Titanijum

Iz Vikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Titanijum
Titan-crystal bar.JPG
Opšta svojstva
Ime, simboltitanijum, Ti
Izgledsrebrnobela metalna
U periodnom sistemu
Vodonik Helijum
Litijum Berilijum Bor Ugljenik Azot Kiseonik Fluor Neon
Natrijum Magnezijum Aluminijum Silicijum Fosfor Sumpor Hlor Argon
Kalijum Kalcijum Skandijum Titanijum Vanadijum Hrom Mangan Gvožđe Kobalt Nikl Bakar Cink Galijum Germanijum Arsen Selen Brom Kripton
Rubidijum Stroncijum Itrijum Cirkonijum Niobijum Molibden Tehnecijum Rutenijum Rodijum Paladijum Srebro Kadmijum Indijum Kalaj Antimon Telur Jod Ksenon
Cezijum Barijum Lantan Cerijum Prazeodijum Neodijum Prometijum Samarijum Evropijum Gadolinijum Terbijum Disprozijum Holmijum Erbijum Tulijum Iterbijum Lutecijum Hafnijum Tantal Volfram Renijum Osmijum Iridijum Platina Zlato Živa Talijum Olovo Bizmut Polonijum Astat Radon
Francijum Radijum Aktinijum Torijum Protaktinijum Uranijum Neptunijum Plutonijum Americijum Kirijum Berklijum Kalifornijum Ajnštajnijum Fermijum Mendeljevijum Nobelijum Lorencijum Raderfordijum Dubnijum Siborgijum Borijum Hasijum Majtnerijum Darmštatijum Rendgenijum Kopernicijum Nihonijum Flerovijum Moskovijum Livermorijum Tenesin Oganeson


Ti

Zr
skandijumtitanijumvanadijum
Atomski broj (Z)22
Grupa, periodagrupa 4, perioda 4
Blokd-blok
Kategorija  prelazni metal
Rel. at. masa (Ar)47,867(1)[1]
El. konfiguracija[Ar] 3d2 4s2
po ljuskama
2, 8, 10, 2
Fizička svojstva
Agregatno stanječvrst
Tačka topljenja1941 K ​(1668 °‍C, ​3034 °F)
Tačka ključanja3560 K ​(3287 °‍C, ​5949 °F)
Gustina pri s.t.4,506 g/cm3
tečno st., na t.t.4,11 g/cm3
Toplota fuzije14,15 kJ/mol
Toplota isparavanja425 kJ/mol
Mol. topl. kapacitet25,060 J/(mol·K)
Napon pare
P (Pa) 100 101 102
na T (K) 1982 2171 (2403)
P (Pa) 103 104 105
na T (K) 2692 3064 3558
Atomska svojstva
Oksidaciona stanja+4, +3, +2, +1, −1, −2[2]
(amfoterni oksid)
Elektronegativnost1,54
Energije jonizacije1: 658,8 kJ/mol
2: 1309,8 kJ/mol
3: 2652,5 kJ/mol
(ostale)
Atomski radijus147 pm
Kovalentni radijus160±8 pm
Linije boje u spektralnom rasponu
Ostalo
Kristalna strukturazbijena heksagonalna (HCP)
Hexagonal close packed kristalna struktura za titanijum
Brzina zvuka tanak štap5090 m/s (na s.t.)
Topl. širenje8,6 µm/(m·K) (na 25 °‍C)
Topl. vodljivost21,9 W/(m·K)
Električna otpornost420 nΩ·m (na 20 °‍C)
Magnetni rasporedparamagnetičan
Magnetna susceptibilnost (χmol)+153,0·10−6 cm3/mol (293 K)[3]
Jangov modul116 GPa
Modul smicanja44 GPa
Modul stišljivosti110 GPa
Poasonov koeficijent0,32
Mosova tvrdoća6,0
Vikersova tvrdoća830–3420 MPa
Brinelova tvrdoća716–2770 MPa
CAS broj7440-32-6
Istorija
OtkrićeVilijam Gregor (1791)
Prva izolacijaJakob Bercelijus (1825)
Imenovanje i eponimMartin Hajnrih Klaprot (1795)
Glavni izotopi
izo RA poluživot (t1/2) TR PR
44Ti syn 63 y ε 44Sc
γ
46Ti 8.25% stabilni
47Ti 7.44% stabilni
48Ti 73.72% stabilni
49Ti 5.41% stabilni
50Ti 5.18% stabilni
referenceVikipodaci

