Titan

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Titan
 

22
Tu
 
        
        
                  
                  
                                
                                
  

scandiu ← titan → vanadiu

Aspect
Aspectul elementului
titan metalic
Generalitate
Numele, simbolul, numărul atomic titan, Ti, 22
Serie bloc metale d
Grup , punct , bloc 4 , 4 , d
Densitate 4 507 kg / m³
Duritate 6
Configurare electronică
Configurare electronică
Termen spectroscopic 3 F 2
Proprietăți atomice
Greutate atomica 47,867
Raza atomică (calc.) 140 pm
Raza covalentă 136 pm
Configurare electronică [ Ar ] 3d 2 4s 2
și - după nivelul de energie 2, 8, 10, 2
Stări de oxidare 4
Structură cristalină hexagonal
Proprietăți fizice
Stare a materiei solid
Punct de fuziune 1 941 K (1668 ° C )
Punct de fierbere 3 560 K (3 290 ° C)
Volumul molar 10,64 × 10 −6 m³ / mol
Entalpia vaporizării 421 kJ / mol
Căldura de fuziune 15,45 kJ / mol
Presiunea de vapori 0,49 Pa la 1.933 K.
Viteza sunetului 4 140 m / s la 293,15 K
Alte proprietăți
numar CAS 7440-32-6
Electronegativitate 1,54 ( scară Pauling )
Căldura specifică 520 J / (kg K)
Conductibilitate electrică 1.798 × 10 6 S / m [1]
Conductivitate termică 21,9 W / (m K)
Energia primei ionizări 658,8 kJ / mol
A doua energie de ionizare 1 309,8 kJ / mol
A treia energie de ionizare 2 652,5 kJ / mol
Energia celei de-a patra ionizări 4 174,6 kJ / mol
A cincea energie de ionizare 9 581 kJ / mol
Energia celei de-a șasea ionizări 11 533 kJ / mol
Energia celei de-a șaptea ionizări 13 590 kJ / mol
A opta energie de ionizare 16 440 kJ / mol
A noua energie de ionizare 18 530 kJ / mol
A zecea energie de ionizare 20 833 kJ / mol
Izotopi mai stabili
iso N / A TD DM DE DP
44 Ti sintetic 63 de ani s 0,268 44 Sc
46 Ti 8,0% Ti este stabil cu 24 de neutroni
47 Ti 7,3% Ti este stabil cu 25 de neutroni
48 Ti 73,8% Ti este stabil cu 26 de neutroni
49 Ti 5,5% Ti este stabil cu 27 de neutroni
50 Ti 5,4% Ti este stabil cu 28 de neutroni
iso: izotop
NA: abundență în natură
TD: timpul de înjumătățire
DM: modul de descompunere
DE: energia de descompunere în MeV
DP: produs de descompunere

Titanul este elementul chimic al tabelului periodic al elementelor care are ca simbol Ti și ca număr atomic 22. Este un metal al blocului d , ușor, rezistent, de culoare albă metalică, lucios, rezistent la coroziune . Titanul este utilizat în aliaje ușoare rezistente și în pigmenți albi; se găsește în numeroase minerale , în principal rutil și ilmenit . Titanul este netoxic și nu este esențial pentru nicio specie vie. [2]

fundal

Titanul (din latinescul Titanus , Titan , numele celui de-al doisprezecelea fiu al lui Gaea și Uranus [3] dintre titani) a fost descoperit în 1791 de reverendul, mineralogul și chimistul britanic William Gregor , identificându-l fără a-l izola în rocile ilmenite ale Cornwall; el l-a numit „menacanit”, de pe numele Văii Manaccan unde colectase probele de rocă.

În 1795, chimistul german Heinrich Klaproth [3] l-a izolat de mineralele rutilei , a dovedit că este același mineral ca W. Gregor și a botezat elementul cu numele titanilor din mitologia greacă . [3] titan pur metalic (99,9%) a fost preparat pentru prima dată în 1910 de către Noua Zeelandă inginerul Matthew Albert Hunter prin încălzirea TiCl4 cu sodiu la 700-800 ° C

Titanul metalic nu a fost folosit în afara laboratoarelor până în 1946, când inginerul luxemburghez William Justin Kroll a demonstrat că titanul poate fi produs comercial prin reducerea tetraclorurii de titan cu magneziu . Până în prezent, aceasta este cea mai utilizată metodă și se numește procesul Kroll .

