Proprietățile chimice și fizice ale titanului

Titanul este un metal refractar puternic și ușor. Aliajele de titan sunt vitale pentru industria aerospațială și sunt, de asemenea, utilizate în hardware medical, chimic și militar, precum și în echipamente sportive.

Aplicațiile aerospațiale reprezintă 80% din consumul de titan, în timp ce 20% din metal este folosit în armuri, hardware medical și produse de larg consum.

Proprietățile titanului

Când vine vorba de proprietățile titanului, nu putem ignora proprietățile sale fizice unice. Titanul este un metal ușor, cu o densitate de 4,5 grame pe centimetru cub, oferindu-i o rezistență excelentă. Acest echilibru al raportului rezistență-greutate face din titan un material de schelă în domeniul aerospațial și promovează dezvoltarea aeronavelor moderne.

Simbol atomic: Ti

Număr atomic: 22

Categoria elementului: metal de tranziție

Densitate: 4,506/cm3

Punct de topire: 3038 grade F (1670 grade)

Punct de fierbere: 5949 grade F (3287 grade)

Duritate Mohs: 6

caracteristică

Aliajele care conțin titan sunt cunoscute pentru rezistența lor ridicată, greutatea redusă și rezistența excelentă la coroziune. Deși titanul este la fel de puternic ca oțelul, este cu aproximativ 40% mai ușor.

Acest lucru, împreună cu rezistența sa la cavitație (schimbări rapide de presiune care provoacă unde de șoc care slăbesc sau deteriorează metalul în timp) și eroziune, îl face un metal structural esențial pentru inginerii aerospațiali.

Titanul este, de asemenea, foarte rezistent la coroziune prin apă și medii chimice. Această rezistență este cauzată de formarea unui strat subțire de dioxid de titan (TiO 2 ) pe suprafața sa, făcând aceste materiale extrem de dificil de pătruns.

Titanul are un modul de elasticitate mai mic. Aceasta înseamnă că titanul este foarte flexibil și poate reveni la forma inițială după îndoire. Aliajele cu memorie (aliaje care se deformează la rece, dar revin la forma inițială atunci când sunt încălzite) sunt importante pentru multe aplicații moderne.

Titanul este nemagnetic și biocompatibil (netoxic, non-alergenic), ceea ce a dus la utilizarea din ce în ce mai mare în domeniul medical.

istorie

Pentru a înțelege importanța industrială a titanului, trebuie să ne uităm înapoi la istoria sa. Descoperirea titanului datează din secolul al XVIII-lea, dar forma sa distructivă nu a fost izolată cu succes până în secolul al XX-lea. În ultimele decenii, titanul a devenit treptat important și a devenit pilonul științei și tehnologiei. Odată cu creșterea industriei aviației, aliajele de titan au devenit o alegere ideală pentru structurile aeronavelor. Proprietățile lor ușoare și de înaltă rezistență fac aeronavele nu numai mai eficiente din punct de vedere energetic, ci și mai sigure.

Utilizarea titanului, sub orice formă, s-a dezvoltat cu adevărat abia după al Doilea Război Mondial. De fapt, titanul nu a fost izolat ca metal până în 1910, când chimistul american Matthew Hunter a produs titan prin reducerea tetraclorurii de titan (TiCl4) cu sodiu; o metodă cunoscută acum sub numele de procesul Hunter.

Cu toate acestea, producția comercială nu a fost posibilă până în anii 1930, când William Justin Kroll a demonstrat că magneziul poate fi folosit și pentru a reduce titanul din clorură. Procesul Kroll rămâne cea mai frecvent utilizată metodă de producție comercială astăzi.

Prima utilizare majoră a titanului a fost în avioanele militare, după ce a fost dezvoltată o metodă de producție rentabilă. Uniunea Sovietică și Statele Unite au început să folosească aliaje de titan în avioanele și submarinele militare proiectate în anii 1950 și 1960. La începutul anilor 1960, producătorii de avioane comerciale au început să folosească și aliaje de titan.

Cercetările medicului suedez Per-Ingvar Branemark datând din anii 1950 au arătat că titanul nu declanșează un răspuns imun negativ în corpul uman, permițând metalului să se integreze în corpul nostru. Se numește osteointegrare.

Productie

Titanul este un metal ușor utilizat pe scară largă a cărui producție se bazează în principal pe metoda clorării. În acest proces, minereul de titan reacționează de obicei cu clorul gazos și cocsul pentru a genera clorură de titan, care este apoi redusă la titan metalic pur la temperaturi ridicate. Acest proces de producție unic și complex ne oferă un material de titan puternic și ușor pentru a pune bazele aplicațiilor într-o varietate de domenii.

Deși titanul este al patrulea element metalic cel mai răspândit din scoarța terestră (după aluminiu, fier și magneziu), producția de titan metalic este extrem de sensibilă la poluare, în special la oxigen, motiv pentru care dezvoltarea sa este relativ nouă și costisitoare.

Principalele minereuri utilizate în producția primară de titan sunt ilmenitul și rutilul, reprezentând aproximativ 90% și, respectiv, 10% din producție.

Producția de concentrat de ilmenit în 2015 a fost de aproape 10 milioane de tone, deși doar o mică parte (aproximativ 5%) din concentratul de ilmenit produs în fiecare an este transformat în cele din urmă în titan metalic. În schimb, majoritatea este folosită pentru a produce dioxid de titan (TiO 2 ), un pigment de albire utilizat în vopsele, alimente, produse farmaceutice și cosmetice.

În prima etapă a procesului Kroll, minereul de titan este zdrobit și încălzit cu cărbune de cocs într-o atmosferă de clor pentru a produce tetraclorură de titan (TiCl4). Clorura este apoi captată și trecută printr-un condensator, producând clorură de titan lichid cu o puritate de până la 99%.

Tetraclorura de titan este apoi alimentată direct în vasul care conține magneziu topit. Pentru a evita contaminarea cu oxigen, faceți-l inert prin adăugarea de argon.

Procesul de distilare ulterior poate dura câteva zile, timp în care vasul este încălzit la 1832 grade F (1000 grade). Magneziul reacționează cu clorura de titan, eliminând clorura și producând titan elementar și clorură de magneziu.

Titanul fibros rezultat se numește titan burete. Pentru a produce aliaje de titan și lingouri de titan de înaltă puritate, topirea cu fascicul de electroni, arcul cu plasmă sau arcul de vid poate fi utilizată pentru a topi burete de titan cu diferite elemente de aliere.

utilizare

Aplicarea metalului de titan în domeniul articolelor sportive se reflectă în principal în biciclete de ultimă generație, crose de golf, rachete de tenis și alte echipamente. Proprietățile ușoare ale metalului de titan fac echipamentele sportive mai flexibile și confortabile, îmbunătățind nivelul competitiv al sportivilor.

Metalul de titan este utilizat pe scară largă în industria aerospațială, industria auto, echipamente medicale, industria chimică, electronică și articole sportive și în alte domenii. Odată cu dezvoltarea continuă și progresul științei și tehnologiei și îmbunătățirea tehnologiei, domeniile de aplicare ale titanului metalic vor continua să se extindă. Proprietățile excelente și versatilitatea metalului de titan îl fac o parte indispensabilă a materialelor de inginerie moderne.

 

〔Citat〕Bell, Terence. „Proprietăți și proprietăți ale titanului”. ThoughtCo, 4 aprilie 2023, thoughtco.com/metal-profile-titanium-2340158.