Titanium geschiedenis, structuur, eigenschappen, reacties, gebruik

Titanium geschiedenis, structuur, eigenschappen, reacties, gebruik

Hij titanium Het is een overgangsmetaal dat wordt weergegeven door het chemische symbool. Het is het tweede metaal dat in het blok verschijnt D van het periodiek systeem, net na de Scandio. Het atoomnummer is 22 en wordt in de natuur gepresenteerd, evenals veel isotopen en radio -isotopen, waarvan de 48Jij bent de meest voorkomende van allemaal.

De kleur is zilvergrijs en de stukken zijn bedekt met een beschermende oxidelaag die het titanium een ​​metaal zeer bestand maakt tegen corrosie. Als deze laag geelachtig is, is het de titanium nitruro (tin), die een verbinding is die vormt wanneer dit metaal brandt in aanwezigheid van stikstof, unieke en vooraanstaande eigenschap.

Titanium ringen. Bron: Pxhere.

Naast wat al is genoemd, is het uiterst bestand tegen mechanische effecten, ondanks dat het lichter is dan staal. Daarom staat het bekend als het sterkste metaal van allemaal, en de enkele naam is synoniem met sterkte. Het heeft ook weerstand en lichtheid, twee kenmerken die het een wenselijk materiaal maken voor de productie van vliegtuigen.

Ook, en niet in de laatste plaats, is titanium een ​​biocompatibel metaal en aangenaam om aan te raken, dus wordt het gebruikt in sieraden voor de uitwerking van ringen; en in biomedicine, zoals orthopedische en tandheelkundige implantaten, in staat om te integreren in botweefsels.

De bekendste toepassingen bevinden zich echter in de oom2, Als pigment, additief, coating en fotokatisering.

Het is het negende meest voorkomende element op aarde en de zevende binnen metalen. Desondanks zijn de kosten hoog vanwege de moeilijkheden die moeten worden overwonnen om uit hun mineralen te extraheren, waaronder Rutilo, Anatase, Ilmenite en Perovskita. Van alle productiemethoden is het Kroll -proces wereldwijd het meest gebruikt.

[TOC]

Geschiedenis

Ontdekking

Het titanium werd voor het eerst geïdentificeerd in het Ilmenite Mineral in de Manaccan Valley (Verenigd Koninkrijk), door de fans William Gregor, daar in 1791. Hij was in staat om te bepalen dat hij een ijzeroxide bevatte, omdat zijn zand bewoog door de invloed van een magneet; Maar hij meldde ook dat er nog een onbekend metaaloxide was, dat hij "manacanita" noemde.

Helaas, hoewel de Royal Geological Society of Cornwall naar Royal Geological en andere media ging, hebben zijn bijdragen geen opschudding geworden omdat hij geen erkende man van wetenschap was.

Vier jaar later, in 1795, herkende de Duitse chemicus Martin Heinrich Klaproth onafhankelijk hetzelfde metaal; Maar in het Rutilo Mineral in Bainik, Slowakije momenteel.

Er zijn mensen die beweren dat hij 'Titanio' heeft benoemd tot deze nieuwe metaal geïnspireerd door zijn hardheid in gelijkenis met de Titans. Anderen zorgen ervoor dat de neutraliteit van dezelfde mythologische karakters meer verschuldigd was. Het titanium werd dus geboren als een chemisch element en Klaproth kon vervolgens concluderen dat het hetzelfde manacaniet was van het ilmenietmineraal.

Isolatie

Sindsdien begonnen pogingen om het van dergelijke mineralen te isoleren; Maar de meeste van hen waren vruchteloos, omdat titanium besmet was met zuurstof of stikstof, of een carbide vormden om te verminderen. Ze moesten bijna een eeuw (1887) passeren, zodat Lars Nilson en Otto Pettersson een monster konden voorbereiden met 95% zuiverheid.

Vervolgens slaagde Henry Moissan in 1896 erin om een ​​monster te verkrijgen met maximaal 98% zuiverheid, dankzij de verminderde werking van metallic natrium. Deze onzuivere Titanians waren echter bros door de werking van zuurstof- en stikstofatomen, dus het was noodzakelijk om een ​​proces te ontwerpen om ze uit het reactiemengsel te houden.