Caracteristici

Titanul este un element metalic bine cunoscut pentru rezistența sa la coroziune , aproape egală cu cea a platinei și pentru raportul său de rezistență ridicat la greutate. Este ușor, dur, cu densitate redusă. În stare pură, este destul de ductil , strălucitor, de culoare alb metalizat. Cu toate acestea, aliajele de titan nu sunt ușor de prelucrat și dificultatea de prelucrare cu mașini-unelte este comparabilă cu cea a oțelului inoxidabil , cel mai dificil de prelucrat prin îndepărtarea așchilor. Punctul de topire relativ ridicat al acestui element îl face util ca metal refractar . Titanul este la fel de puternic ca oțelul, în timp ce este cu 40% mai ușor, cântărind cu 60% mai mult decât aluminiul cu rezistență dublă. Aceste proprietăți fac ca titanul să fie foarte rezistent la formele obișnuite de oboseală a metalelor.

Acest metal formează o patină de oxid pasiv atunci când este expus la aer la temperatura camerei și atunci când într-o atmosferă fără oxigen este foarte ductil. Titanul arde atunci când este încălzit în aer sau într-o atmosferă de azot , reacționând, de asemenea, cu hidrogen și halogeni. Titanul este rezistent la acidul sulfuric și acidul clorhidric diluate, precum și la clor gazos, soluții de clorură , majoritatea acizilor carboxilici și alcalii apoși fierbinți.

Experimentele au arătat că titanul natural devine extrem de radioactiv atunci când este bombardat cu nuclee de deuteriu , emitând în principal raze pozitronice și gamma . Metalul este dimorf cu o formă hexagonală alfa care devine beta-cubică foarte lent, la o temperatură de aproximativ 880 ° C. Când atinge culoarea roșie, titanul se combină cu oxigenul și când atinge 550 ° C se combină cu clorul.

Izotopi

Titanul natural este compus din cinci izotopi stabili; 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti și 50 Ti, dintre acești 48 Ti este cel mai abundent (73,8%). Au fost produse unsprezece radioizotopi , dintre care cei mai stabili sunt 44 Ti cu un timp de înjumătățire de 63 de ani, 45 Ti are un timp de înjumătățire de 184,8 minute, 51 Ti de 5,76 minute și 52 Ti de 1,7 minute. Toți izotopii radioactivi rămași au perioade de înjumătățire mai mici de 33 de secunde, iar cele mai multe dintre acestea au timp de înjumătățire mai mic de jumătate de secundă.

Izotopii titanului variază în greutate atomică de la 39,99 ( 40 Ti) la 57,966 ( 58 Ti). Modul primar de descompunere înainte de cel mai abundent izotop stabil este captarea electronilor , modul primar după cel mai răspândit izotop este emisia beta . Produsele de descompunere înainte de 48 Ti sunt izotopi de scandiu, iar produsele primare după 48 Ti sunt izotopi de vanadiu .

Disponibilitate

Titanul este al nouălea cel mai abundent element din scoarța terestră (0,6% din masă), nu se găsește liber în natură și este prezent în multe roci magmatice și în sedimentele care provin din acestea. Se găsește în principal în următoarele minerale: anatază , brookit , ilmenit , leucoxen , perovskit , rutil și titanit , precum și titanate și multe minereuri de fier. Dintre aceste minerale doar ilmenitul, leucoxenul și rutilul au o importanță economică semnificativă. Zăcăminte semnificative de minereuri de titan se găsesc în Australia , Scandinavia , America de Nord , Malaezia și în Parcul Natural Regional Beigua din Liguria .

Deoarece titanul metalic poate arde într-o atmosferă de azot pur [4] și reacționează ușor cu oxigenul și carbonul la temperaturi ridicate, este dificil să se prepare titanul metalic pur. Metalul se găsește în meteoriți și a fost urmărit până la Soare și stele de tip M. Rocile aduse de pe Lună în timpul misiunii Apollo 17 au fost formate din 12,1% TiO 2 . Titanul se găsește și în cenușa de cărbune, în plante și chiar în corpul uman.

Producție

O bară de titan ultra-pură (99,995%) obținută prin procesul van Arkel-de Boer . Bara cântărește aprox 283 g , are o lungime de 14 cm și un diametru de 25 mm

Primul proces comercial de producție a titanului a fost procesul van Arkel-de Boer . În schimb, astăzi titanul se obține prin reducerea TiCl 4 cu magneziu , un proces dezvoltat în 1946 de William Justin Kroll , sau cu procesul Hunter, care este similar cu procesul Kroll, dar realizat cu sodiu metalic. Acest proces este complicat și costisitor, dar un proces nou, numit metoda „FFC-Cambridge”, l-ar putea înlocui. Această nouă metodă folosește pulbere de dioxid de titan, o formă rafinată de rutil, ca material de bază pentru a obține produsul final, un flux continuu de titan topit adecvat pentru utilizare imediată în fabricarea aliajelor.

