TITAN: ISTORIE, STRUCTURĂ, PROPRIETĂȚI, REACȚII, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Titan este un metal de tranziție , care este reprezentat prin simbolul chimic Ti. Este al doilea metal care apare din blocul d al tabelului periodic, imediat după scandiu. Numărul său atomic este 22 și apare în natură la fel de mulți izotopi și radioizotopi, dintre care ⁴⁸ Ti este cel mai abundent dintre toate.

Culoarea sa este gri argintiu, iar părțile sale sunt acoperite de un strat protector de oxid care face din titan un metal foarte rezistent la coroziune. Dacă acest strat este gălbui, este nitrura de titan (TiN), care este un compus care se formează atunci când acest metal arde în prezența azotului, o proprietate unică și distinsă.

Inele din titan. Sursa: Pxhere.

În plus față de cele menționate deja, este foarte rezistent la impacturile mecanice, în ciuda faptului că este mai ușor decât oțelul. Acesta este motivul pentru care este cunoscut ca cel mai puternic metal dintre toate, iar numele său este sinonim cu puterea. De asemenea, are rezistență și ușurință, două caracteristici care îl fac un material de dorit pentru fabricarea aeronavelor.

De asemenea, și nu mai puțin important, titanul este un metal biocompatibil plăcut la atingere, motiv pentru care este utilizat în bijuterii pentru elaborarea inelelor; și în biomedicină, cum ar fi implanturi ortopedice și dentare, capabile să se integreze în țesuturile osoase.

Cu toate acestea, cele mai cunoscute utilizări ale acesteia se află în TiO ₂ , ca pigment, aditiv, acoperire și fotocatalizator.

Este al nouălea cel mai abundent element de pe Pământ și al șaptelea din metale. În ciuda acestui fapt, costul său este ridicat datorită dificultăților care trebuie depășite pentru a-l extrage din mineralele sale, printre care se numără rutilul, anatasa, ilmenitul și perovskitul. Dintre toate metodele de producție, Procesul Kroll este cel mai utilizat la nivel mondial.

Istorie

Descoperire

Titanul a fost identificat pentru prima dată în mineralul ilmenit din Valea Manaccan (Regatul Unit), de pastorul și mineralogul amator William Gregor, din 1791. El a putut să identifice că conține un oxid de fier, deoarece nisipurile sale se deplasau prin influența unui magnet; dar a mai raportat că există un alt oxid dintr-un metal necunoscut, pe care l-a numit „manacanit”.

Din păcate, deși a apelat la Royal Geological Society of Cornwall și la alte puncte de vânzare, contribuțiile sale nu au provocat o agitație pentru că nu a fost un om recunoscut al științei.

Patru ani mai târziu, în 1795, chimistul german Martin Heinrich Klaproth a recunoscut în mod independent același metal; dar în minereu rutil la Boinik, acum Slovacia.

Unii susțin că a numit acest nou „titan” din metal inspirat de duritatea sa în asemănare cu titanii. Alții susțin că aceasta s-a datorat mai mult neutralității personajelor mitologice în sine. Astfel, titanul s-a născut ca un element chimic și Klaproth a putut ulterior să concluzioneze că acesta este același manacanit ca ilmenitul mineral.

Izolare

De atunci, au început încercările de a-l izola de astfel de minerale; dar majoritatea nu au avut succes, deoarece titanul a fost contaminat cu oxigen sau azot, sau a format o carbură imposibil de redus. A durat aproape un secol (1887) pentru ca Lars Nilson și Otto Pettersson să pregătească un eșantion care era 95% pur.

Apoi, în 1896, Henry Moissan a reușit să obțină o probă cu o puritate de până la 98%, datorită acțiunii de reducere a sodiului metalic. Cu toate acestea, aceste titanii impuri au fost fragile prin acțiunea atomilor de oxigen și azot, astfel încât a fost necesar să se proiecteze un procedeu pentru a le feri de amestecul de reacție.

