Tytan - Titanium

Tytan,  ₂₂ Ti

Tytan
Wymowa
Wygląd zewnętrzny	srebrzystoszaro-biały metalik
Średnia masa atomowa R STD (Ti)	47.867(1)
Tytan w układzie okresowym
Wodór Hel Lit Beryl Bor Węgiel Azot Tlen Fluor Neon Sód Magnez Aluminium Krzem Fosfor Siarka Chlor Argon Potas Wapń Skand Tytan Wanad Chrom Mangan Żelazo Kobalt Nikiel Miedź Cynk Gal German Arsen Selen Brom Krypton Rubid Stront Itr Cyrkon Niob molibden Technet Ruten Rod Paladium Srebro Kadm Ind Cyna Antymon Tellur Jod Ksenon Cez Bar Lantan Cer Prazeodym Neodym promet Samar Europ Gadolin Terb Dysproz Holmium Erb Tul Iterb Lutet Hafn Tantal Wolfram Ren Osm Iryd Platyna Złoto Rtęć (pierwiastek) Tal Ołów Bizmut Polon Astatin Radon Francium Rad Aktyn Tor Protaktyn Uran Neptun Pluton Ameryk Kiur Berkel Kaliforn Einsteina Ferm Mendelew Nobel Wawrzyńca Rutherford Dubniu Seaborgium Bohrium Hass Meitnerium Darmsztadt Rentgen Kopernik Nihon Flerow Moskwa Livermorium Tennessine Oganesson – ↑ Ti ↓ Zr skand ← tytan → wanad
Liczba atomowa ( Z )	22
Grupa	grupa 4
Okres	okres 4
Blok	d-blok
Konfiguracja elektronów	[ Ar ] 3d 2 4s 2
Elektrony na powłokę	2, 8, 10, 2
Właściwości fizyczne
Faza w  STP	solidny
Temperatura topnienia	1941  K (1668 ° C, 3034 ° F)
Temperatura wrzenia	3560 K (3287 ° C, 5949 ° F)
Gęstość (w pobliżu  rt )	4,506 g/cm 3
w stanie ciekłym (przy  mp )	4,11 g / cm 3
Ciepło stapiania	14,15  kJ/mol
Ciepło parowania	425 kJ/mol
Molowa pojemność cieplna	25,060 J/(mol·K)
Ciśnienie pary P  (Pa) 1 10 100 1 tys 10 tys 100 tys w  T  (K) 1982 2171 (2403) 2692 3064 3558
Właściwości atomowe
Stany utleniania	−2, −1, 0, +1, +2 , +3 , +4 (  tlenek amfoteryczny )
Elektroujemność	Skala Paulinga: 1,54
Energie jonizacji
Promień atomowy	empiryczny: 147  pm
Promień kowalencyjny	160±8 pm
Linie widmowe tytanu
Inne właściwości
Naturalne występowanie	pierwotny
Struktura krystaliczna	sześciokątny gęstego upakowania (HCP)
Prędkość dźwięku cienki pręt	5090 m/s (w temperaturze  pokojowej )
Rozszerzalność termiczna	8,6 µm/(m⋅K) (przy 25 °C)
Przewodność cieplna	21,9 W/(m⋅K)
Rezystancja	420 nΩ⋅m (przy 20 °C)
Zamawianie magnetyczne	paramagnetyczny
Molowa podatność magnetyczna	+153,0 × 10 -6  cm 3 /mol (293 K)
Moduł Younga	116 GPa
Moduł ścinania	44 GPa
Moduł objętościowy	110 GPa
Współczynnik Poissona	0,32
Twardość Mohsa	6,0
Twardość Vickersa	830–3420 MPa
Twardość Brinella	716–2770 MPa
Numer CAS	7440-32-6
Historia
Odkrycie	Wilhelm Gregor (1791)
Pierwsza izolacja	Jöns Jakob Berzelius (1825)
Nazwany przez	Martin Heinrich Klaproth (1795)
Główne izotopy tytanu
Izotop Obfitość Okres półtrwania ( t 1/2 ) Tryb zaniku Produkt 44 Ti syn 63 lata ε 44 Sc γ – 46 Ti 8,25% stabilny 47 Ti 7,44% stabilny 48 Ti 73,72% stabilny 49 Ti 5,41% stabilny 50 Ti 5,18% stabilny
Kategoria: Tytan pogląd rozmowa edytować | Bibliografia

Tytan to pierwiastek chemiczny o symbolu Ti i liczbie atomowej 22. Jego masa atomowa to 47,867 mierzona w daltonach . Jest to błyszczący metal przejściowy o srebrnym kolorze, niskiej gęstości i wysokiej wytrzymałości, odporny na korozję w wodzie morskiej , wodzie królewskiej i chlorze .

Titanium została odkryta w Cornwall , Wielkiej Brytanii przez Williama Gregora w 1791 roku i został nazwany przez Martin Heinrich Klaproth po tytanów z mitologii greckiej . Pierwiastek ten występuje w szeregu złóż mineralnych , głównie rutylu i ilmenitu , które są szeroko rozpowszechnione w skorupie ziemskiej i litosferze ; znajduje się w prawie wszystkich żywych organizmach, a także w zbiornikach wodnych, skałach i glebach. Metal jest wydobywany z głównych rud mineralnych w procesach Kroll i Hunter . Najpopularniejszy związek, dwutlenek tytanu , jest popularnym fotokatalizatorem i jest używany do produkcji białych pigmentów. Inne związki obejmują czterochlorek tytanu (TiCU ₄ ), składnik ekranów dymu i katalizatorów ; i trójchlorek tytanu (TiCU ₃ ), który jest stosowany jako katalizator w produkcji polipropylenu .