En met deze aanpak ontstond het jagerproces in 1910, bedacht door Matthew tot. Hunter in samenwerking met General Electric bij Renselaer Polytechnic Institute.

Twintig jaar later, in Luxemburg, William J. Kroll bedacht een andere methode met calcium en magnesium. Momenteel blijft het Kroll -proces een van de belangrijkste methoden om metallic titanium te produceren op commerciële en industriële schalen.

Vanaf dit punt volgt de geschiedenis van het titanium de loop van zijn legeringen in toepassingen voor de ruimtevaart- en militaire industrie.

Elektronische structuur en configuratie

Het zuivere titanium kan kristalliseren met twee structuren: een compacte zeshoekige (HCP), fase α genoemd, en een kubiek gecentreerd in het lichaam (BCC), fase β β genoemd. Het is dus een dimorf metaal, dat in staat is om allotrope (of fase) overgangen tussen HCP- en BCC -structuren te lijden.

De α -fase is de meest stabiele bij temperatuur- en drukomgevingen, met jullie atomen omgeven door twaalf buren. Wanneer de temperatuur toeneemt tot 882 ° C, wordt het zeshoekige glas omgezet in een kubieke, minder dicht, die overeenkomt met het hoogste atomaire trillingsproduct van de hitte.

Naarmate de temperatuur verhoogt, verzet de a -fase zich tegen een grotere thermische weerstand; Dat wil zeggen, de specifieke warmte neemt ook toe, dus het wordt steeds meer warmte om 882 ° C te bereiken.

Wat als in plaats van het verhogen van de temperatuur de druk doet? Vervolgens worden vervormde BCC -kristallen verkregen.

Koppeling

In deze metalen kristallen grijpen ze in de link in die zich verbindt aan de atomen van u hun valentie -elektronen van de 3D- en 4S -orbitalen, volgens de elektronische configuratie:

Kan u van dienst zijn: ijzerhydroxide (ii): structuur, eigenschappen, gebruik

[AR] 3D2 4S2

Hij moet nauwelijks vier elektronen delen met zijn buren, die bijna lege banden zijn en daarom is het titanium niet zo goede geleider van elektriciteit of warmte als andere metalen.

Legeringen

Nog belangrijker dan wat wordt opgemerkt op de kristallijne structuur van het titanium, is dat beide fasen, α en β, hun eigen legeringen kunnen vormen. Deze kunnen bestaan ​​uit zuivere α- of β -legeringen, of mengsels van beide in verschillende verhoudingen (α + β).

Evenzo beïnvloedt de grootte van hun respectieve kristallijne korrels de uiteindelijke eigenschappen van dergelijke titaniumlegeringen, evenals de massacompositie en de relaties van de geaggregeerde additieven (andere metalen of atomen van N, N, C of H).

Additieven hebben een significante invloed op titaniumlegeringen omdat ze enkele van de twee specifieke fasen kunnen stabiliseren. Bijvoorbeeld: AL, O, GA, ZR, SN en N zijn additieven die de α stabiliseren (dichtste HCP -kristallen); en Mo, V, W, Cu, Mn, H, Faith en anderen zijn additieven die de β -fase stabiliseren (minder dichte BCC -kristallen).

De studie van al deze titaniumlegeringen, hun structuren, samenstelling, eigenschappen en toepassingen, zijn onderworpen aan metallurgische werken die rusten in kristallografie.

Oxidatienummers

Volgens elektronische configuratie zou het titanium acht elektronen nodig hebben om 3D -orbitalen volledig te vullen. Dit kan het in geen van zijn verbindingen krijgen en Máxima slaagt erin om maximaal twee elektronen te winnen; dat wil zeggen, u kunt negatieve oxidatienummers verwerven: -2 (3D4) en -1 (3D3)).

De reden is te wijten aan de elektronegativiteit van het titanium en dat het bovendien een metaal is, dus het heeft een grotere neiging om positieve oxidatienummers te hebben; zoals +1 (3D24S1), +2 (3D24S0), +3 (3D14S0) en +4 (3D04S0)).

Merk op hoe de elektronen van de 3D en 4S orbitaal+, Jij2+ enzovoort.

