تیتانیوم یک فلز است. خواص تیتانیوم کاربرد تیتانیوم نمرات و ترکیب شیمیایی تیتانیوم

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 05:24

جاودانه، اسرارآمیز، کیهانی، مواد آینده - همه اینها و بسیاری از القاب دیگر در منابع مختلف به تیتانیوم نسبت داده شده است. تاریخچه کشف این فلز بی اهمیت نبود: در همان زمان، چندین دانشمند روی جداسازی عنصر در شکل خالص آن کار کردند. فرآیند مطالعه خواص فیزیکی، شیمیایی و تعیین حوزه های کاربرد آن تا به امروز کامل نشده است. تیتانیوم فلز آینده است، جایگاه آن در زندگی انسان هنوز به طور نهایی مشخص نشده است، که به محققان مدرن دامنه وسیعی برای خلاقیت و تحقیقات علمی می دهد.

ویژگی

عنصر شیمیایی تیتانیوم (تیتانیوم) در جدول تناوبی مندلیف با نماد Ti نشان داده شده است. این ماده در زیرگروه ثانویه گروه چهارم دوره چهارم قرار دارد و دارای شماره سریال 22 است. ماده ساده تیتانیوم فلزی سفید نقره ای سبک و بادوام است. پیکربندی الکترونیکی یک اتم دارای ساختار زیر است: +22)2)8)10)2، 1S²2S²2P 6 ^3S2^3P6^3d2^4S 2. بر این اساس، تیتانیوم دارای چندین حالت اکسیداسیون ممکن است:3، 4، در پایدارترین ترکیبات چهار ظرفیتی است.

تیتانیوم - آلیاژ یا فلز؟

این سوال خیلی ها را مورد توجه قرار می دهد. در سال 1910، هانتر شیمیدان آمریکایی اولین تیتانیوم خالص را به دست آورد. این فلز تنها دارای 1٪ ناخالصی بود، اما در عین حال، مقدار آن ناچیز بود و امکان بررسی بیشتر خواص آن را فراهم نمی کرد. پلاستیسیته ماده به دست آمده تنها تحت تأثیر دماهای بالا به دست آمد؛ در شرایط عادی (دمای اتاق)، نمونه بسیار شکننده بود. در واقع، این عنصر برای دانشمندان جالب نبود، زیرا چشم انداز استفاده از آن بسیار نامشخص به نظر می رسید. دشواری به دست آوردن و تحقیق، پتانسیل کاربرد آن را بیشتر کاهش داد. فقط در سال 1925، شیمیدانان هلندی I. de Boer و A. Van Arkel فلز تیتانیوم را دریافت کردند که خواص آن توجه مهندسان و طراحان را در سراسر جهان جلب کرد. تاریخچه مطالعه این عنصر از سال 1790 آغاز می شود، دقیقاً در این زمان دو دانشمند به موازات یکدیگر مستقل از یکدیگر تیتانیوم را به عنوان یک عنصر شیمیایی کشف می کنند. هر یک از آنها یک ترکیب (اکسید) از یک ماده را دریافت می کند و نمی تواند فلز را به شکل خالص آن جدا کند. کاشف تیتانیوم راهب کانی شناس انگلیسی ویلیام گرگور است. دانشمند جوان در قلمرو محله خود، واقع در بخش جنوب غربی انگلستان، شروع به مطالعه ماسه سیاه دره مناکن کرد. نتیجه آزمایشات با آهنربا آزاد شدن دانه های براق بود که یک ترکیب تیتانیوم بود. در همان زمان در آلمان، شیمیدان مارتین هاینریش کلاپروت ماده جدیدی را از این ماده معدنی جدا کرد.روتیل در سال 1797، او همچنین ثابت کرد که عناصری که به صورت موازی باز می شوند مشابه هستند. دی اکسید تیتانیوم بیش از یک قرن است که برای بسیاری از شیمیدانان یک معماست و حتی برزلیوس نیز نتوانست فلز خالص را بدست آورد. آخرین فن آوری های قرن بیستم به طور قابل توجهی روند مطالعه عنصر ذکر شده را تسریع کرد و مسیرهای اولیه استفاده از آن را تعیین کرد. در عین حال، دامنه کاربرد به طور مداوم در حال گسترش است. فقط پیچیدگی فرآیند به دست آوردن چنین ماده ای مانند تیتانیوم خالص می تواند دامنه آن را محدود کند. قیمت آلیاژها و فلزات بسیار بالا است، بنابراین امروزه نمی تواند جایگزین آهن و آلومینیوم سنتی شود.

