Zgodovina titana, struktura, lastnosti, reakcije, uporabe

On Titan To je prehodna kovina, ki jo predstavlja ti kemični simbol. To je druga kovina, ki se pojavi v bloku d periodične tabele, tik po skandio. Njegova atomska številka je 22 in je v naravi predstavljena toliko izotopov in radioizotopov, od katerih ⁴⁸Ti si najbolj obilen od vseh.

Njegova barva je srebrno siva, koščke pa pokrivajo zaščitni oksidni sloj, zaradi česar je titanij kovina zelo odporna proti koroziji. Če je ta plast rumenkasta, je titanov nitruro (kositer), ki je spojina, ki se tvori, ko ta kovina gori v prisotnosti dušika, edinstvene in ugledne lastnosti.

Titanijevi obroči. Vir: pxhere.

Poleg tega, kar je že omenjeno, je izjemno odporno na mehanske udarce, čeprav je lažji od jekla. Zato je znan kot najmočnejša kovina od vseh, njegovo eno ime je sinonim za moč. Ima tudi odpornost in lahkotnost, dve značilnosti, zaradi katerih je zaželen material za proizvodnjo zrakoplovov.

Tudi, in nenazadnje je Titanium biokompatibilna kovina in prijeten za dotik, zato se uporablja v nakitu za izdelavo obročev; in v biomedicini, kot so ortopedski in zobni vsadki, ki se lahko vključijo v kostna tkiva.

Vendar njegova najbolj znana uporaba prebiva v stricu₂, kot pigment, aditivni, premaz in fotokatizacija.

To je deveti najpomembnejši element na zemlji in sedmi znotraj kovin. Kljub temu so njeni stroški visoki zaradi težav, ki jih je treba premagati iz njihovih mineralov, med katerimi so Rutilo, Anatase, Ilmenite in Perovskita. Od vseh proizvodnih metod je postopek Kroll najbolj uporabljen po vsem svetu.

[TOC]

Zgodovina

Odkritje

Titanium je prvič identificiral v mineralu Ilmenite v dolini Manaccan (Združeno kraljestvo), navijači William Gregor, tam leta 1791. Uspel je ugotoviti, da vsebuje železov oksid, saj so se njegovi peski premaknili z vplivom magneta; Poročal pa je tudi, da obstaja še en neznani kovinski oksid, ki ga je imenoval "Manacanita".

Na žalost, čeprav je Royal Geological Society of Cornwall odšlo v kraljeve geološke in druge medije, njegovi prispevki niso vzbudili vznemirjenja, ker niso bili priznani človek znanosti.

Štiri leta pozneje, leta 1795, je nemški kemik Martin Heinrich Klaproth neodvisno prepoznal isto kovino; Toda v mineralu Rutilo v Bainiku v Slovaškem trenutno.

Obstajajo tisti, ki trdijo, da je za to novo kovino imenoval "Titanio", ki jo je navdihnila njegova trdota v podobnosti s Titani. Drugi zagotavljajo, da je nevtralnost istih mitoloških likov posledica več. Tako se je Titanij rodil kot kemični element in Klaproth je potem lahko sklenil, da gre za isti manakanit minerala Ilmenita.

Izolacija

Od takrat so se začeli poskusi izolacije iz takšnih mineralov; Toda večina jih je bilo brezplodnih, saj je bil titanij onesnažen s kisikom ali dušikom ali je tvoril karbid nemogoče zmanjšati. Morali so prehoditi skoraj stoletje (1887), da sta Lars Nilson in Otto Pettersson lahko pripravila vzorec z 95 -odstotno čistostjo.

Nato je leta 1896 Henryju Moissanu uspel pridobiti vzorec z do 98% čistostjo, zahvaljujoč zmanjšanju kovinskega natrija. Vendar so bili ti nečisti Titanci krhki z delovanjem atomov kisika in dušika, zato je bilo treba oblikovati postopek, da jih prepreči reakcijska mešanica.