Het oxidatienummer +4 (ti4+) is de meest representatieve van allemaal omdat het overeenkomt met het titanium in zijn oxide: oom2 (Jij4+OF22-)).

Eigenschappen

Fysiek uiterlijk

Grijsachtig zilveren metaal.

Molaire massa

47, 867 g/mol.

Smeltpunt

1668 ° C. Dit relatief hoge fusiepunt wordt gemaakt door een vuurvast metaal.

Kookpunt

3287 ° C.

Zelf -richtingtemperatuur

1200 ° C voor zuiver metaal en 250 ° C voor fijn verdeeld stof.

Ductiliteit

Titanium is een ductiel metaal als het zuurstof mist.

Dikte

4.506 g/ml. En op het smeltpunt, 4,11 g/ml.

Fusiewarmte

14.15 kJ/mol.

Verdampingswarmte

425 kJ/mol.

Molaire warmtecapaciteit

25060 J/Mol · K.

Elektronegativiteit

1.54 op de Pauling -schaal.

Ionisatie -energieën

Eerst: 658,8 kJ/mol.

Ten tweede: 1309,8 kJ/mol.

Derde: 2652.5 kJ/mol.

Mohs hardheid

6.0.

Nomenclatuur

Van oxidatienummers De +2, +3 en +4 zijn de meest voorkomende, en die waarnaar wordt verwezen in de traditionele nomenclatuur bij het benoemen van titaniumverbindingen. Voor de rest blijven de regels van voorraadnomenclaturen en systematisch hetzelfde.

Overweeg bijvoorbeeld de oom2 en de ticl4, Twee van de bekendste verbindingen van titanium.

Er werd al gezegd dat in de oom2 Het titaniumoxidatienummer is +4 en is daarom het grootste (of positieve), de naam moet eindigen met het achtervoegsel -ICO. De naam is dus titanisch oxide, volgens de traditionele nomenclatuur; Titaniumoxide (IV), volgens de voorraadnomenclatuur; en titaniumdioxide, volgens de systematische nomenclatuur.

En voor de ticl4 Het zal meer direct doorgaan:

Nomenclatuur: naam

-Traditioneel: titanisch chloride

-Stock: Titanium Chloride (IV)

-Systematisch: titaniumtetrachloride

In het Engels verwijzen ze meestal naar deze verbinding als 'kietelen'.

Elke titaniumverbinding kan zelfs de juiste namen hebben buiten de regels voor nomenclatuur en zal afhangen van het technische jargon van het veld in kwestie.

Waar is en productie

Titaniferous Minerals

Rutilo Quartz, een van de mineralen met het hoogste titaniumgehalte. Bron: Didier Descuens [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/3.0)]

Titanium, zelfs als het de meest voorkomende zevende in de aarde is, en de negende in de korst van de aarde, wordt niet in de natuur gevonden als puur metaal maar in combinatie met andere elementen in minerale oxiden; Beter bekend als titaniferous mineralen.

Om het te verkrijgen is het dus noodzakelijk om deze mineralen als grondstof te gebruiken. Sommige ervan zijn:

-Titanita of Spheny (Catisio5), met ijzer- en aluminiumonzuiverheden die hun groene kleurkristallen veranderen.

-Brookita (oom2 Ortorrombic).

-Rutilo, stabielere polymorf van de oom2, Gevolgd door Anatasa en Brookita Minerals.

-Ilmenita (fetio3)).

-Perovskita (Catio3))

-Leucoxeno (heterogene mix van anatase, Rutilo en Perovskita).

Merk op dat er verschillende titaniferous mineralen worden genoemd, zelfs als er andere zijn. Niet iedereen is echter hetzelfde als overvloedig en ook kunnen ze onzuiverheden die moeilijk te elimineren zijn en die de eigenschappen van het uiteindelijke metalen titanium in gevaar brengen.

Kan u van dienst zijn: Holmio

Daarom worden de Sphen of Perovskita meestal gebruikt voor de titaniumproductie, omdat hun calcium- en siliciumgehalte moeilijk te elimineren zijn uit het reactiemengsel.

Van al deze mineralen zijn de Rutilo en het ilmeniet het meest commercieel en industrieel gebruikt vanwege het hoge gehalte aan oom2; dat wil zeggen, ze zijn rijk aan titanium.