Tytan może być stapiany m.in. z żelazem , aluminium , wanadem i molibdenem w celu uzyskania mocnych, lekkich stopów dla przemysłu lotniczego ( silniki odrzutowe , rakiety i statki kosmiczne ), wojska, procesów przemysłowych (chemikalia i petrochemia, zakłady odsalania , celuloza, i papier), motoryzacja, rolnictwo (rolnictwo), protezy medyczne , implanty ortopedyczne , instrumenty i pilniki dentystyczne i endodontyczne, implanty dentystyczne , artykuły sportowe, biżuteria, telefony komórkowe i inne zastosowania.

Dwie najbardziej użyteczne właściwości metalu to odporność na korozję i stosunek wytrzymałości do gęstości, najwyższy ze wszystkich pierwiastków metalicznych. W stanie niestopowym tytan jest tak samo wytrzymały jak niektóre stale , ale mniej gęsty. Istnieją dwie formy alotropowe i pięć naturalnie występujących izotopów tego pierwiastka, ⁴⁶ Ti do ⁵⁰ Ti, z których ⁴⁸ Ti jest najliczniejsze (73,8%). Chociaż tytan i cyrkon mają taką samą liczbę elektronów walencyjnych i należą do tej samej grupy w układzie okresowym , różnią się one wieloma właściwościami chemicznymi i fizycznymi.

Charakterystyka

Właściwości fizyczne

Jako metal , tytan jest znany ze swojego wysokiego stosunku wytrzymałości do masy . Jest to silny metalu o małej gęstości , który jest bardzo ciągliwy (zwłaszcza w tlen -FREE środowisko), lśniące i metaliczny białe w kolorze . Stosunkowo wysoka temperatura topnienia (ponad 1650 °C lub 3000 °F) czyni go użytecznym jako metal ogniotrwały . Jest paramagnetyczny i ma dość niską przewodność elektryczną i cieplną w porównaniu z innymi metalami. Tytan jest nadprzewodnikiem po schłodzeniu poniżej swojej krytycznej temperatury 0,49 K.

Komercyjnie czyste (99,2% czyste) gatunki tytanu mają ostateczną wytrzymałość na rozciąganie około 434 MPa (63 000 psi ), równą wytrzymałości zwykłych niskogatunkowych stopów stali, ale są mniej gęste. Tytan jest o 60% gęstszy niż aluminium, ale ponad dwa razy mocniejszy niż najczęściej stosowany stop aluminium 6061-T6 . Niektóre stopy tytanu (np. Beta C ) osiągają wytrzymałość na rozciąganie powyżej 1400 MPa (200 000 psi). Jednak tytan traci wytrzymałość po podgrzaniu powyżej 430°C (806°F).

Tytan nie jest tak twardy jak niektóre gatunki stali poddanej obróbce cieplnej; jest niemagnetyczny i słabym przewodnikiem ciepła i elektryczności. Obróbka wymaga środków ostrożności, ponieważ materiał może się zacierać, jeśli nie zostaną użyte ostre narzędzia i odpowiednie metody chłodzenia. Podobnie jak konstrukcje stalowe, te wykonane z tytanu mają granicę zmęczeniową, która w niektórych zastosowaniach gwarantuje długowieczność.

Metal jest dimorficznym allotropem heksagonalnej postaci α, która zmienia się w sześcienną (sieciową) postać β w 882°C (1620 °F). Ciepło zwiększa formy α dramatycznie ogrzewa się go do tej temperatury przejścia ale spada i pozostaje na stałym poziomie w postaci p, niezależnie od temperatury.

Właściwości chemiczne

Podobnie jak aluminium i magnez , powierzchnia metalicznego tytanu i jego stopów utlenia się natychmiast po wystawieniu na działanie powietrza, tworząc cienką, nieporowatą warstwę pasywacyjną , która chroni metal w masie przed dalszym utlenianiem lub korozją. Kiedy tworzy się po raz pierwszy, ta warstwa ochronna ma grubość zaledwie 1–2 nm, ale nadal rośnie powoli, osiągając grubość 25 nm w ciągu czterech lat. Warstwa ta nadaje tytanowi doskonałą odporność na korozję, prawie równoważną platynie .

Tytan jest w stanie wytrzymać atak rozcieńczonych kwasów siarkowego i chlorowodorowego , roztworów chlorków i większości kwasów organicznych. Jednak tytan jest korodowany przez stężone kwasy. Jak wskazuje jego ujemny potencjał redoks, tytan jest termodynamicznie bardzo reaktywnym metalem, który spala się w normalnej atmosferze w temperaturach niższych niż temperatura topnienia. Topienie jest możliwe tylko w atmosferze obojętnej lub w próżni. W temperaturze 550 ° C (1022 ° F) łączy się z chlorem. Reaguje również z innymi halogenami i pochłania wodór.

Tytan łatwo reaguje z tlenem w temperaturze 1200 °C (2190 °F) w powietrzu i w temperaturze 610 °C (1130 °F) w czystym tlenie, tworząc dwutlenek tytanu . Tytan jest jednym z niewielu pierwiastków, które spalają się w czystym gazowym azocie, reagując w temperaturze 800°C (1470 °F) tworząc azotek tytanu , który powoduje kruchość. Ze względu na wysoką reaktywność z tlenem, azotem i wieloma innymi gazami, tytan odparowywany z włókien stanowi podstawę tytanowych pomp sublimacyjnych , w których tytan służy jako zmiatacz tych gazów, wiążąc się z nimi chemicznie. Takie pompy niedrogo wytwarzają ekstremalnie niskie ciśnienia w systemach ultrawysokiej próżni .

Występowanie

Tytan jest dziewiątym najbardziej obficie element Ziemi skorupy „S (0,63% w masie ) i siódmego najobficiej metali. Jest obecny w postaci tlenków w większości skał magmowych , w osadach z nich pochodzących, w organizmach żywych i naturalnych zbiornikach wodnych. Spośród 801 typów skał magmowych przeanalizowanych przez US Geological Survey 784 zawierało tytan. Jego udział w glebach wynosi około 0,5 do 1,5%.

