De titanium Het is een overgangsmetaal dat wordt weergegeven door het chemische symbool Ti. Het is het tweede metaal dat uit het blok tevoorschijn komt d van het periodiek systeem, net na scandium. Het atoomnummer is 22, en het komt in de natuur voor als veel isotopen en radio-isotopen, waarvan de 48Jij bent de meest overvloedige van allemaal.
De kleur is zilvergrijs en de onderdelen zijn bedekt met een beschermende oxidelaag die van titanium een metaal maakt dat zeer corrosiebestendig is. Als deze laag gelig is, is het titaniumnitride (TiN), een verbinding die wordt gevormd wanneer dit metaal verbrandt in de aanwezigheid van stikstof, een unieke en onderscheidende eigenschap.
Naast het bovengenoemde is het zeer goed bestand tegen mechanische schokken, ondanks dat het lichter is dan staal. Daarom staat het bekend als het sterkste metaal van allemaal, en zijn naam staat synoniem voor kracht. Het heeft ook sterkte en lichtheid, twee kenmerken die het een gewenst materiaal maken voor de fabricage van vliegtuigen..
Evenzo, en niet minder belangrijk, is titanium een biocompatibel metaal dat aangenaam aanvoelt, daarom wordt het in sieraden gebruikt om ringen te maken; en in de biogeneeskunde, zoals orthopedische en tandheelkundige implantaten, die in botweefsel kunnen worden geïntegreerd.
De bekendste toepassingen ervan bevinden zich echter in TiOtwee, als pigment, additief, coating en fotokatalysator.
Het is het negende meest voorkomende element op aarde en het zevende binnen metalen. Desondanks zijn de kosten hoog vanwege de moeilijkheden die moeten worden overwonnen om het uit zijn mineralen te halen, waaronder rutiel, anataas, ilmeniet en perovskiet. Van alle productiemethoden wordt het Kroll-proces wereldwijd het meest gebruikt.
Artikel index
Titanium werd voor het eerst geïdentificeerd in het ilmenietmineraal in de Manaccan-vallei (Verenigd Koninkrijk), door de predikant en amateur-mineraloog William Gregor, in 1791. Hij was in staat om vast te stellen dat het een ijzeroxide bevatte, aangezien het zand door de invloed van een magneet; maar hij meldde ook dat er nog een oxide van een onbekend metaal was, dat hij 'manacaniet' noemde.
Hoewel hij zich tot de Royal Geological Society of Cornwall en elders wendde, veroorzaakten zijn bijdragen helaas geen opschudding omdat hij geen erkend wetenschapper was..
Vier jaar later, in 1795, herkende de Duitse chemicus Martin Heinrich Klaproth onafhankelijk hetzelfde metaal; maar in het rutielerts in Boinik, momenteel Slowakije.
Er zijn mensen die beweren dat hij dit nieuwe metaal 'titanium' heeft genoemd, geïnspireerd door zijn taaiheid in gelijkenis met de Titans. Anderen beweren dat het meer te wijten was aan de neutraliteit van de mythologische karakters zelf. Titanium werd dus geboren als een chemisch element en Klaproth kon later concluderen dat het hetzelfde manacaniet was als het mineraal ilmeniet..
Sindsdien begonnen pogingen het te isoleren van dergelijke mineralen; maar de meeste waren niet succesvol, omdat het titanium vervuild raakte met zuurstof of stikstof, of een carbide vormde dat onmogelijk te verminderen was. Het duurde bijna een eeuw (1887) voordat Lars Nilson en Otto Pettersson een monster met een zuiverheid van 95% hadden gemaakt..
Toen, in 1896, slaagde Henry Moissan erin om een monster te verkrijgen met een zuiverheid tot 98%, dankzij de reducerende werking van metallisch natrium. Deze onzuivere titaniums waren echter bros door de werking van zuurstof- en stikstofatomen, dus het was nodig om een proces te ontwerpen om ze uit het reactiemengsel te houden..
En met deze aanpak ontstond het Hunter-proces in 1910, bedacht door Matthew A. Hunter in samenwerking met de General Electric van het Rensselaer Polytechnic Institute..
Twintig jaar later bedacht William J. Kroll in Luxemburg een andere methode met calcium en magnesium. Tegenwoordig blijft het Kroll-proces een van de belangrijkste methoden voor het produceren van metallisch titanium op commerciële en industriële schaal..