Și cu această abordare a apărut Procesul Hunter în 1910, conceput de Matthew A. Hunter în colaborare cu General Electric la Institutul Politehnic Rensselaer.

Douăzeci de ani mai târziu, la Luxemburg, William J. Kroll a conceput o altă metodă folosind calciu și magneziu. Astăzi, Procesul Kroll rămâne una dintre metodele de vârf pentru producerea titanului metalic la scară comercială și industrială.

Din acest moment, istoria titanului urmărește cursul aliajelor sale în aplicațiile pentru industria aerospațială și militară.

Structura și configurația electronică

Titanul pur se poate cristaliza cu două structuri: un hexagonal compact (CP), numit faza α și un cubic centrat pe corp (bcc), numit faza β. Astfel, este un metal dimorf, capabil să sufere tranziții alotrope (sau de fază) între structurile hcp și bcc.

Faza α este cea mai stabilă la temperatură și presiune ambientală, cu atomi de Ti înconjurați de doisprezece vecini. Când temperatura este crescută la 882 ° C, cristalul hexagonal se transformă într-unul cubic mai puțin dens, care este în concordanță cu vibrațiile atomice mai mari produse de căldură.

Pe măsură ce temperatura crește, faza α se opune rezistenței termice mai mari; adică, de asemenea, căldura sa specifică crește, astfel încât este nevoie din ce în ce mai multă căldură pentru a ajunge la 882 ° C.

Ce se întâmplă dacă în loc să crească temperatura, presiunea face? Apoi obțineți cristale de bcc distorsionate.

Legătură

În aceste cristale metalice, electronii de valență ai orbitelor 3d și 4s intervin în legătura care unește atomii Ti, conform configurației electronice:

3d ² 4s ²

Are doar patru electroni de împărțit cu vecinii săi, ceea ce duce la benzi 3d aproape goale și, prin urmare, titanul nu este la fel de bun un conductor de electricitate sau căldură ca alte metale.

aliaje

Chiar mai important decât cele spuse în ceea ce privește structura cristalină a titanului, este faptul că ambele faze, α și β, pot forma propriile aliaje. Acestea pot consta din aliaje α sau β pure sau amestecuri ale ambelor în proporții diferite (α + β).

De asemenea, mărimea boabelor lor cristaline respective influențează proprietățile finale ale aliajelor de titan menționate, precum și compoziția în masă și relațiile aditivilor adăugați (câteva alte metale sau atomi de N, O, C sau H).

Aditivii au o influență semnificativă asupra aliajelor de titan, deoarece pot stabiliza unele dintre cele două faze specifice. De exemplu: Al, O, Ga, Zr, Sn și N sunt aditivi care stabilizează faza α (cristale de densitate hcp); și Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe și alții sunt aditivi care stabilizează faza β (cristale mai puțin dense de bcc).

Studiul tuturor acestor aliaje de titan, structurile, compoziția, proprietățile și aplicațiile lor, fac obiectul lucrărilor metalurgice care se bazează pe cristalografie.

Numere de oxidare

Conform configurației electronilor, titanul ar avea nevoie de opt electroni pentru a umple complet orbitalele 3d. Acest lucru nu poate fi obținut în niciunul dintre compușii săi, și cel mult câștigă până la doi electroni; adică poate dobândi numere de oxidare negative: -2 (3d ⁴ ) și -1 (3d ³ ).

Motivul se datorează electronegativității titanului și că, în plus, este un metal, deci are o tendință mai mare de a avea numere de oxidare pozitive; cum ar fi +1 (3d ² 4s ¹ ), +2 (3d ² 4s ⁰ ), +3 (3d ¹ 4s ⁰ ) și +4 (3d ⁰ 4s ⁰ ).

Rețineți cum electronii orbitalelor 3d și 4s părăsesc pe măsură ce se presupune existența cationilor Ti ⁺ , Ti ²⁺ și așa mai departe.