منشأ نام

Menakin - اولین نام تیتانیوم که تا سال 1795 استفاده می شد. به این ترتیب، W. Gregor با وابستگی سرزمینی عنصر جدید را نامید. مارتین کلاپروت در سال 1797 نام "تیتانیوم" را به این عنصر داد. در این زمان، همکاران فرانسوی او، به رهبری یک شیمیدان نسبتاً معتبر A. L. Lavoisier، پیشنهاد کردند که مواد تازه کشف شده را مطابق با خواص اولیه آنها نامگذاری کنند. دانشمند آلمانی با این رویکرد موافق نبود، او کاملاً منطقی معتقد بود که در مرحله کشف، تعیین تمام ویژگی های ذاتی یک ماده و انعکاس آنها در نام بسیار دشوار است. با این حال، باید دانست که اصطلاحی که به طور شهودی توسط Klaproth انتخاب شده است، کاملاً با فلز مطابقت دارد - این بارها توسط دانشمندان مدرن تأکید شده است. دو نظریه اصلی برای منشاء نام تیتانیوم وجود دارد. این فلز را می توان به افتخار ملکه الف ها تیتانیا نامگذاری کرد(شخصیت اساطیر ژرمنی). این نام هم نماد سبکی و هم قدرت ماده است. بیشتر دانشمندان تمایل دارند از نسخه استفاده از اساطیر یونان باستان استفاده کنند که در آن پسران قدرتمند الهه زمین گایا تیتان نامیده می شدند. نام عنصر کشف شده قبلی، اورانیوم، نیز به نفع این نسخه است.

بودن در طبیعت

از میان فلزاتی که از نظر فنی برای انسان ارزشمند هستند، تیتانیوم چهارمین فراوانی در پوسته زمین است. فقط آهن، منیزیم و آلومینیوم دارای درصد زیادی در طبیعت هستند. بیشترین محتوای تیتانیوم در پوسته بازالت و کمی کمتر در لایه گرانیت مشاهده می شود. در آب دریا، محتوای این ماده کم است - تقریباً 0.001 میلی گرم در لیتر. عنصر شیمیایی تیتانیوم کاملاً فعال است، بنابراین نمی توان آن را به شکل خالص آن یافت. بیشتر اوقات، در ترکیبات با اکسیژن وجود دارد، در حالی که ظرفیت آن چهار است. تعداد کانی های حاوی تیتانیوم از 63 تا 75 (در منابع مختلف) متغیر است، در حالی که در مرحله کنونی تحقیقات، دانشمندان به کشف اشکال جدید ترکیبات آن ادامه می دهند. برای استفاده عملی، مواد معدنی زیر بیشترین اهمیت را دارند:

1. Ilmenite (FeTiO₃).
2. Rutile (TiO₂).
3. Titanit (CaTiSiO₅).
4. Perovskite (CaTiO₃).
5. تیتانومغناطیس (FeTiO₃+Fe₃O₄) و غیره

تمام سنگ‌های معدنی تیتانیوم موجود به دو دسته تقسیم می‌شوندآبرفتی و اساسی. این عنصر یک مهاجر ضعیف است، فقط می تواند به صورت تکه های سنگ یا سنگ های سیلتی متحرک پایین حرکت کند. در بیوسفر، بیشترین مقدار تیتانیوم در جلبک ها یافت می شود. در نمایندگان جانوران زمینی، این عنصر در بافت های شاخی، مو تجمع می یابد. بدن انسان با وجود تیتانیوم در طحال، غدد فوق کلیوی، جفت، غده تیروئید مشخص می شود.