Titanijum (Ti, lat. titanium) metal je IVB grupe poznate i kao grupa prelaznih metala.[4][5] Ima 22 izotopa čije se atomske mase nalaze između 41 do 53. Izotopi od 46 do 50 su postojani. To je sjajni prelazni metal, srebrenaste boje, male gustine ali veoma velike čvrstoće. Dosta je otporan na koroziju u morskoj vodi, zlatotopki i hloru.

Titanijum je otkrio Vilijam Gregor 1791. u Kornvolu, Velika Britanija, a ime mu je dao Martin Hajnrih Klaprot po Titanima iz grčke mitologije. Element se javlja unutar brojnih mineralnih depozita, uglavnom kao rutil i ilmenit, koji su široko rasprostranjeni u Zemljinoj kori i litosferi, a ima ga i u gotovo svim živim bićima, stenama, vodotokovima, morima i zemljištu.[6] Metal se dobija iz svojih osnovnih mineralnih ruda pomoću Krolovog[7] i Hanterovog procesa. Njegovo najčešće jedinjenje, titanijum dioksid je fotokatalizator, a koristi se i za proizvodnju belih pigmenata.[8] Druga jedinjenja su titanijum tetrahlorid (TiCl4), koji je sastojak dimnih zavesa i katalizator i titanijum trihlorid (TiCl3), koji se koristi u proizvodnji polipropilena kao katalizator.[6]

Titanijum se može legirati, između ostalih, i sa gvožđem, aluminijumom, vanadijumom i molibdenom, dajući vrlo jake ali lake legure pogodne za avionske i aeronautičke aplikacije (mlazne motore, rakete i svemirske letelice), vojne i industrijske procese (hemikalije i petrohemikalije, postrojenja za desalinizaciju, proizvodnju papira), kao i za brojne aplikacije u autoindustriji, prehrambenoj industriji, medicinskim protezama, ortopedskim implantatima, zubnim i endodontskim instrumentima, zubnim implantatima, sportskoj opremi, nakitu, mobilnim telefonima i drugim.[6]

Dve najkorisnije osobine ovog metala su otpornost na koroziju i najbolji odnos između čvrstine i gustine od bilo kojeg drugog metalnog elementa.[9] U nelegiranom obliku, titanijum je čvrst poput nekih vrsta čelika, ali je mnogo manje gustine.[10] Postoje dva alotropska oblika[11] i pet prirodnih izotopa ovog elementa, od 46Ti do 50Ti, među kojima je 48Ti najrasprostranjeniji (73,8%).[12] Iako imaju isti broj valentnih elektrona i nalaze se u istoj grupi periodnog sistema elemenata, titanijum i cirkonijum se znatno razlikuju po mnogim hemijskim i fizičkim osobinama.

Istorijat[uredi]

Martin Hajnrih Klaprot je dao ime titanijumu prema Titanima iz grčke mitologije

Titanijum je otkrio amaterski geolog i klerik Vilijam Gregor (u to vreme na mestu vikara župe Krid) 1791. godine kao inkluziju u jednom mineralu iz Kornvola (Velika Britanija).[13] Gregor je opazio prisustvo novog elementa u ilmenitu[8] kada je pronašao crni pesak u vodotoku u susednoj župi Manakan, pri čemu je magnet mogao privlačiti taj pesak.[13] Pri njegovoj analizi, otkrio je prisustvo dva metalna oksida: gvožđe oksida (što je objašnjavalo privlačenje magneta) dok 45,25% belog metalnog oksida nije mogao da identifikuje.[14] Nakon što je shvatio da nepoznati oksid sadrži metal koji do tada nije bio otkriven, Gregor je izveštaj o svom otkriću poslao Kraljevskom geološkom društvo Kornvola te nemačkom naučnom časopisu Crell's Annalen.[13]

Približno u isto vreme Franc-Jozef Miler je dobio sličnu supstancu, ali je nije mogao identifikovati.[8] Oksid su ponovno otkrili 1795. godine, nezavisno jedan od drugog, pruski hemičar Martin Hajnrih Klaprot u rutilu iz sela Bojnka (nemački naziv nepoznatog toponima u Mađarskoj).[13][15] Klaprot je otkrio da on sadrži novi element kojem je dao ime po Titanima iz grčke mitologije.[16] Nakon što je čuo o Gregorovom ranijem otkriću, dobavio je uzorak manakanita te potvrdio da i on sadrži metal titanijum.

