Fizikalna i kemijska svojstva titana
Titan je srebrno-bijeli prijelazni metal s gustoćom od samo 4,54 g/cm³, koji je oko 40% lakši od željeza, ali ima snagu usporedivu s onom čelika. Ovo svojstvo svjetlosti i visoke čvrstoće čini titan široko korištenim u svim sferama života. Dakle, koja su fizikalna i kemijska svojstva titana?
1. Atomska struktura titana
Prvo, pogledajmo atomsku strukturu titana. Titan se nalazi u grupi IVB periodnog sustava, s atomskim brojem 22. Jezgra se sastoji od 22 protona i 20-32 neutrona, a ekstranuklearna elektronska struktura je raspoređena kao 1S22S22P63S23D24S2. Polumjer jezgre je 5x10-13 cm. Ove jedinstvene atomske strukture daju titanu jedinstvena fizikalna i kemijska svojstva.
2. Fizikalna svojstva titana
Gustoća titana je 4.506-4.516 g/cm3 (20 stupanj), točka taljenja je 1668±4 stupnja, latentna toplina taljenja je 3.7-5. 0 kcal/g atoma, vrelište je 3260±20 stupnjeva, latentna toplina isparavanja je 102.5-112.5 kcal/g atoma, kritična temperatura je 4350 stupnjeva , a kritični tlak je 1130 atmosfera. Toplinska i električna vodljivost titana su slabe, slične ili malo niže od nehrđajućeg čelika. Titan ima supravodljivost, a kritična temperatura supravodljivosti čistog titana je 0.38-0.4K. Na 25 stupnjeva, toplinski kapacitet titana je 0,126 cal/g atom·stupanj, toplinska entalpija je 1149 cal/g atom, a entropija je 7,33 cal/g atom·stup. Metalni titan je paramagnetska tvar s magnetskom propusnošću od 1,00004.
Titan ima plastičnost. Istezanje titana visoke čistoće može doseći 50-60%, a skupljanje poprečnog presjeka može doseći 70-80%, ali njegova je čvrstoća niska i nije prikladan za konstrukcijske materijale. Prisutnost nečistoća u titanu ima veliki utjecaj na njegova mehanička svojstva, posebice intersticijske nečistoće (kisik, dušik, ugljik) mogu uvelike povećati čvrstoću titana i značajno smanjiti njegovu plastičnost. Dobra mehanička svojstva titana kao konstrukcijskog materijala postižu se strogom kontrolom odgovarajućeg sadržaja nečistoća i dodavanjem legirajućih elemenata.
3. Kemijska svojstva titana
Titan može reagirati s mnogim elementima i spojevima na višim temperaturama. Razni elementi mogu se podijeliti u četiri kategorije prema njihovim različitim reakcijama s titanom:
Kategorija 1: Halogeni i elementi kisikove skupine tvore kovalentne i ionske spojeve s titanom;
Kategorija 2: prijelazni elementi, vodik, berilij, borova skupina, ugljikova skupina i elementi dušikove skupine tvore intermetalne spojeve i ograničene čvrste otopine s titanom;
Kategorija 3: Elementi cirkonija, hafnija, vanadija, kroma, skandija tvore neograničene čvrste otopine s titanom;
Kategorija 4: Inertni plinovi, alkalijski metali, zemnoalkalijski metali, elementi rijetkih zemalja (osim skandijuma), aktinij, torij, itd. ne reagiraju s titanom ili u osnovi ne reagiraju.
4. Reakcija sa spojevima:
HF i fluor
Plinoviti vodikov fluorid reagira s titanijem da nastane TiF4 kada se zagrijava, a formula reakcije je (1); nevodena tekućina vodikovog fluorida može stvoriti gusti film titan tetrafluorida na površini titana, koji može spriječiti HF da prodre u unutrašnjost titana. Fluorovodična kiselina je najjači fluks za titan. Čak i fluorovodična kiselina s koncentracijom od 1% može burno reagirati s titanom; bezvodni fluoridi i njihove vodene otopine ne reagiraju s titanom na niskim temperaturama, a samo rastaljeni fluoridi značajno reagiraju s titanom na visokim temperaturama.
