Das Titan Es ist ein Übergangsmetall, das durch das chemische Symbol Ti dargestellt wird. Es ist das zweite Metall, das aus dem Block erscheint d des Periodensystems, kurz nach Scandium. Seine Ordnungszahl ist 22, und es kommt in der Natur ebenso viele Isotope und Radioisotope vor, von denen die 48Du bist der am häufigsten vorkommende von allen.
Seine Farbe ist silbergrau und seine Teile sind mit einer Oxidschutzschicht bedeckt, die Titan zu einem Metall macht, das sehr korrosionsbeständig ist. Wenn diese Schicht gelblich ist, handelt es sich um Titannitrid (TiN), eine Verbindung, die entsteht, wenn dieses Metall in Gegenwart von Stickstoff verbrennt. Dies ist eine einzigartige und herausragende Eigenschaft.
Zusätzlich zu den oben genannten ist es sehr widerstandsfähig gegen mechanische Stöße, obwohl es leichter als Stahl ist. Deshalb ist es als das stärkste Metall von allen bekannt und sein Name ist gleichbedeutend mit Stärke. Es hat auch Stärke und Leichtigkeit, zwei Eigenschaften, die es zu einem wünschenswerten Material für den Flugzeugbau machen..
Ebenso und nicht weniger wichtig ist Titan ein biokompatibles Metall, das sich angenehm anfühlt, weshalb es in Schmuck zur Herstellung von Ringen verwendet wird. und in der Biomedizin, wie orthopädischen und Zahnimplantaten, die sich in Knochengewebe integrieren können.
Die bekanntesten Verwendungen liegen jedoch in TiOzwei, als Pigment, Additiv, Beschichtung und Photokatalysator.
Es ist das neunthäufigste Element auf der Erde und das siebte innerhalb von Metallen. Trotzdem sind seine Kosten aufgrund der Schwierigkeiten hoch, die überwunden werden müssen, um es aus seinen Mineralien zu extrahieren, darunter Rutil, Anatas, Ilmenit und Perowskit. Von allen Produktionsmethoden ist das Kroll-Verfahren das weltweit am weitesten verbreitete.
Artikelverzeichnis
Titan wurde erstmals 1791 vom Pastor und Amateurmineralogisten William Gregor im Ilmenitmineral im Manaccan Valley (Vereinigtes Königreich) identifiziert. Er konnte feststellen, dass es ein Eisenoxid enthielt, da sich sein Sand durch den Einfluss von bewegte ein Magnet; Er berichtete aber auch, dass es ein anderes Oxid eines unbekannten Metalls gab, das er "Manacanit" nannte..
Obwohl er sich an die Royal Geological Society in Cornwall und anderswo wandte, sorgten seine Beiträge leider nicht für Aufsehen, weil er kein anerkannter Mann der Wissenschaft war..
Vier Jahre später, 1795, erkannte der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth unabhängig das gleiche Metall; aber im Rutilerz bei Boinik, derzeit Slowakei.
Es gibt Leute, die behaupten, dass er dieses neue Metall "Titan" nannte, inspiriert von seiner Zähigkeit, die den Titanen ähnelt. Andere behaupten, dass dies eher auf die Neutralität der mythologischen Charaktere selbst zurückzuführen sei. So wurde Titan als chemisches Element geboren und Klaproth konnte später den Schluss ziehen, dass es sich um denselben Manacanit wie das Mineral Ilmenit handelte.
Seitdem begannen Versuche, es von solchen Mineralien zu isolieren; Die meisten von ihnen waren jedoch erfolglos, da das Titan mit Sauerstoff oder Stickstoff kontaminiert wurde oder ein Carbid bildete, das nicht reduziert werden konnte. Es dauerte fast ein Jahrhundert (1887), bis Lars Nilson und Otto Pettersson eine Probe mit einer Reinheit von 95% hergestellt hatten..