Trenutno poznati procesi za izdvajanje titanijuma iz raznih njegovih ruda su pretežno skupi i zahtevaju mnogo rada. Nije moguće redukovati rudu zagrevajući je sa ugljom (kao što se to radi sa željezom), jer se titanijum spaja sa ugljenikom gradeći titanijum karbid.[13] Čisti metalni titanijum (99,9% čistoće) prvi je dobio Matju A. Hanter 1910. godine pri Politehničkom institutu Rensler tako što je zagrejavao TiCl4 u prisustvu natrijuma pri temperaturi od 700–800 °C i visokom pritisku[17] tokom serijske proizvodnje poznate kao Hanterov proces.[7] Metalni titanijum se nije koristio izvan laboratorije sve do 1932. kada je Vilijam Jastin Krol pokazao da se titanijum može proizvesti redukcijom titanijum-tetrahlorida (TiCl4) u prisustvu kalcijuma.[18] Osam godina kasnije, on je poboljšao taj proces tako što je koristio magnezijum ili čak kalijum, pa je taj proces po njemu i dobio ime Krolov proces.[18] Iako su nastavljena istraživanja o efikasnijim i jeftnijim procesima (kao što su FFK Kembridž, Armstrongov proces i dr), Krolov proces se i danas koristi za komercijalnu proizvodnju ovog metala.[7][8]

„Titanijumski sunđer” napravljen Krolovim procesom

Titanijum veoma velikog stepena čistoće dobijen je u malim količinama kada su Anton Eduard van Arkel i Jan Hendrik de Ber otkrili jodid odnosno proces kristalne poluge 1925. godine, tako što su reakcijom sa jodom dobili pare koje su se raspale prevođenjem preko vrelog filamenta, dajući čisti metalni titanijum.[19]

Tokom 1950-ih i 1960-ih, Sovjetski Savez je predvodio svet u korišćenju titanijuma u vojne svrhe, naročito za podmornice[17] (klase podmornica "Alfa" i "Mike" - K-278 Komsomolets)[20] kao deo sovjetskih hladnoratovskih vojnih programa.[21] Počev od ranih 1950-ih, titanijum se u znatnoj meri počeo koristiti u vojnoj avioindustriji, u najvećoj meri za mlazne avione visokih performansi, na početku kod F-100 Super sejbr, zatim i aviona poput Lokid A-12 te SR-71.

Prepoznajući stratešku važnost titanijuma,[22] Ministarstvo odbrane Sjedinjenih Američkih Država (DoD) podržalo je prvobitne napore njegove komercijalizacije. U doba Hladnog rata, američka vlada je titanijum smatrala strateškim materijalom, te su ogromne zalihe titanijumskog „sunđera” skladištene u Nacionalnom centru za skladištenje vojnog materijala, iz kojeg je veći deo zaliha izbačen tek 2000-ih.[23] Prema podacima iz 2006. godine, najveći svetski proizvođač, ruska kompanija VSMPO-Avisma, imala je približno 29% udela u svetskoj proizvodnji ovog metala.[24] U 2015. titanijumski „sunđer” se proizvodio u šest zemalja sveta (poređano po količini): Kina, Japan, Rusija, Kazahstan, SAD, Ukrajina i Indija.[25][26]

Američka agencija za projekte naprednog istraživanja iz oblasti odbrane (DARPA) je 2006. dala podsticaj konzorcijumu od dve kompanije u visini od 5,7 miliona US$ u cilju razvitka novog proces dobijanja metalnog praha titanijuma. Pod visokim pritiskom i temperaturom takav prah se može koristiti za dobijanje snažnih, ali vrlo lkih predmeta, u rasponu od aeronautičkih komponenti, tenkovskih oplata te sirovina za hemijsku industriju.[27]

Naučnici sa Američkog nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) i hemijske korporacije Afton su 2008. godine objavili rezultate istraživanja o dodavanju titanijumevih jedinjenja u pogonska goriva, gde ta jedinjenja grade slojeve otporne na habanje, reda veličine u nanometrima, na površinama osetljivih delova motora, što implicira njihovu upotrebu kao pogodnu zamenu za ranija jedinjenja, štetna po okolinu.[28] Titanijum je takođe i jedan od kandidata kojim bi se mogla zameniti otrovna jedinjenja fosfora, koja se nalaze u većini pogonskih goriva i maziva.