Vanaf dit punt volgt de geschiedenis van titanium het verloop van zijn legeringen in toepassingen voor de lucht- en ruimtevaartindustrie en de militaire industrie..
Zuiver titanium kan kristalliseren met twee structuren: een compacte hexagonaal (hcp), de α-fase genoemd, en een lichaamsgecentreerd kubiek (bcc), de β-fase genoemd. Het is dus een dimorf metaal dat allotrope (of fase) overgangen kan ondergaan tussen de hcp- en bcc-structuren..
De α-fase is het meest stabiel bij omgevingstemperatuur en -druk, met de Ti-atomen omgeven door twaalf buren. Wanneer de temperatuur wordt verhoogd tot 882 ° C, wordt het hexagonale kristal kubisch, minder dicht, wat consistent is met de hogere atoomtrillingen veroorzaakt door warmte..
Naarmate de temperatuur stijgt, verzet de a-fase zich tegen een grotere thermische weerstand; dat wil zeggen, de soortelijke warmte neemt ook toe, dus er is steeds meer warmte nodig om 882 ° C te bereiken.
Wat als de druk dat wel doet in plaats van de temperatuur te verhogen? Dan krijg je vervormde bcc-kristallen.
In deze metalen kristallen grijpen de valentie-elektronen van de 3d- en 4s-orbitalen in op de binding die de Ti-atomen verbindt, volgens de elektronische configuratie:
[Ar] 3dtwee 4stwee
Het heeft amper vier elektronen om te delen met zijn buren, wat resulteert in bijna lege 3D-banden, en daarom is titanium niet zo goed een geleider van elektriciteit of warmte als andere metalen..
Nog belangrijker dan wat er is gezegd over de kristallijne structuur van 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 respectievelijke kristallijne korrels de uiteindelijke eigenschappen van de titaniumlegeringen, evenals de massasamenstelling en de relaties van de toegevoegde additieven (andere enkele metalen of atomen van N, O, C of H)..
Additieven oefenen een aanzienlijke invloed uit 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-fase stabiliseren (dichtere hcp-kristallen); en Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe 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 het onderwerp van metallurgische werken die steunen op kristallografie.
Volgens de elektronische configuratie zou titanium acht elektronen nodig hebben om de 3d orbitalen volledig te vullen. Dit kan in geen van de verbindingen worden bereikt en het krijgt maximaal twee elektronen; dat wil zeggen, het kan negatieve oxidatiegetallen krijgen: -2 (3d4) en -1 (3d3.
De reden is te wijten aan de elektronegativiteit van titanium en dat het bovendien een metaal is, dus het heeft een grotere neiging om positieve oxidatiegetallen te hebben; zoals +1 (3dtwee4s1), +2 (3dtwee4s0), +3 (3d14s0) en +4 (3d04s0.
Merk op hoe de elektronen van de 3d- en 4s-orbitalen vertrekken, aangezien het bestaan van de Ti-kationen wordt verondersteld+, Utwee+ enzovoorts.
Het oxidatiegetal +4 (Ti4+) is de meest representatieve van allemaal omdat het overeenkomt met dat van titanium in zijn oxide: TiOtwee (U4+OFtweetwee-.
Zilvergrijs metaal.
47,867 g / mol.
1668 ° C. Dit relatief hoge smeltpunt maakt het een vuurvast metaal..
3287 ° C.
1200 ° C voor puur metaal en 250 ° C voor fijn verdeeld poeder.
Titanium is een taai metaal als het zuurstofgebrek heeft.
4.506 g / ml. En op het smeltpunt, 4,11 g / ml.
14,15 kJ / mol.
425 kJ / mol.
25060 J / mol K.
1.54 op de schaal van Pauling.
Ten eerste: 658,8 kJ / mol.
Ten tweede: 1309,8 kJ / mol.
Ten derde: 2652,5 kJ / mol.
6.0.
Van de oxidatiegetallen zijn +2, +3 en +4 de meest voorkomende, en die waarnaar wordt verwezen in de traditionele nomenclatuur bij het benoemen van titaniumverbindingen. Anders blijven de regels van het bestand en de systematische nomenclaturen hetzelfde.