Dann, im Jahr 1896, gelang es Henry Moissan, dank der reduzierenden Wirkung von metallischem Natrium eine Probe mit einer Reinheit von bis zu 98% zu erhalten. Diese unreinen Titane waren jedoch durch die Einwirkung von Sauerstoff- und Stickstoffatomen spröde, so dass es notwendig war, ein Verfahren zu entwerfen, um sie aus dem Reaktionsgemisch herauszuhalten..
Und mit diesem Ansatz entstand 1910 der Hunter-Prozess, der von Matthew A. Hunter in Zusammenarbeit mit General Electric am Rensselaer Polytechnic Institute entwickelt wurde..
Zwanzig Jahre später entwickelte William J. Kroll in Luxemburg eine andere Methode mit Kalzium und Magnesium. Das Kroll-Verfahren ist bis heute eine der Hauptmethoden zur Herstellung von metallischem Titan im kommerziellen und industriellen Maßstab..
Ab diesem Zeitpunkt folgt die Geschichte des Titans dem Verlauf seiner Legierungen in Anwendungen für die Luft- und Raumfahrt sowie die Militärindustrie..
Reines Titan kann mit zwei Strukturen kristallisieren: einem kompakten hexagonalen (hcp), der als α-Phase bezeichnet wird, und einem körperzentrierten kubischen (bcc), der als β-Phase bezeichnet wird. Somit ist es ein dimorphes Metall, das allotrope (oder Phasen-) Übergänge zwischen den hcp- und bcc-Strukturen eingehen kann..
Die α-Phase ist bei Umgebungstemperatur und -druck am stabilsten, wobei die Ti-Atome von zwölf Nachbarn umgeben sind. Wenn die Temperatur auf 882 ° C erhöht wird, wird der hexagonale Kristall ein kubischer, weniger dichter Kristall, was mit den höheren atomaren Schwingungen übereinstimmt, die durch Wärme verursacht werden..
Mit steigender Temperatur wirkt die α-Phase einem größeren Wärmewiderstand entgegen; Das heißt, seine spezifische Wärme nimmt ebenfalls zu, so dass immer mehr Wärme benötigt wird, um 882 ° C zu erreichen.
Was ist, wenn der Druck nicht erhöht, sondern erhöht wird? Dann erhalten Sie verzerrte bcc-Kristalle.
In diesen Metallkristallen greifen die Valenzelektronen der 3d- und 4s-Orbitale gemäß der elektronischen Konfiguration in die Bindung ein, die die Ti-Atome verbindet:
[Ar] 3dzwei 4szwei
Es hat kaum vier Elektronen, die es mit seinen Nachbarn teilen kann, was zu fast leeren 3D-Bändern führt, und daher ist Titan kein so guter Strom- oder Wärmeleiter wie andere Metalle..
Noch wichtiger als das, was in Bezug auf die Kristallstruktur von Titan gesagt wurde, ist, dass beide Phasen, α und β, ihre eigenen Legierungen bilden können. Diese können aus reinen α- oder β-Legierungen oder Gemischen von beiden in unterschiedlichen Anteilen (α + β) bestehen..
Ebenso beeinflusst die Größe ihrer jeweiligen kristallinen Körner die endgültigen Eigenschaften der Titanlegierungen sowie die Massenzusammensetzung und die Beziehungen der zugesetzten Additive (andere wenige Metalle oder Atome von N, O, C oder H)..
Additive üben einen signifikanten Einfluss auf Titanlegierungen aus, da sie einige der beiden spezifischen Phasen stabilisieren können. Zum Beispiel: Al, O, Ga, Zr, Sn und N sind Additive, die die α-Phase stabilisieren (dichtere hcp-Kristalle); und Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe und andere sind Additive, die die β-Phase stabilisieren (weniger dichte bcc-Kristalle)..
Die Untersuchung all dieser Titanlegierungen, ihrer Strukturen, Zusammensetzung, Eigenschaften und Anwendungen ist Gegenstand metallurgischer Arbeiten, die auf Kristallographie beruhen.
