Titanhistoria, struktur, egenskaper, reaktioner, användningar

han titan Det är en övergångsmetall som representeras av Ti -kemisk symbol. Det är den andra metallen som dyker upp i blocket d av periodiska tabellen, strax efter Scandio. Dess atomnummer är 22 och presenteras i naturen som många isotoper och radioisotoper, av vilka ⁴⁸Du är den vanligaste av alla.

Dess färg är silvergrå, och dess bitar täcks av ett skyddande oxidskikt som gör titan till en metall mycket resistent mot korrosion. Om detta skikt är gulaktigt är det titan nitruro (tenn), som är en förening som bildas när denna metall brinner i närvaro av kväve, unik och utmärkt egendom.

Titanringar. Källa: Pxhere.

Utöver vad som redan har nämnts är det extremt resistent mot mekaniska effekter trots att det är lättare än stål. Det är därför det är känt som den starkaste metallen av alla, och dess enda namn är synonymt med styrka. Det har också motstånd och lätthet, två egenskaper som gör det till ett önskvärt material för flygplanstillverkning.

Även, och inte minst, är titan en biokompatibel metall och trevlig att röra, så det används i smycken för utarbetande av ringar; och i biomedicin, såsom ortopediska och tandimplantat, som kan integreras i benvävnader.

Men dess mest kända användningsområden bor i farbror₂, som pigment, tillsatser, beläggning och fotokatisering.

Det är det nionde vanligaste elementet på jorden och det sjunde inom metaller. Trots detta är dess kostnad höga på grund av de svårigheter som måste övervinnas för att extrahera från deras mineraler, bland vilka är Rutilo, Anatase, Ilmenite och Perovskita. Av alla produktionsmetoder är Kroll -processen den mest använda världen över.

[TOC]

Historia

Upptäckt

Titanen identifierades för första gången i Ilmenite Mineral i Manaccan Valley (Storbritannien), av fansen William Gregor, där 1791. Han kunde identifiera att han innehöll en järnoxid, eftersom hans sand rörde sig av påverkan av en magnet; Men han rapporterade också att det fanns en annan okänd metalloxid, som han kallade "Manacanita".

Tyvärr, även om Royal Geological Society of Cornwall gick till Royal Geological och andra medier, ökade hans bidrag inte för att inte vara en erkänd vetenskapsman.

Fyra år senare, 1795, erkände den tyska kemisten Martin Heinrich Klaproth självständigt samma metall; Men i Rutilo Mineral i Bainik, Slovakien för närvarande.

Det finns de som hävdar att han utsåg 'Titanio' till denna nya metall inspirerad av dess hårdhet i likhet med titanerna. Andra säkerställer att neutraliteten hos samma mytologiska karaktärer berodde mer. Således föddes titan som ett kemiskt element och Klaproth kunde då dra slutsatsen att det var samma manakanit av ilmenitmineralet.

Isolering

Sedan dess började försök att isolera det från sådana mineraler; Men de flesta av dem var fruktlösa, eftersom titan var förorenad med syre eller kväve, eller bildade en karbid omöjlig att minska. De var tvungna att passera nästan ett sekel (1887) så att Lars Nilson och Otto Pettersson kunde förbereda ett prov med 95% renhet.

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

Och med detta tillvägagångssätt härstammade Hunter -processen 1910, utformad av Matthew till. Hunter i samarbete med General Electric vid Renselaer Polytechnic Institute.

Tjugo år senare, i Luxemburg, William J. Kroll utformade en annan metod med kalcium och magnesium. För närvarande förblir Kroll -processen en av de viktigaste metoderna för att producera metalliskt titan på kommersiella och industriella skalor.

Från denna punkt följer titanhistorien kursen för dess legeringar i applikationer för flyg- och militärindustrin.

Elektronisk struktur och konfiguration

Det rena titan kan kristallisera med två strukturer: en kompakt hexagonal (HCP), kallad fas a, och en kubikcentrerad i kroppen (BCC), kallad fas ß ß. Således är det en dimorf metall som kan drabbas av allotropiska (eller fas) övergångar mellan HCP- och BCC -strukturer.