Se speră că metoda FFC-Cambridge va face din titan un material mai puțin rar și mai scump pentru industria aerospațială și piața produselor de lux și că va fi utilizat în multe produse fabricate în prezent cu aluminiu sau oțeluri speciale.

Aplicații

Un ceas cu carcasă din titan
Fațada Muzeului Guggenheim , din Bilbao , acoperită cu panouri din titan

Aproximativ 95% din titan este consumat sub formă de dioxid de titan (TiO 2 ) în vopsele , hârtie și cimenturi pentru a le face mai luminoase și în materiale plastice . Vopselele realizate cu dioxid de titan reflectă foarte bine radiațiile infraroșii și, prin urmare, sunt utilizate pe scară largă de astronomi.

Datorită rezistenței lor mecanice și coroziunii, greutății ușoare și capacității de a rezista la temperaturi extreme, aliajele de titan sunt utilizate în principal în industria aeronautică și aerospațială, deși utilizarea lor în produse de larg consum, cum ar fi cluburi de golf , biciclete, componente pentru motociclete și laptopuri devine din ce în ce mai mare și mai frecvente. Titanul este adesea aliat cu aluminiu , fier , mangan , molibden și alte metale.

Carbură de titan (TiC; greutate specifică 4,93; punct de topire 2 940 ° C) nitrură de titan (TiN; greutate specifică 5,40; punct de topire 2 960 ° C) și mai recent, derivatul carbonitrurii (Ti 10 C 7 N 3 ; greutate specifică 5,02 ; punctul de topire 3 520 ° C) sunt compuși foarte refractari, inerți în condiții comune de temperatură și rezistenți la atacul majorității acizilor minerali și a alcalinilor.

Din aceste motive, acestea sunt utilizate în construcția de scule și mașini care au piese destinate viteze mari cu frecare, în căptușeala creuzetelor pentru a conține acizi sau baze foarte puternice și componente ale rachetelor supuse uzurii termice, de exemplu duze.

Alte utilizări:

  • Datorită rezistenței sale excelente la apa de mare și soluțiilor saline în general, este utilizată pentru fabricarea pieselor motoarelor marine și foarte adesea și la fabricarea carcasei de ceas;
  • O utilizare tehnologică foarte importantă, legată de rezistența sa la soluții saline, este ca material metalic pentru contactul cu fluide cu o concentrație mare de sare în instalațiile de desalinizare a apei de mare ;
  • Este folosit pentru a produce pietre artificiale relativ moi;
  • Tetraclorura de titan (TiCl 4 ), un lichid incolor, este utilizată pentru obținerea irizării sticlei și este, de asemenea, utilizată pentru fabricarea bombelor de fum, deoarece emite un fum gros în aerul umed;
  • Pe lângă faptul că este un pigment important, dioxidul de titan este utilizat în produsele de protecție solară datorită capacității sale de a proteja pielea;
  • Are proprietatea de a fi biocompatibil , deoarece stratul de oxid care se formează la suprafață este un suport valid de care aderă țesuturile biologice, în special cel osos. Din acest motiv, titanul CP4 pur și aliajul pe bază de titan Ti6Al4V sunt utilizate în componentele protetice de șold și genunchi, pentru fabricarea clemelor chirurgicale de sutură permanentă și în stomatologie pentru fabricarea implanturilor dentare [5] . Cu toate acestea, având în vedere coeficientul ridicat de frecare, acesta nu este folosit niciodată ca component al articulației articulare;
  • Inertitatea și colorarea atractivă îl fac un metal popular pentru utilizarea în piercing-uri .
  • Titanul este folosit pentru lentilele de ochelari;
  • Carbura și nitrura de titan (TiC și TiN) sunt utilizate la fabricarea inserțiilor pentru scule adecvate pentru tăierea metalelor de mare viteză, adică așa-numitele inserții „metal dur”. În special, carbura de titan este utilizată, împreună cu carbura de tungsten (WC), cobaltul și alte carburi ( carbura de niobiu și carbura de tantal ) pentru a face corpul inserțiilor, în timp ce nitrura de titan este utilizată pentru acoperirea suprafeței.
  • Aluminura de titan , datorită tenacității sale la temperaturi ridicate, ușurinței și rezistenței la oxidare, încet începe să înlocuiască superaliajele pe bază de nichel în producerea lamelor utilizate în turbine cu motor aeronautic;
  • Prin trecerea unui curent electric prin straturi subțiri de nitrură de titan la o temperatură foarte scăzută, apare un fenomen numit superizolație ;
  • În unele ocazii a fost folosit pentru fabricarea stilourilor. În 1970, în urma aterizării pe Lună, Parker a produs pe scurt T-1, un stilou stilografic din titan, în omagiu pentru materialele utilizate în misiunea spațială. În 2000, producătorul italian Omas a produs o serie de stilouri stilou clasic cu douăsprezece fețe, „arta italiană”, în întregime în titan, atât corpul, cât și penita. Seria s-a numit T-2 și a fost comercializată doar pentru o perioadă scurtă de timp.