In s tem pristopom je lovski postopek nastal leta 1910, ki ga je Matthew zasnoval. Hunter v sodelovanju s General Electric na Polytechnic Institute Renselaer.

Dvajset let pozneje v Luksemburgu William J. Kroll je zasnoval drugo metodo z uporabo kalcija in magnezija. Trenutno postopek Kroll ostaja ena glavnih metod za proizvodnjo kovinskega titana na komercialni in industrijski lestvici.

Od tega trenutka zgodovina titana sledi potek svojih zlitin v aplikacijah za vesoljsko in vojaško industrijo.

Elektronska struktura in konfiguracija

Čisti titan lahko kristalizira z dvema strukturama: kompaktni šesterokotni (HCP), imenovan faza α, in kubični centriran v telesu (BCC), imenovan faza β β. Tako gre za dimorfno kovino, ki lahko trpi alotropne (ali fazne) prehode med strukturami HCP in BCC.

Faza α je najbolj stabilna v temperaturnih in tlačnih okoljih, z atomi, obkroženi z dvanajstimi sosedi. Ko se temperatura zviša na 882 ° C, se šesterokotno steklo pretvori v kubično, manj gosto, kar se strinja z najvišjim atomskim vibracijskim produktom toplote.

Ko temperatura povečuje, faza α nasprotuje večji toplotni odpornosti; To pomeni, da se tudi njegova specifična toplota povečuje, zato je vse bolj toplota doseči 882 ° C.

Kaj pa, če namesto da bi zvišali temperaturo? Nato dobimo popačene kristale BCC.

Povezava

V teh kovinskih kristalih posegajo v povezavo, ki se pridruži atomom vas njihove valenčne elektrone 3D in 4S orbital, v skladu z elektronsko konfiguracijo:

Vam lahko služi: železni hidroksid (ii): struktura, lastnosti, uporabe

[AR] 3D² 4s²

Komaj mora deliti štiri elektrone s svojimi sosedi, kar izvira skoraj prazne pasove, zato titanij ni tako dober prevodnik električne energije ali toplote kot druge kovine.

Zlitine

Še pomembneje od tistega, kar je komentirano pri kristalni strukturi titana, je, da lahko obe fazi, α in β, tvorita svoje zlitine. Te so lahko sestavljene iz čistih α ali β zlitin ali mešanic obeh v različnih razmerjih (α + β).

Prav tako velikost njihovih kristalnih zrn vpliva na končne lastnosti takšnih titanovih zlitin, pa tudi na množično sestavo in odnose agregatnih dodatkov (druge kovine ali atomi N, O, C ali H).

Additivi močno vplivajo na titanove zlitine, ker lahko stabilizirajo nekatere od obeh posebnih faz. Na primer: AL, O, GA, ZR, SN in N so aditivi, ki stabilizirajo α (gosto najbolj HCP kristali); in Mo, V, W, Cu, Mn, H, Faith in drugi so aditivi, ki stabilizirajo β fazo (manj gosti kristali BCC).

Študija vseh teh titanovih zlitin, njihovih struktur, sestave, lastnosti in aplikacij je podvržena metalurškim deli, ki počivajo v kristalografiji.

Oksidacijske številke

Po elektronski konfiguraciji bi titan potreboval osem elektronov, da bi v celoti napolnil 3D orbitale. To ga ne more dobiti v nobeni od svojih spojin, Máxima pa uspe osvojiti do dveh elektronov; to pomeni, da lahko pridobite negativne oksidacijske številke: -2 (3D⁴) in -1 (3d³).

Razlog je posledica elektronegativnosti titana in poleg tega je kovina, zato ima večjo težnjo po pozitivni oksidacijski številki; na primer +1 (3D²4s¹), +2 (3D²4s⁰), +3 (3D¹4s⁰) in +4 (3D⁰4s⁰).

Upoštevajte, kako elektroni orbitala 3D in 4S⁺, Ti²⁺ in tako naprej.

