Титанијум

Из Википедије, слободне енциклопедије
Иди на навигацију Иди на претрагу
Титанијум
Titan-crystal bar.JPG
Општа својства
Име, симболтитанијум, Ti
Изгледсребрнобела метална
У периодном систему
Водоник Хелијум
Литијум Берилијум Бор Угљеник Азот Кисеоник Флуор Неон
Натријум Магнезијум Алуминијум Силицијум Фосфор Сумпор Хлор Аргон
Калијум Калцијум Скандијум Титанијум Ванадијум Хром Манган Гвожђе Кобалт Никл Бакар Цинк Галијум Германијум Арсен Селен Бром Криптон
Рубидијум Стронцијум Итријум Цирконијум Ниобијум Молибден Технецијум Рутенијум Родијум Паладијум Сребро Кадмијум Индијум Калај Антимон Телур Јод Ксенон
Цезијум Баријум Лантан Церијум Празеодијум Неодијум Прометијум Самаријум Европијум Гадолинијум Тербијум Диспрозијум Холмијум Ербијум Тулијум Итербијум Лутецијум Хафнијум Тантал Волфрам Ренијум Осмијум Иридијум Платина Злато Жива Талијум Олово Бизмут Полонијум Астат Радон
Францијум Радијум Актинијум Торијум Протактинијум Уранијум Нептунијум Плутонијум Америцијум Киријум Берклијум Калифорнијум Ајнштајнијум Фермијум Мендељевијум Нобелијум Лоренцијум Радерфордијум Дубнијум Сиборгијум Боријум Хасијум Мајтнеријум Дармштатијум Рендгенијум Коперницијум Нихонијум Флеровијум Московијум Ливерморијум Тенесин Оганесон


Ti

Zr
скандијумтитанијумванадијум
Атомски број (Z)22
Група, периодагрупа 4, периода 4
Блокd-блок
Категорија  прелазни метал
Рел. ат. маса (Ar)47,867(1)[1]
Ел. конфигурација[Ar] 3d2 4s2
по љускама
2, 8, 10, 2
Физичка својства
Агрегатно стањечврст
Тачка топљења1941 K ​(1668 °‍C, ​3034 °F)
Тачка кључања3560 K ​(3287 °‍C, ​5949 °F)
Густина при с.т.4,506 g/cm3
течно ст., на т.т.4,11 g/cm3
Топлота фузије14,15 kJ/mol
Топлота испаравања425 kJ/mol
Мол. топл. капацитет25,060 J/(mol·K)
Напон паре
P (Pa) 100 101 102
на T (K) 1982 2171 (2403)
P (Pa) 103 104 105
на T (K) 2692 3064 3558
Атомска својства
Оксидациона стања4, 3, 2, 1, −1, −2[2]
(амфотерни оксид)
Електронегативност1,54
Енергије јонизације1: 658,8 kJ/mol
2: 1309,8 kJ/mol
3: 2652,5 kJ/mol
(остале)
Атомски радијус147 pm
Ковалентни радијус160±8 pm
Линије боје у спектралном распону
Остало
Кристална структуразбијена хексагонална (HCP)
Hexagonal close packed кристална структура за титанијум
Брзина звука танак штап5090 m/s (на с.т.)
Топл. ширење8,6 µm/(m·K) (на 25 °‍C)
Топл. водљивост21,9 W/(m·K)
Електрична отпорност420 nΩ·m (на 20 °‍C)
Магнетни распоредпарамагнетичан
Магнетна сусцептибилност (χmol)+153,0·10−6 cm3/mol (293 K)[3]
Јангов модул116 GPa
Модул смицања44 GPa
Модул стишљивости110 GPa
Поасонов коефицијент0,32
Мосова тврдоћа6,0
Викерсова тврдоћа830–3420 MPa
Бринелова тврдоћа716–2770 MPa
CAS број7440-32-6
Историја
ОткрићеВилијам Грегор (1791)
Прва изолацијаЈакоб Берцелијус (1825)
Именовање и епонимМартин Хајнрих Клапрот (1795)
Главни изотопи
изо РА полуживот (t1/2) ТР ПР
44Ti syn 63 y ε 44Sc
γ
46Ti 8.25% стабилни
47Ti 7.44% стабилни
48Ti 73.72% стабилни
49Ti 5.41% стабилни
50Ti 5.18% стабилни
референцеВикиподаци

Титанијум (Ti, лат. titanium) метал је IVB групе познате и као група прелазних метала.[4][5] Има 22 изотопа чије се атомске масе налазе између 41 do 53. Изотопи од 46 до 50 су постојани. То је сјајни прелазни метал, сребренасте боје, мале густине али веома велике чврстоће. Доста је отпоран на корозију у морској води, златотопки и хлору.