Nalaženje[uredi]

Zastupljen je u zemljinoj kori u količini od 5000 ppm (ang. parts per million), u obliku minerala: ilmenita, rutila i titanita. Iako se smatra retkim elementom, bez obzira što se njegove koncentrovane naslage retko nalaze, on je otprilike deseti elemenat po zastupljenosti u prirodi, a od metala su zastupljeniji samo aluminijum i gvožđe. Javlja se u obliku oksida, TiO2, svog najvažnijeg jedinjenja i to kao rutil (tetragonalan), brukit (ortorombičan) i anatas (tetrarombičan).

Dobijanje[uredi]

Najčešće se dobija iz rude rutila. Rutil se pretvara u titanijum-tetrahlorid hlorovanjem u prisustvu ugljenika u stubovima obloženim ciglama pri temperaturi od 700 °C-1000 °C.

2TiO2 + 3C + 4Cl2 = 2TiCl4 + 2CO + CO2

Titanijum-tetrahlorid se redukuje metalnim magnezijumom ili natrijumom u atmosferi argona na 700  °C. Destilacija u vakuumu ili ispiranje sa 2% azotnom kiselinom omogućava da se dobije metal bez magnezijuma ili natrijuma, ali je on tada u obliku finih granula. Proizvodnja metala u blokovima ili sličnim oblicima je teška jer na visokim temperaturama koje su potrebne za topljenje (1665  °C) titanijum lako reaguje sa kiseonikom i azotom iz vazduha i sa oblogom peći. Blokovi se prave topljenjem u lučnim električnim pećima pod smanjenim pritiskom u teglama od bakra koje se hlade vodom.

Osobine[uredi]

Titanijum je specifično lak i mekan metal, a po hemijskim osobinama liči na silicijum. Na kiseoniku uz zagrevanje sagoreva dajući titanijum-dioksid. Sa azotom na 800  °C gradi nitrid TiN. Kiseline ne deluju lako na njega. Vruća razblažena sumporna kiselina sa njim daje sulfat uz izdvajanje vodonika, a koncentrovana disulfat uz izdvajanje sumpor-dioksida. Azotna kiselina ga pretvara u titanijumovu kiselinu Ti(OH)4. Poznata je postojanost titanijuma prema koroziji posebno prema morskoj vodi, pa je našao primenu i u brodogradnji.[4]

Jedinjenja[uredi]

Gradi jedinjenja u kojima mu je oksidacioni broj +2, +3 i +4. Njegovo najvažnije jedinjenje je titanijum-dioksid, ali su poznati i TiO i Ti2O3.

Značaj[uredi]

Elementarni titanijum nije otrovan, ali neke njegove soli jesu. Legure titanijuma su veoma lake i mehanički izdržljive - posebno na razvlačenje i zbog toga se koriste u avio-industriji, a takođe i za pravljenje bicikala i drugih sportskih sprava. Legure titanijuma imaju mnogo bolje osobine od legura aluminijuma ali su od njih znatno skuplje te su zbog toga manje zastupljene. Titanijum-dioksid se koristi kao dodatak za izbeljivanje u pastama, prašcima i farbama.

