Proprietățile fizice și chimice ale titanului

Titanul este un metal de tranziție alb-argintiu, cu o densitate de numai 4,54 g/cm³, care este cu aproximativ 40% mai ușor decât fierul, dar are o rezistență comparabilă cu cea a oțelului. Această proprietate ușoară și de înaltă rezistență face ca titanul să fie utilizat pe scară largă în toate domeniile vieții. Deci, care sunt proprietățile fizice și chimice ale titanului?

1. Structura atomică a titanului
Mai întâi, să aruncăm o privire asupra structurii atomice a titanului. Titanul este situat în grupa IVB a tabelului periodic, cu un număr atomic de 22. Nucleul este format din 22 de protoni și 20-32 neutroni, iar structura electronilor extranucleari este dispusă ca 1S22S22P63S23D24S2. Raza nucleului este de 5x10-13 cm. Aceste structuri atomice unice conferă titanului proprietăți fizice și chimice unice.

2. Proprietățile fizice ale titanului
Densitatea titanului este de 4.506-4.516 g/cm3 (20 grade ), punctul de topire este de 1668±4 grade , căldura latentă de topire este de 3.7-5. 0 kcal/g atom, punctul de fierbere este 3260±20 grade, căldura latentă de vaporizare este 102.5-112.5 kcal/g atom, temperatura critică este 4350 grade , iar presiunea critică este de 1130 atmosfere. Conductivitatea termică și conductibilitatea electrică a titanului sunt slabe, similare sau ușor mai mici decât oțelul inoxidabil. Titanul are supraconductivitate, iar temperatura critică supraconductivă a titanului pur este 0,38-0,4K. La 25 de grade, capacitatea termică a titanului este de 0,126 cal/g atom·grad, entalpia termică este de 1149 cal/g atom, iar entropia este de 7,33 cal/g atom·grad. Titanul metalic este o substanță paramagnetică cu o permeabilitate magnetică de 1,00004.
Titanul are plasticitate. Alungirea titanului de înaltă puritate poate atinge 50-60%, iar contracția în secțiune transversală poate ajunge la 70-80%, dar rezistența sa este scăzută și nu este potrivit pentru materiale structurale. Prezența impurităților în titan are o mare influență asupra proprietăților sale mecanice, în special impuritățile interstițiale (oxigen, azot, carbon) pot crește foarte mult rezistența titanului și pot reduce semnificativ plasticitatea acestuia. Proprietățile mecanice bune ale titanului ca material structural sunt obținute prin controlul strict al conținutului adecvat de impurități și adăugarea de elemente de aliere.

3. Proprietățile chimice ale titanului
Titanul poate reacționa cu multe elemente și compuși la temperaturi mai ridicate. Diverse elemente pot fi împărțite în patru categorii în funcție de reacțiile lor diferite cu titanul:
Categoria 1: Halogenii și elementele grupării oxigenului formează compuși covalenți și ionici cu titanul;
Categoria 2: Elementele de tranziție, hidrogenul, beriliul, gruparea borului, gruparea carbonului și elementele gruparea azotului formează compuși intermetalici și soluții solide limitate cu titan;
Categoria 3: Zirconiu, hafniu, grupare vanadiu, grupare crom, elementele de scandiu formează soluții solide nelimitate cu titan;
Categoria 4: Gazele inerte, metalele alcaline, metalele alcalino-pământoase, elementele pământurilor rare (cu excepția scandiului), actiniul, toriul etc. nu reacționează cu titanul sau practic nu reacționează.

4. Reacția cu compuși:
HF și fluor
Fluorura de hidrogen gazos reacţionează cu titanul pentru a forma TiF4 când este încălzit, iar formula de reacţie este (1); Lichidul neapos de fluorură de hidrogen poate forma o peliculă densă de tetrafluorură de titan pe suprafața titanului, care poate împiedica pătrunderea HF în interiorul titanului. Acidul fluorhidric este cel mai puternic flux pentru titan. Chiar și acidul fluorhidric cu o concentrație de 1% poate reacționa violent cu titanul; fluorurile anhidre și soluțiile lor apoase nu reacționează cu titanul la temperaturi scăzute și numai fluorurile topite reacţionează semnificativ cu titanul la temperaturi ridicate.
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.0 kcal (1) 2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2

HCI și cloruri
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 de grade pentru a forma TiCl4, vezi formula (3); acid clorhidric cu o concentrație de<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＋94,75kcal (3)2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2 (4)

Acid sulfuric și hidrogen sulfurat
După ce titanul reacţionează cu acid sulfuric diluat<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% are o reacție semnificativă cu titanul. La temperatura camerei, aproximativ 40% acid sulfuric are cea mai rapidă rată de coroziune pe titan. Când concentrația este mai mare de 40% și atinge 60%, viteza de coroziune încetinește și atinge cea mai rapidă la 80%. Acidul diluat încălzit sau acidul sulfuric concentrat 50% poate reacționa cu titanul pentru a forma sulfat de titan, vezi formula (5), (6). Acidul sulfuric concentrat încălzit poate fi redus cu titan pentru a forma SO2, vezi formula (7). La temperatura camerei, titanul reacționează cu hidrogenul sulfurat pentru a forma o peliculă protectoare pe suprafața sa, care poate preveni reacția ulterioară între hidrogenul sulfurat și titan. Cu toate acestea, la temperaturi ridicate, hidrogenul sulfurat reacționează cu titanul pentru a precipita hidrogenul, așa cum se arată în formula (8). Pulbere de titan începe să reacționeze cu hidrogenul sulfurat la 600 de grade pentru a forma sulfură de titan. La 900 de grade, produsul de reacție este în principal TiS, iar la 1200 de grade, este 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)

Acid azotic și acva regia
Titanul dens și neted are o stabilitate bună la acidul azotic, deoarece acidul azotic poate forma rapid o peliculă puternică de oxid pe suprafața de titan, dar suprafața rugoasă, în special titanul burete sau pulbere de titan, poate reacționa cu acid azotic diluat scăzut și fierbinte, vezi formula (9), (10) și acidul azotic concentrat peste 70 de grade pot reacționa și cu titanul, vezi formula (11); la temperatura camerei, titanul nu reacționează cu acva regia. La temperaturi ridicate, titanul poate reacționa cu acva regia pentru a forma TiCl2.
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO (10)
Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)

Pe scurt, proprietățile titanului sunt strâns legate de temperatură, forma sa existentă și puritatea. Titanul metalic dens este destul de stabil în natură, dar titanul sub formă de pulbere poate provoca arderea spontană în aer. Prezența impurităților în titan afectează în mod semnificativ rezistența fizică, chimică, mecanică și la coroziune a titanului. În special, unele impurități interstițiale pot distorsiona rețeaua de titan și pot afecta diferite proprietăți ale titanului. La temperatura camerei, activitatea chimică a titanului este foarte mică și poate reacționa cu câteva substanțe precum acidul fluorhidric, dar activitatea titanului crește rapid când temperatura crește, mai ales la temperaturi ridicate, titanul poate reacționa violent cu multe substanțe. Procesul de topire a titanului se desfășoară în general la o temperatură ridicată de peste 800 de grade, deci trebuie să fie operat în vid sau sub protecția unei atmosfere inerte.