خواص فیزیکی

تیتانیوم یک فلز غیرآهنی با رنگ سفید مایل به نقره ای است که شبیه فولاد است. در دمای 0 ⁰C، چگالی آن 4.517 g/cm³ است. این ماده دارای وزن مخصوص کم است که برای فلزات قلیایی (کادمیم، سدیم، لیتیوم، سزیم) معمول است. از نظر چگالی، تیتانیوم جایگاه میانی بین آهن و آلومینیوم را اشغال می کند، در حالی که عملکرد آن بالاتر از هر دو عنصر است. خواص اصلی فلزات که در تعیین دامنه کاربرد آنها مورد توجه قرار می گیرد، مقاومت تسلیم و سختی است. تیتانیوم 12 برابر قوی تر از آلومینیوم، 4 برابر قوی تر از آهن و مس است، در حالی که بسیار سبک تر است. پلاستیسیته یک ماده خالص و قدرت تسلیم آن، پردازش را در دماهای پایین و بالا، مانند سایر فلزات، مانند پرچ کردن، آهنگری، جوشکاری، نورد، ممکن می سازد. ویژگی بارز تیتانیوم رسانایی حرارتی و الکتریکی کم آن است، در حالی که این خواص در دماهای بالا تا 500 ⁰C حفظ می شود. در میدان مغناطیسی، تیتانیوم یک عنصر پارامغناطیسی است، اینطور نیستمانند آهن جذب می شود و مانند مس به بیرون رانده نمی شود. عملکرد ضد خوردگی بسیار بالا در محیط های تهاجمی و تحت فشار مکانیکی منحصر به فرد است. بیش از 10 سال حضور در آب دریا ظاهر و ترکیب صفحه تیتانیوم را تغییر نداد. آهن در این حالت در اثر خوردگی کاملاً از بین می رود.

خواص ترمودینامیکی تیتانیوم

1. چگالی (در شرایط عادی) 4.54g/cm³ است.
2. عدد اتمی 22 است.
3. گروه فلزی - نسوز، سبک.
4. جرم اتمی تیتانیوم 47.0 است.
5. نقطه جوش (⁰C) - 3260.
6. حجم مولار cm³/mol – 10, 6.
7. نقطه ذوب تیتانیوم (⁰С) - 1668.
8. گرمای ویژه تبخیر (kJ/mol) - 422, 6.
9. مقاومت الکتریکی (در 20 ⁰С) اهمcm10^-6 - 45.

خواص شیمیایی

افزایش مقاومت در برابر خوردگی عنصر به دلیل تشکیل یک لایه کوچک اکسید روی سطح است. از واکنش های شیمیایی (در شرایط عادی) با گازها (اکسیژن، هیدروژن) در اتمسفر اطراف عنصری مانند فلز تیتانیوم جلوگیری می کند. خواص آن تحت تأثیر دما تغییر می کند. هنگامی که به 600 ⁰C افزایش می یابد، یک واکنش متقابل با اکسیژن رخ می دهد که منجر به تشکیل اکسید تیتانیوم می شود (TiO₂). در صورت جذب گازهای اتمسفر، ترکیبات شکننده ای تشکیل می شود که کاربرد عملی ندارند، به همین دلیل جوشکاری و ذوب تیتانیوم در شرایط خلاء انجام می شود. واکنش برگشت پذیرفرآیند انحلال هیدروژن در فلز است، با افزایش دما (از 400 ⁰C و بالاتر) به طور فعالتر اتفاق می افتد. تیتانیوم، به ویژه ذرات کوچک آن (صفحه یا سیم نازک)، در جو نیتروژن می سوزد. یک واکنش شیمیایی برهمکنش تنها در دمای 700 ⁰C امکان پذیر است، که منجر به تشکیل نیترید قلع می شود. با بسیاری از فلزات، اغلب به عنوان یک عنصر آلیاژی، آلیاژهای بسیار سخت را تشکیل می دهد. با هالوژن ها (کروم، برم، ید) فقط در حضور یک کاتالیزور (درجه حرارت بالا) و در معرض برهمکنش با یک ماده خشک است. در این حالت آلیاژهای نسوز بسیار سخت تشکیل می شوند. با محلول‌های اکثر قلیایی‌ها و اسیدها، تیتانیوم از نظر شیمیایی غیرفعال است، به استثنای سولفوریک غلیظ (با جوشش طولانی)، هیدروفلوریک، آلی داغ (فرمیک، اگزالیک).