Gemäß der elektronischen Konfiguration würde Titan acht Elektronen benötigen, um die 3d-Orbitale vollständig zu füllen. Dies kann in keiner seiner Verbindungen erreicht werden, und es gewinnt höchstens bis zu zwei Elektronen; das heißt, es kann negative Oxidationszahlen erhalten: -2 (3d4) und -1 (3d3).
Der Grund liegt in der Elektronegativität von Titan und darin, dass es zusätzlich ein Metall ist, so dass es eine größere Tendenz hat, positive Oxidationszahlen zu haben; wie +1 (3dzwei4s1), +2 (3dzwei4s0), +3 (3d14s0) und +4 (3d04s0).
Beachten Sie, wie die Elektronen der 3d- und 4s-Orbitale austreten, wenn die Existenz der Ti-Kationen angenommen wird+, Siezwei+ und so weiter.
Die Oxidationszahl +4 (Ti4+) ist das repräsentativste von allen, weil es dem von Titan in seinem Oxid: TiO entsprichtzwei (Sie4+ODERzweizwei-).
Silbergraues Metall.
47,867 g / mol.
1668 ° C. Dieser relativ hohe Schmelzpunkt macht es zu einem feuerfesten Metall..
3287 ° C..
1200 ° C für reines Metall und 250 ° C für fein verteiltes Pulver.
Titan ist ein duktiles Metall, wenn es keinen Sauerstoff enthält.
4,506 g / ml. Und an seinem Schmelzpunkt 4,11 g / ml.
14,15 kJ / mol.
425 kJ / mol.
25060 J / mol K..
1,54 auf der Pauling-Skala.
Erstens: 658,8 kJ / mol.
Zweitens: 1309,8 kJ / mol.
Drittens: 2652,5 kJ / mol.
6.0.
Von den Oxidationszahlen sind +2, +3 und +4 die häufigsten und diejenigen, auf die in der traditionellen Nomenklatur bei der Benennung von Titanverbindungen Bezug genommen wird. Ansonsten bleiben die Regeln des Bestands und die systematischen Nomenklaturen gleich.
Betrachten Sie zum Beispiel TiOzwei und das TiCl4, zwei der bekanntesten Titanverbindungen.
Es wurde bereits gesagt, dass in TiOzwei Die Oxidationszahl von Titan beträgt +4. Da der Name daher der größte (oder positivste) ist, muss er mit dem Suffix -ico enden. Daher heißt es nach der traditionellen Nomenklatur Titanoxid; Titan (IV) -oxid gemäß der Bestandsnomenklatur; und Titandioxid gemäß der systematischen Nomenklatur.
Und für das TiCl4 wir werden direkter vorgehen:
Nomenklatur: Name
-Traditionell: Titanchlorid
-Stamm: Titan (IV) chlorid
-Systematik: Titantetrachlorid
Im Englischen wird diese Verbindung oft als "Tickle" bezeichnet..
Jede Titanverbindung kann sogar Eigennamen außerhalb der Namensregeln haben und hängt von der Fachsprache des betreffenden Fachgebiets ab..
Titan ist zwar das siebthäufigste Metall der Erde und das neunthäufigste in der Erdkruste, kommt jedoch in der Natur nicht als reines Metall vor, sondern in Kombination mit anderen Elementen in Mineraloxiden. besser bekannt als titanhaltige Mineralien.
Um es zu erhalten, ist es daher notwendig, diese Mineralien als Rohstoff zu verwenden. Einige von ihnen sind:
-Titanit oder Sphen (CaTiSiO5) mit Eisen- und Aluminiumverunreinigungen, die ihre Kristalle grün färben.
-Brookit (TiOzwei orthorhombisch).
-Rutil, das stabilste Polymorph von TiOzwei, gefolgt von den Mineralien Anatas und Brookit.
-Ilmenita (FeTiO3).
-Perowskit (CaTiO3)
-Leukoxen (heterogene Mischung aus Anatas, Rutil und Perowskit).