A -fasen är den mest stabila vid temperatur- och tryckmiljöer, med dig atomer omgiven av tolv grannar. När temperaturen ökar till 882 ° C omvandlas det hexagonala glaset till en kubik, mindre tät, vilket överensstämmer med den högsta atomvibrationsprodukten i värmen.

När temperaturen ökar motsätter sig a -fasen större termisk motstånd; Det vill säga dess specifika värme ökar också, så det blir alltmer värme att nå 882 ° C.

Vad händer om i stället för att öka temperaturen gör trycket? Sedan erhålls förvrängda BCC -kristaller.

Länk

I dessa metallkristaller ingriper de i länken som förenar atomerna på dig deras valenselektroner i 3D- och 4S -orbitalerna, enligt den elektroniska konfigurationen:

Kan tjäna dig: järnhydroxid (ii): struktur, egenskaper, användningar

[AR] 3D² 4S²

Han måste knappt dela fyra elektroner med sina grannar, som har sitt ursprung i nästan tomma band och därför är titan inte så god ledare av el eller värme som andra metaller.

Legeringar

Ännu viktigare än vad som kommenteras på titanens kristallina struktur är att både faser, a och ß, kan bilda sina egna legeringar. Dessa kan bestå av rena a- eller p -legeringar, eller blandningar av båda i olika proportioner (α + ß).

På samma sätt påverkar storleken på deras respektive kristallina korn de slutliga egenskaperna för sådana titanlegeringar, liksom masskompositionen och relationerna mellan de aggregerade tillsatserna (andra metaller eller atomer av N, O, C eller H).

Tillsatser utövar 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 (tätaste HCP -kristaller); och Mo, V, W, Cu, MN, H, Faith 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 vilar i kristallografi.

Oxidationsnummer

Enligt elektronisk konfiguration skulle titanet behöva åtta elektroner för att helt fylla 3D -orbitaler. Detta kan inte få det i någon av dess föreningar, och Máxima lyckas vinna upp till två elektroner; det vill säga du kan skaffa negativa oxidationsnummer: -2 (3D⁴) och -1 (3D³).

Anledningen beror på titanens elektronegativitet och att det dessutom är en metall, så den har en större tendens att ha positiva oxidationsnummer; som +1 (3D²4S¹), +2 (3D²4S⁰), +3 (3D¹4S⁰) och +4 (3D⁰4S⁰).

Observera hur elektronerna i 3D och 4S -omloppet⁺, Du²⁺ och så vidare.

Oxidationsnumret +4 (TI⁴⁺) är den mest representativa av alla eftersom det motsvarar titan i sin oxid: farbror₂ (Du⁴⁺ANTINGEN₂^2-).

Egenskaper

Fysiskt utseende

Gråaktig silvermetall.

Molmassa

47, 867 g/mol.

Smältpunkt

1668 ° C. Denna relativt höga fusionspunkt görs av en eldfast metall.

Kokpunkt

3287 ° C.

Självriktningstemperatur

1200 ° C för ren metall och 250 ° C för fint uppdelat damm.

Duktilitet

Titan är en duktil metall om den saknar syre.

Densitet

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

Fusionsvärme

14,15 kJ/mol.

Förångningsvärme

425 kJ/mol.

Molvärmekapacitet

25060 J/mol · k.

Elektronnegativitet

1.54 på Pauling -skalan.

Joniseringsenergier

Först: 658,8 kJ/mol.

Andra: 1309,8 kJ/mol.

Tredje: 2652,5 kJ/mol.

Mohs hårdhet

6.0.

Nomenklatur

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

Tänk till exempel på farbror₂ och ticl₄, Två av de mest kända föreningarna av titan.

Det sades redan att i farbror₂ Titanoxidationsnumret är +4 och därför är namnet att vara det största (eller positiva). Således är namnet titanisk oxid, enligt den traditionella nomenklaturen; titanoxid (IV), enligt lager nomenklaturen; och titandioxid, enligt den systematiska nomenklaturen.