Powszechnymi minerałami zawierającymi tytan są anataz , brukit , ilmenit , perowskit , rutyl i tytanit (sfen). Akaogiite to niezwykle rzadki minerał składający się z dwutlenku tytanu. Spośród tych minerałów tylko rutyl i ilmenit mają znaczenie gospodarcze, ale nawet one są trudne do znalezienia w wysokich stężeniach. W 2011 roku wydobyto odpowiednio około 6,0 i 0,7 mln ton tych kopalin. Znaczące złoża ilmenitu zawierającego tytan występują w zachodniej Australii , Kanadzie , Chinach , Indiach , Mozambiku , Nowej Zelandii , Norwegii , Sierra Leone , RPA i na Ukrainie . W 2011 roku wyprodukowano około 186 000 ton metalowej gąbki tytanowej , głównie w Chinach (60 000 t), Japonii (56 000 t), Rosji (40 000 t), Stanach Zjednoczonych (32 000 t) i Kazachstanie (20 700 t). Szacuje się, że całkowite rezerwy tytanu przekraczają 600 mln ton.

2011 produkcja rutylu i ilmenitu

Kraj	tysięcy ton	% całości
Australia	1300	19,4
Afryka Południowa	1160	17,3
Kanada	700	10,4
Indie	574	8,6
Mozambik	516	7,7
Chiny	500	7,5
Wietnam	490	7,3
Ukraina	357	5,3
Świat	6700	100

Stężenie tytanu w oceanie wynosi około 4 pikomoli. Szacuje się, że w temperaturze 100°C stężenie tytanu w wodzie jest mniejsze niż ^10-7 M przy pH 7. Tożsamość form tytanu w roztworze wodnym pozostaje nieznana ze względu na jego niską rozpuszczalność i brak czułych metod spektroskopowych, chociaż tylko stopień utlenienia 4+ jest stabilny w powietrzu. Nie ma dowodów na rolę biologiczną, chociaż wiadomo, że rzadkie organizmy gromadzą tytan w wysokich stężeniach.

Tytan jest zawarty w meteorytach i został wykryty na Słońcu oraz w gwiazdach typu M (najfajniejszy typ) o temperaturze powierzchni 3200 °C (5790 °F). Skały przywiezione z Księżyca podczas misji Apollo 17 składają się z 12,1% TiO ₂ . Tytan rodzimy (czysty metaliczny) jest bardzo rzadki.

Izotopy

Naturalnie występujący tytan składa się z pięciu stabilnych izotopów : ⁴⁶ Ti, ⁴⁷ Ti, ⁴⁸ Ti, ⁴⁹ Ti i ⁵⁰ Ti, przy czym ⁴⁸ Ti jest najliczniejsze (73,8% naturalnej liczebności ). Scharakteryzowano co najmniej 21 radioizotopów , z których najbardziej stabilne to ⁴⁴ Ti o okresie półtrwania 63 lata; ⁴⁵ Ti, 184,8 minuty; ⁵¹ Ti, 5,76 minuty; i ⁵² Ti, 1,7 minuty. Wszystkie inne izotopy promieniotwórcze mają okres półtrwania krótszy niż 33 sekundy, a większość mniej niż pół sekundy.

Izotopy tytanu mają masę atomową od 39,002 u ( ³⁹ Ti) do 63,999 u ( ⁶⁴ Ti). Pierwotnym trybem rozpadu dla izotopów lżejszych niż ⁴⁶ Ti jest emisja pozytonów (z wyjątkiem ⁴⁴ Ti, który ulega wychwytowi elektronów ), prowadzącym do izotopów skandu , a trybem podstawowym dla izotopów cięższych niż ⁵⁰ Ti to emisja beta , prowadząca do izotopów wanad .

Tytan staje się radioaktywny po zbombardowaniu deuteronami , emitując głównie pozytony i twarde promienie gamma .

Związki

Stan utlenienia +4 dominuje w chemii tytanu, ale związki na stopniu utlenienia +3 są również powszechne. Zwykle tytan przyjmuje w swoich kompleksach ośmiościenną geometrię koordynacyjną , ale tetraedryczny TiCl ₄ jest godnym uwagi wyjątkiem. Ze względu na wysoki stopień utlenienia związki tytanu(IV) wykazują wysoki stopień wiązania kowalencyjnego .

Tlenki, siarczki i alkoholany

Najważniejszym tlenkiem jest TiO ₂ , który występuje w trzech ważnych odmianach polimorficznych ; anataz , brukit i rutyl . Wszystkie one są białymi diamagnetycznymi ciałami stałymi, chociaż próbki minerałów mogą wydawać się ciemne (patrz rutyl ). Przyjmują struktury polimerowe, w których Ti jest otoczony sześcioma ligandami tlenkowymi, które łączą się z innymi centrami Ti.

Określenie tytaniany zazwyczaj odnosi się do tytanu (IV), związki reprezentowane przez tytanian baru (BaTiO ₃ ). Dzięki strukturze perowskitu materiał ten wykazuje właściwości piezoelektryczne i jest wykorzystywany jako przetwornik w przemianie dźwięku i elektryczności . Wiele minerałów to tytaniany, np. ilmenit (FeTiO ₃ ). Gwiaździste szafiry i rubiny uzyskują swój asteryzm (połysk gwiazdotwórczy) dzięki obecności zanieczyszczeń w postaci dwutlenku tytanu.

Różnorodność zredukowanych tlenków ( suboxides są znane) tytanu, przede wszystkim zmniejszona stechiometrie z dwutlenku tytanu otrzymane przez natryskiwanie plazmy atmosferycznej . Ti ₃ O ₅ , opisany jako Ti(IV)-Ti(III), jest purpurowym półprzewodnikiem wytwarzanym przez redukcję TiO ₂ wodorem w wysokich temperaturach i jest stosowany przemysłowo, gdy powierzchnie muszą być pokryte parą dwutlenkiem tytanu : odparowuje jako czysty TiO, natomiast TiO ₂ odparowuje jako mieszanina tlenków i powłok osadowych o zmiennym współczynniku załamania. Znany jest również Ti ₂ O ₃ o strukturze korundu oraz TiO o strukturze soli kamiennej, choć często niestechiometrycznej.