Compuși

Titanul formează numeroase complexe în special cu numărul de oxidare +4, maximul pentru grupa IV; sunt toți compuși diamagnetici sau complexe și cel mai comun număr de coordonare pentru Ti este 6.

Principalele sunt TiO 2 oxid și Tix 4 halogenuri (X = F, CI, Br, I). Dintre acestea, TiCI4 și TiBr 4 sunt importanți acizi Lewis , care se pretează bine la a fi utilizate drept catalizatori în sinteza organică . De asemenea, este cunoscută nitrura de TiN, care este foarte dură și aproape inertă, cu un punct de topire de 2950 ° C.

Formează compuși sau complexe cu număr de oxidare +3 și, de asemenea, +2 care se oxidează ușor în aer, în special pe al doilea. De asemenea, formează complexe cu numărul de oxidare formal 0, de exemplu un carbonil metalic în care Ti este complexat de 6 molecule de monoxid de carbon care nu respectă regula 18 electroni (formal 16 e), care poate fi redusă la ion [Ti ( CO) 6 ] 2- (formal 18 e) în care numărul formal de oxidare a Ti este -2.

Oxizii pot fi obținuți prin reacția directă a metalului cu oxigenul la o temperatură ridicată. Halogenurile se formează în principal prin acțiunea unui halogen asupra dioxidului de titan, au un comportament acid Lewis pentru a forma complexe de halogen.

Există depozite de TiO 2 cristalin în natură, care ia nume diferite în funcție de structura cristalină pe care o prezintă ( rutil, anatază ...). Alte minerale din titan sunt ilmenit (titanat de fier, FeTiO 2 ) și titanit (titanat de calciu, CaTiO 2 )

Dioxid de titan

Cunoscută și sub titania în domeniul ceramicii sau mineralogiei. Unele forme cristaline ( polimorfe ) sunt rutilul și anataza . Deși metalul de titan este relativ neobișnuit din cauza costurilor miniere, dioxidul de titan este ieftin, ușor disponibil în cantități mari și utilizat pe scară largă în industrie ca pigment alb în vopsele, materiale plastice și beton pentru construcții. Pulberea de TiO 2 este inertă chimic, nu se estompează cu lumina soarelui și este foarte opacă; aceasta îi permite să confere o culoare albă strălucitoare substanțelor chimice gri sau maro care formează materiale plastice utilizate în mod obișnuit.

Dioxidul de titan pur are un indice de refracție foarte mare și o dispersie optică mai mare decât diamantul . Safirele și rubinele își iau asterismul din dioxidul de titan prezent în ele.

Precauții

Pulberea metalică de titan este foarte inflamabilă. Sărurile de titan sunt adesea considerate relativ inofensive. Compușii cu clor, cum ar fi TiCl3 și TiCI4, sunt corozive și în contact cu acizii pot elibera HCl; tetraclorură, de asemenea, în contact cu apa. Mai mult, titanul are tendința de bioacumulare în țesuturi care conțin silice [ fără sursă ] , dar nu joacă niciun rol cunoscut la om. În stare gazoasă, ca și în cazul tăierii cu plasmă a metalelor, este toxic dacă este inhalat.

Citate literare

Notă

  1. ^ NDT Education, Iowa State University ( PDF ), la nde-ed.org .
  2. ^ Zierden și Valentine 2016 .
  3. ^ a b c Treccani.it - ​​titan
  4. ^ NN Greenwood și A. Earnshaw, Titan, Zirconium și Hafnium , în Chimia elementelor , ediția a II-a, Butterworth-Heinemann, 1997, p. 958, ISBN 0750633654 .
  5. ^ (EN) Oshida Y, Tuna EB, Aktören O, K Gençay, Dental implant systems , în Int J Mol Sci, vol. 11, n. 4, MDPI, 12 aprilie 2010, pp. 1580-1678, DOI : 10.3390 / ijms11041580 , PMID 20480036 , PMC 2871132 .

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 23638 · LCCN (EN) sh85135605 · GND (DE) 4140648-5 · BNF (FR) cb119375205 (dată) · BNE (ES) XX531321 (dată) · NDL (EN, JA) 00.573.109
Chimie Portalul chimiei : portalul științei compoziției, proprietăților și transformărilor materiei