Właściwości chemiczne i fizyczne tytanu

Tytan jest mocnym i lekkim metalem ogniotrwałym. Stopy tytanu są niezbędne w przemyśle lotniczym i kosmicznym, są również wykorzystywane w sprzęcie medycznym, chemicznym i wojskowym, a także sprzęcie sportowym.

Zastosowania lotnicze odpowiadają za 80% zużycia tytanu, a 20% metalu wykorzystuje się w zbrojach, sprzęcie medycznym i produktach konsumenckich.

Właściwości tytanu

Jeśli chodzi o właściwości tytanu, nie możemy pominąć jego wyjątkowych właściwości fizycznych. Tytan to lekki metal o gęstości 4,5 grama na centymetr sześcienny, co zapewnia mu doskonałą wytrzymałość. Ta równowaga stosunku wytrzymałości do masy sprawia, że ​​tytan jest materiałem na rusztowania w przemyśle lotniczym i kosmonautycznym i sprzyja rozwojowi nowoczesnych samolotów.

Symbol atomowy: Ti

Liczba atomowa: 22

Kategoria elementu: Metal przejściowy

Gęstość: 4,506/cm3

Temperatura topnienia: 3038 stopni F (1670 stopni)

Temperatura wrzenia: 5949 stopni F (3287 stopni)

Twardość Mohsa: 6

funkcja

Stopy zawierające tytan są znane ze swojej wysokiej wytrzymałości, lekkości i doskonałej odporności na korozję. Chociaż tytan jest tak mocny jak stal, jest o około 40% lżejszy.

To, w połączeniu z jego odpornością na kawitację (szybkie zmiany ciśnienia powodujące fale uderzeniowe, które z biegiem czasu osłabiają lub uszkadzają metal) i erozję, czyni go niezbędnym metalem konstrukcyjnym dla inżynierów lotniczych i kosmicznych.

Tytan jest również wysoce odporny na korozję powodowaną przez wodę i media chemiczne. Opór ten wynika z tworzenia się na jego powierzchni cienkiej warstwy dwutlenku tytanu (TiO 2 ), co sprawia, że ​​materiały te są niezwykle trudne do penetracji.

Tytan ma niższy moduł sprężystości. Oznacza to, że tytan jest bardzo elastyczny i po zgięciu może powrócić do swojego pierwotnego kształtu. Stopy z pamięcią kształtu (stopy, które odkształcają się na zimno, ale powracają do pierwotnego kształtu po podgrzaniu) są ważne w wielu nowoczesnych zastosowaniach.

Tytan jest niemagnetyczny i biokompatybilny (nietoksyczny, niealergizujący), co doprowadziło do jego coraz szerszego zastosowania w medycynie.

historia

Aby zrozumieć przemysłowe znaczenie tytanu, musimy spojrzeć wstecz na jego historię. Odkrycie tytanu datuje się na XVIII wiek, jednak jego niszczycielską postać udało się wyizolować dopiero w XX wieku. W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci tytan stopniowo zyskiwał na znaczeniu i stał się podstawą nauki i technologii. Wraz z rozwojem przemysłu lotniczego stopy tytanu stały się idealnym wyborem do konstrukcji samolotów. Ich lekkość i wysoka wytrzymałość sprawiają, że samoloty są nie tylko bardziej energooszczędne, ale także bezpieczniejsze.

Zastosowanie tytanu w jakiejkolwiek formie rozwinęło się naprawdę dopiero po II wojnie światowej. W rzeczywistości tytan jako metal wyizolowano dopiero w 1910 roku, kiedy amerykański chemik Matthew Hunter wyprodukował tytan poprzez redukcję czterochlorku tytanu (TiCl4) sodem; metoda znana obecnie jako proces Huntera.

Jednak produkcja komercyjna była możliwa dopiero w latach trzydziestych XX wieku, kiedy William Justin Kroll wykazał, że magnez można również zastosować do redukcji tytanu z chlorków. Proces Krolla pozostaje obecnie najpowszechniej stosowaną komercyjną metodą produkcji.

Po opracowaniu opłacalnej metody produkcji tytanu po raz pierwszy zastosowano w samolotach wojskowych. Związek Radziecki i Stany Zjednoczone zaczęły stosować stopy tytanu w samolotach wojskowych i łodziach podwodnych projektowanych w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku. Na początku lat sześćdziesiątych producenci samolotów komercyjnych również zaczęli stosować stopy tytanu.