Kroll -proces

Selecteerde een van de mineralen als grondstof, de oom2 In hen moet het worden verminderd. Om dit te doen, verwarmen mineralen, samen met steenkool, op om rood te leven in een gefluïdiseerde bedreactor van 1000 ° C. Daar, de oom2 Reageert met gasvormige chloor volgens de volgende chemische vergelijking:

Oom2(s) + c (s) + 2cl2(g) => ticl4(L) +CO2(G)

De ticl4 Het is een onzuivere kleurloze vloeistof, omdat het bij die temperatuur wordt opgelost samen met andere metaalchloriden (van ijzer, vanadium, magnesium, zirkonium en silicium) is ontstaan ​​van de onzuiverheden die aanwezig zijn in mineralen. Daarom de TICL4 dan wordt het gezuiverd door fractionele destillatie en neerslag.

De TICL al gezuiverd4, Een gemakkelijke soort om te verminderen, wordt gegoten in een roestvrijstalen container waarop leeg wordt aangebracht, om zuurstof en stikstof te elimineren en is gevuld met argon om een ​​inerte atmosfeer te garanderen die geen invloed heeft op het geproduceerde titanium. In het proces wordt magnesium toegevoegd, die reageert op 800 ° C volgens de volgende chemische vergelijking:

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

Titanium gaat neer als een sponsachtige vaste stof, die behandelingen ondergaat om het te zuiveren en betere vaste vormen te verlenen, of is direct bedoeld voor de productie van titaniummineralen.

Reacties

Met de lucht

Titanium heeft een hoge corrosieweerstand als gevolg van een laag oom2 Dat beschermt het interieur van het oxidatiemetaal. Wanneer de temperatuur echter boven 400 ° C stijgt, begint een dun stuk metaal volledig te branden om een ​​mengsel van oom te vormen2 en tin:

Ti (s)+ o2(g) => oom2(S)

2ti (s)+ n2(g) => tin (s)

Beide gassen, of2 en N2, Logischerwijs zijn ze in de lucht. Deze twee reacties treden snel op zodra het titanium levend tot rood is verwarmd. En als het als een fijn verdeeld stof is, is de reactie nog krachtiger, dus het titanium in deze vaste toestand is erg ontvlambaar.

Met zuren en basen

Deze laag oom2-Tin beschermt niet alleen het titanium tegen Corrorse, maar ook tegen de aanval van zuren en basen, dus het is geen gemakkelijk om metaal op te lossen.

Om dit te bereiken, moeten sterk geconcentreerde zuren worden gebruikt en gekookt op koken, het verkrijgen van een paarse oplossingsproduct van de waterige complexen van het titanium; Bijvoorbeeld [ti (oh2))6]+3.

Er is echter een zuur dat het zonder veel complicaties kan oplossen: fluorhorinezuur:

2ti (s)+ 12HF (aq) 2 [TIF6]3-(aq)+ 3H2(g)+ 6H+(aq)

Met halogenen

Titanium kan direct reageren met halogenen om de respectieve halogenuros te vormen. Zijn reactie met jodium is bijvoorbeeld als volgt:

Ti (s)+ 2i2(s) => tii4(S)

Evenzo komt het voor bij fluoride, chloor en broom, waarbij een intense vlam wordt gevormd.

Met sterke oxidatiemiddelen

Wanneer titanium fijn verdeeld is, is dit niet alleen vatbaar voor ontsteking, maar ook om krachtig te reageren met sterke oxidatiemiddelen op de minste warmtebron.

Een deel van deze reacties wordt gebruikt voor pyrotechniek, omdat heldere witte vonken worden gegenereerd. Het reageert bijvoorbeeld met ammoniumperchloraat volgens de chemische vergelijking:

2ti (s) + 2nh4Mantel4(s) => 2tio2(s) + n2(g) + Cl2(g) + 4H2O (g)

Risico's

Metalen titanium

Titanium poeder is een zeer ontvlambare vaste stof. Bron: W. Oelen [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/3.0)]

Metallic titanium zelf vertegenwoordigt geen gezondheidsrisico van degenen die met hem werken. Het is een onschadelijke vaste stof; Tenzij het wordt gemalen als een fijn deeltjespoeder. Dit witte stof kan gevaarlijk zijn vanwege de hoge ontvlambaarheid, genoemd in de reactiesectie.