Och för Ticl₄ Det kommer att fortsätta mer direkt:

Nomenklatur: Namn

-Traditionell: Titanic Chloride

-Lager: Titanklorid (IV)

-Systematisk: titan tetraklorid

På engelska hänvisar de vanligtvis till denna förening som 'Tickle'.

Varje titanförening kan till och med ha rätt namn utanför nomenklaturreglerna och kommer att bero på fältets tekniska jargong.

Var är och produktion

Titaniferous mineraler

Rutilo Quartz, en av mineralerna med det högsta titaninnehållet. Källa: Didier Descuens [CC BY-SA 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenser/BY-SA/3.0)]

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

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

-Titanita eller Spheny (Catisio₅), med järn- och aluminiumföroreningar som vänder sina gröna färgkristaller.

-Brookita (farbror₂ Ortorrombisk).

-Rutilo, mer stabil polymorf av farbror₂, följt av Anatasa och Brookita mineraler.

-Ilmenita (fetio₃).

-Perovskita (Catio₃)

-Leucoxeno (heterogen blandning av anatas, rutilo och perovskita).

Observera att det finns flera titaniferösa mineraler som nämns, även om det finns andra. Men inte alla är desamma som rikligt och på samma sätt kan de ge föroreningar svåra att eliminera och som riskerar egenskaperna hos det slutliga metalltitanet.

Kan tjäna dig: Holmio

Det är därför SPHEN eller PEROVSKITA vanligtvis används för titanproduktion, eftersom deras kalcium- och kiselinnehåll är svåra att eliminera från reaktionsblandningen.

Av alla dessa mineraler är Rutilo och ilmeniten de mest använda kommersiellt och industriellt för dess höga farbror₂; det vill säga de är rika på titan.

Krockprocess

Valt någon av mineralerna som råmaterial, farbror₂ I dem måste det minskas. För att göra detta, mineraler, tillsammans med kol, värm upp till rött live i en 1000 ° C fluidiserad sängreaktor. Där, farbror₂ Reagerar med gasformigt klor enligt följande kemiska ekvation:

Farbror₂(s) + c (s) + 2cl₂(g) => ticl₄(l) +co₂(g)

Ticl₄ Det är en oren färglös vätska, eftersom den vid den temperaturen löses tillsammans med andra metallklorider (av järn, vanadium, magnesium, zirkonium och kisel) härstammar från föroreningar som finns i mineraler. Därför ticl₄ sedan renas den av fraktionerad destillation och nederbörd.

Redan renade Ticl₄, En enkel art att minska, hälls i en rostfritt stålbehållare till vilken tomt appliceras, för att eliminera syre och kväve och är fylld med argon för att säkerställa en inert atmosfär som inte påverkar titan som produceras. Under processen tillsätts magnesium, som reagerar till 800 ° C enligt följande kemisk ekvation:

TiCl₄(l) + 2 mg (l) => ti (s) + 2mgcl₂(L)

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

Reaktioner

Med luften

Titan har hög korrosionsbeständighet på grund av ett skikt av farbror₂ som skyddar inre av oxidationsmetallen. Men när temperaturen stiger över 400 ° C börjar en tunn metallbit att brinna helt för att bilda en blandning av farbror₂ och tenn:

Ti (S)+ O₂(g) => farbror₂(S)

2ti (s)+ n₂(g) => tenn (er)

Båda gaserna, eller₂ och n₂, logiskt sett är de i luften. Dessa två reaktioner inträffar snabbt när titan är upphettad till röd levande. Och om det är som ett fint uppdelat damm är reaktionen ännu mer kraftfull, så titan i detta fasta tillstånd är mycket brandfarligt.

Med syror och baser

Detta lager av farbror₂-Tin skyddar inte bara titan från korrorse, utan också från attacken av syror och baser, så det är inte lätt att lösa upp metall.

