Fyzikálne a chemické vlastnosti titánu

Titán je strieborno-biely prechodný kov s hustotou iba 4,54 g/cm³, ktorý je asi o 40 % ľahší ako železo, ale má pevnosť porovnateľnú s pevnosťou ocele. Táto ľahká a vysoko pevná vlastnosť robí titán široko používaným vo všetkých oblastiach života. Aké sú teda fyzikálne a chemické vlastnosti titánu?

1. Atómová štruktúra titánu
Najprv sa pozrime na atómovú štruktúru titánu. Titán sa nachádza v skupine IVB periodickej tabuľky s atómovým číslom 22. Jadro pozostáva z 22 protónov a 20-32 neutrónov a mimojadrová elektrónová štruktúra je usporiadaná ako 1S22S22P63S23D24S2. Polomer jadra je 5 x 10-13 cm. Tieto jedinečné atómové štruktúry dávajú titánu jedinečné fyzikálne a chemické vlastnosti.

2. Fyzikálne vlastnosti titánu
Hustota titánu je 4.506-4,516 g/cm3 (20 stupeň ), bod topenia je 1668±4 stupne , latentné teplo topenia je 3.7-5. 0 kcal/g atóm, bod varu je 3260±20 stupňov, latentné teplo vyparovania je 102.5-112.5 kcal/g atóm, kritická teplota je 4350 stupňov a kritický tlak je 1130 atmosfér. Tepelná vodivosť a elektrická vodivosť titánu sú slabé, podobné alebo mierne nižšie ako u nehrdzavejúcej ocele. Titán má supravodivosť a kritická supravodivá teplota čistého titánu je 0.{18}}.4K. Pri 25 stupňoch je tepelná kapacita titánu 0,126 cal/g atóm/stupeň, tepelná entalpia je 1149 cal/g atómu a entropia je 7,33 cal/g atóm/stupeň. Kovový titán je paramagnetická látka s magnetickou permeabilitou 1,00004.
Titán má plasticitu. Predĺženie vysoko čistého titánu môže dosiahnuť 50-60 % a zmrštenie v priereze môže dosiahnuť 70-80 %, ale jeho pevnosť je nízka a nie je vhodný pre konštrukčné materiály. Prítomnosť nečistôt v titáne má veľký vplyv na jeho mechanické vlastnosti, najmä intersticiálne nečistoty (kyslík, dusík, uhlík) môžu výrazne zvýšiť pevnosť titánu a výrazne znížiť jeho plasticitu. Dobré mechanické vlastnosti titánu ako konštrukčného materiálu sa dosahujú prísnou kontrolou vhodného obsahu nečistôt a pridávaním legujúcich prvkov.

3. Chemické vlastnosti titánu
Titán môže pri vyšších teplotách reagovať s mnohými prvkami a zlúčeninami. Rôzne prvky možno rozdeliť do štyroch kategórií podľa ich rôznych reakcií s titánom:
Kategória 1: Halogény a prvky kyslíkových skupín tvoria kovalentné a iónové zlúčeniny s titánom;
Kategória 2: Prechodné prvky, vodík, berýlium, bórová skupina, uhlíková skupina a dusíkaté prvky tvoria intermetalické zlúčeniny a obmedzené tuhé roztoky s titánom;
Kategória 3: Zirkónium, hafnium, vanádová skupina, chrómová skupina, skandiové prvky tvoria neobmedzené tuhé roztoky s titánom;
Kategória 4: Inertné plyny, alkalické kovy, kovy alkalických zemín, prvky vzácnych zemín (okrem skandia), aktínium, tórium atď. nereagujú s titánom alebo v podstate nereagujú.

4. Reakcia so zlúčeninami:
HF a fluorid
Plynný fluorovodík pri zahrievaní reaguje s titánom za vzniku TiF4 a reakčný vzorec je (1); nevodná kvapalina fluorovodíka môže vytvoriť na povrchu titánu hustý film tetrafluoridu titánu, ktorý môže zabrániť prenikaniu HF do vnútra titánu. Kyselina fluorovodíková je najsilnejším tokom pre titán. Dokonca aj kyselina fluorovodíková s koncentráciou 1% môže prudko reagovať s titánom; bezvodé fluoridy a ich vodné roztoky nereagujú s titánom pri nízkych teplotách a iba roztavené fluoridy reagujú výrazne s titánom pri vysokých teplotách.
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.{5}} kcal (1) 2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2

HCl a chloridy
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 stupňov za vzniku TiCl4, pozri vzorec (3); kyselina chlorovodíková s koncentráciou<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)

Kyselina sírová a sírovodík
Potom, čo titán reaguje so zriedenou kyselinou sírovou<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% výrazne reaguje s titánom. Pri izbovej teplote má asi 40 % kyselina sírová najrýchlejšiu koróziu na titáne. Keď je koncentrácia vyššia ako 40 % a dosiahne 60 %, rýchlosť korózie sa spomalí a dosiahne najrýchlejšiu hodnotu 80 %. Zahriata zriedená kyselina alebo 50% koncentrovaná kyselina sírová môže reagovať s titánom za vzniku síranu titánu, pozri vzorec (5), (6). Zahriata koncentrovaná kyselina sírová môže byť redukovaná titánom za vzniku SO2, pozri vzorec (7). Pri izbovej teplote titán reaguje so sírovodíkom a vytvára na svojom povrchu ochranný film, ktorý môže zabrániť ďalšej reakcii medzi sírovodíkom a titánom. Pri vysokých teplotách však sírovodík reaguje s titánom za vyzrážania vodíka, ako je znázornené vo vzorci (8). Práškový titán začína reagovať so sírovodíkom pri 600 stupňoch za vzniku sulfidu titánu. Pri 900 stupňoch je reakčným produktom hlavne TiS a pri 1200 stupňoch je to 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)

Kyselina dusičná a Aqua regia
Hustý a hladký titán má dobrú stabilitu voči kyseline dusičnej, pretože kyselina dusičná môže rýchlo vytvoriť silný oxidový film na povrchu titánu, ale drsný povrch, najmä titánová huba alebo práškový titán, môže reagovať s nízkou a horúcou zriedenou kyselinou dusičnou, pozri vzorec (9), (10) a koncentrovaná kyselina dusičná nad 70 stupňov môžu tiež reagovať s titánom, pozri vzorec (11); pri izbovej teplote titán nereaguje s aqua regia. Pri vysokej teplote môže titán reagovať s Aqua regia za vzniku TiCl2.
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＝4NO (10)
Ti＝8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)

Stručne povedané, vlastnosti titánu úzko súvisia s teplotou, jeho existujúcou formou a čistotou. Hustý kovový titán je v prírode pomerne stabilný, ale práškový titán môže spôsobiť samovznietenie vo vzduchu. Prítomnosť nečistôt v titáne výrazne ovplyvňuje fyzikálnu, chemickú, mechanickú a koróznu odolnosť titánu. Najmä niektoré intersticiálne nečistoty môžu narušiť titánovú mriežku a ovplyvniť rôzne vlastnosti titánu. Pri izbovej teplote je chemická aktivita titánu veľmi malá a môže reagovať s niekoľkými látkami, ako je kyselina fluorovodíková, ale aktivita titánu sa rýchlo zvyšuje, keď sa teplota zvyšuje, najmä pri vysokých teplotách môže titán prudko reagovať s mnohými látkami. Proces tavenia titánu sa vo všeobecnosti vykonáva pri vysokej teplote viac ako 800 stupňov, takže sa musí prevádzkovať vo vákuu alebo pod ochranou inertnej atmosféry.