Badania szwedzkiego lekarza Per-Ingvara Branemarka z lat 50. XX wieku wykazały, że tytan nie wywołuje negatywnej odpowiedzi immunologicznej w organizmie człowieka, umożliwiając metalowi integrację z naszym organizmem. Nazywa się to osteointegracją.

Produkcja

Tytan jest szeroko stosowanym metalem lekkim, którego produkcja opiera się głównie na metodzie chlorowania. W tym procesie ruda tytanu zwykle reaguje z gazowym chlorem i koksem, tworząc chlorek tytanu, który następnie jest redukowany do czystego metalicznego tytanu w wysokiej temperaturze. Ten wyjątkowy i złożony proces produkcyjny zapewnia nam mocny, lekki materiał tytanowy, który stanowi podstawę do zastosowań w różnych dziedzinach.

Chociaż tytan jest czwartym najczęściej występującym pierwiastkiem metalicznym w skorupie ziemskiej (po aluminium, żelazie i magnezie), produkcja tytanu metalicznego jest niezwykle wrażliwa na zanieczyszczenia, zwłaszcza tlen, dlatego jego opracowanie jest stosunkowo nowe i kosztowne.

Głównymi rudami wykorzystywanymi w pierwotnej produkcji tytanu są ilmenit i rutyl, stanowiące odpowiednio około 90% i 10% produkcji.

Produkcja koncentratu ilmenitu w 2015 roku wyniosła blisko 10 mln ton, choć tylko niewielka część (około 5%) produkowanego każdego roku koncentratu ilmenitu jest ostatecznie przetwarzana na tytan metaliczny. Zamiast tego większość wykorzystuje się do produkcji dwutlenku tytanu (TiO2), pigmentu wybielającego stosowanego w farbach, żywności, farmaceutykach i kosmetykach.

W pierwszym etapie procesu Krolla ruda tytanu jest kruszona i podgrzewana z węglem koksującym w atmosferze chloru w celu wytworzenia czterochlorku tytanu (TiCl 4 ). Chlorek jest następnie wychwytywany i przepuszczany przez skraplacz, w wyniku czego powstaje ciekły chlorek tytanu o czystości do 99%.

Następnie czterochlorek tytanu wprowadza się bezpośrednio do naczynia zawierającego stopiony magnez. Aby uniknąć zanieczyszczenia tlenem, należy go zobojętnić dodając argon.

Późniejszy proces destylacji może zająć kilka dni, podczas których naczynie jest podgrzewane do temperatury 1832 stopni F (1000 stopni). Magnez reaguje z chlorkiem tytanu, usuwając chlorek i tworząc pierwiastkowy chlorek tytanu i magnezu.

Powstały włóknisty tytan nazywany jest tytanem gąbczastym. Do produkcji stopów tytanu i wlewków tytanu o wysokiej czystości można zastosować topienie wiązką elektronów, łukiem plazmowym lub łukiem próżniowym w celu stopienia gąbki tytanowej z różnymi pierwiastkami stopowymi.

używać

Zastosowanie tytanu metalicznego w artykułach sportowych znajduje odzwierciedlenie głównie w wysokiej klasy rowerach, kijach golfowych, rakietach tenisowych i innym sprzęcie. Lekkie właściwości tytanu sprawiają, że sprzęt sportowy jest bardziej elastyczny i wygodny, poprawiając poziom rywalizacji sportowców.

Tytan metaliczny jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, sprzęcie medycznym, przemyśle chemicznym, elektronice i artykułach sportowych oraz w innych dziedzinach. Wraz z ciągłym rozwojem i postępem nauki i technologii oraz doskonaleniem technologii, obszary zastosowań tytanu metalicznego będą się nadal rozszerzać. Doskonałe właściwości i wszechstronność tytanu metalicznego sprawiają, że jest on nieodzowną częścią nowoczesnych materiałów inżynierskich.

 

〔Cytuj〕Bell, Terence. „Właściwości i właściwości tytanu”. ThinkCo, 4 kwietnia 2023 r., thinkco.com/metal-profile-titanium-2340158.