Storia, struttura, proprietà, reazioni, usi in titanio

Lui titanio È un metallo di transizione rappresentato dal simbolo chimico TI. È il secondo metallo ad apparire nel blocco D della tavola periodica, subito dopo lo scandio. Il suo numero atomico è 22 ed è presentato in natura come molti isotopi e radioisotopi, di cui il ⁴⁸Sei il più abbondante di tutti.

Il suo colore è grigio argento e i suoi pezzi sono coperti da uno strato di ossido protettivo che rende il titanio un metallo molto resistente alla corrosione. Se questo strato è giallastro, è il nitruro di titanio (stagno), che è un composto che si forma quando questo metallo brucia in presenza di azoto, proprietà unica e distinta.

Anelli di titanio. Fonte: pxhere.

Oltre a ciò che è già stato menzionato, è estremamente resistente agli impatti meccanici nonostante sia più leggero dell'acciaio. Ecco perché è noto come il metallo più forte di tutti, e il suo nome singolo è sinonimo di forza. Ha anche resistenza e leggerezza, due caratteristiche che lo rendono un materiale desiderabile per la produzione di aeromobili.

Inoltre, e non meno importante, il titanio è un metallo biocompatibile e piacevole da toccare, quindi viene utilizzato nei gioielli per l'elaborazione degli anelli; e nella biomedicina, come gli impianti ortopedici e dentali, in grado di integrarsi nei tessuti ossei.

Tuttavia, i suoi usi più noti risiedono nello zio₂, come pigmento, additivo, rivestimento e fotocatizzazione.

È il nono elemento più abbondante sulla terra e il settimo all'interno dei metalli. Nonostante ciò, il suo costo è elevato a causa delle difficoltà che devono essere superate per estrarre dai loro minerali, tra cui Rutilo, Anatase, Ilmenite e Perovskita. Di tutti i metodi di produzione, il processo Kroll è il più usato in tutto il mondo.

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Storia

Scoperta

Il titanio fu per la prima volta identificato nel minerale di Ilmenite nella valle del Manacan (Regno Unito), dai fan William Gregor, lì nel 1791. Era in grado di identificare che conteneva un ossido di ferro, poiché le sue sabbie si muovevano dall'influenza di un magnete; Ma ha anche riferito che c'era un altro ossido di metallo sconosciuto, che chiamava "Manacanita".

Sfortunatamente, sebbene la Royal Geological Society of Cornwall sia andata a Royal Geological e altri media, i suoi contributi non hanno suscitato scalpore per non essere un uomo di scienze riconosciuto.

Quattro anni dopo, nel 1795, il chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth riconobbe indipendentemente lo stesso metallo; Ma nel minerale di Rutilo a Bainik, in Slovacchia attualmente.

Ci sono quelli che affermano di aver nominato "Titanio" in questo nuovo metal ispirato alla sua durezza in somiglianza con i Titani. Altri assicurano che la neutralità degli stessi personaggi mitologici fosse dovuta di più. Pertanto, il titanio è nato come elemento chimico e Klaproth poteva quindi concludere che era lo stesso mancanito del minerale di ilmenite.

Isolamento

Da allora sono iniziati i tentativi di isolarlo da tali minerali; Ma la maggior parte di loro era inutile, poiché il titanio era contaminato da ossigeno o azoto o formava un carburo impossibile da ridurre. Dovevano passare quasi un secolo (1887) in modo che Lars Nilson e Otto Pettersson potessero preparare un campione con purezza del 95%.

Quindi, nel 1896, Henry Moissan riuscì a ottenere un campione con purezza fino al 98%, grazie all'azione di riduzione del sodio metallico. Tuttavia, questi titaniani impuri erano fragili dall'azione degli atomi di ossigeno e azoto, quindi era necessario progettare un processo per tenerli fuori dalla miscela di reazione.

E con questo approccio il processo di Hunter è nato nel 1910, ideato da Matthew a. Hunter in collaborazione con General Electric presso Renselaer Polytechnic Institute.

Venti anni dopo, in Lussemburgo, William J. Kroll ha ideato un altro metodo usando calcio e magnesio. Al momento, il processo di Kroll rimane uno dei metodi principali per produrre titanio metallico su scale commerciali e industriali.

Da questo punto la storia del titanio segue il corso delle sue leghe in applicazioni per l'industria aerospaziale e militare.