Do alkoholanów tytanu (IV), otrzymanego przez reakcję TiCU ₄ z alkoholami, są bezbarwnymi związkami, które przekształcają się w dwutlenek w wyniku reakcji z wodą. Są one przydatne przemysłowo do osadzania stałego TiO _{2 w} procesie zol-żel . Izopropanolan tytanu jest stosowany w syntezie chiralnych związków organicznych poprzez epoksydację Sharplessa .

Tytan tworzy różne siarczki, ale tylko TiS ₂ wzbudził duże zainteresowanie. Przyjmuje strukturę warstwową i był używany jako katoda w rozwoju baterii litowych . Ponieważ Ti(IV) jest „twardym kationem” , siarczki tytanu są nietrwałe i mają tendencję do hydrolizy do tlenku z uwolnieniem siarkowodoru.

Azotki i węgliki

Azotek tytanu (TiN) należy do rodziny ogniotrwałych azotków metali przejściowych i wykazuje właściwości podobne do obu związków kowalencyjnych, w tym stabilność termodynamiczną, ekstremalną twardość, przewodnictwo cieplne/elektryczne oraz wysoką temperaturę topnienia. TiN ma twardość odpowiadającą szafirowi i karborundowi (9,0 w skali Mohsa ) i jest często używany do powlekania narzędzi skrawających, takich jak wiertła . Jest również stosowany jako wykończenie dekoracyjne w kolorze złotym oraz jako metal barierowy w produkcji półprzewodników . Węglik tytanu , który jest również bardzo twardy, znajduje się w narzędziach skrawających i powłokach.

Halogenki

Tetrachlorek tytanu (chlorku tytanu (IV), w TiCl ₄ ) jest bezbarwną ciecz lotna (próbki handlowe są żółtawy), że w powietrzu, hydrolizuje się prostopadłym emisji białych chmury. W procesie Kroll TiCl ₄ jest używany do konwersji rud tytanu na tytan metaliczny. Tetrachlorek tytanu jest również używany do wytwarzania dwutlenku tytanu, np. do stosowania w białej farbie. Jest szeroko stosowany w chemii organicznej jako kwas Lewisa , na przykład w kondensacji aldolowej Mukaiyamy . W van Arkel-de Boer procesu , tytanu tetrajodek (T.ll ₄ ) jest wytwarzana w produkcji wysokiej czystości tytanu metalicznego.

Tytan(III) i tytan(II) również tworzą stabilne chlorki. Godnym uwagi przykładem jest chlorek tytanu (III), (TiCl ₃ ), który jest stosowany jako katalizator w produkcji poliolefin (patrz katalizator Zieglera-Natty ) i redukującego środka w chemii organicznej.

Kompleksy metaloorganiczne

Ze względu na ważną rolę związków tytanu jako katalizatora polimeryzacji intensywnie badano związki z wiązaniami Ti-C. Najbardziej powszechnym kompleksem tytanoorganicznym jest dichlorek tytanocenu ((C ₅ H ₅ ) ₂ TiCl ₂ ). Pokrewne związki obejmują odczynnik Tebbego i odczynnik Petasis . Tytan tworzy kompleksy karbonylowe , np. (C ₅ H ₅ ) ₂ Ti(CO) ₂ .

Badania terapii przeciwnowotworowej

Po sukcesie chemioterapii opartej na platynie , kompleksy tytanu(IV) były jednymi z pierwszych związków nieplatynowych testowanych pod kątem leczenia raka. Zaletą związków tytanu jest ich wysoka skuteczność i niska toksyczność in vivo . W środowiskach biologicznych hydroliza prowadzi do powstania bezpiecznego i obojętnego dwutlenku tytanu. Pomimo tych zalet, pierwsze związki kandydujące nie przeszły prób klinicznych ze względu na niewystarczający stosunek skuteczności do toksyczności i komplikacje związane z formułowaniem. Dalszy rozwój zaowocował stworzeniem potencjalnie skutecznych, selektywnych i stabilnych leków na bazie tytanu.

Historia

Titanium została odkryta w 1791 roku przez duchownego i amatorskiego geologa Williama Gregora jako integracji z minerału w Kornwalii w Wielkiej Brytanii. Gregor rozpoznał obecność nowego pierwiastka w ilmenicie, gdy znalazł nad strumieniem czarny piasek i zauważył, że piasek jest przyciągany przez magnes . Analizując piasek, ustalił obecność dwóch tlenków metali: tlenku żelaza (wyjaśniającego przyciąganie magnesu) i 45,25% białego tlenku metalicznego, którego nie był w stanie zidentyfikować. Zdając sobie sprawę, że niezidentyfikowany tlenek zawiera metal, który nie pasuje do żadnego znanego pierwiastka, Gregor zgłosił swoje odkrycia Królewskiemu Towarzystwu Geologicznemu Kornwalii oraz w niemieckim czasopiśmie naukowym Crell's Annalen .

Mniej więcej w tym samym czasie Franz-Joseph Müller von Reichenstein wyprodukował podobną substancję, ale nie potrafił jej zidentyfikować. Tlenek został samodzielnie odkryty w 1795 r. przez pruskiego chemika Martina Heinricha Klaprotha w rutylu z Boinik (niemiecka nazwa Bajmócska), wsi na Węgrzech (obecnie Bojničky na Słowacji). Klaproth odkrył, że zawiera ona nowy pierwiastek i nazwał go od Tytanów z greckiej mitologii . Po usłyszeniu o wcześniejszym odkryciu Gregora uzyskał próbkę manakkanitu i potwierdził, że zawiera ona tytan.