Numărul de oxidare +4 (Ti ⁴⁺ ) este cel mai reprezentativ dintre toate, deoarece corespunde cu titanul din oxidul său: TiO ₂ (Ti ⁴⁺ O ₂ ^2- ).

Proprietăți

Aspectul fizic

Metal argintiu cenusiu.

Masă molară

47,867 g / mol.

Punct de topire

1668 ° C. Acest punct de topire relativ ridicat îl face un metal refractar.

Punct de fierbere

3287 ° C.

temperatură de autoaprindere

1200 ° C pentru metal pur și 250 ° C pentru pulbere fin divizată.

Ductilitate

Titanul este un metal ductil dacă nu are oxigen.

Densitate

4,506 g / ml. Iar la punctul său de topire, 4,11 g / ml.

Căldură de fuziune

14,15 kJ / mol.

Căldură de vaporizare

425 kJ / mol.

Capacitate termică molară

25060 J / mol · K.

electronegativitate

1,54 pe scara Pauling.

Energii de ionizare

Primul: 658,8 kJ / mol.

Al doilea: 1309.8 kJ / mol.

Al treilea: 2652,5 kJ / mol.

Duritate Mohs

6.0.

Nomenclatură

Dintre numerele de oxidare, +2, +3 și +4 sunt cele mai frecvente, așa cum sunt menționate în nomenclatura tradițională atunci când se numesc compuși de titan. În caz contrar, regulile stocurilor și ale nomenclaturilor sistematice rămân aceleași.

De exemplu, considerăm TiO ₂ și TiCl ₄ , doi dintre compușii cei mai cunoscuți de titan.

S-a spus deja că în TiO ₂ numărul de oxidare al titanului este +4 și, prin urmare, fiind cel mai mare (sau pozitiv), numele trebuie să se termine cu sufixul -ico. Astfel, numele său este oxid de titan, conform nomenclaturii tradiționale; oxid de titan (IV), conform nomenclaturii de stoc; și dioxid de titan, conform nomenclaturii sistematice.

Iar pentru TiCl ₄ vom proceda mai direct:

Nomenclator: nume

-Tradițional: clorură de titan

-Stock: clorură de titan (IV)

-Sistematic: tetraclorură de titan

În engleză, acest compus este adesea denumit „Tickle”.

Fiecare compus de titan poate avea chiar și nume proprii în afara regulilor de denumire și va depinde de jargonul tehnic al câmpului în cauză.

Unde să găsești și să producă

Minerale titanifere

Cuarțul rutil, unul dintre mineralele cu cel mai mare conținut de titan. Sursa: Didier Descouens

Titanul, deși este al șaptelea cel mai abundent metal de pe Pământ și al nouălea cel mai abundent în scoarța terestră, nu se găsește în natură ca un metal pur, ci în combinație cu alte elemente din oxizii minerali; mai bine cunoscut sub numele de minerale titanifere.

Astfel, pentru a obține este necesară utilizarea acestor minerale ca materie primă. Unii dintre ei sunt:

-Titanit sau sferă (CaTiSiO ₅ ), cu impurități de fier și aluminiu care își transformă cristalele.

-Brookit (Ortohombic TiO ₂ ).

-Rutilul, cel mai stabil polimorf al TiO ₂ , urmat de minerale anatază și brookit.

-Ilmenit (FeTiO ₃ ).

-Perovskit (CaTiO ₃ )

-Leucoxen (amestec eterogen de anatază, rutilă și perovskit).

Rețineți că există mai multe minerale titanifere menționate, deși există altele. Cu toate acestea, nu toate sunt la fel de abundente și, de asemenea, pot conține impurități greu de îndepărtat și care pun în pericol proprietățile titanului metalic final.

Acesta este motivul pentru care sferul și perovskitul sunt deseori utilizate pentru producerea titanului, deoarece conținutul lor de calciu și siliciu sunt greu de îndepărtat din amestecul de reacție.

Dintre toate aceste minerale, rutilul și ilmenitul sunt cele mai utilizate comercial și industrial datorită conținutului ridicat de TiO ₂ ; adică sunt bogate în titan.