Wanneer het titanium wordt gemalen, is de reactie met zuurstof en stikstof sneller en krachtiger, naast zelfs zelfs explosief aangrenzen. Daarom is het een vreselijk vuurrisico als waar het wordt opgeslagen, het wordt bereikt door de vlammen.

Bij het verbranden kan vuur alleen uit zijn met grafiet of natriumchloride; Nooit met water, althans voor deze gevallen.

Evenzo moet uw contact met halogenen koste wat kost worden vermeden; dat wil zeggen, met wat gasvormige lekkage van fluor of chloor, of interactie met de roodachtige broomvloeistof of jodium vluchtige kristallen. Als dit gebeurt, wordt het titanium in brand gestoken. Noch mogen sterke oxidatiemiddelen in contact komen: permanganatos, chlorines, perchloraten, nitraten, enz.

Van de rest kunnen hun ingots of legeringen niet meer risico's vertegenwoordigen dan die van fysieke slagen, omdat ze niet erg goede chauffeurs van warmte of elektriciteit zijn en aangenaam zijn om aan te raken.

Nanodeeltjes

Als de fijn verdeelde vaste stof ontvlambaar is, moet nog meer die worden gevormd door titanium nanodeeltjes. Het centrale punt van deze sub -sectie is echter te wijten aan de nanodeeltjes van TIO2, die zijn gebruikt in applicatie -symfines waar ze hun witte kleur verdienen; Zoals snoep en snoep.

Het kan u van dienst zijn: Hydrolyse: wat is het en voorbeelden van reacties

Hoewel het niet bekend is hoe de absorptie, verdeling, uitscheiding of toxiciteit in het lichaam is, hebben ze vermeld als giftig in studies over muizen. Ze hebben bijvoorbeeld aangetoond dat het emfyseem en roodheid in hun longen genereert, evenals andere ademhalingsstoornissen in hun ontwikkelingen.

Door extrapolatie van de muizen aan ons, wordt geconcludeerd dat het ademen van nanodeeltjes van TIO nanodeeltjes2 Het beïnvloedt onze longen. Ze kunnen ook de regio Brain Hippocampus veranderen. Bovendien regeert het International Cancer Research Center hen niet als mogelijk carcinogene stoffen.

Toepassingen

Pigment en additief

Praten over titaniumgebruik is om te verwijzen naar die van zijn titaniumdioxide -verbinding. De oom2 In feite omvat het ongeveer 95% van alle toepassingen met betrekking tot dit metaal. De redenen: de witte kleur is onoplosbaar en het is ook niet giftig (om nog maar te zwijgen van de pure nanodeeltjes).

Daarom wordt het meestal gebruikt als pigment of additief in al die producten die witte kleuringen nodig hebben; zoals tandpasta, medicijnen, snoep, papieren, edelstenen, schilderijen, kunststoffen, enz.

Coatings

De oom2 Het kan ook worden gebruikt om films te maken die elk oppervlak bedekken, zoals glas- of chirurgisch gereedschap.

Door deze coatings te hebben, kan water ze niet bevochtigen en erover glijdt, zoals de regen zou doen in auto's van auto's. Het gereedschap met deze coatings zou bacteriën kunnen doden door UV -straling te absorberen.

De urine van de honden of het kauwrubber kon niet kijken naar de geselfte of cement door de werking van de oom2, die de daaropvolgende verwijdering ervan zou vergemakkelijken.

Zonnescherm

Uncle2 is een van de actieve componenten van Sun Blockers. Bron: Pixabay.

En om te eindigen met betrekking tot de oom2, Het is een fotokataliserende, in staat om organische radicalen te oorspronkelijke radicalen die echter worden geneutraliseerd door silica- of aluminiumoxidefilms in Sun Blockers. De witte kleur laat al duidelijk zien dat je dit titaniumoxide moet hebben.

Luchtvaartindustrie

Titaniumlegeringen worden gebruikt voor de vervaardiging van grote vlakken of Velces -schepen. Bron: Pxhere.