Obecnie znane procesy ekstrakcji tytanu z jego różnych rud są pracochłonne i kosztowne; nie jest możliwe redukowanie rudy przez ogrzewanie z węglem (jak przy wytopie żelaza), ponieważ tytan łączy się z węglem, tworząc węglik tytanu . Czystego metalicznego tytanu (99,9%) po raz pierwszy wytwarzać w 1910 Matthew A. Hunter w Rensselaer Polytechnic Institute przez ogrzewanie TiCU ₄ z sodem w 700-800 ° C pod dużym ciśnieniem w procesie okresowym zwanym procesie Huntera . Tytan nie stosowano poza laboratorium do 1932 przy William Justin Kroll wytwarza się przez redukcję tetrachlorku tytanu (TiCU ₄ ), z wapniem . Osiem lat później udoskonalił ten proces magnezem i sodem w procesie znanym jako proces Krolla . Chociaż badania wciąż poszukują tańszych i wydajniejszych procesów (np. FFC Cambridge , Armstrong ), proces Kroll jest nadal wykorzystywany do produkcji komercyjnej.

Tytan o bardzo wysokiej czystości został wyprodukowany w niewielkich ilościach, kiedy Anton Eduard van Arkel i Jan Hendrik de Boer odkryli w 1925 r. proces jodowania, reagując z jodem i rozkładając powstałe opary nad gorącym włóknem do czystego metalu.

W latach 50. i 60. Związek Radziecki był pionierem w wykorzystaniu tytanu w zastosowaniach wojskowych i okrętów podwodnych ( klasy Alfa i Mike ) w ramach programów związanych z zimną wojną. Na początku lat 50. tytan znalazł szerokie zastosowanie w lotnictwie wojskowym, szczególnie w odrzutowcach o wysokich osiągach, począwszy od samolotów takich jak F-100 Super Sabre oraz Lockheed A-12 i SR-71 .

Przez cały okres zimnej wojny tytan był uważany przez rząd USA za materiał strategiczny , a duże zapasy gąbki tytanowej (porowata forma czystego metalu) utrzymywało Centrum Zapasów Obrony Narodowej , aż do rozproszenia zapasów w latach 2000. . W 2006 roku rosyjska firma VSMPO-AVISMA była największym producentem na świecie, odpowiadając za około 29% światowego rynku. Od 2015 roku siedem krajów produkujących gąbkę tytanową to, w kolejności produkcji, Chiny, Japonia, Rosja, Kazachstan, USA, Ukraina i Indie.

Produkcja

Przetwarzanie tytanu metalicznego odbywa się w czterech głównych etapach: redukcja rudy tytanu do „gąbki”, porowatej postaci; topienie gąbki lub gąbki z zaprawą w celu utworzenia wlewka; pierwotna produkcja, w której wlewek jest przetwarzany na ogólne produkty hutnicze, takie jak kęsy , pręty, płyty , arkusze , taśmy i rury ; oraz wtórne wytwarzanie gotowych kształtów z produktów hutniczych.

Ponieważ nie mogą być łatwo wytwarzane przez redukcję z dwutlenku tytanu , tytan metaliczny otrzymać przez redukcję TiCl _4, z metalicznym magnezem w procesie Kroll . Złożoność tej produkcji seryjnej w procesie Kroll tłumaczy stosunkowo wysoką wartość rynkową tytanu, mimo że proces Kroll jest tańszy niż proces Huntera . W celu wytworzenia TiCU ₄ wymaganej w procesie Kroll w dwutlenek poddaje się redukcji karbotermicznej w obecności chloru . W tym procesie gazowy chlor jest przepuszczany przez rozgrzaną do czerwoności mieszaninę rutylu lub ilmenitu w obecności węgla. Po intensywnym oczyszczeniu metodą destylacji frakcyjnej The TiCl ₄ jest zredukowana z 800 ° C (1470 ° F) stopionego magnezu w sposób argonu atmosfery. Metaliczny tytan może być dalej oczyszczany w procesie van Arkela-de Boera , który obejmuje termiczny rozkład czterojodku tytanu.

2 FeTiO ₃ + 7 Cl ₂ + 6 C → 2 TiCl ₄ + 2 FeCl ₃ + 6 CO (900 °C)

TiCl ₄ + 2 mg → 2 MgCl ₂ + Ti (1100 ° C)

Opracowana niedawno metoda produkcji wsadowej, proces FFC Cambridge , polega na elektrochemicznej redukcji dwutlenku tytanu w stopionym chlorku wapnia w celu wytworzenia metalicznego tytanu w postaci proszku lub gąbki. W przypadku stosowania proszków tlenków mieszanych produkt jest stopem .

Popularne stopy tytanu są wytwarzane przez redukcję. Na przykład miedziotytan (rutyl z dodatkiem miedzi jest redukowany), tytan żelazowęglowy (ilmenit redukowany koksem w piecu elektrycznym) i manganotytan (rutyl z manganem lub tlenkami manganu) są redukowane.

Zaprojektowano i obecnie stosuje się około pięćdziesięciu gatunków stopów tytanu , chociaż tylko kilkadziesiąt jest łatwo dostępnych na rynku. ASTM International rozpoznaje 31 gatunki metalu i stopów tytanu, przy czym jeden z czterech klas są technicznie czysty (czystym). Te cztery różnią się wytrzymałością na rozciąganie w funkcji zawartości tlenu , przy czym klasa 1 jest najbardziej ciągliwa (najniższa wytrzymałość na rozciąganie przy zawartości tlenu 0,18%), a klasa 4 najmniej ciągliwa (najwyższa wytrzymałość na rozciąganie przy zawartości tlenu 0,40%). ). Pozostałe gatunki to stopy, każdy zaprojektowany pod kątem określonych właściwości plastyczności, wytrzymałości, twardości, oporności elektrycznej, odporności na pełzanie , specyficznej odporności na korozję i ich kombinacji.