Procesul Kroll

Selectând oricare dintre minerale ca materie primă, TiO ₂ din ele trebuie redus. Pentru a face acest lucru, mineralele, împreună cu cărbunele, sunt încălzite roșu la cald într-un reactor cu pat fluidizat la 1000 ° C. Acolo, TiO ₂ reacționează cu gazul clor conform următoarei ecuații chimice:

TiO ₂ (s) + C (s) + 2CI ₂ (g) => TiCI ₄ (l) + CO ₂ (g)

TiCl ₄ este un lichid incolor impur, deoarece la această temperatură , se dizolvă împreună cu alte cloruri metalice (fier, vanadiu, magneziu, zirconiu și siliciu) , provenit din impuritățile prezente în minerale. Prin urmare, TiCl4 _este purificat apoi prin distilare fracționată și precipitare.

Odată purificată, TiCl ₄ , o specie mai ușor de redus, este turnat într-un recipient din oțel inoxidabil căruia i se aplică un vid pentru a elimina oxigenul și azotul și umplut cu argon pentru a asigura o atmosferă inertă care nu afectează titanul. produs. În proces se adaugă magneziu, care reacționează la 800 ° C conform următoarei ecuații chimice:

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

Titanul precipită ca un solid spongios, care este supus unor tratamente pentru a-l purifica și a-i da forme solide mai bune, sau este utilizat direct pentru fabricarea mineralelor de titan.

reacţii

Cu aerul

Titanul are o rezistență ridicată la coroziune datorită unui strat de TiO ₂ care protejează interiorul metalului de oxidare. Cu toate acestea, atunci când temperatura crește peste 400 ° C, o bucată subțire de metal începe să ardă complet pentru a forma un amestec de TiO ₂ și TiN:

Ti (s) + O ₂ (g) => TiO ₂ (s)

2Ti (s) + N ₂ (g) => TiN (s)

Ambele gazele, O ₂ și N ₂ , sunt logic în aer. Aceste două reacții apar rapid după ce titanul este încălzit roșu la cald. Și dacă se găsește ca o pulbere fin divizată, reacția este și mai puternică, ceea ce face ca titanul în această stare solidă să fie foarte inflamabil.

Cu acizi și baze

Acest strat TiO ₂ -TiN nu protejează numai titanul împotriva corodării, dar și atacul acizilor și bazelor, deci nu este un metal ușor de dizolvat.

Pentru a obține acest lucru, trebuie folosiți acizi puternic concentrați și fierbiți la fierbere, obținând o soluție violetă rezultată din complexele apoase de titan; de exemplu, ⁺³ .

Cu toate acestea, există un acid care îl poate dizolva fără multe complicații: acidul fluorhidric:

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

Cu halogeni

Titanul poate reacționa direct cu halogeni pentru a forma halogenele respective. De exemplu, reacția dvs. la iod este următoarea:

Ti (s) + 2I ₂ (s) => TiI ₄ (s)

În mod similar cu fluorul, clorul și bromul, unde se formează o flacără intensă.

Cu oxidanti puternici

Atunci când titanul este împărțit fin, nu este predispus numai la aprindere, ci și să reacționeze puternic cu agenți de oxidare puternici la cea mai mică sursă de căldură.

O parte din aceste reacții este utilizată pentru pirotehnică, deoarece sunt generate scântei albe strălucitoare. De exemplu, reacționează cu percloratul de amoniu conform ecuației chimice:

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

riscuri

Titaniu metalic

Pudra de titan este un solid puternic inflamabil. Sursa: W. Oelen

Titanul metalic de la sine nu reprezintă niciun risc pentru sănătatea celor care lucrează cu acesta. Este un solid inofensiv; Cu excepția cazului în care este măcinat sub formă de pulbere de particule fine. Această pulbere albă poate fi periculoasă datorită inflamabilității mari, menționată în secțiunea de reacții.

