Kemijska i fizikalna svojstva titana

Titan je jak i lagan vatrostalni metal. Legure titana vitalne su za zrakoplovnu industriju, a također se koriste u medicinskoj, kemijskoj i vojnoj opremi, kao iu sportskoj opremi.

Aerospace aplikacije čine 80% potrošnje titana, dok se 20% metala koristi u oklopu, medicinskoj opremi i potrošačkim proizvodima.

Svojstva titana

Kada je riječ o svojstvima titana, ne možemo zanemariti njegova jedinstvena fizička svojstva. Titan je lagani metal s gustoćom od 4,5 grama po kubnom centimetru, što mu daje izvrsnu čvrstoću. Ova ravnoteža omjera čvrstoće i težine čini titan materijalom za skele u području zrakoplovstva i promiče razvoj modernih zrakoplova.

Atomski simbol: Ti

Atomski broj: 22

Kategorija elementa: prijelazni metal

Gustoća: 4,506/cm 3

Talište: 3038 stupnjeva F (1670 stupnjeva )

Vrelište: 5949 stupnjeva F (3287 stupnjeva )

Mohsova tvrdoća: 6

značajka

Legure koje sadrže titan poznate su po svojoj visokoj čvrstoći, maloj težini i izvrsnoj otpornosti na koroziju. Iako je titan čvrst poput čelika, oko 40% je lakši.

To, zajedno s njegovom otpornošću na kavitaciju (brze promjene tlaka koje uzrokuju udarne valove koji s vremenom oslabljuju ili oštećuju metal) i eroziju, čini ga ključnim konstrukcijskim metalom za zrakoplovne inženjere.

Titan je također vrlo otporan na koroziju vodom i kemijskim medijima. Ova otpornost je uzrokovana stvaranjem tankog sloja titanijevog dioksida (TiO 2 ) na njegovoj površini, zbog čega je prodiranje ovih materijala izuzetno teško.

Titan ima manji modul elastičnosti. To znači da je titan vrlo fleksibilan i može se vratiti u svoj izvorni oblik nakon savijanja. Memorijske legure (legure koje se deformiraju kada su hladne, ali se vraćaju u svoj izvorni oblik kada se zagriju) važne su za mnoge moderne primjene.

Titan je nemagnetičan i biokompatibilan (netoksičan, nije alergen), što je dovelo do njegove sve veće upotrebe u medicini.

povijesti

Da bismo razumjeli industrijsku važnost titana, moramo se osvrnuti na njegovu povijest. Otkriće titana seže u 18. stoljeće, ali njegov destruktivni oblik nije uspješno izoliran sve do 20. stoljeća. U posljednjih nekoliko desetljeća titan je postupno došao do izražaja i postao oslonac znanosti i tehnologije. S porastom zrakoplovne industrije, legure titana postale su idealan izbor za konstrukcije zrakoplova. Njihova svojstva male težine i visoke čvrstoće čine zrakoplove ne samo energetski učinkovitijima, već i sigurnijima.

Upotreba titana, u bilo kojem obliku, stvarno se razvila tek nakon Drugog svjetskog rata. Zapravo, titan nije bio izoliran kao metal sve do 1910. godine kada je američki kemičar Matthew Hunter proizveo titan redukcijom titanovog tetraklorida (TiCl 4 ) s natrijem; metoda danas poznata kao Hunterov proces.

Međutim, komercijalna proizvodnja nije bila moguća sve do 1930-ih kada je William Justin Kroll pokazao da se magnezij također može koristiti za redukciju titana iz klorida. Krollov proces i danas je najčešće korištena komercijalna proizvodna metoda.

Prva veća upotreba titana bila je u vojnim zrakoplovima nakon što je razvijena troškovno učinkovita proizvodna metoda. Sovjetski Savez i Sjedinjene Države počeli su koristiti legure titana u vojnim zrakoplovima i podmornicama projektiranim 1950-ih i 1960-ih. Do ranih 1960-ih, proizvođači komercijalnih zrakoplova također su počeli koristiti legure titana.

Istraživanje švedskog liječnika Per-Ingvara Branemarka iz 1950-ih pokazalo je da titan ne izaziva negativan imunološki odgovor u ljudskom tijelu, dopuštajući metalu da se integrira u naša tijela. To se zove oseointegracija.

Proizvodnja

Titan je široko korišten laki metal čija se proizvodnja uglavnom oslanja na metodu kloriranja. U ovom procesu titanova ruda obično reagira s plinovitim klorom i koksom kako bi se stvorio titanijev klorid, koji se zatim reducira u čisti metalni titan putem visoke temperature. Ovaj jedinstveni i složeni proizvodni proces daje nam snažan, lagan titanijski materijal za postavljanje temelja za primjenu u raznim područjima.

Iako je titan četvrti najzastupljeniji metalni element u zemljinoj kori (nakon aluminija, željeza i magnezija), proizvodnja metalnog titana izuzetno je osjetljiva na onečišćenja, posebice kisika, zbog čega je njegov razvoj relativno nov i skup.

Glavne rude koje se koriste u primarnoj proizvodnji titana su ilmenit i rutil, koje čine približno 90% odnosno 10% proizvodnje.

Proizvodnja koncentrata ilmenita u 2015. bila je blizu 10 milijuna tona, iako se samo mali dio (oko 5%) koncentrata ilmenita proizvedenog svake godine u konačnici pretvara u metalni titan. Umjesto toga, većina se koristi za proizvodnju titanijevog dioksida (TiO 2 ), pigmenta za izbjeljivanje koji se koristi u bojama, hrani, lijekovima i kozmetici.

U prvom koraku Kroll procesa, titanova rudača se drobi i zagrijava s ugljenom za koksiranje u atmosferi klora kako bi se proizveo titanov tetraklorid (TiCl 4 ). Klorid se zatim hvata i prolazi kroz kondenzator, proizvodeći tekući titanijev klorid čistoće do 99%.

Titan tetraklorid se zatim dovodi izravno u posudu koja sadrži rastaljeni magnezij. Kako biste izbjegli onečišćenje kisikom, učinite ga inertnim dodavanjem argona.

Naknadni proces destilacije može trajati nekoliko dana, tijekom kojih se posuda zagrijava na 1832 stupnja F (1000 stupnjeva). Magnezij reagira s titanijevim kloridom, odvajajući klorid i proizvodeći elementarni titan i magnezijev klorid.

Dobiveni vlaknasti titan naziva se spužvasti titan. Za proizvodnju legura titana i ingota titana visoke čistoće, može se koristiti elektronski snop, plazma luk ili vakuumsko lučno taljenje za taljenje titanijske spužve s različitim legirajućim elementima.

koristiti

Primjena metalnog titana u području sportske opreme uglavnom se ogleda u vrhunskim biciklima, palicama za golf, teniskim reketima i drugoj opremi. Lagana svojstva metalnog titana čine sportsku opremu fleksibilnijom i udobnijom, poboljšavajući natjecateljsku razinu sportaša.

Metalni titan široko se koristi u zrakoplovnoj i svemirskoj industriji, automobilskoj industriji, medicinskoj opremi, kemijskoj industriji, elektronici i sportskoj opremi i drugim područjima. Uz kontinuirani razvoj i napredak znanosti i tehnologije te poboljšanje tehnologije, područja primjene metalnog titana nastavit će se širiti. Izvrsna svojstva i svestranost metalnog titana čine ga nezamjenjivim dijelom suvremenih inženjerskih materijala.

 

〔Citat〕Bell, Terence. "Svojstva i svojstva titana." ThoughtCo, 4. travnja 2023., thoughtco.com/metal-profile-titanium-2340158.