Титанијум је открио Вилијам Грегор 1791. у Корнволу, Велика Британија, а име му је дао Мартин Хајнрих Клапрот по Титанима из грчке митологије. Елемент се јавља унутар бројних минералних депозита, углавном као рутил и илменит, који су широко распрострањени у Земљиној кори и литосфери, а има га и у готово свим живим бићима, стенама, водотоковима, морима и земљишту.[6] Метал се добија из својих основних минералних руда помоћу Кроловог[7] и Хантеровог процеса. Његово најчешће једињење, титанијум диоксид је фотокатализатор, а користи се и за производњу белих пигмената.[8] Друга једињења су титанијум тетрахлорид (TiCl4), који је састојак димних завеса и катализатор и титанијум трихлорид (TiCl3), који се користи у производњи полипропилена као катализатор.[6]

Титанијум се може легирати, између осталих, и са гвожђем, алуминијумом, ванадијумом и молибденом, дајући врло јаке али лаке легуре погодне за авионске и аеронаутичке апликације (млазне моторе, ракете и свемирске летелице), војне и индустријске процесе (хемикалије и петрохемикалије, постројења за десалинизацију, производњу папира), као и за бројне апликације у аутоиндустрији, прехрамбеној индустрији, медицинским протезама, ортопедским имплантатима, зубним и ендодонтским инструментима, зубним имплантатима, спортској опреми, накиту, мобилним телефонима и другим.[6]

Две најкорисније особине овог метала су отпорност на корозију и најбољи однос између чврстине и густине од било којег другог металног елемента.[9] У нелегираном облику, титанијум је чврст попут неких врста челика, али је много мање густине.[10] Постоје два алотропска облика[11] и пет природних изотопа овог елемента, од 46Ti до 50Ti, међу којима је 48Ti најраспрострањенији (73,8%).[12] Иако имају исти број валентних електрона и налазе се у истој групи периодног система елемената, титанијум и цирконијум се знатно разликују по многим хемијским и физичким особинама.

Историјат[уреди]

Мартин Хајнрих Клапрот је дао име титанијуму према Титанима из грчке митологије

Титанијум је открио аматерски геолог и клерик Вилијам Грегор (у то време на месту викара жупе Крид) 1791. године као инклузију у једном минералу из Корнвола (Велика Британија).[13] Грегор је опазио присуство новог елемента у илмениту[8] када је пронашао црни песак у водотоку у суседној жупи Манакан, при чему је магнет могао привлачити тај песак.[13] При његовој анализи, открио је присуство два метална оксида: гвожђе оксида (што је објашњавало привлачење магнета) док 45,25% белог металног оксида није могао да идентификује.[14] Након што је схватио да непознати оксид садржи метал који до тада није био откривен, Грегор је извештај о свом открићу послао Краљевском геолошком друштво Корнвола те немачком научном часопису Crell's Annalen.[13]

Приближно у исто време Франц-Јозеф Милер је добио сличну супстанцу, али је није могао идентификовати.[8] Оксид су поновно открили 1795. године, независно један од другог, пруски хемичар Мартин Хајнрих Клапрот у рутилу из села Бојнка (немачки назив непознатог топонима у Мађарској).[13][15] Клапрот је открио да он садржи нови елемент којем је дао име по Титанима из грчке митологије.[16] Након што је чуо о Грегоровом ранијем открићу, добавио је узорак манаканита те потврдио да и он садржи метал титанијум.

Тренутно познати процеси за издвајање титанијума из разних његових руда су претежно скупи и захтевају много рада. Није могуће редуковати руду загревајући је са угљом (као што се то ради са жељезом), јер се титанијум спаја са угљеником градећи титанијум карбид.[13] Чисти метални титанијум (99,9% чистоће) први је добио Матју А. Хантер 1910. године при Политехничком институту Ренслер тако што је загрејавао TiCl4 у присуству натријума при температури од 700–800 °C и високом притиску[17] током серијске производње познате као Хантеров процес.[7] Метални титанијум се није користио изван лабораторије све до 1932. када је Вилијам Јастин Крол показао да се титанијум може произвести редукцијом титанијум-тетрахлорида (TiCl4) у присуству калцијума.[18] Осам година касније, он је побољшао тај процес тако што је користио магнезијум или чак калијум, па је тај процес по њему и добио име Кролов процес.[18] Иако су настављена истраживања о ефикаснијим и јефтнијим процесима (као што су ФФК Кембриџ, Армстронгов процес и др), Кролов процес се и данас користи за комерцијалну производњу овог метала.[7][8]

„Титанијумски сунђер” направљен Кроловим процесом

Титанијум веома великог степена чистоће добијен је у малим количинама када су Антон Едуард ван Аркел i Јан Хендрик де Бер открили јодид односно процес кристалне полуге 1925. године, тако што су реакцијом са јодом добили паре које су се распале превођењем преко врелог филамента, дајући чисти метални титанијум.[19]

Током 1950-их и 1960-их, Совјетски Савез је предводио свет у коришћењу титанијума у војне сврхе, нарочито за подморнице[17] (класе подморница "Алфа" и "Мике" - К-278 Комсомолетс)[20] као део совјетских хладноратовских војних програма.[21] Почев од раних 1950-их, титанијум се у знатној мери почео користити у војној авиоиндустрији, у највећој мери за млазне авионе високих перформанси, на почетку код Ф-100 Супер сејбр, затим и авиона попут Локид А-12 te СР-71.