Številka oksidacije +4 (ti⁴⁺) je najbolj reprezentativna od vseh, ker ustreza titanu v svojem oksidu: stric₂ (Ti⁴⁺Tudi₂^2-).

Lastnosti

Fizični videz

Sivkasto srebrna kovina.

Molarna masa

47, 867 g/mol.

Tališče

1668 ° C. To relativno visoko fuzijsko točko izdeluje ognjevzdržna kovina.

Vrelišče

3287 ° C.

Temperatura samostojnosti

1200 ° C za čisto kovino in 250 ° C za fino razdeljen prah.

Duktilnost

Titanium je duktilna kovina, če mu primanjkuje kisika.

Gostota

4.506 g/ml. In na njegovem tališču 4,11 g/ml.

Fuzijska toplota

14,15 kJ/mol.

Toplota za uparjanje

425 kJ/mol.

Molarna toplotna sposobnost

25060 j/mol · k.

Elektronegativnost

1,54 na lestvici Pauling.

Ionizacijske energije

Prvi: 658,8 kJ/mol.

Drugi: 1309,8 kJ/mol.

Tretjič: 2652,5 kJ/mol.

Mohs trdota

6.0.

Nomenklatura

Oksidacijske številke so +2, +3 in +4 najpogostejši in tisti, ki se nanašajo na tradicionalno nomenklaturo, ko poimenujejo titanske spojine. Za ostalo ostajajo pravila za nomenklature in sistematično zalog enaka.

Na primer, razmislite o stricu₂ in ticl₄, dve najbolj znani spojini titana.

Že je bilo rečeno, da v stricu₂ Številka oksidacije iz titana je +4 in zato je največje (ali pozitivno) ime končano s pripono -ico. Tako je njegovo ime titanski oksid, glede na tradicionalno nomenklaturo; Titanov oksid (IV), glede na nomenklaturo zalog; in titanov dioksid, v skladu s sistematično nomenklaturo.

In za ticl₄ Bo nadaljeval bolj neposredno:

Nomenklatura: ime

-Tradicionalno: Titanic klorid

-Zaloga: Titanov klorid (iv)

-Sistematično: titanov tetraklorid

V angleščini to spojino običajno navajajo kot "tik".

Vsaka titanova spojina ima lahko celo ustrezna imena zunaj pravil nomenklature in bo odvisna od tehničnega žargona zadevnega polja.

Kje je in proizvodnja

Titaniferozni minerali

Rutilo Quartz, eden od mineralov z najvišjo vsebnostjo titana. Vir: Didier Descuens [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licence/by-sa/3.0)]

Titanov, četudi je najbolj obilen sedmi na Zemlji in deveti v zemeljski skorji, v naravi ne najdemo kot čiste kovine, ampak v kombinaciji z drugimi elementi v mineralnih oksidih; bolj znan kot titaniferozni minerali.

Tako je za pridobitev teh mineralov potrebno kot surovi material. Nekateri od njih so:

-Titanita ali spheny (catisio₅), z železnimi in aluminijskimi nečistočami, ki obračajo svoje zelene barvne kristale.

-Brookita (stric₂ OrTorrombic).

-Rutilo, stabilnejši polimorf strica₂, sledijo minerali Anatasa in Brookita.

-Ilmenita (fetio₃).

-Perovskita (Catio₃)

-Leucoxeno (heterogena mešanica anataze, rutila in perovskita).

Upoštevajte, da je omenjenih več titaniferonih mineralov, četudi obstajajo drugi. Vendar niso vsi enaki kot obilni in prav tako lahko predstavljajo nečistoče težko odpraviti in ogrožajo lastnosti končnega kovinskega titana.

Vam lahko služi: Holmio

Zato se Sphen ali Perovskita običajno uporabljata za proizvodnjo titana, saj je njihova vsebnost kalcija in silicija težko odpraviti iz reakcijske mešanice.

Od vseh teh mineralov sta Rutilo in Ilmenite najbolj uporabljena komercialno in industrijsko za visoko vsebino stric₂; to pomeni, da so bogati s titanom.