Overweeg bijvoorbeeld TiOtwee en de TiCl4, twee van de bekendste verbindingen van titanium.
Dat werd al gezegd in TiOtwee het oxidatiegetal van titanium is +4 en daarom, omdat het het grootste (of positieve) is, moet de naam eindigen op het achtervoegsel -ico. De naam is dus titaanoxide, volgens de traditionele nomenclatuur; titanium (IV) oxide, volgens de voorraadnomenclatuur; en titaandioxide, volgens de systematische nomenclatuur.
En voor de TiCl4 we zullen op een directere manier te werk gaan:
Nomenclatuur: naam
-Traditioneel: titaanchloride
-Voorraad: titanium (IV) chloride
-Systematiek: titaantetrachloride
In het Engels wordt deze verbinding vaak 'Tickle' genoemd.
Elke titaniumverbinding kan zelfs eigennamen hebben die buiten de naamgevingsregels vallen, en is afhankelijk van het technische jargon van het betreffende vakgebied..
Titanium, hoewel het het zevende meest voorkomende metaal op aarde is, en het negende meest voorkomende metaal in de aardkorst, wordt in de natuur niet als puur metaal aangetroffen, maar in combinatie met andere elementen in minerale oxiden; beter bekend als titaanhoudende mineralen.
Om het te verkrijgen, is het dus noodzakelijk om deze mineralen als grondstof te gebruiken. Sommige ervan zijn:
-Titaniet of sfeen (CaTiSiO5), met ijzer- en aluminiumverontreinigingen die hun kristallen groen kleuren.
-Brookite (TiOtwee orthorhombisch).
-Rutiel, de meest stabiele polymorf van TiOtwee, gevolgd door de mineralen anataas en brookiet.
-Ilmenita (FeTiO3.
-Perovskiet (CaTiO3
-Leucoxene (heterogeen mengsel van anatase, rutiel en perovskiet).
Merk op dat er verschillende titaanhoudende mineralen worden genoemd, ook al zijn er andere. Ze zijn echter niet allemaal even overvloedig en evenzo kunnen ze onzuiverheden bevatten die moeilijk te verwijderen zijn en die de eigenschappen van het uiteindelijke metallische titanium in gevaar brengen..
Dat is de reden waarom sfeen en perovskiet meestal worden gebruikt voor de productie van titanium, omdat hun calcium- en siliciumgehalte moeilijk uit het reactiemengsel te verwijderen zijn..
Van al deze mineralen worden rutiel en ilmeniet het meest commercieel en industrieel gebruikt vanwege hun hoge gehalte aan TiOtweedat wil zeggen, ze zijn rijk aan titanium.
Door een van de mineralen als grondstof te selecteren, TiOtwee in hen moet het worden verminderd. Hiervoor worden de mineralen samen met steenkool roodgloeiend verwarmd in een wervelbedreactor op 1000 ° C. Daar, de TiOtwee reageert met chloorgas volgens de volgende chemische vergelijking:
Oomtwee(s) + C (s) + 2Cltwee(g) => TiCl4(l) + COtwee(g)
De TiCl4 Het is een onzuivere kleurloze vloeistof, aangezien het bij die temperatuur wordt opgelost samen met andere metaalchloriden (ijzer, vanadium, magnesium, zirkonium en silicium) die ontstaan uit de onzuiverheden die in de mineralen aanwezig zijn. Daarom is de TiCl4 vervolgens wordt het gezuiverd door gefractioneerde destillatie en precipitatie.
TiCl is al gezuiverd4, een gemakkelijkere soort om te verminderen, wordt het in een roestvrijstalen container gegoten waarop een vacuüm wordt aangebracht om zuurstof en stikstof te verwijderen, en het is gevuld met argon om een inerte atmosfeer te garanderen die het geproduceerde titanium niet aantast. Magnesium wordt toegevoegd in het proces, dat reageert bij 800 ° C volgens de volgende chemische vergelijking:
TiCl4(l) + 2Mg (l) => Ti (s) + 2MgCltwee(l)
Titanium slaat neer als een sponsachtige vaste stof, die wordt onderworpen aan behandelingen om het te zuiveren en het betere vaste vormen te geven, of wordt rechtstreeks gebruikt voor de vervaardiging van titaniummineralen.