Oprócz specyfikacji ASTM, stopy tytanu są również produkowane zgodnie ze specyfikacjami lotniczymi i wojskowymi (SAE-AMS, MIL-T), normami ISO i specyfikacjami krajowymi, a także zastrzeżonymi specyfikacjami użytkowników końcowych dla przemysłu lotniczego, wojskowego, zastosowania medyczne i przemysłowe.

Proszek tytanowy jest wytwarzany przy użyciu procesu produkcyjnego przepływowego znanego jako proces Armstronga, który jest podobny do procesu produkcji seryjnej Huntera. Do strumienia stopionego sodu dodaje się strumień gazowego tetrachlorku tytanu ; produkty (sól chlorkowo-sodowa i cząstki tytanu) są odfiltrowywane z dodatkowego sodu. Tytan jest następnie oddzielany od soli przez płukanie wodą. Zarówno sód, jak i chlor są poddawane recyklingowi w celu wytworzenia i przetworzenia większej ilości tetrachlorku tytanu.

Produkcja

Całe spawanie tytanu musi odbywać się w obojętnej atmosferze argonu lub helu, aby chronić go przed zanieczyszczeniem gazami atmosferycznymi (tlen, azot i wodór). Zanieczyszczenie powoduje różne warunki, takie jak kruchość , które zmniejszają integralność spoin zespołu i prowadzą do uszkodzenia połączenia.

Tytan nie może być lutowane bez pierwszego pre- poszycia je w metalu, który jest lutowania . Metal może być obrabiany tym samym sprzętem i tymi samymi procesami, co stal nierdzewna .

Formowanie i kucie

Komercyjnie czysty produkt płaski (blacha, płyta) można łatwo formować, ale przetwarzanie musi uwzględniać tendencję metalu do sprężynowania . Dotyczy to zwłaszcza niektórych stopów o wysokiej wytrzymałości. Wystawienie na działanie tlenu zawartego w powietrzu w podwyższonych temperaturach stosowanych w kuciu powoduje powstawanie kruchej, bogatej w tlen metalicznej warstwy powierzchniowej zwanej „ alfa case ”, która pogarsza właściwości zmęczeniowe, dlatego musi zostać usunięta przez frezowanie, trawienie lub obróbkę elektrochemiczną.

Aplikacje

Tytan jest stosowany w stali jako pierwiastek stopowy ( żelazo-tytan ) w celu zmniejszenia wielkości ziarna i jako odtleniacz, aw stali nierdzewnej w celu zmniejszenia zawartości węgla. Tytan jest często stapiany z aluminium (w celu rozdrobnienia ziarna), wanadem , miedzią (w celu utwardzenia), żelazem , manganem , molibdenem i innymi metalami. Produkty walcowania tytanu (blachy, płyty, pręty, druty, odkuwki, odlewy) znajdują zastosowanie na rynkach przemysłowych, lotniczych, rekreacyjnych i wschodzących. Sproszkowany tytan jest używany w pirotechnice jako źródło jasno palących się cząstek.

Pigmenty, dodatki i powłoki

Około 95% całej rudy tytanu jest przeznaczone do rafinacji na dwutlenek tytanu ( Ti O
₂), intensywnie biały, trwały pigment stosowany w farbach, papierze, paście do zębów i tworzywach sztucznych. Jest również stosowany w cemencie, w kamieniach szlachetnych, jako optyczny środek zmętniający w papierze oraz jako środek wzmacniający w grafitowych kompozytowych wędkach i kijach golfowych.

TiO
₂Pigment jest chemicznie obojętny, odporny na blaknięcie w świetle słonecznym i jest bardzo nieprzezroczysty: nadaje czysty i lśniący biały kolor brązowym lub szarym chemikaliom, które stanowią większość plastików stosowanych w gospodarstwie domowym. W naturze związek ten występuje w minerałach anataz , brukit i rutyl. Farba wykonana z dwutlenku tytanu dobrze radzi sobie w trudnych temperaturach i środowiskach morskich. Czysty dwutlenek tytanu ma bardzo wysoki współczynnik załamania światła i dyspersję optyczną wyższą niż diament . Oprócz tego, że jest bardzo ważnym pigmentem, dwutlenek tytanu jest również stosowany w filtrach przeciwsłonecznych.

Przemysł lotniczy i morski

Ponieważ stopy tytanu mają wysoki stosunek wytrzymałości na rozciąganie do gęstości, wysoką odporność na korozję, wytrzymałość zmęczeniową, wysoką odporność na pękanie i zdolność do wytrzymywania umiarkowanie wysokich temperatur bez pełzania , są one stosowane w samolotach, pancerzach, okrętach wojennych, statkach kosmicznych i pociskach. W tych zastosowaniach tytan jest stapiany z aluminium, cyrkonem, niklem, wanadem i innymi pierwiastkami w celu produkcji różnorodnych komponentów, w tym krytycznych części konstrukcyjnych, ścian przeciwpożarowych, podwozia , kanałów wydechowych (helikopterów) i układów hydraulicznych. W rzeczywistości około dwie trzecie całego produkowanego tytanu jest wykorzystywane w silnikach lotniczych i ramach. Tytanu 6AL-4V stanowi stop przez prawie 50% wszystkich stopów stosowanych w zastosowaniach lotniczych.

Lockheed A-12 i jego Rozwój SR-71 „Blackbird” były dwa z pierwszych klatek samolotów gdzie użyto tytanu, torując drogę dla znacznie szerszego stosowania w nowoczesnych samolotów wojskowych i komercyjnych. Szacuje się, że 59 ton metrycznych (130 000 funtów) jest używanych w Boeingu 777 , 45 w Boeingu 747 , 18 w Boeingu 737 , 32 w Airbusie A340 , 18 w Airbusie A330 i 12 w Airbusie A320 . Airbus A380 może korzystać 77 ton, w tym około 11 ton w silnikach. W silnikach lotniczych tytan jest używany do produkcji wirników, łopatek sprężarek, elementów układu hydraulicznego i gondoli . Wczesne zastosowanie w silnikach odrzutowych dotyczyło Orendy Iroquois w latach 50. XX wieku.