Struttura elettronica e configurazione

Il titanio puro può cristallizzare con due strutture: un esagonale compatto (HCP), chiamato fase α e un cubico centrato nel corpo (BCC), chiamato fase β β. Pertanto, è un metallo dimorfico, in grado di soffrire di transizioni allotropiche (o fase) tra le strutture HCP e BCC.

La fase α è la più stabile agli ambienti di temperatura e pressione, con i tuoi atomi circondati da dodici vicini. Quando la temperatura aumenta a 882 ° C, il vetro esagonale viene trasformato in un cubo, meno denso, che concorda con il prodotto di vibrazioni atomiche più elevato del calore.

Man mano che la temperatura aumenta, la fase α si oppone a una maggiore resistenza termica; Cioè, anche il suo calore specifico aumenta, quindi è sempre più calore raggiungere 882 ° C.

E se invece di aumentare la temperatura fa la pressione? Quindi si ottengono cristalli BCC distorti.

Collegamento

In questi cristalli di metallo intervengono nel collegamento che unisce gli atomi di te i loro elettroni di valenza degli orbitali 3D e 4S, secondo la configurazione elettronica:

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[AR] 3D² 4s²

Deve a malapena condividere quattro elettroni con i suoi vicini, che hanno origini quasi vuote e, quindi, il titanio non è così buono conduttore di elettricità o calore come altri metalli.

Leghe

Ancora più importante di quanto commentato sulla struttura cristallina del titanio è che entrambe le fasi, α e β, possono formare le proprie leghe. Questi possono consistere in leghe α o β pure o miscele di entrambe in proporzioni diverse (α + β).

Allo stesso modo, la dimensione dei rispettivi grani cristallini influenza le proprietà finali di tali leghe di titanio, nonché la composizione di massa e le relazioni degli additivi aggregati (altri metalli o atomi di N, O, C o H).

Gli additivi esercitano un'influenza significativa sulle leghe di titanio perché possono stabilizzare alcune delle due fasi specifiche. Ad esempio: AL, O, GA, ZR, SN e N sono additivi che stabilizzano l'α (cristalli HCP più densi); e Mo, V, W, Cu, Mn, H, Faith e altri sono additivi che stabilizzano la fase β (cristalli BCC meno densi).

Lo studio di tutte queste leghe di titanio, le loro strutture, composizione, proprietà e applicazioni, sono soggetti a opere metallurgiche che riposano nella cristallografia.

Numeri di ossidazione

Secondo la configurazione elettronica, il titanio avrebbe bisogno di otto elettroni per riempire completamente gli orbitali 3D. Questo non può ottenerlo in nessuno dei suoi composti e Máxima riesce a vincere fino a due elettroni; Cioè, puoi acquisire numeri di ossidazione negativi: -2 (3D⁴) e -1 (3d³).

Il motivo è dovuto all'elettronegatività del titanio e che, inoltre, è un metallo, quindi ha una maggiore tendenza ad avere numeri di ossidazione positivi; come +1 (3D²4s¹), +2 (3D²4s⁰), +3 (3D¹4s⁰) e +4 (3d⁰4s⁰).

Nota come gli elettroni dell'orbitale 3D e 4S⁺, Voi²⁺ e così via.

Il numero di ossidazione +4 (TI⁴⁺) è il più rappresentativo di tutti perché corrisponde al titanio nel suo ossido: zio₂ (Voi⁴⁺O₂^2-).

Proprietà

Aspetto fisico

Metallo argento grigiastro.

Massa molare

47, 867 g/mol.

Punto di fusione

1668 ° C. Questo punto di fusione relativamente alto è realizzato da un metallo refrattario.

Punto di ebollizione

3287 ° C.

Temperatura di autorezione

1200 ° C per metallo puro e 250 ° C per polvere finemente divisa.

Duttilità

Il titanio è un metallo duttile se manca di ossigeno.

Densità

4,506 g/ml. E al suo punto di fusione, 4,11 g/ml.

Calore di fusione

14,15 kJ/mol.

Calore di vaporizzazione

425 kJ/mol.

Capacità termica molare

25060 J/mol · K.

Elettronegatività

1,54 sulla scala Pauling.

Energie di ionizzazione

Primo: 658,8 kJ/mol.

Secondo: 1309,8 kJ/mol.

Terzo: 2652,5 kJ/mol.