Kroll Process

Stric je izbral katerega koli od mineralov kot surovine₂ V njih je treba zmanjšati. Če želite to narediti, minerali skupaj s premog segrevajo do rdeče barve v reaktorju 1000 ° C Fluidid Bed Reactor. Tam, stric₂ Reagira z plinastim klorom v skladu z naslednjo kemijsko enačbo:

Stric₂(s) + c (s) + 2cl₂(g) => ticl₄(l) +co₂(g)

Ticl₄ Je nečista brezbarvna tekočina, saj se pri tej temperaturi raztopi skupaj z drugimi kovinskimi kloridi (iz železa, vanadija, magnezija, cirkonija in silicija), ki izvira iz nečistoč v mineralih. Zato ticl₄ Nato ga očistimo z delno destilacijo in padavinami.

Že očistil ticl₄, Enostavno vrsto, ki jo je mogoče zmanjšati, se vlije v posodo iz nerjavečega jekla, na katero se nanese prazna, za odpravo kisika in dušika, in napolnjena z argonom, da se zagotovi inertno atmosfero, ki ne vpliva. V postopku se doda magnezij, ki reagira na 800 ° C v skladu z naslednjo kemijsko enačbo:

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

Titanium obori kot gobasta trdna snov, ki se zdravi za čiščenje in podeljevanje boljših trdnih oblik ali je neposredno namenjen proizvodnji titanijevih mineralov.

Reakcije

Z zrakom

Titanium ima visoko korozijsko odpornost zaradi plasti strica₂ ki ščiti notranjost oksidacijske kovine. Ko pa se temperatura dvigne nad 400 ° C₂ in kositer:

Ti (s)+ o₂(g) => stric₂(S)

2ti (s)+ n₂(g) => kositer (s)

Oba plina ali₂ in n₂, Logično so v zraku. Ti dve reakciji se hitro pojavita, ko se titan segreje na rdeče živo. In če je kot fino razdeljen prah, je reakcija še bolj živahna, zato je titan v tem trdnem stanju zelo vnetljiv.

S kislinami in bazami

Ta plast strica₂-Tin ne samo ščiti titana pred korsetom, ampak tudi pred napadom kislin in baz, zato ni enostavno raztopiti kovine.

Da bi to dosegli, je treba uporabiti visoko koncentrirane kisline in vreti do vretja, pri čemer dobimo vijolični produkt vodnega kompleksa titana; Na primer [ti (oh₂)₆]⁺³.

Vendar pa obstaja kislina, ki jo lahko raztopi brez številnih zapletov: fluorhorična kislina:

2ti (s)+ 12HF (aq) 2 [TIF₆]^3-(aq)+ 3h₂(g)+ 6h⁺(aq)

S halogeni

Titan lahko reagira neposredno s halogeni, da tvori ustrezni halogenuros. Na primer, njegova reakcija z jodom je naslednja:

Ti (s)+ 2i₂(s) => tii₄(S)

Podobno se pojavlja s fluoridom, klorom in bromom, kjer nastane intenziven plamen.

Z močnimi oksidanti

Ko je Titanium fino razdeljen, ni samo nagnjen k vnetju, ampak tudi za modro reagiranje z močnimi oksidacijskimi sredstvi na najmanjši toplotni vir.

Del teh reakcij se uporablja za pirotehnike, saj nastajajo svetle bele iskre. Na primer, reagira z amonijevim perkloratom v skladu s kemično enačbo:

2ti (s) + 2nh₄CLO₄(s) => 2tio₂(s) + n₂(g) + cl₂(g) + 4h₂O (g)

Tveganja

Kovinski titan

Titanov prah je zelo vnetljiva trdna snov. Vir: w. Oelen [cc by-sa 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licence/by-sa/3.0)]

Kovinski titan sam ne predstavlja tveganja za zdravje tistih, ki sodelujejo z njim. Je neškodljiva trdna snov; razen če je zmlete kot drobni delček. Ta beli prah je lahko nevaren zaradi njegove visoke vnetljivosti, omenjene v razdelku Reakcije.