Ponieważ tytan jest odporny na korozję powodowaną przez wodę morską, wykorzystuje się go do budowy wałów śrubowych, olinowania i wymienników ciepła w zakładach odsalania ; grzałki-chillery do akwariów morskich, żyłki i przyponu oraz noże nurków. Tytan jest używany w obudowach i elementach urządzeń do nadzoru i monitorowania oceanów dla nauki i wojska. Były Związek Radziecki opracował techniki wytwarzania okrętów podwodnych z kadłubami ze stopów tytanu, kucia tytanu w ogromnych rurach próżniowych.

Tytan jest używany w ścianach skarbca statku kosmicznego Juno, aby chronić elektronikę pokładową.

Przemysłowy

Spawane rury tytanowe i urządzenia procesowe (wymienniki ciepła, zbiorniki, zbiorniki procesowe, zawory) są stosowane w przemyśle chemicznym i petrochemicznym głównie ze względu na odporność na korozję. Specjalne stopy są stosowane w odwiertach naftowych i gazowych oraz hydrometalurgii niklu ze względu na ich wysoką wytrzymałość (np. stop tytanu beta C), odporność na korozję lub obie te cechy. Przemysł celulozowo-papierniczy wykorzystuje tytan w urządzeniach procesowych narażonych na czynniki korozyjne, takie jak podchloryn sodu lub wilgotny gazowy chlor (w bielarni). Inne zastosowania obejmują zgrzewanie ultradźwiękowe , lutowanie na fali i cele rozpylania .

Tetrachlorek tytanu (TiCl ₄ ), bezbarwna ciecz, jest ważny jako półprodukt w procesie wytwarzania TiO ₂ i jest również używany do produkcji katalizatora Zieglera-Natty . Tetrachlorek tytanu jest również używany do irydyzacji szkła, a ponieważ silnie dymi w wilgotnym powietrzu, jest używany do produkcji zasłon dymnych.

Konsumenckie i architektoniczne

Metalowy tytan jest używany w zastosowaniach motoryzacyjnych, szczególnie w wyścigach samochodowych i motocyklowych, gdzie niska waga oraz wysoka wytrzymałość i sztywność mają kluczowe znaczenie. Metal jest generalnie zbyt drogi dla ogólnego rynku konsumenckiego, chociaż niektóre późne modele Corvette zostały wyprodukowane z tytanowymi wydechami, a doładowany silnik LT4 Corvette Z06 wykorzystuje lekkie, solidne tytanowe zawory wlotowe dla większej wytrzymałości i odporności na ciepło.

Tytan jest używany w wielu artykułach sportowych: rakietach tenisowych, kijach golfowych, trzonkach kijów do lacrosse; grille do kasków do krykieta, hokeja, lacrosse i piłki nożnej oraz ramy i komponenty rowerowe. Chociaż nie jest to główny materiał do produkcji rowerów, rowery tytanowe są używane przez zespoły wyścigowe i rowerzystów ekstremalnych .

Stopy tytanu są używane w oprawkach okularów, które są dość drogie, ale bardzo trwałe, trwałe, lekkie i nie powodują alergii skórnych. Wielu turystów używa sprzętu tytanowego, w tym naczyń kuchennych, sztućców, lampionów i palików namiotowych. Produkty tytanowe, choć nieco droższe niż tradycyjne alternatywy ze stali lub aluminium, mogą być znacznie lżejsze bez utraty wytrzymałości. Podkowy tytanowe są preferowane przez kowali od stali, ponieważ są lżejsze i trwalsze.

Tytan był sporadycznie używany w architekturze. 42,5 m (139 stóp) Pomnik Jurija Gagarina , pierwszego człowieka, który podróżował w kosmosie ( 55°42′29,7″N 37°34′57,2″E / 55,708250°N 37,582556°E / 55.708250; 37.582556 ), a także 110-metrowy Pomnik Zdobywców przestrzeni kosmicznej na szczycie Muzeum Kosmonautów w Moskwie są wykonane z tytanu ze względu na atrakcyjny kolor metalu i skojarzenie z rakietami. Muzeum Guggenheima w Bilbao i Cerritos Millennium Library były pierwsze budynki w Europie i Ameryce Północnej, odpowiednio, być osłonięte płytami tytanowymi. Tytanowe poszycie zostało zastosowane w budynku Frederic C. Hamilton w Denver w stanie Kolorado.

Ze względu na wyższą wytrzymałość i lekkość tytanu w porównaniu z innymi metalami (stal, stal nierdzewna i aluminium) oraz ze względu na ostatnie postępy w technikach obróbki metali, jego zastosowanie stało się bardziej rozpowszechnione w produkcji broni palnej. Podstawowe zastosowania obejmują ramy pistoletów i cylindry rewolwerów. Z tych samych powodów jest używany w obudowach laptopów (na przykład w linii Apple PowerBook).

Niektóre ekskluzywne, lekkie i odporne na korozję narzędzia, takie jak łopaty i latarki, są wykonane z tytanu lub stopów tytanu.

Biżuteria

Ze względu na swoją trwałość, tytan stał się bardziej popularny w biżuterii projektantów (szczególnie tytanowych pierścionkach ). Jego bezwładność sprawia, że ​​jest to dobry wybór dla alergików lub osób, które będą nosić biżuterię w miejscach takich jak baseny. Tytan jest również stapiany ze złotem w celu wytworzenia stopu, który może być sprzedawany jako 24-karatowe złoto, ponieważ 1% stopowego Ti jest niewystarczający, aby wymagać mniejszego znaku. Powstały stop ma mniej więcej twardość 14-karatowego złota i jest trwalszy niż czyste 24-karatowe złoto.