Durezza MOHS

6.0.

Nomenclatura

Di numeri di ossidazione i +2, +3 e +4 sono i più comuni e quelli di cui si fa riferimento nella nomenclatura tradizionale quando si nominano composti di titanio. Per il resto, le regole di nomenclature e sistematiche rimangono le stesse.

Ad esempio, considera lo zio₂ e il ticl₄, Due dei composti più noti di titanio.

Era già detto che nello zio₂ Il numero di ossidazione del titanio è +4 e, quindi, essendo il più grande (o positivo), il nome deve finire con il suffisso -ico. Pertanto, il suo nome è l'ossido titanico, secondo la nomenclatura tradizionale; ossido di titanio (IV), secondo la nomenclatura azionaria; e biossido di titanio, secondo la nomenclatura sistematica.

E per il TICL₄ Procederà più direttamente:

Nomenclatura: nome

-Tradizionale: cloruro titanico

-Stock: titanio cloruro (IV)

-Sistematico: tetracloruro di titanio

In inglese di solito si riferiscono a questo complesso come "solletico".

Ogni composto di titanio può anche avere nomi adeguati al di fuori delle regole di nomenclatura e dipenderà dal gergo tecnico del campo in questione.

Dov'è e produzione

Minerali titaniferi

Rutilo Quartz, uno dei minerali con il più alto contenuto di titanio. Fonte: Didier Descuens [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0)]

Il titanio, anche se è il settimo più abbondante della terra, e il nono nella crosta terrestre, non si trova in natura come metallo puro ma in combinazione con altri elementi negli ossidi minerali; meglio noto come minerali titaniferi.

Pertanto, per ottenerlo è necessario utilizzare questi minerali come materia prima. Alcuni di loro sono:

-Titanita o Sfeny (Catisio₅), con impurità di ferro e alluminio che trasformano i loro cristalli di colore verde.

-Brookita (zio₂ Ortorrombico).

-Rutilo, polimorfo più stabile dello zio₂, Seguito da Anatasa e Brookita Minerals.

-Ilmenita (fetio₃).

-Perovskita (catio₃)

-Leucoxeno (mix eterogeneo di anatasi, Rutilo e Perovskita).

Si noti che ci sono diversi minerali titaniferi menzionati, anche se ce ne sono altri. Tuttavia, non tutti sono gli stessi di abbondanti e, allo stesso modo, possono presentare impurità difficili da eliminare e che mettono a rischio le proprietà del titanio in metallo finale.

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Questo è il motivo per cui la Sfen o la Perovskita sono generalmente utilizzate per la produzione di titanio, poiché il loro contenuto di calcio e silicio è difficile da eliminare dalla miscela di reazione.

Di tutti questi minerali i Rutilo e gli Ilmenite sono i più utilizzati commercialmente e industrialmente per il suo alto contenuto di zio₂; cioè, sono ricchi di titanio.

Processo di Kroll

Selezionato uno qualsiasi dei minerali come materia prima, lo zio₂ In essi deve essere ridotto. Per fare ciò, i minerali, insieme al carbone, si riscaldano per il rosso vivono in un reattore a letto fluidizzato di 1000 ° C. Lì, lo zio₂ Reagisce con il cloro gassoso secondo la seguente equazione chimica:

Zio₂(s) + c (s) + 2cl₂(g) => ticl₄(l) +co₂(G)

Il ticl₄ È un liquido incolore impuro, poiché a quella temperatura viene sciolto insieme ad altri cloruri di metallo (di ferro, vanadio, magnesio, zirconio e silicio) originati dalle impurità presenti nei minerali. Pertanto, il TICL₄ quindi viene purificato per distillazione frazionaria e precipitazione.

Già purificato il TICL₄, Una specie facile da ridurre, viene versata in un contenitore in acciaio inossidabile a cui viene applicato vuoto, per eliminare ossigeno e azoto ed è riempita con argon per garantire un'atmosfera inerte che non influisce sul titanio prodotto. Nel processo viene aggiunto il magnesio, che reagisce a 800 ° C secondo la seguente equazione chimica:

Ticl₄(l) + 2mg (l) => ti (s) + 2mgcl₂(L)

Il titanio precipita come un solido spugnoso, che subisce trattamenti per purificarlo e conferire migliori forme solide, o è direttamente destinato alla produzione di minerali in titanio.