Beachten Sie, dass mehrere titanhaltige Mineralien erwähnt werden, auch wenn es andere gibt. Nicht alle von ihnen sind jedoch gleich häufig und können ebenfalls Verunreinigungen aufweisen, die schwer zu entfernen sind und die Eigenschaften des endgültigen metallischen Titans gefährden..
Aus diesem Grund werden Sphen und Perowskit üblicherweise zur Herstellung von Titan verwendet, da sich ihr Calcium- und Siliziumgehalt nur schwer aus dem Reaktionsgemisch entfernen lässt..
Von all diesen Mineralien werden Rutil und Ilmenit aufgrund ihres hohen TiO-Gehalts kommerziell und industriell am häufigsten verwendetzwei;; das heißt, sie sind reich an Titan.
Auswahl eines der Mineralien als Rohstoff, TiOzwei in ihnen muss es reduziert werden. Dazu werden die Mineralien zusammen mit Kohle in einem Fließbettreaktor auf 1000 ° C glühend heiß erhitzt. Dort das TiOzwei reagiert mit Chlorgas gemäß der folgenden chemischen Gleichung:
Onkelzwei(s) + C (s) + 2Clzwei(g) => TiCl4(l) + COzwei(G)
Das TiCl4 Es ist eine unreine farblose Flüssigkeit, da sie bei dieser Temperatur zusammen mit anderen Metallchloriden (Eisen, Vanadium, Magnesium, Zirkonium und Silizium) gelöst wird, die aus den in den Mineralien vorhandenen Verunreinigungen stammen. Daher ist das TiCl4 dann wird es durch fraktionierte Destillation und Fällung gereinigt.
TiCl bereits gereinigt4, Als leichter zu reduzierende Spezies wird es in einen Edelstahlbehälter gegossen, an den ein Vakuum angelegt wird, um Sauerstoff und Stickstoff zu entfernen, und es wird mit Argon gefüllt, um eine inerte Atmosphäre zu gewährleisten, die das erzeugte Titan nicht beeinträchtigt. Dabei wird Magnesium zugesetzt, das bei 800 ° C nach folgender chemischer Gleichung reagiert:
TiCl4(l) + 2 mg (l) => Ti (s) + 2 mgClzwei(l)
Titan fällt als schwammiger Feststoff aus, der Behandlungen unterzogen wird, um ihn zu reinigen und bessere feste Formen zu erhalten, oder wird direkt zur Herstellung von Titanmineralien verwendet.
Titan hat aufgrund einer TiO-Schicht eine hohe Korrosionsbeständigkeitzwei das schützt das Innere des Metalls vor Oxidation. Wenn die Temperatur jedoch über 400 ° C steigt, beginnt ein dünnes Metallstück vollständig zu brennen, um eine TiO-Mischung zu bilden.zwei und TiN:
Ti (s) + O.zwei(g) => TiOzwei(s)
2Ti (s) + N.zwei(g) => TiN (s)
Beide Gase ODERzwei und N.zwei, logischerweise sind sie in der Luft. Diese beiden Reaktionen treten schnell auf, sobald das Titan glühend heiß erhitzt wird. Und wenn es sich um ein feinteiliges Pulver handelt, ist die Reaktion noch heftiger, weshalb Titan in diesem festen Zustand leicht entflammbar ist..
Diese Schicht aus TiOzwei-TiN schützt Titan nicht nur vor Korrosion, sondern auch vor Angriffen durch Säuren und Basen, sodass es sich nicht leicht auflösen lässt.
Um dies zu erreichen, müssen hochkonzentrierte Säuren verwendet und zum Kochen gebracht werden, wobei eine purpurfarbene Lösung erhalten wird, die aus den wässrigen Titankomplexen resultiert. zum Beispiel [Ti (OHzwei)6]]+3.