Când titanul este măcinat, reacția sa cu oxigenul și azotul este mai rapidă și mai puternică, putând chiar arde exploziv. Acesta este motivul pentru care reprezintă un risc teribil de incendiu dacă în locul în care este păstrat este lovit de flăcări.

La ardere, focul poate fi stins doar cu grafit sau clorură de sodiu; niciodată cu apă, cel puțin pentru aceste cazuri.

De asemenea, contactul lor cu halogenii ar trebui evitat cu orice preț; adică cu unele scurgeri gazoase de fluor sau clor sau care interacționează cu lichidul roșiatic al bromului sau cu cristalele volatile de iod. Dacă se întâmplă acest lucru, titanul ia foc. Nici nu trebuie să intre în contact cu agenți oxidanți puternici: permanganați, clorați, perclorate, nitrați etc.

În caz contrar, lingourile sau aliajele sale nu pot reprezenta mai multe riscuri decât loviturile fizice, deoarece nu sunt foarte bune conductoare de căldură sau electricitate și sunt plăcute la atingere.

Nanoparticulele

Dacă solidul împărțit fin este inflamabil, acesta trebuie să fie cu atât mai mult cu cel format din nanoparticule de titan. Cu toate acestea, punctul central al acestei subsecțiuni se datorează nanoparticulelor TiO ₂ , care au fost utilizate în nenumărate aplicații unde merită culoarea albă; ca dulciurile și bomboanele.

Deși absorbția, distribuția, excreția sau toxicitatea în organism nu sunt cunoscute, s-a dovedit a fi toxice în studiile efectuate la șoareci. De exemplu, ei au arătat că generează emfizem și roșeață în plămânii lor, precum și alte tulburări respiratorii în dezvoltarea lor.

Prin extrapolarea de la șoareci la noi, se concluzionează că respirația nanoparticulelor TiO ₂ afectează plămânii noștri. De asemenea, pot modifica regiunea hipocampului a creierului. În plus, Agenția Internațională de Cercetare a Cancerului nu le exclude ca posibile cancerigene.

Aplicații

Pigment și aditiv

Vorbind despre utilizările titanului se referă neapărat la cea a dioxidului de titan compus. TiO ₂ acoperă de fapt aproximativ 95% din toate aplicațiile referitoare la acest metal. Motivele: culoarea albă, este insolubilă și, de asemenea, nu este toxică (ca să nu mai vorbim de nanoparticulele pure).

De aceea este folosit de obicei ca pigment sau aditiv în toate acele produse care necesită colorații albe; cum ar fi pasta de dinți, medicamente, bomboane, hârtii, nestemate, vopsele, materiale plastice etc.

Materiale de acoperire

TiO ₂ poate fi, de asemenea, utilizat pentru a crea filme pentru a acoperi orice suprafață, cum ar fi sticlă sau instrumente chirurgicale.

Având aceste acoperiri, apa nu le poate uda și merge pe ele, cum ar fi ploaia pe parbrizele mașinii. Instrumentele cu aceste acoperiri ar putea ucide bacteriile prin absorbția radiațiilor UV.

Urina de câine sau guma de mestecat nu au putut fi fixate pe asfalt sau ciment prin acțiunea TiO ₂ , ceea ce ar facilita eliminarea ulterioară a acestuia.

Protecție solară

TiO2 este unul dintre componentele active ale protecției solare. Sursa: Pixabay.

Și în sfârșit, în ceea ce privește TiO ₂ , este un fotocatalizator, capabil să genereze radicali organici care, totuși, sunt neutralizați de pelicule de silice sau alumină din protecția solară. Culoarea albă indică deja clar că trebuie să aibă acest oxid de titan.

Industrie aerospatiala

Aliajele de titan sunt utilizate pentru a face avioane mari sau nave rapide. Sursa: Pxhere.