سپرده

سنگ معدن ایلمنیت رایج ترین سنگ معدن در طبیعت است - ذخایر آنها 800 میلیون تن تخمین زده می شود. ذخایر روتیل بسیار کم‌تر است، اما حجم کل - در عین حفظ رشد تولید - باید برای 120 سال آینده فلزی مانند تیتانیوم را برای بشر فراهم کند. قیمت محصول نهایی به تقاضا و افزایش سطح تولید بستگی دارد، اما به طور متوسط در محدوده 1200 تا 1800 روبل / کیلوگرم متغیر است. در شرایط بهبود فنی مداوم، هزینه تمام فرآیندهای تولید با نوسازی به موقع آنها به طور قابل توجهی کاهش می یابد. چین و روسیه بیشترین ذخایر سنگ معدن تیتانیوم و همچنین مواد معدنی را دارندژاپن، آفریقای جنوبی، استرالیا، قزاقستان، هند، کره جنوبی، اوکراین، سیلان دارای پایه مواد خام هستند. ذخایر در حجم تولید و درصد تیتانیوم در سنگ معدن متفاوت است، بررسی های زمین شناسی در حال انجام است، که این امکان را فراهم می کند که کاهش ارزش بازار فلز و استفاده گسترده تر از آن را فرض کنیم. روسیه تا کنون بزرگترین تولید کننده تیتانیوم است.

دریافت

برای تولید تیتانیوم، بیشتر از دی اکسید تیتانیوم استفاده می شود که حاوی حداقل مقدار ناخالصی است. از غنی سازی کنسانتره ایلمنیت یا سنگ معدن روتیل به دست می آید. در کوره قوس الکتریکی عملیات حرارتی سنگ معدن صورت می گیرد که با جداسازی آهن و تشکیل سرباره حاوی اکسید تیتانیوم همراه است. روش سولفات یا کلرید برای پردازش کسر بدون آهن استفاده می شود. اکسید تیتانیوم یک پودر خاکستری است (عکس را ببینید). فلز تیتانیوم با پردازش مرحله ای آن به دست می آید.

مرحله اول فرآیند تف جوشی سرباره با کک و قرار گرفتن در معرض بخار کلر است. زمانی که در دمای 850 ₀C قرار گیرد، TiCl⁴ با منیزیم یا سدیم کاهش می یابد. اسفنج تیتانیوم (توده ذوب متخلخل) که در نتیجه یک واکنش شیمیایی به دست می آید، تصفیه شده یا به صورت شمش ذوب می شود. بسته به جهت استفاده بیشتر، یک آلیاژ یا فلز خالص تشکیل می شود (ناخالصی ها با حرارت دادن به 1000 ⁰C حذف می شوند). برای تولید ماده ای با ناخالصی 0.01 درصد از روش یدید استفاده می شود. بر اساس فرآیند استتبخیر از یک اسفنج تیتانیوم که از قبل با هالوژن و بخارات آن تیمار شده است.

حوزه های کاربردی

نقطه ذوب تیتانیوم بسیار بالا است، که با توجه به سبکی فلز، مزیت بسیار ارزشمند استفاده از آن به عنوان یک ماده ساختاری است. بنابراین بیشترین کاربرد را در کشتی سازی، صنعت هوانوردی، ساخت موشک و صنایع شیمیایی پیدا می کند. تیتانیوم اغلب به عنوان یک افزودنی آلیاژی در آلیاژهای مختلف استفاده می شود که ویژگی های سختی و مقاومت حرارتی را افزایش می دهند. خواص ضد خوردگی بالا و توانایی مقاومت در برابر اکثر محیط های تهاجمی، این فلز را برای صنایع شیمیایی ضروری می کند. تیتانیوم (آلیاژهای آن) برای ساخت خطوط لوله، مخازن، دریچه ها، فیلترهایی که در تقطیر و حمل و نقل اسیدها و سایر مواد فعال شیمیایی استفاده می شود، استفاده می شود. هنگام ایجاد دستگاه هایی که در شرایط شاخص های دمای بالا کار می کنند، مورد تقاضا است. ترکیبات تیتانیوم برای ساخت ابزارهای برش بادوام، رنگ، پلاستیک و کاغذ، ابزار جراحی، ایمپلنت، جواهرات، مواد تکمیل کننده و در صنایع غذایی استفاده می شود. توصیف همه جهت ها دشوار است. پزشکی مدرن، به دلیل ایمنی کامل بیولوژیکی، اغلب از فلز تیتانیوم استفاده می کند. قیمت تنها عاملی است که تا کنون بر وسعت کاربرد این عنصر تأثیر می گذارد. منصفانه است که بگوییم تیتانیوم ماده آینده است که با مطالعه آن بشریت از آن عبور خواهد کردبه مرحله جدیدی از توسعه.