Wytrzymałość tytanu, niewielka waga oraz odporność na wgniecenia i korozję sprawiają, że jest on przydatny w przypadku zegarków . Niektórzy artyści pracują z tytanem przy produkcji rzeźb, przedmiotów dekoracyjnych i mebli.

Tytan może być anodowany w celu zmiany grubości powierzchniowej warstwy tlenku, co powoduje powstawanie optycznych prążków interferencyjnych i różnych jasnych kolorów. Dzięki temu zabarwieniu i obojętności chemicznej tytan jest popularnym metalem do przekłuwania ciała .

Tytan ma niewielkie zastosowanie w dedykowanych monetach i medalach niebędących w obiegu. W 1999 roku Gibraltar wypuścił pierwszą na świecie tytanową monetę z okazji obchodów milenium. The Gold Coast Titans , australijski zespół rugby league, przyzna medal z czystego tytanu do swojego odtwarzacza roku.

Medyczny

Ponieważ tytan jest biokompatybilny (nietoksyczny i nie jest odrzucany przez organizm), ma wiele zastosowań medycznych, w tym narzędzia chirurgiczne i implanty, takie jak kule i panewki biodrowe ( wymiana stawów ) oraz implanty dentystyczne, które mogą pozostać na miejscu do 20 lat. Tytan jest często stapiany z około 4% aluminium lub 6% Al i 4% wanadu.

Tytan ma wrodzoną zdolność do osteointegracji , umożliwiając zastosowanie w implantach dentystycznych, które mogą przetrwać ponad 30 lat. Ta właściwość jest również użyteczna w zastosowaniach implantów ortopedycznych . Korzystają one z niższego modułu sprężystości tytanu ( modułu Younga ), aby lepiej dopasować się do kości, którą takie urządzenia mają naprawiać. W rezultacie obciążenia szkieletu rozkładają się bardziej równomiernie między kością a implantem, co prowadzi do mniejszej częstości degradacji kości w wyniku osłony naprężeń i złamań kości okołoprotezowych , które występują na granicach implantów ortopedycznych. Jednak sztywność stopów tytanu jest nadal ponad dwukrotnie większa niż kości, więc sąsiednia kość przenosi znacznie mniejsze obciążenie i może ulec pogorszeniu.

Ponieważ tytan jest nieferromagnetyczny , pacjenci z implantami tytanowymi mogą być bezpiecznie badani za pomocą rezonansu magnetycznego (wygodne dla implantów długotrwałych). Przygotowanie tytanu do implantacji w ciele polega na poddaniu go działaniu łuku plazmowego o wysokiej temperaturze, który usuwa atomy powierzchniowe, odsłaniając świeży tytan, który jest natychmiast utleniany.

Nowoczesne postępy w technikach wytwarzania przyrostowego zwiększyły potencjał wykorzystania tytanu w zastosowaniach implantów ortopedycznych. Złożone projekty rusztowań implantów można drukować w 3D przy użyciu stopów tytanu, co pozwala na bardziej specyficzne dla pacjenta zastosowania i zwiększoną osteointegrację implantu”.

Tytan jest stosowany w instrumentach chirurgicznych stosowanych w chirurgii pod kontrolą obrazu , a także w wózkach inwalidzkich, kulach i wszelkich innych produktach, w których pożądana jest wysoka wytrzymałość i niska waga.

Nanocząstki dwutlenku tytanu są szeroko stosowane w elektronice oraz dostarczaniu farmaceutyków i kosmetyków.

Składowanie odpadów jądrowych

Ze względu na odporność na korozję pojemniki wykonane z tytanu zostały przebadane pod kątem długoterminowego przechowywania odpadów jądrowych. Uważa się, że pojemniki trwające ponad 100 000 lat są możliwe w warunkach produkcji, które minimalizują wady materiałowe. Tytanową „osłonę kroplową” można również zainstalować na pojemnikach innych typów, aby zwiększyć ich żywotność.

Środki ostrożności

Tytan jest nietoksyczny nawet w dużych dawkach i nie odgrywa żadnej naturalnej roli w ludzkim ciele . Szacunkowa ilość tytanu wynosząca 0,8 miligrama jest spożywana przez ludzi każdego dnia, ale większość przechodzi bez wchłaniania w tkankach. Czasami jednak ulega bioakumulacji w tkankach zawierających krzemionkę . Jedno z badań wskazuje na możliwy związek między tytanem a zespołem żółtych paznokci .

W postaci proszku lub w postaci wiórów metalowych tytan metaliczny stwarza znaczne zagrożenie pożarowe, a po podgrzaniu w powietrzu grozi wybuchem. Woda i dwutlenek węgla są nieskuteczne w gaszeniu pożaru tytanu; Zamiast tego należy stosować środki proszkowe klasy D.

Podczas produkcji lub obsługi chloru tytanu nie należy wystawiać na działanie suchego chloru gazowego, ponieważ może to spowodować pożar tytanowo-chlorowy.

Tytan może zapalić się, gdy świeża, nieutleniona powierzchnia wejdzie w kontakt z ciekłym tlenem .

Funkcja w roślinach

Nieznany mechanizm w roślinach może wykorzystywać tytan do stymulowania produkcji węglowodanów i pobudzania wzrostu. To może wyjaśniać, dlaczego większość roślin zawiera około 1 części na milion (ppm) tytanu, rośliny spożywcze około 2 ppm, a skrzyp i pokrzywa do 80 ppm.

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• „Titanium: Our Next Major Metal” , Popular Science , październik 1950 — jeden z pierwszych szczegółowych artykułów na temat tytanu dla ogółu społeczeństwa
• Tytan w układzie okresowym filmów wideo (University of Nottingham)
• Tytan w The Essential Chemical Industry – online (CIEC Promoting Science na University of York)
• International Titanium Association zarchiwizowane 4 listopada 2020 r. w Wayback Machine
• Metalurgia tytanu i jego stopów, Cambridge University
• Światowa produkcja koncentratów tytanu według kraju
• Metal bogów