annars förblir reglerna för beståndet och systematiska nomenklaturer desamma.

Betrakta exempelvis TiO ₂ och TiCl ₄ , två av de mest kända föreningar av titan.

Det har redan sagts att i TiO ₂ är oxidationsantalet av titan +4 och därför, eftersom det är det största (eller positiva), måste namnet sluta med suffixet -ico. Således är namnet titanoxid enligt den traditionella nomenklaturen; titan (IV) oxid, enligt lagernomenklaturen; och titandioxid enligt den systematiska nomenklaturen.

Och för TiCl ₄ fortsätter vi mer direkt:

Nomenklatur: namn

-Traditionell: titansklorid

-Lager: titan (IV) klorid

-Systematisk: titantetraklorid

På engelska benämns denna förening ofta 'Tickle'.

Varje titanförening kan till och med ha egna namn utanför namnreglerna och kommer att bero på det tekniska jargongen i det aktuella fältet.

Var man hittar och producerar

Titanhaltiga mineraler

Rutilkvarts, ett av mineralerna med det högsta halten titan. Källa: Didier Descouens

Titan, även om den är den sjunde rikligaste metallen på jorden, och den nionde vanligaste i jordskorpan, finns inte i naturen som en ren metall utan i kombination med andra element i mineraloxider; bättre känd som titaniferous mineraler.

För att få det är det nödvändigt att använda dessa mineraler som råmaterial. Några av dem är:

-Titanit eller sfen (CaTiSiO ₅ ), med järn- och aluminiumföroreningar som gör deras kristaller gröna.

-Brookite ( Orthorhombic TiO ₂ ).

-Rutil, den mest stabila polymorfen av TiO ₂ , följt av mineraler anatas och brookit.

-Ilmenit (FeTiO ₃ ).

-Perovskite (CaTiO ₃ )

-Leucoxene (heterogen blandning av anatas, rutil och perovskite).

Observera att det finns flera titanformiga mineraler som nämns, även om det finns andra. Men inte alla av dem är lika rikliga och på samma sätt kan de innehålla föroreningar som är svåra att ta bort och som sätter egenskaperna hos det slutliga metalliska titanet i riskzonen.

Det är därför spen och perovskite ofta används för framställning av titan, eftersom deras kalcium- och kiselinnehåll är svåra att ta bort från reaktionsblandningen.

Av alla dessa mineraler är rutil och ilmenit de mest använda kommersiellt och industriellt på grund av deras höga halter av TiO ₂ ; de är rika på titan.

Kroll-processen

Om du väljer något av mineralerna som råmaterial, måste TiO ₂ i dem reduceras. För att göra detta värms mineralerna, tillsammans med kol, röd het i en reaktor med fluidiserad bädd vid 1000 ° C. Där, TiO ₂ reagerar med klorgas i enlighet med följande kemiska ekvation:

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

TiCl ₄ är en oren färglös vätska eftersom den vid den temperaturen löses upp tillsammans med andra metalliska klorider (järn, vanadin, magnesium, zirkonium och kisel) härrörande från föroreningarna som finns i mineralerna. Därför, TiCl _{är 4} renas därefter genom fraktionerad destination och utfällning.

En gång renat, TiCl ₄ , en enklare att minska arter, hälls i en behållare av rostfritt stål till vilken ett vakuum appliceras, för att eliminera syre och kväve, och fylldes med argon för att säkerställa en inert atmosfär som inte påverkar titan. produceras. Magnesium tillsätts i processen, som reagerar vid 800 ° C enligt följande kemiska ekvation:

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

Titan fälls ut som ett svampigt fast ämne, som underkastas behandlingar för att rena det och ge det bättre fasta former, eller används direkt för tillverkning av titanmineraler.

reaktioner

Med luften

Titan har en hög motståndskraft mot korrosion på grund av ett lager av TiO ₂ som skyddar metallens inre från oxidation. Emellertid, när temperaturen stiger över 400 ° C börjar en tunn bit metall att brinna fullständigt för att bilda en blandning av TiO ₂ och TiN:

Ti (s) + O ₂ (g) => TiO ₂ (s)

2Ti (s) + N ₂ (g) => TiN (s)

Både gaser, O ₂ och N ₂ , är logiskt i luften. Dessa två reaktioner inträffar snabbt när titanet värms upp röd het. Och om det hittas som ett finfördelat pulver, är reaktionen ännu kraftigare, vilket gör titan i detta fasta tillstånd mycket brandfarligt.