Es gibt jedoch eine Säure, die es ohne viele Komplikationen auflösen kann: Flusssäure:
2Ti (s) + 12HF (aq) 2 [TiF6]]3-(aq) + 3Hzwei(g) + 6H+(aq)
Titan kann direkt mit Halogenen unter Bildung der jeweiligen Halogenide reagieren. Ihre Reaktion auf Jod ist beispielsweise wie folgt:
Ti (s) + 2Izwei(s) => TiI4(s)
In ähnlicher Weise geschieht dies mit Fluor, Chlor und Brom, wo eine intensive Flamme gebildet wird.
Wenn Titan fein verteilt ist, neigt es nicht nur zur Entzündung, sondern reagiert auch bei der geringsten Wärmequelle heftig mit starken Oxidationsmitteln..
Ein Teil dieser Reaktionen wird für die Pyrotechnik verwendet, da hellweiße Funken erzeugt werden. Zum Beispiel reagiert es mit Ammoniumperchlorat gemäß der chemischen Gleichung:
2Ti (s) + 2NH4ClO4(s) => 2TiOzwei(s) + N.zwei(g) + Clzwei(g) + 4HzweiO (g)
Metallisches Titan allein stellt für diejenigen, die damit arbeiten, kein Gesundheitsrisiko dar. Es ist ein harmloser Feststoff; Es sei denn, es wird als feines Partikelpulver gemahlen. Dieses weiße Pulver kann aufgrund seiner hohen Entflammbarkeit, die im Abschnitt über Reaktionen erwähnt wird, gefährlich sein..
Wenn Titan gemahlen wird, reagiert es schneller und heftiger mit Sauerstoff und Stickstoff und kann sogar explosionsartig brennen. Deshalb stellt es eine schreckliche Brandgefahr dar, wenn es dort, wo es gelagert wird, von Flammen getroffen wird..
Beim Brennen kann das Feuer nur mit Graphit oder Natriumchlorid gelöscht werden; Zumindest in diesen Fällen niemals mit Wasser.
Ebenso sollte ihr Kontakt mit Halogenen um jeden Preis vermieden werden; das heißt, bei jeglichem gasförmigen Austreten von Fluor oder Chlor oder bei Wechselwirkung mit der rötlichen Flüssigkeit von Brom oder den flüchtigen Jodkristallen. In diesem Fall entzündet sich das Titan. Es sollte auch nicht mit starken Oxidationsmitteln in Kontakt kommen: Permanganaten, Chloraten, Perchloraten, Nitraten usw..
Andernfalls können seine Barren oder Legierungen nicht mehr Risiken darstellen als physikalische Schläge, da sie keine sehr guten Wärme- oder Stromleiter sind und sich angenehm anfühlen..
Wenn der feinteilige Feststoff brennbar ist, muss er noch stärker aus Titan-Nanopartikeln bestehen. Der Schwerpunkt dieses Unterabschnitts liegt jedoch auf den TiO-Nanopartikelnzwei, die in endlosen Anwendungen verwendet wurden, in denen sie ihre weiße Farbe verdienen; wie Süßigkeiten und Bonbons.
Obwohl ihre Absorption, Verteilung, Ausscheidung oder Toxizität im Körper nicht bekannt ist, wurde in Studien an Mäusen gezeigt, dass sie toxisch sind. Zum Beispiel zeigten sie, dass es Emphysem und Rötung in ihrer Lunge sowie andere Atemwegserkrankungen in ihrer Entwicklung erzeugt.
Durch Extrapolation von den Mäusen auf uns wird geschlossen, dass TiO-Nanopartikel atmenzwei es betrifft unsere Lunge. Sie können auch die Hippocampusregion des Gehirns verändern. Darüber hinaus schließt die Internationale Agentur für Krebsforschung sie nicht als mögliche Karzinogene aus..
Über die Verwendung von Titan zu sprechen, bezieht sich notwendigerweise auf seine Verbindung Titandioxid. Der Onkelzwei Tatsächlich deckt es etwa 95% aller Anwendungen ab, die dieses Metall betreffen. Die Gründe: seine weiße Farbe, es ist unlöslich und es ist auch ungiftig (ganz zu schweigen von den reinen Nanopartikeln).