Препознавајући стратешку важност титанијума,[22] Министарство одбране Сједињених Америчких Држава (ДоД) подржало је првобитне напоре његове комерцијализације. У доба Хладног рата, америчка влада је титанијум сматрала стратешким материјалом, те су огромне залихе титанијумског „сунђера” складиштене у Националном центру за складиштење војног материјала, из којег је већи део залиха избачен тек 2000-их.[23] Према подацима из 2006. године, највећи светски произвођач, руска компанија ВСМПО-Ависма, имала је приближно 29% удела у светској производњи овог метала.[24] У 2015. титанијумски „сунђер” се производио у шест земаља света (поређано по количини): Кина, Јапан, Русија, Казахстан, САД, Украјина и Индија.[25][26]

Америчка агенција за пројекте напредног истраживања из области одбране (ДАРПА) је 2006. дала подстицај конзорцијуму од две компаније у висини од 5,7 милиона УС$ у циљу развитка новог процес добијања металног праха титанијума. Под високим притиском и температуром такав прах се може користити за добијање снажних, али врло лких предмета, у распону од аеронаутичких компоненти, тенковских оплата те сировина за хемијску индустрију.[27]

Научници са Америчког националног института за стандарде и технологију (НИСТ) и хемијске корпорације Афтон су 2008. године објавили резултате истраживања о додавању титанијумевих једињења у погонска горива, где та једињења граде слојеве отпорне на хабање, реда величине у нанометрима, на површинама осетљивих делова мотора, што имплицира њихову употребу као погодну замену за ранија једињења, штетна по околину.[28] Титанијум је такође и један од кандидата којим би се могла заменити отровна једињења фосфора, која се налазе у већини погонских горива и мазива.

Налажење[уреди]

Заступљен је у земљиној кори у количини од 5000 ppm (ang. parts per million), у облику минерала: илменита, рутила и титанита. Иако се сматра ретким елементом, без обзира што се његове концентроване наслаге ретко налазе, он је отприлике десети елеменат по заступљености у природи, а од метала су заступљенији само алуминијум и гвожђе. Јавља се у облику оксида, TiO2, свог најважнијег једињења и то као рутил (тетрагоналан), брукит (орторомбичан) и анатас (тетраромбичан).

Добијање[уреди]

Најчешће се добија из руде рутила. Рутил се претвара у титанијум-тетрахлорид хлоровањем у присуству угљеника у стубовима обложеним циглама при температури од 700 °C-1000 °C.

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

Титанијум-тетрахлорид се редукује металним магнезијумом или натријумом у атмосфери аргона на 700  °C. Дестилација у вакууму или испирање са 2% азотном киселином омогућава да се добије метал без магнезијума или натријума, али је он тада у облику финих гранула. Производња метала у блоковима или сличним облицима је тешка јер на високим температурама које су потребне за топљење (1665  °C) титанијум лако реагује са кисеоником и азотом из ваздуха и са облогом пећи. Блокови се праве топљењем у лучним електричним пећима под смањеним притиском у теглама од бакра које се хладе водом.

Особине[уреди]

Титанијум је специфично лак и мекан метал, а по хемијским особинама личи на силицијум. На кисеонику уз загревање сагорева дајући титанијум-диоксид. Са азотом на 800  °C гради нитрид TiN. Киселине не делују лако на њега. Врућа разблажена сумпорна киселина са њим даје сулфат уз издвајање водоника, а концентрована дисулфат уз издвајање сумпор-диоксида. Азотна киселина га претвара у титанијумову киселину Ti(OH)4. Позната је постојаност титанијума према корозији посебно према морској води, па је нашао примену и у бродоградњи.[4]

Једињења[уреди]

Гради једињења у којима му је оксидациони број +2, +3 и +4. Његово најважније једињење је титанијум-диоксид, али су познати и TiO и Ti2O3.

Значај[уреди]

Елементарни титанијум није отрован, али неке његове соли јесу. Легуре титанијума су веома лаке и механички издржљиве - посебно на развлачење и због тога се користе у авио-индустрији, а такође и за прављење бицикала и других спортских справа. Легуре титанијума имају много боље особине од легура алуминијума али су од њих знатно скупље те су због тога мање заступљене. Титанијум-диоксид се користи као додатак за избељивање у пастама, прашцима и фарбама.

Референце[уреди]

  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[уреди]

Спољашње везе[уреди]