Med syror och baser

Detta TiO _2- TiN- skikt skyddar inte bara titan från korroderande utan också från attacker av syror och baser, så det är inte en lätt metall att lösa upp.

För att uppnå detta måste högkoncentrerade syror användas och kokas till en kokning, vilket ger en lila lösning som erhålls från de vattenhaltiga komplexen av titan; till exempel ⁺³ .

Det finns emellertid en syra som kan lösa den utan många komplikationer: fluorvätesyra:

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

Med halogener

Titan kan reagera direkt med halogener för att bilda respektive halogenider. Till exempel är din reaktion på jod enligt följande:

Ti (s) + 2I ₂ (s) => Tii ₄ (s)

På liknande sätt med fluor, klor och brom, där en intensiv låga bildas.

Med starka oxidanter

När titan är finfördelad är det inte bara benäget att antändas utan också reagera kraftigt med starka oxidationsmedel vid den minsta värmekällan.

En del av dessa reaktioner används för pyroteknik eftersom ljusa vita gnistor alstras. Till exempel reagerar den med ammoniumperklorat enligt den kemiska ekvationen:

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

risker

Metalliskt titan

Titanpulver är ett mycket brandfarligt fast ämne. Källa: W. Oelen

Den metalliska titan i sig utgör inte någon risk för hälsan för dem som arbetar med det. Det är ett ofarligt fast ämne; Såvida det inte slipas som ett fint partikelpulver. Detta vita pulver kan vara farligt på grund av dess höga brandfarlighet, som nämns i reaktionsavsnittet.

När titan males är reaktionen med syre och kväve snabbare och kraftigare och den kan till och med brinna explosivt. Därför representerar det en fruktansvärd brandrisk om den är lagrad av lågor där den lagras.

Vid bränning kan elden endast släckas med grafit eller natriumklorid; aldrig med vatten, åtminstone för dessa fall.

På samma sätt bör deras kontakt med halogener undvikas till varje pris. det vill säga med varje gasformigt läckage av fluor eller klor eller interagerar med den rödaktiga vätskan av brom eller flyktiga jodkristaller. Om detta händer tar titan eld. Den får inte heller komma i kontakt med starka oxidationsmedel: permanganater, klorater, perklorater, nitrater, etc.

Annars kan ingots eller legeringar inte utgöra fler risker än fysiska slag, eftersom de inte är särskilt bra ledare av värme eller el och är behagliga att beröra.

Nanopartiklar

Om det finfördelade fasta ämnet är brandfarligt måste det vara ännu mer så att det består av titan-nanopartiklar. Emellertid beror den centrala punkten i detta underavsnitt på TiO _2- nanopartiklarna , som har använts i otaliga applikationer där de förtjänar sin vita färg; som godis och godis.

Även om dess absorption, distribution, utsöndring eller toxicitet i kroppen inte är känd, har de visat sig vara toxiska i studier på möss. Till exempel visade de att det genererar emfysem och rodnad i lungorna, liksom andra andningsstörningar i deras utveckling.

Genom extrapolering från möss till oss dras slutsatsen att andning av TiO _2- nanopartiklar påverkar våra lungor. De kan också förändra hjärnans hippocampusregion. Dessutom utesluter Internationella byrån för cancerforskning dem inte som möjliga cancerframkallande ämnen.

tillämpningar

Pigment och tillsats

Att prata om användningen av titan hänvisar nödvändigtvis till den för dess sammansatta titandioxid. TiO ₂ täcker faktiskt cirka 95% av alla applikationer som rör denna metall. Skälen: den vita färgen, den är olöslig och den är också giftfri (för att inte nämna de rena nanopartiklarna).

Det är därför det vanligtvis används som pigment eller tillsats i alla de produkter som kräver vita färgningar; såsom tandkräm, mediciner, godis, papper, ädelstenar, färger, plast etc.

beläggningar

TiO ₂ kan också användas för att skapa filmer för att belägga vilken yta som helst, till exempel glas eller kirurgiska verktyg.

Genom att ha dessa beläggningar kan vattnet inte väta dem och rinner på dem, som regn skulle göra på vindrutorna. Verktyg med dessa beläggningar kan döda bakterier genom att absorbera UV-strålning.