Reference[uredi]

  1. ^ Meija, J.; et al. (2016). „Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265—291. doi:10.1515/pac-2015-0305. 
  2. ^ Andersson, N.; et al. (2003). „Emission spectra of TiH and TiD near 938 nm” (PDF). J. Chem. Phys. 118: 10543. Bibcode:2003JChPh.118.3543A. doi:10.1063/1.1539848. Архивирано из оригинала (PDF) на датум 09. 02. 2012. Приступљено 20. 01. 2019. 
  3. ^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. стр. E110. ISBN 978-0-8493-0464-4. 
  4. 4,0 4,1 Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga. 
  5. ^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. изд.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6. 
  6. 6,0 6,1 6,2 „Titanium”. Encyclopædia Britannica. 2006. Приступљено 13. 6. 2016. 
  7. 7,0 7,1 7,2 Lide 2005
  8. 8,0 8,1 8,2 8,3 Krebs Robert E. (2006). The History and Use of Our Earth's Chemical Elements: A Reference Guide (2 изд.). Westport, CT: Greenwood Press. ISBN 978-0-313-33438-2. 
  9. ^ Donachie, Matthew J. (1988). TITANIUM: A Technical Guide. Metals Park, OH: ASM International. ISBN 978-0-87170-309-5. 
  10. ^ Barksdale 1968, стр. 738
  11. ^ „Titanium”. Columbia Encyclopedia (6. изд.). New York: Columbia University Press. 2000—2006. ISBN 978-0-7876-5015-5. 
  12. ^ Barbalace, Kenneth L. (2006). „Periodic Table of Elements: Ti – Titanium”. Приступљено 18. 6. 2016. 
  13. 13,0 13,1 13,2 13,3 13,4 Emsley 2001, стр. 452
  14. ^ Barksdale 1968, стр. 732
  15. ^ Martin Heinrich Klaproth, "Chemische Untersuchung des sogenannten hungarischen rothen Schörls" (Hemijska ispitivanja takozvanog mađarskog crvenog turmalina [rutila]) u: Beiträge zur chemischen Kenntniss der Mineralkörper (Prilozi hemijskom znanju mineralnih tvari), vol. 1, (Berlin): Heinrich August Rottmann, 1795), 233-244.
  16. ^ Emsley 2001, стр. 451
  17. 17,0 17,1 Roza 2008, стр. 9
  18. 18,0 18,1 Greenwood & Earnshaw 1997, стр. 955
  19. ^ Anton Eduard van Arkel; de Boer, J. H. (1925). „Preparation of pure titanium, zirconium, hafnium, and thorium metal”. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 148: 345—50. doi:10.1002/zaac.19251480133. 
  20. ^ Yanko, Eugene (2006). „Submarines: general information”. Omsk VTTV Arms Exhibition and Military Parade JSC. Приступљено 10. 8. 2013. 
  21. ^ World, Stainless Steel (1. 8. 2001). „VSMPO Stronger Than Ever” (PDF). KCI Publishing B.V. стр. 16—19. Приступљено 30. 8. 2016. 
  22. ^ Titanium: Past, Present, and Future. National Materials Advisory Board, Commission on Engineering and Technical Systems (CETS), National Research Council. Washington, D.C.: national Academy Press. 1983. стр. R9. NMAB-392. 
  23. ^ Defense National Stockpile Center (2008). Strategic and Critical Materials Report to the Congress. Operations under the Strategic and Critical Materials Stock Piling Act during the Period October 2007 through September 2008 (PDF). Ministarstvo odbrane SAD. стр. 3304. 
  24. ^ Jason, Bush (15. 2. 2006). „Boeing's Plan to Land Aeroflot”. BusinessWeek. Архивирано из оригинала на датум 9. 4. 2009. Приступљено 29. 12. 2006. 
  25. ^ "Roskill Information Services: Global Supply of Titanium is Forecast to Increase", Titanium Metal: Market Outlook to 2015 (5. izd. 2010).
  26. ^ „ISRO's titanium sponge plant in Kerala fully commissioned”. timesofindia-economictimes. Приступљено 8. 11. 2015. 
  27. ^ DuPont (12. 12. 2006). „U.S. Defense Agency Awards $5.7 Million to DuPont and MER Corporation for New Titanium Metal Powder Process” (Саопштење). Приступљено 1. 8. 2009. 
  28. ^ Guevremont, M. Jeffrey; Guinther, Gregory H.; Szemenyei, Dewey; et al. (14. 6. 2008). „Enhancement of Engine Oil Wear and Friction Control Performance through Titanium Additive Chemistry”. Tribology Transactions. 51 (3): 324—331. doi:10.1080/10402000701772595. 

Литература[uredi]

Спољашње везе[uredi]