För att uppnå detta måste mycket koncentrerade syror användas och koka upp till kokning, erhålla en lila lösningsprodukt av de vattenhaltiga komplexen i titan; Till exempel [TI (OH₂)₆]⁺³.

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

2TI (S)+ 12HF (AQ) 2 [TIF₆]^3-(aq)+ 3h₂(g)+ 6h⁺(aq)

Med halogener

Titan kan reagera direkt med halogener för att bilda respektive halogenuros. Till exempel är hans reaktion med jod som följer:

Ti (s)+ 2i₂(s) => tii₄(S)

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

Med starka oxidanter

När titan är fint uppdelat är det inte bara benäget att blåsas ut, utan också att reagera kraftigt med starka oxiderande medel till den minsta värmekällan.

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

2TI (S) + 2NH₄Klo₄(S) => 2Tio₂(s) + n₂(g) + cl₂(g) + 4h₂O (g)

Risker

Metalltitan

Titanpulver är ett mycket brandfarligt fast ämne. Källa: W. Oelen [CC BY-SA 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenser/BY-SA/3.0)]

Metalliskt titan i sig representerar inte någon hälsorisk för dem som arbetar med honom. Det är ett ofarligt fast ämne; såvida det inte är malt som ett fint partikelpulver. Detta vita damm kan vara farligt på grund av dess höga brandfarlighet, som nämns i reaktionssektionen.

När titan är mark är dess reaktion med syre och kväve snabbare och mer kraftfull, förutom att till och med gränsar till och med explosivt. Det är därför det representerar en fruktansvärd risk för eld om den lagras, den nås av lågorna.

Vid bränning kan eld endast vara av med grafit eller natriumklorid; Aldrig med vatten, åtminstone för dessa fall.

På samma sätt bör din kontakt med halogener undvikas till varje pris; Det vill säga med lite gasformigt läckage av fluor eller klor, eller interagera med den rödaktiga bromvätskan eller jodflyktiga kristaller. Om sådant händer är titanen i brand i brand. Inte heller bör starka oxidationsmedel komma i kontakt: permanganatos, kloriner, perklorater, nitrater, etc.

Av resten kan deras göt eller legeringar inte representera fler risker än för fysiska slag, eftersom de inte är så bra förare av värme eller el och är trevliga att beröra.

Nanopartiklar

Om det fint uppdelade fasta ämnet är brandfarligt, måste ännu mer som utgörs av titan nanopartiklar vara. Emellertid beror den centrala punkten i denna underavsnitt på nanopartiklarna i TIO₂, som har använts i applikationssymfiner där de förtjänar sin vita färg; Som godis och godis.

Det kan tjäna dig: Hydrolys: Vad är det och exempel på reaktioner

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

Genom extrapolering från mössen till oss dras slutsatsen att andning av nanopartiklar av TIO₂ Det påverkar våra lungor. De kan också förändra hjärnhippocampusregionen. Dessutom reglerar International Cancer Research Center dem inte som möjliga cancerframkallande ämnen.

Ansökningar

Pigment och tillsatsmedel

Att prata om titananvändningar är att hänvisa till den för dess titandioxidförening. Farbror₂ I själva verket täcker det cirka 95% av alla applikationer angående denna metall. Skälen: dess vita färg är olöslig, och den är inte heller giftig (för att inte tala om de rena nanopartiklarna).

Det är därför det vanligtvis används som pigment eller tillsatsmedel i alla de produkter som behöver vita färgningar; Såsom tandkräm, mediciner, godis, papper, ädelstenar, målningar, plast, etc.

Beläggningar

Farbror₂ Det kan också användas för att skapa filmer som täcker alla ytor, till exempel glas eller kirurgiska verktyg.

Genom att ha dessa beläggningar kan vatten inte fukta dem och glider över dem, som regnet skulle göra i bilar av bilar. Verktygen med dessa beläggningar kan döda bakterier genom att absorbera UV -strålning.

Hundarnas urin eller tugggummi kunde inte titta på asfaltade eller cement genom farbror₂, vilket skulle underlätta dess efterföljande borttagning.