Ko je titan zmlet, je njegova reakcija s kisikom in dušikom hitrejša in bolj živahna, poleg tega, da celo eksplozivno meji. Zato predstavlja grozno tveganje za požar, če je tam, kjer je shranjen, dosežejo plameni.

Pri gorenju je ogenj mogoče izklopiti samo z grafitom ali natrijevim kloridom; Nikoli z vodo, vsaj za te primere.

Prav tako se je treba za vsako ceno izogibati stiku s halogeni; to je z nekim plinastim puščanjem fluora ali klora ali interakcijo z rdečkasto bromino tekočino ali hlapnimi kristali joda. Če se takšno zgodi, se titanij zažge. Prav tako ne bi smeli priti močna oksidacijska sredstva: permanganatos, klori, perklorati, nitrati itd.

Od ostalih njihovi ingoti ali zlitine ne morejo predstavljati več tveganj kot fizičnih udarcev, saj niso zelo dobri gonilniki toplote ali električne energije in so prijetni za dotik.

Nanodelci

Če je fino razdeljena trdna snov vnetljiva, mora biti še bolj tisto, kar sestavljajo titanovi nanodelci. Vendar je osrednja točka te podsekcije posledica nanodelcev Tio₂, ki so bili uporabljeni v aplikacijskih simfinih, kjer si zaslužijo svojo belo barvo; Kot sladkarije in sladkarije.

Lahko vam služi: hidroliza: kaj je to in primeri reakcij

Medtem ko ni znano, kako je njegova absorpcija, porazdelitev, izločanje ali strupenost v telesu, so v študijah na miših zapisali, da so strupeni. Na primer, pokazali so, da v pljučih ustvarja emfizem in rdečico, pa tudi druge dihalne motnje v njihovem razvoju.

Z ekstrapolacijo od miši do nas je sklenjeno, da dihanje nanodelcev Tio₂ Vpliva na naša pljuča. Prav tako lahko spremenijo regijo možganskega hipokampusa. Poleg tega jih Mednarodni raziskovalni center za raka ne vlada kot možnih rakotvornih snovi.

Prijave

Pigment in aditiv

Govoriti o uporabi Titanium je nanašanje na tisto iz njene spojine Titanov dioksida. Stric₂ Dejansko zajema približno 95% vseh aplikacij v zvezi s to kovino. Razlogi: njegova bela barva je netopna in tudi ni strupena (da ne omenjam čistih nanodelcev).

Zato se običajno uporablja kot pigment ali aditiv pri vseh izdelkih, ki potrebujejo obarvanosti belih; kot so zobna pasta, zdravila, sladkarije, papirji, dragulji, slike, plastika itd.

Premazi

Stric₂ Uporablja se lahko tudi za ustvarjanje filmov, ki pokrivajo katero koli površino, na primer steklo ali kirurško orodje.

S temi prevlekami jih voda ne more navlažiti in zdrsniti po njih, kot bi dež naredil v avtomobilih avtomobilov. Orodja s temi premazi bi lahko ubila bakterije z absorpcijo UV sevanja.

Urin psov ali žvečilna guma ni mogla gledati na asfaltirano ali cemente z delovanjem strica₂, kar bi olajšalo njegovo nadaljnjo odstranitev.

Krema za sončenje

Stric2 je ena od aktivnih komponent blokatorjev sonca. Vir: Pixabay.

In da se konča v zvezi s stricem₂, To je fotokatalizacija, ki lahko izvira iz organskih radikalov, ki pa jih nevtralizirajo filmi za silicijev dioksid ali alumina. Njegova bela barva že jasno kaže, da morate imeti ta titanov oksid.

Vesoljska industrija

Titanijeve zlitine se uporabljajo za proizvodnjo velikih letal ali ladij Velces. Vir: pxhere.