Hundurin eller tuggummi kunde inte fixeras på asfalt eller cement genom verkan av TiO ₂ , vilket skulle underlätta dess senare borttagning.

Solskydd

TiO2 är en av de aktiva komponenterna i solskyddsmedel. Källa: Pixabay.

Och slutligen med avseende på TiO ₂ är det en fotokatalysator, som har ursprung i organiska radikaler som emellertid neutraliseras av silika eller aluminiumoxidfilmer i solskyddsmedel. Dess vita färg indikerar redan tydligt att den måste ha denna titanoxid.

Flygindustrin

Titanlegeringar används för att göra stora flygplan eller snabbfartyg. Källa: Pxhere.

Titan är en metall med stor styrka och hårdhet i förhållande till dess låga täthet. Detta gör det till ett ersättare för stål för alla de applikationer där höga hastigheter krävs eller stora flygplansplan är utformade, som A380-flygplanet i bilden ovan.

Det är därför denna metall har många användningsområden inom flygindustrin, eftersom den motstår oxidation, den är lätt, stark och dess legeringar kan förbättras med exakta tillsatser.

Sport

Inte bara inom flygindustrin är titan och dess legeringar i centrum, utan också inom sportindustrin. Detta beror på att många av deras redskap behöver vara lätta så att deras bärare, spelare eller idrottare kan hantera dem utan att känna sig för tunga.

Några av dessa föremål är: cyklar, golf- eller hockeypinnar, fotbollhjälmar, tennis- eller badmintonracketar, fäktningsvärden, skridskor, skidor, bland andra.

Även om titan och dess legeringar i mycket mindre grad på grund av dess höga kostnad har använts i lyx- och sportbilar.

Pyroteknik

Det malta titanet kan blandas med till exempel KClO ₄ och fungera som ett fyrverkeri; det gör de som gör dem i pyrotekniska föreställningar.

Medicin

Titan och dess legeringar är de metalliska materialen som är utmärkt inom biomedicinska tillämpningar. De är biokompatibla, inerta, starka, svåra att oxidera, icke-toxiska och integreras sömlöst med ben.

Detta gör dem mycket användbara för ortopediska och tandimplantat, för konstgjorda höft- och knäled, som skruvar för att fixera sprickor, för pacemaker eller konstgjorda hjärtan.

Biologisk

Titanens biologiska roll är osäker, och även om det är känt att det kan samlas i vissa växter och gynna tillväxten av vissa jordbruksgrödor (som tomater), är mekanismerna där det ingriper okända.

Det sägs främja bildandet av kolhydrater, enzymer och klorofyll. De antar att det beror på ett svar från växtorganismer att försvara sig mot de låga biotillgängliga koncentrationerna av titan, eftersom de är skadliga för dem. Men saken är fortfarande i mörkret.

referenser

1. Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi . (Fjärde upplagan). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Titan. Återställd från: en.wikipedia.org
3. Bomull Simon. (2019). Titan. Royal Society of Chemistry. Återställd från: chemistryworld.com
4. Davis Marauo. (2019). Vad är titan? Egenskaper & användningar. Studie. Återställd från: study.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 juli 2019). Kemiska och fysikaliska egenskaper av titan. Återställd från: thoughtco.com
6. KDH Bhadeshia. (Sf). Metallurgi av titan och dess legeringar. Universitetet i Cambridge. Återställs från: fas-trans.msm.cam.ac.uk
7. Chambers Michelle. (7 december 2017). Hur titan hjälper liv. Återställd från: titaniumprocessingcenter.com
8. Clark J. (05 juni 2019). Titankemi. Kemi LibreTexts. Återställd från: chem.libretexts.org
9. Venkatesh Vaidyanathan. (2019). Hur tillverkas titan? Science ABC. Återställd från: scienceabc.com
10. Dr. Edward Group. (10 september 2013). Titanens hälsorisker. Global Healing Center. Återställs från: globalhealingcenter.com
11. Tlustoš, P. Cígler, M. Hrubý, S. Kužel, J. Száková & J. Balík. (2005). Titans roll i biomassaproduktionen och dess inflytande på viktiga elementers innehåll i fältväxande grödor. PLANTJORDMILJÖ., 51, (1): 19–25.
12. KYOCERA SGS. (2019). Titans historia. Återställd från: kyocera-sgstool.eu