Titanium is een metaal met aanzienlijke weerstand en hardheid in relatie tot de lage dichtheid. Dit wordt gemaakt door een staalvervanger voor al die toepassingen waar hoge snelheden nodig zijn, of grootschalige vliegtuigen zijn ontworpen, zoals het A380 -vlak van het bovenste beeld.

Dat is de reden waarom dit metaal veel toepassingen heeft in de ruimtevaartindustrie, omdat het tegen oxidaties is, het is licht, sterk en kan zijn legeringen worden verbeterd met exacte additieven.

Sport

Niet alleen in de ruimtevaartindustrie hebben de titanium en zijn legeringen een bekendheid, maar ook in de sportindustrie. Dit komt omdat veel van hun gebruiksvoorwerpen licht moeten zijn, zodat hun vervoerders, spelers of atleten ze kunnen manipuleren zonder te zwaar te zijn.

Sommige van deze items zijn: fietsen, golf- of hockeysticks, Amerikaanse voetbalhelmen, tennis- of bádminton -rackets, schoppen van vingers, schaatsen, skischaatsen, onder andere.

Hoewel in veel kleinere mate vanwege de hoge kosten, zijn titanium en legeringen in luxueuze en sportwagens gebruikt.

Pyrotechniek

Grond titanium kan worden gemengd met bijvoorbeeld KCLO4, en dienen als een kunstmatig vuur; dat ze in feite degenen doen die ze in pyrotechnische shows uitwerken.

Geneesmiddel

Titanium en zijn legeringen zijn metaalmaterialen bij uitstek in biomedische toepassingen. Ze zijn biocompatibel, inert, sterk, moeilijk te oxideren, niet giftig en integreren perfect met de botten.

Dit maakt ze zeer nuttig voor orthopedische en tandheelkundige implantaten, voor kunstmatige gewrichten van heupen en knieën, zoals schroeven om breuken te repareren, voor pacemakers of kunstmatige harten.

Biologisch

De biologische rol van titanium is onzeker, en hoewel het bekend is dat het zich in sommige planten kan verzamelen en de groei van bepaalde landbouwgewassen (zoals tomaten) kan ten goede komen, zijn de mechanismen waar ze tussenbeide komen onbekend.

Er wordt gezegd dat het de vorming van koolhydraten, enzymen en chlorofilas bevordert. Ze vermoeden dat het te wijten is aan een reactie van plantenorganismen om zich te verdedigen met lage biologische beschikbare concentraties van titanium, omdat ze schadelijk voor hen zijn. De zaak is echter nog steeds in het donker.

Referenties

  1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde. (Vierde druk). MC Graw Hill.
  2. Wikipedia. (2019). Titanium. Opgehaald uit: in.Wikipedia.borg
  3. Katoen Simon. (2019). Titanium. Royal Society of Chemistry. Hersteld van: chemieworld.com
  4. Davis Marauo. (2019). Wat is titanium? Eigenschappen en gebruik. Studie. Hersteld van: studie.com
  5. Helmestine, Anne Marie, pH.D. (3 juli 2019). Titanium chemische en fysische eigenschappen. Hersteld van: Thoughtco.com
  6. K. D. H. Bhadeshia. (S.F.)). Metallurgie van titanium en zijn legeringen. Universiteit van Cambridge. Hersteld van: fasetrans.MSM.Cam.AC.Uk
  7. Michelle Chambers. (7 december 2017). Hoe titanium levens helpt. Opgehaald uit: TitaniumProssingCenter.com
  8. Clark J. (5 juni 2019). Chemie van titanium. Chemistry Libhethexts. Hersteld van: chem.Librhetxts.borg
  9. Venkatesh Vaidyanathan. (2019). Hoe wordt titanium gemaakt? Wetenschap ABC. Hersteld van: scienceabc.com
  10. Dr. Edward -groep. (10 september 2013). De gezondheidsrisico's van titanium. Global Healing Center. Hersteld van: GlobalHealingCenter.com
  11. Clustoš, p. Cigler, m. Hrubý, s. Kužel, J. Száková & J. Balík. (2005). De rol van titanium bij de productie van biomassa en de invloed ervan op de inhoud van essentiële elementen in veldgroeiende gewassen. Planten bodemomgeving., 51, (1): 19-25.
  12. Kyocera SGS. (2019). Geschiedenis van titanium. Hersteld van: Kyocera-Sgstool.EU