Titanium je kovina z veliko odpornostjo in trdoto glede na njegovo nizko gostoto. To naredi jekleni nadomestek za vse tiste aplikacije, kjer so potrebne visoke hitrosti, ali so zasnovana velika letala, na primer ravnina zgornje slike A380.

Zato ima ta kovina veliko uporab v vesoljski industriji, saj se upira oksidacijam, je lahka, močna in njegove zlitine je mogoče izboljšati z natančnimi dodatki.

Šport

Ne le v vesoljski industriji imajo Titanium in njene zlitine pomembne, ampak tudi v športni industriji. To je zato, ker morajo biti številni njihovi pripomočki lahki, tako da jih lahko njihovi prevozniki, igralci ali športniki manipulirajo, ne da bi se počutili pretežko.

Nekateri od teh predmetov so: kolesa, golf ali hokejske palice, ameriške nogometne čelade, tenis ali bádminton loparji, lopate prstov, drsal.

Tudi v veliko manjši meri zaradi visokih stroškov so bili uporabljeni titanij in zlitine v razkošnih in športnih avtomobilih.

Pirotehnika

Zemeljski titanij je mogoče pomešati, na primer kclo₄, in služijo kot umetni ogenj; To pravzaprav delajo tiste, ki jih razlagajo v pirotehničnih oddajah.

Zdravilo

Titanium in njegove zlitine so kovinski materiali par odličnost v biomedicinskih aplikacijah. So biokompatibilni, inertni, močni, težko oksidirajo, ne strupeni in se odlično integrirajo s kosti.

Zaradi tega so zelo koristni za ortopedske in zobne vsadke, za umetne sklepe bokov in kolen, kot so vijaki za popravljanje zlomov, za spodbujevalnike ali umetna srca.

Biološko

Biološka vloga titana je negotova, in čeprav je znano, da se lahko kopiči v nekaterih rastlinah in koristi rasti nekaterih kmetijskih pridelkov (na primer paradižnika), mehanizmi, kjer posredujejo.

Govori se, da spodbuja tvorbo ogljikovih hidratov, encimov in klorofila. Domnevajo, da je posledica odziva rastlinskih organizmov, da se branijo z nizkimi biološkimi koncentracijami titana, saj jim škodujejo. Vendar je zadeva še vedno v temi.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). MC Graw Hill.
2. Wikipedija. (2019). Titan. Pridobljeno iz: v.Wikipedija.org
3. Bombaž Simon. (2019). Titan. Royal Society of Chemistry. Okrevano od: ChemistryWorld.com
4. Davis Marauo. (2019). Kaj je titanium? Lastnosti in uporabe. Študij. Okrevano od: študij.com
5. Čelada, Anne Marie, ph.D. (3. julij 2019). Titanove kemijske in fizikalne lastnosti. Okreval od: Thoughtco.com
6. K. D. H. Bhadeshia. (s.F.). Metalurgija titana in njene zlitine. Univerza v Cambridgeu. Okrevano od: fazni trans.MSM.Kamera.AC.Združeno kraljestvo
7. Michelle Chambers. (7. december 2017). Kako titanium pomaga življenja. Pridobljeno iz: titaniumprossingCenter.com
8. Clark J. (5. junij 2019). Kemija titana. Kemija librettexts. Okrevano od: kem.Librettexts.org
9. Venkatesh Vaidyanathan. (2019). Kako nastaja titanium? Science ABC. Okrevano od: scienceabc.com
10. Doktor. Edward Group. (10. septembra 2013). Zdravstvena tveganja titana. Globalni zdravilni center. Okrevano od: GlobalHealingCenter.com
11. Clustoš, str. Cigler, m. Hrubý, s. Kužel, J. Száková in J. Balík. (2005). Vloga titana v proizvodnji biomase in njen vpliv na vsebino bistvenih elementov v poljskih rastočih pridelkih. Rastlinsko okolje tal., 51, (1): 19–25.
12. Kyocera SGS. (2019). Zgodovina titana. Okreval od: kyocera-sgstool.EU