Titanul este un metal cu o rezistență și o duritate considerabile în raport cu densitatea sa scăzută. Acest lucru îl face un substitut pentru oțel pentru toate acele aplicații în care sunt necesare viteze mari sau sunt proiectate aeronave cu anvergură mare, cum ar fi aeronava A380 din imaginea de mai sus.

De aceea, acest metal are multe utilizări în industria aerospațială, deoarece rezistă la oxidare, este ușor, puternic și aliajele sale pot fi îmbunătățite cu aditivii exacti.

sportiv

Nu numai în industria aerospațială titanul și aliajele sale iau rolul central, dar și în industria sportivă. Acest lucru se datorează faptului că multe dintre ustensilele lor trebuie să fie ușoare pentru ca purtătorii, jucătorii sau sportivii lor să se poată descurca fără să se simtă prea grei.

Unele dintre aceste elemente sunt: ​​biciclete, bastoane de golf sau hochei, căști de fotbal, rachete de tenis sau badminton, săbii de scrimă, patine cu gheață, schiuri, printre altele.

De asemenea, deși într-o măsură mult mai mică datorită costului ridicat, titanul și aliajele sale au fost utilizate în mașini de lux și sport.

Pirotehnie

Titanul măcinat poate fi amestecat cu, de exemplu, KClO ₄ și poate servi drept foc de artificii; că, de fapt, cei care le fac în spectacole pirotehnice.

Medicament

Titanul și aliajele sale sunt materiale metalice prin excelență în aplicațiile biomedicale. Sunt biocompatibile, inerte, puternice, greu de oxidat, netoxice și se integrează perfect cu oasele.

Acest lucru le face foarte utile pentru implanturile ortopedice și dentare, pentru articulațiile artificiale ale șoldului și genunchiului, ca șuruburi pentru remedierea fracturilor, pentru stimulatoarele cardiace sau inimile artificiale.

Biologic

Rolul biologic al titanului este incert și, deși se știe că acesta se poate acumula în unele plante și poate beneficia de creșterea anumitor culturi agricole (cum ar fi roșiile), mecanismele în care acesta intervine nu sunt cunoscute.

Se spune că promovează formarea de carbohidrați, enzime și clorofile. Ei presupun că se datorează unui răspuns al organismelor vegetale să se apere de concentrațiile scăzute biodisponibile de titan, deoarece acestea sunt dăunătoare pentru ele. Cu toate acestea, problema este încă în întuneric.

Referințe

1. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică . (A patra editie). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Titan. Recuperat de la: en.wikipedia.org
3. Bumbac Simon. (2019). Titan. Societatea Regală de Chimie. Recuperat de la: chemistryworld.com
4. Davis Marauo. (2019). Ce este titanul? Proprietăți și utilizări. Studiu. Recuperat din: studiu.com
5. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (03 iulie 2019). Titanium Proprietăți chimice și fizice. Recuperat de la: thinkco.com
6. KDH Bhadeshia. (Sf). Metalurgie din titan și aliajele sale. Universitatea Cambridge. Recuperat de la: phase-trans.msm.cam.ac.uk
7. Camerele Michelle. (7 decembrie 2017). Cum titanul ajută viața. Recuperat de la: titaniumprocessingcenter.com
8. Clark J. (05 iunie 2019). Chimia titanului. Chimie LibreTexturi. Recuperat din: chem.libretexts.org
9. Venkatesh Vaidyanathan. (2019). Cum este fabricat titanul? Știința ABC. Recuperat de la: scienceabc.com
10. Dr. Edward Group. (10 septembrie 2013). Riscurile pentru sănătate ale titanului. Centrul de vindecare globală Recuperat de la: globalhealingcenter.com
11. Tlustoš, P. Cígler, M. Hrubý, S. Kužel, J. Száková și J. Balík. (2005). Rolul titanului în producția de biomasă și influența sa asupra conținutului elementelor esențiale în culturile cultivate pe câmp. PLANT SOIL ENVIRON., 51, (1): 19–25.
12. KYOCERA SGS. (2019). Istoria titanului. Recuperat de la: kyocera-sgstool.eu