Titanium heeft een hoge corrosiebestendigheid door een laag TiOtwee dat de binnenkant van het metaal beschermt tegen oxidatie. Wanneer de temperatuur echter boven de 400 ° C stijgt, begint een dun stuk metaal volledig te branden om een TiO-mengsel te vormen.twee en TiN:
Ti (s) + Otwee(g) => TiOtwee(s)
2Ti (s) + Ntwee(g) => TiN (s)
Beide gassen, OFtwee en Ntwee, logischerwijs zijn ze in de lucht. Deze twee reacties vinden snel plaats zodra het titanium roodgloeiend wordt verwarmd. En als het wordt aangetroffen als een fijn verdeeld poeder, is de reactie nog krachtiger, daarom is titanium in deze vaste toestand zeer ontvlambaar..
Deze laag TiOtwee-TiN beschermt titanium niet alleen tegen corrosie, maar ook tegen aantasting door zuren en basen, dus het is geen gemakkelijk metaal om op te lossen.
Om dit te bereiken, moeten hooggeconcentreerde zuren worden gebruikt en aan de kook worden gebracht, waarbij een paarsgekleurde oplossing wordt verkregen als gevolg van de waterige complexen van titanium; bijvoorbeeld [Ti (OHtwee6+3.
Er is echter een zuur dat het zonder veel complicaties kan oplossen: fluorwaterstofzuur:
2Ti (s) + 12HF (aq) 2 [TiF63-(aq) + 3Htwee(g) + 6H+(aq)
Titanium kan direct reageren met halogenen om de respectievelijke halogeniden te vormen. Uw reactie op jodium is bijvoorbeeld als volgt:
Ti ('s) + 2Itwee(s) => TiI4(s)
Op een vergelijkbare manier gebeurt het met fluor, chloor en broom, waar een intense vlam wordt gevormd.
Wanneer titanium fijn verdeeld is, is het niet alleen vatbaar voor ontbranding, maar ook om krachtig te reageren met sterke oxidatiemiddelen bij de minste warmtebron..
Een deel van deze reacties wordt gebruikt voor pyrotechniek, omdat er helderwitte vonken ontstaan. Het reageert bijvoorbeeld met ammoniumperchloraat volgens de chemische vergelijking:
2Ti (s) + 2NH4ClO4(s) => 2TiOtwee(s) + Ntwee(g) + Cltwee(g) + 4HtweeO (g)
Metallisch titanium vormt op zichzelf geen enkel gezondheidsrisico voor degenen die ermee werken. Het is een onschadelijke vaste stof; Tenzij het wordt gemalen als een fijnkorrelig poeder. Dit witte poeder kan gevaarlijk zijn vanwege zijn hoge ontvlambaarheid, vermeld in de reactiesectie..
Wanneer titanium wordt gemalen, reageert het met zuurstof en stikstof sneller en krachtiger en kan het zelfs explosief verbranden. Daarom vormt het een vreselijk brandgevaar als het op de opslagplaats door vlammen wordt geraakt..
Bij verbranding kan het vuur alleen worden geblust met grafiet of natriumchloride; nooit met water, althans in deze gevallen.
Evenzo moet hun contact met halogenen ten koste van alles worden vermeden; dat wil zeggen met enige gaslekkage van fluor of chloor, of interactie met de roodachtige vloeistof van broom of de vluchtige kristallen van jodium. Als dit gebeurt, vat het titanium vlam. Het mag ook niet in contact komen met sterke oxidatiemiddelen: permanganaten, chloraten, perchloraten, nitraten, enz..
Anders kunnen de blokken of legeringen niet meer risico's inhouden dan fysieke slagen, aangezien ze niet erg goede geleiders van warmte of elektriciteit zijn en aangenaam aanvoelen..
Als de fijn verdeelde vaste stof ontvlambaar is, moet het nog meer zijn dat deze bestaat uit titanium nanodeeltjes. De focus van deze subsectie ligt echter op de TiO-nanodeeltjestwee, die zijn gebruikt in eindeloze toepassingen waar ze hun witte kleur verdienen; zoals snoep en snoep.
Hoewel hun absorptie, distributie, uitscheiding of toxiciteit in het lichaam niet bekend is, bleken ze toxisch te zijn in studies met muizen. Ze toonden bijvoorbeeld aan dat het emfyseem en roodheid in hun longen veroorzaakt, evenals andere ademhalingsstoornissen in hun ontwikkeling..