Solskydd

Farbror2 är en av de aktiva komponenterna i Sun Blockers. Källa: Pixabay.

Och att avsluta med avseende på farbror₂, Det är en fotokataliserande, som kan ursprungliga organiska radikaler som emellertid neutraliseras av kiseldioxid- eller aluminiumoxidfilmer i solblockerare. Dess vita färg visar redan tydligt att du måste ha denna titanoxid.

Flygindustri

Titanlegeringar används för tillverkning av stora plan eller velces fartyg. Källa: Pxhere.

Titan är en metall med betydande motstånd och hårdhet i förhållande till dess låga densitet. Detta är tillverkat av en stålersättning för alla dessa applikationer där höga hastigheter behövs, eller stora skala flygplan är utformade, till exempel A380 -planet för den övre bilden.

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

Sport

Inte bara inom flygindustrin har titan och dess legeringar framträdande, utan också inom idrottsindustrin. Detta beror på att många av deras redskap måste vara lätta så att deras bärare, spelare eller idrottare kan manipulera dem utan att känna sig för tunga.

Några av dessa föremål är: cyklar, golf- eller hockeypinnar, amerikanska fotbollshjälmar, tennis eller Bádminton -racketer, spader av fingrar, skridskor, skidåkning, bland andra.

Även i mycket mindre grad på grund av dess höga kostnader har titan och legeringar i lyxiga och sportbilar använts.

Pyroteknik

Marktitan kan blandas med till exempel KCLO₄, och tjäna som en konstgjord eld; att de faktiskt gör de som utarbetar dem i pyrotekniska shower.

Medicin

Titan och dess legeringar är metallmaterial Par Excellence in Biomedical Applications. De är biokompatibla, inerta, starka, svåra att oxidera, inte giftiga, och de integreras perfekt med benen.

Detta gör dem mycket användbara för ortopediska och tandimplantat, för konstgjorda leder med höfter och knän, såsom skruvar för att fixa frakturer, för pacemaker eller konstgjorda hjärtan.

Biologisk

Den biologiska rollen för titan 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 de ingripa är okända okända.

Det sägs att det främjar bildandet av kolhydrater, enzymer och klorfilor. De antar att det beror på ett svar från växtorganismer att försvara sig med låga biotillgängliga koncentrationer 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. Hämtad från: i.Wikipedia.org
3. Bomullssim. (2019). Titan. Royal Society of Chemistry. Återhämtat sig från: Chemistryworld.com
4. Davis Marauo. (2019). Vad är titan? Egenskaper och användningar. Studie. Återhämtat sig från: studie.com
5. Helmestine, Anne Marie, PH.D. (3 juli 2019). Titankemiska och fysikaliska egenskaper. Återhämtat sig från: tankco.com
6. K. D. H. Bhadeshia. (s.F.). Metallurgi av titan och dess legeringar. Universitetet i Cambridge. Återhämtat sig från: fastrans.MSM.Kam.Växelström.Storbritannien
7. Michelle Chambers. (7 december 2017). Hur titan hjälper liv. Hämtad från: TitaniumProssingcenter.com
8. Clark j. (5 juni 2019). Titankemi. Kemi librettexts. Återhämtad från: kem.Librettexts.org
9. Venkatesh Vaidyanathan. (2019). Hur tillverkas titan? Science ABC. Återhämtat sig från: scienceabc.com
10. Doktor. Edward Group. (10 september 2013). Hälsoriskerna med titan. Global helande centrum. Återhämtat sig från: globalhealingcenter.com
11. Clustoš, s. Cigler, m. Hrubý, s. Kužel, j. Száková & J. Balj. (2005). Titanens roll i biomassaproduktionen och dess inflytande på väsentliga elementens innehåll i fältväxande grödor. Växtmiljö., 51, (1): 19-25.
12. Kyocera sg. (2019). Titanhistoria. Återhämtat sig från: kyocera-sgstool.Eu