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.0 kcal (1) 2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2
HCl i kloridi
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 stupnjeva da nastane TiCl4, vidi formulu (3); solne kiseline s koncentracijom od<5% does not react with titanium at room temperature, and 20% hydrochloric acid reacts with titanium at room temperature to form purple TiCl3, see formula (4); when the temperature rises, even dilute hydrochloric acid can corrode titanium. Various anhydrous chlorides, such as magnesium, manganese, iron, nickel, copper, zinc, mercury, tin, calcium, sodium, barium and NH4 ions and their aqueous solutions, do not react with titanium. Titanium has good stability in these chlorides.
Ti＋4HCl＝TiCl4＋2H2＋94,75 kcal (3)2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2 (4)
Sumporna kiselina i sumporovodik
Nakon što titan reagira s razrijeđenom sumpornom kiselinom<5%, a protective oxide film is formed on the titanium surface, which can protect titanium from further corrosion by dilute acid. However, sulfuric acid >5% ima značajnu reakciju s titanom. Na sobnoj temperaturi, oko 40% sumporne kiseline ima najbržu stopu korozije na titanu. Kada je koncentracija veća od 40% i dosegne 60%, brzina korozije se usporava i najbrže doseže 80%. Zagrijana razrijeđena kiselina ili 50% koncentrirana sumporna kiselina može reagirati s titanom u obliku titanovog sulfata, vidi formulu (5), (6). Zagrijana koncentrirana sumporna kiselina može se reducirati titanom u SO2, vidi formulu (7). Na sobnoj temperaturi, titan reagira sa sumporovodikom i stvara zaštitni film na svojoj površini, koji može spriječiti daljnju reakciju između sumporovodika i titana. Međutim, na visokim temperaturama, vodikov sulfid reagira s titanijem i taloži vodik, kao što je prikazano u formuli (8). Titan u prahu počinje reagirati s vodikovim sulfidom na 600 stupnjeva i formira titanijev sulfid. Na 900 stupnjeva, proizvod reakcije je uglavnom TiS, a na 1200 stupnjeva, to je Ti2S3.
Ti＋H2SO4＝TiSO4＋H2 (5) 2Ti＋3H2SO4＝Ti2(SO4)3＋H2 (6)
2Ti＋6H2SO4＝Ti2(SO4)3＼�3SO2＋6H2O＋202 kcal (7)Ti＋H2S＝TiS＋H2＋70 kcal (8)
Dušična kiselina i aqua regia
Gusti i glatki titan ima dobru stabilnost na dušičnu kiselinu, jer dušična kiselina može brzo stvoriti jak oksidni film na površini titana, ali hrapava površina, posebno spužvasti titan ili titan u prahu, može reagirati s niskom i vrućom razrijeđenom dušičnom kiselinom, vidi formulu (9), (10) i koncentrirana dušična kiselina iznad 70 stupnjeva također mogu reagirati s titanom, vidi formulu (11); na sobnoj temperaturi, titan ne reagira s aqua regia. Na visokoj temperaturi, titan može reagirati s aqua regia u TiCl2.
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO (10)
Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)
Ukratko, svojstva titana usko su povezana s temperaturom, njegovim postojećim oblikom i čistoćom. Gusti metalni titan prilično je stabilan u prirodi, ali titan u prahu može uzrokovati spontano sagorijevanje u zraku. Prisutnost nečistoća u titanu značajno utječe na fizikalnu, kemijsku, mehaničku i otpornost titana na koroziju. Konkretno, neke intersticijske nečistoće mogu iskriviti titanovu rešetku i utjecati na različita svojstva titana. Na sobnoj temperaturi, kemijska aktivnost titana je vrlo mala i može reagirati s nekoliko tvari kao što je fluorovodična kiselina, ali aktivnost titana brzo raste kada se temperatura poveća, posebno na visokim temperaturama, titan može burno reagirati s mnogim tvarima. Proces taljenja titana općenito se provodi na visokoj temperaturi većoj od 800 stupnjeva, tako da se mora raditi u vakuumu ili pod zaštitom inertne atmosfere.