Door extrapolatie van de muizen naar ons, wordt geconcludeerd dat ze TiO-nanodeeltjes adementwee het tast onze longen aan. Ze kunnen ook het hippocampusgebied van de hersenen veranderen. Bovendien sluit het Internationaal Agentschap voor Kankeronderzoek ze niet uit als mogelijke kankerverwekkende stoffen..
Praten over het gebruik van titanium verwijst noodzakelijkerwijs naar het samengestelde titaniumdioxide. De oomtwee in feite dekt het ongeveer 95% van alle toepassingen met betrekking tot dit metaal. De redenen: zijn witte kleur, het 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 kleuring nodig hebben; zoals tandpasta, medicijnen, snoep, papier, edelstenen, verf, plastic, enz..
De oomtwee kan ook worden gebruikt om films te maken om elk oppervlak te coaten, zoals glas of chirurgische instrumenten.
Door deze coatings te hebben, kan het water ze niet nat maken en loopt het erop, zoals regen op autoruiten zou doen. Gereedschappen met deze coatings kunnen bacteriën doden door UV-straling te absorberen.
Hondenurine of kauwgom kon door de werking van TiO niet hechten aan asfalt of cementtwee, wat de latere verwijdering ervan zou vergemakkelijken.
En tot slot met betrekking tot TiOtwee, het is een fotokatalysator die organische radicalen kan voortbrengen die echter worden geneutraliseerd door siliciumdioxide- of aluminiumoxidefilms in zonnebrandcrème. De witte kleur geeft al duidelijk aan dat het dit titaniumoxide moet hebben.
Titanium is een metaal met een aanzienlijke sterkte en hardheid in verhouding tot zijn lage dichtheid. Dit maakt het een substituut voor staal voor al die toepassingen waarbij hoge snelheden nodig zijn of grote spanwijdte-vliegtuigen worden ontworpen, zoals het A380-vliegtuig in de bovenstaande afbeelding..
Dat is de reden waarom dit metaal veel toepassingen heeft in de lucht- en ruimtevaartindustrie, omdat het bestand is tegen oxidatie, het is licht, sterk en de legeringen kunnen worden verbeterd met de exacte toevoegingen..
Niet alleen in de lucht- en ruimtevaartindustrie staan titanium en zijn legeringen centraal, maar ook in de sportindustrie. Dit komt omdat veel van hun gebruiksvoorwerpen licht van gewicht moeten zijn, zodat hun dragers, spelers of atleten ze kunnen hanteren zonder dat ze te zwaar aanvoelen..
Enkele van deze items zijn: fietsen, golf- of hockeysticks, voetbalhelmen, tennis- of badmintonrackets, schermzwaarden, schaatsen, ski's, onder anderen..
Evenzo, hoewel in veel mindere mate vanwege de hoge kosten, zijn titanium en zijn legeringen gebruikt in luxe- en sportwagens..
Gemalen titanium kan worden gemengd met bijvoorbeeld KClO4, en dienen als vuurwerk; die in feite zijn gemaakt door degenen die ze maken in pyrotechnische shows.
Titanium en zijn legeringen zijn de metalen materialen bij uitstek in biomedische toepassingen. Ze zijn biocompatibel, inert, sterk, moeilijk te oxideren, niet giftig en integreren naadloos met botten.
Dit maakt ze zeer geschikt voor orthopedische en tandheelkundige implantaten, voor kunstheup- en kniegewrichten, als schroeven om fracturen te fixeren, voor pacemakers of kunstharten..
De biologische rol van titanium is onzeker, en hoewel bekend is dat het zich in sommige planten kan ophopen en de groei van bepaalde landbouwgewassen (zoals tomaten) ten goede kan komen, zijn de mechanismen waarmee het ingrijpt onbekend..
Er wordt gezegd dat het de vorming van koolhydraten, enzymen en chlorofyl bevordert. Ze vermoeden dat het te wijten is aan een reactie van plantenorganismen om zichzelf te verdedigen tegen de lage biologisch beschikbare concentraties titanium, aangezien ze schadelijk voor hen zijn. De kwestie is echter nog in het duister.
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.