Aus diesem Grund wird es normalerweise als Pigment oder Additiv in allen Produkten verwendet, die weiße Färbungen erfordern. wie Zahnpasta, Medikamente, Süßigkeiten, Papiere, Edelsteine, Farben, Kunststoffe usw..
Der Onkelzwei kann auch verwendet werden, um Filme zum Beschichten einer beliebigen Oberfläche wie Glas oder chirurgischen Werkzeugen zu erstellen.
Durch diese Beschichtungen kann das Wasser sie nicht benetzen und läuft darauf, wie es auf Windschutzscheiben des Autos regnen würde. Werkzeuge mit diesen Beschichtungen können Bakterien durch Absorption von UV-Strahlung abtöten.
Hundeurin oder Kaugummi konnten sich aufgrund der Wirkung von TiO nicht auf Asphalt oder Zement festsetzenzwei, was seine spätere Entfernung erleichtern würde.
Und schließlich in Bezug auf TiOzwei, Es ist ein Photokatalysator, der organische Radikale erzeugen kann, die jedoch durch Siliciumdioxid- oder Aluminiumoxidfilme in Sonnenschutzmitteln neutralisiert werden. Seine weiße Farbe zeigt bereits deutlich, dass es dieses Titanoxid haben muss.
Titan ist ein Metall mit beträchtlicher Festigkeit und Härte im Verhältnis zu seiner geringen Dichte. Dies macht es zu einem Ersatz für Stahl für alle Anwendungen, bei denen hohe Geschwindigkeiten erforderlich sind oder Flugzeuge mit großer Spannweite entwickelt werden, wie z. B. das A380-Flugzeug im obigen Bild..
Aus diesem Grund hat dieses Metall in der Luft- und Raumfahrtindustrie viele Verwendungsmöglichkeiten, da es oxidationsbeständig ist, leicht und fest ist und seine Legierungen mit den genauen Additiven verbessert werden können..
Nicht nur in der Luft- und Raumfahrtindustrie stehen Titan und seine Legierungen im Mittelpunkt, sondern auch in der Sportindustrie. Dies liegt daran, dass viele ihrer Utensilien leicht sein müssen, damit ihre Träger, Spieler oder Sportler mit ihnen umgehen können, ohne sich zu schwer zu fühlen..
Einige dieser Gegenstände sind unter anderem: Fahrräder, Golf- oder Hockeyschläger, Footballhelme, Tennis- oder Badmintonschläger, Fechtschwerter, Schlittschuhe, Skier..
Ebenso wurden Titan und seine Legierungen, obwohl in viel geringerem Maße aufgrund seiner hohen Kosten, in Luxus- und Sportwagen verwendet..
Gemahlenes Titan kann beispielsweise mit KClO gemischt werden4, und als Feuerwerk dienen; die in der Tat von denen gemacht werden, die sie in pyrotechnischen Shows machen.
Titan und seine Legierungen sind die metallischen Werkstoffe schlechthin in biomedizinischen Anwendungen. Sie sind biokompatibel, inert, stark, schwer zu oxidieren, ungiftig und fügen sich nahtlos in die Knochen ein.
Dies macht sie sehr nützlich für orthopädische und zahnärztliche Implantate, für künstliche Hüft- und Kniegelenke, als Schrauben zur Fixierung von Frakturen, für Herzschrittmacher oder künstliche Herzen..
Die biologische Rolle von Titan ist ungewiss, und obwohl bekannt ist, dass es sich in einigen Pflanzen ansammeln und das Wachstum bestimmter landwirtschaftlicher Nutzpflanzen (wie Tomaten) fördern kann, sind die Mechanismen, in die es eingreift, unbekannt..
Es soll die Bildung von Kohlenhydraten, Enzymen und Chlorophyllen fördern. Sie vermuten, dass es auf eine Reaktion von Pflanzenorganismen zurückzuführen ist, sich gegen die niedrigen bioverfügbaren Titankonzentrationen zu verteidigen, da sie für sie schädlich sind. Die Sache ist jedoch immer noch im Dunkeln.
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