Reazioni

Con l'aria

Il titanio ha un'alta resistenza alla corrosione a causa di uno strato di zio₂ che protegge l'interno del metallo di ossidazione. Tuttavia, quando la temperatura sale sopra i 400 ° C, un sottile pezzo di metallo inizia a bruciare completamente per formare una miscela di zio₂ e latta:

Ti (s)+ o₂(g) => zio₂(S)

2ti (s)+ n₂(g) => tin (s)

Entrambi i gas, o₂ e n₂, logicamente sono nell'aria. Queste due reazioni si verificano rapidamente una volta che il titanio viene riscaldato a rosso vivo. E se è una polvere finemente divisa, la reazione è ancora più vigorosa, quindi il titanio in questo stato solido è molto infiammabile.

Con acidi e basi

Questo strato di zio₂-Tin non solo protegge il titanio dal corro, ma anche dall'attacco di acidi e basi, quindi non è facile dissolvere il metallo.

Per raggiungere questo obiettivo, gli acidi altamente concentrati devono essere utilizzati e bollire fino all'ebollizione, ottenendo un prodotto di soluzione viola dei complessi acquosi del titanio; Ad esempio, [ti (oh₂)₆"⁺³.

Tuttavia, esiste un acido che può dissolverlo senza molte complicazioni: acido fluorico:

2ti (s)+ 12hf (aq) 2 [TIF₆"^3-(aq)+ 3h₂(g)+ 6h⁺(AQ)

Con alogeni

Il titanio può reagire direttamente con gli alogeni per formare i rispettivi alogenuri. Ad esempio, la sua reazione con lo iodio è la seguente:

Ti (s)+ 2i₂(s) => tii₄(S)

Allo stesso modo si verifica con fluoro, cloro e bromo, dove si forma un'intensa fiamma.

Con forti ossidanti

Quando il titanio è finemente diviso, non è solo soggetto a infiammare, ma anche a reagire vigorosamente con forti agenti ossidanti alla minima fonte di calore.

Parte di queste reazioni viene utilizzata per la pirotecnica, poiché vengono generate scintille bianche brillanti. Ad esempio, reagisce con il perclorato di ammonio secondo l'equazione chimica:

2ti (s) + 2nh₄Clo₄(s) => 2Tio₂(s) + n₂(g) + cl₂(g) + 4h₂O (g)

Rischi

Titanio metallico

La polvere di titanio è un solido altamente infiammabile. Fonte: w. Oelen [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0)]

Lo stesso titanio metallico non rappresenta alcun rischio per la salute di coloro che lavorano con lui. È un solido innocuo; a meno che non sia macinato come una polvere di particelle fini. Questa polvere bianca può essere pericolosa a causa della sua elevata infiammabilità, menzionata nella sezione Reazioni.

Quando il titanio è macinato, la sua reazione con ossigeno e azoto è più veloce e più vigorosa, oltre a limitare anche il confine esplosivo. Ecco perché rappresenta un terribile rischio di incendio se dove viene immagazzinato, viene raggiunto dalle fiamme.

Quando si brucia, il fuoco può essere spento solo con grafite o cloruro di sodio; Mai con l'acqua, almeno per questi casi.

Allo stesso modo, il tuo contatto con alogeni dovrebbe essere evitato a tutti i costi; cioè, con qualche perdita gassosa di fluoro o cloro, o interagisci con il liquido di bromo rossastro o i cristalli volatili di iodio. Se ciò accade, il titanio è incendiato. Né gli agenti ossidanti forti dovrebbero entrare in contatto: permanganatos, cloro, perclorati, nitrati, ecc.

Del resto, i loro lingotti o le leghe non possono rappresentare più rischi di quelli dei colpi fisici, poiché non sono ottimi driver di calore o elettricità e sono piacevoli da toccare.

Nanoparticelle

Se il solido finemente diviso è infiammabile, anche più quello costituito dalle nanoparticelle di titanio deve essere. Tuttavia, il punto centrale di questa sottosezione è dovuto alle nanoparticelle di TiO₂, che sono stati utilizzati nelle sinfine dell'applicazione in cui meritano il loro colore bianco; Come dolci e dolci.

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Sebbene non sia noto come sia il suo assorbimento, distribuzione, escrezione o tossicità nel corpo, hanno dichiarato di essere tossico negli studi sui topi. Ad esempio, hanno dimostrato che genera enfisema e arrossamento nei loro polmoni, così come altri disturbi respiratori nei loro sviluppi.

Per estrapolazione dai topi a noi, si è concluso che respirano nanoparticelle di TiO₂ Colpisce i nostri polmoni. Possono anche alterare la regione cerebrale dell'ippocampo. Inoltre, l'International Cancer Research Center non li governa come possibili sostanze cancerogene.

Applicazioni

Pigmento e additivo

Parlare degli usi del titanio è fare riferimento a quello del suo composto di biossido di titanio. Lo zio₂ In effetti copre circa il 95% di tutte le applicazioni relative a questo metallo. I motivi: il suo colore bianco è insolubile e non è anche tossico (per non parlare delle nanoparticelle pure).

Ecco perché viene solitamente usato come pigmento o additivo in tutti quei prodotti che necessitano di colorazioni bianche; come dentifricio, medicine, dolci, carte, gemme, dipinti, materie plastiche, ecc.

Rivestimenti

Lo zio₂ Può anche essere utilizzato per creare film che coprono qualsiasi superficie, come strumenti di vetro o chirurgici.

Avendo questi rivestimenti, l'acqua non può inumidirli e scivola su di loro, come farebbe la pioggia in auto delle auto. Gli strumenti con questi rivestimenti potrebbero uccidere i batteri assorbendo le radiazioni UV.

L'urina dei cani o la gomma da masticare non poteva guardare gli asfaltati o i cementi dall'azione dello zio₂, che faciliterebbe la sua successiva rimozione.

Crema solare

UNCLE2 è uno dei componenti attivi dei bloccanti del sole. Fonte: Pixabay.

E per finire rispetto allo zio₂, È una fotocatalizzazione, in grado di originare radicali organici che, tuttavia, sono neutralizzati dai film di silice o allumina nei bloccanti del sole. Il suo colore bianco mostra già chiaramente che devi avere questo ossido di titanio.

Industria aerospaziale

Le leghe di titanio vengono utilizzate per la produzione di grandi piani o navi in ​​velces. Fonte: pxhere.

Il titanio è un metallo con notevole resistenza e durezza in relazione alla sua bassa densità. Questo è realizzato da un sostituto dell'acciaio per tutte quelle applicazioni in cui sono necessarie alte velocità o che sono progettati aeromobili di grande scala, come il piano A380 dell'immagine superiore.

Ecco perché questo metallo ha molti usi nell'industria aerospaziale, poiché resiste alle ossidazioni, è leggero, forte e le sue leghe possono essere migliorate con additivi esatti.

Sport

Non solo nel settore aerospaziale il titanio e le sue leghe hanno importanza, ma anche nel settore sportivo. Questo perché molti dei loro utensili devono essere leggeri in modo che i loro vettori, giocatori o atleti possano manipolarli senza sentirsi troppo pesanti.

Alcuni di questi articoli sono: biciclette, bastoncini da golf o hockey, caschi da calcio americani, racchette da tennis o bádminton, picche di dita, pattini da ghiaccio, pattini da sci, tra gli altri.

Inoltre, sebbene in misura molto più piccola a causa del suo costo elevato, il titanio e le leghe in auto lussuose e sportive sono state utilizzate.

Pirotecnica

Il titanio a terra può essere mescolato, ad esempio, KCLO₄, e fungere da fuoco artificiale; Ciò in effetti, fanno coloro che li elaborano negli spettacoli pirotecnici.

Medicinale

Il titanio e le sue leghe sono materiali metallici per eccellenza nelle applicazioni biomediche. Sono biocompatibili, inerti, forti, difficili da ossidare, non tossici e si integrano perfettamente con le ossa.

Questo li rende molto utili per gli impianti ortopedici e dentali, per articolazioni artificiali di fianchi e ginocchia, come viti per fissare fratture, per pacemaker o cuori artificiali.

Biologico

Il ruolo biologico del titanio è incerto e sebbene sia noto che può accumularsi in alcune piante e beneficiare la crescita di alcune colture agricole (come i pomodori), i meccanismi in cui intervengono sono sconosciuti.

Si dice che promuova la formazione di carboidrati, enzimi e clorofila. Si suppone che sia dovuto a una risposta degli organismi vegetali per difendersi con basse concentrazioni biodisponibili di titanio, poiché sono dannosi per loro. Tuttavia, la questione è ancora al buio.

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