Chemické a fyzikálne vlastnosti titánu

Titán je pevný a ľahký žiaruvzdorný kov. Zliatiny titánu sú životne dôležité pre letecký priemysel a používajú sa aj v lekárskom, chemickom a vojenskom hardvéri, ako aj v športovom vybavení.

Aerokozmické aplikácie predstavujú 80 % spotreby titánu, zatiaľ čo 20 % kovu sa používa v brnení, medicínskom hardvéri a spotrebných produktoch.

Vlastnosti titánu

Pokiaľ ide o vlastnosti titánu, nemôžeme ignorovať jeho jedinečné fyzikálne vlastnosti. Titán je ľahký kov s hustotou 4,5 gramu na kubický centimeter, čo mu dodáva vynikajúcu pevnosť. Táto rovnováha pomeru pevnosti a hmotnosti robí z titánu materiál lešenia v oblasti letectva a kozmonautiky a podporuje vývoj moderných lietadiel.

Atómový symbol: Ti

Atómové číslo: 22

Kategória prvku: Prechodový kov

Hustota: 4,506/cm3

Teplota topenia: 3038 stupňov F (1670 stupňov)

Bod varu: 5949 stupňov F (3287 stupňov)

Tvrdosť podľa Mohsa: 6

vlastnosť

Zliatiny obsahujúce titán sú známe svojou vysokou pevnosťou, nízkou hmotnosťou a vynikajúcou odolnosťou proti korózii. Hoci je titán pevný ako oceľ, je asi o 40 % ľahší.

To, spolu s jeho odolnosťou voči kavitácii (rýchlym zmenám tlaku, ktoré spôsobujú rázové vlny, ktoré časom oslabujú alebo poškodzujú kov) a erózii, z neho robí základný konštrukčný kov pre leteckých inžinierov.

Titán je tiež vysoko odolný voči korózii vodou a chemickými médiami. Táto odolnosť je spôsobená tvorbou tenkej vrstvy oxidu titaničitého (TiO 2 ) na jej povrchu, vďaka čomu sú tieto materiály extrémne ťažko preniknuteľné.

Titán má nižší modul pružnosti. To znamená, že titán je veľmi pružný a po ohnutí sa môže vrátiť do pôvodného tvaru. Pamäťové zliatiny (zliatiny, ktoré sa za studena deformujú, ale po zahriatí sa vrátia do pôvodného tvaru) sú dôležité pre mnohé moderné aplikácie.

Titán je nemagnetický a biokompatibilný (netoxický, nealergický), čo viedlo k jeho čoraz väčšiemu využívaniu v oblasti medicíny.

histórie

Aby sme pochopili priemyselný význam titánu, musíme sa pozrieť späť do jeho histórie. Objav titánu sa datuje do 18. storočia, ale jeho deštrukčnú formu sa podarilo izolovať až v 20. storočí. V posledných desaťročiach sa titán postupne dostal do popredia a stal sa základom vedy a techniky. S rozmachom leteckého priemyslu sa zliatiny titánu stali ideálnou voľbou pre letecké konštrukcie. Vďaka ich nízkej hmotnosti a vysokej pevnosti sú lietadlá nielen energeticky úspornejšie, ale aj bezpečnejšie.

Použitie titánu v akejkoľvek forme sa skutočne rozvinulo až po druhej svetovej vojne. V skutočnosti sa titán ako kov izoloval až v roku 1910, keď americký chemik Matthew Hunter vyrobil titán redukciou chloridu titaničitého (TiCl4) sodíkom; metóda dnes známa ako Hunterov proces.

Komerčná výroba však nebola možná až do 30. rokov 20. storočia, keď William Justin Kroll ukázal, že horčík možno použiť aj na redukciu titánu z chloridu. Proces Kroll zostáva dnes najbežnejšie používanou komerčnou výrobnou metódou.

Prvé veľké využitie titánu bolo vo vojenských lietadlách po vyvinutí nákladovo efektívnej výrobnej metódy. Sovietsky zväz a Spojené štáty americké začali používať zliatiny titánu vo vojenských lietadlách a ponorkách navrhnutých v 50. a 60. rokoch 20. storočia. Začiatkom 60. rokov 20. storočia začali používať zliatiny titánu aj výrobcovia komerčných lietadiel.

Výskum švédskeho lekára Per-Ingvara Branemarka z 50. rokov 20. storočia ukázal, že titán nespúšťa v ľudskom tele negatívnu imunitnú odpoveď, čo umožňuje integráciu kovu do nášho tela. Volá sa to osseointegrácia.

Výroba

Titán je široko používaný ľahký kov, ktorého výroba sa opiera hlavne o metódu chlorácie. V tomto procese titánová ruda zvyčajne reaguje s plynným chlórom a koksom za vzniku chloridu titaničitého, ktorý sa potom redukuje na čistý kovový titán prostredníctvom vysokej teploty. Tento jedinečný a komplexný výrobný proces nám poskytuje pevný a ľahký titánový materiál, ktorý položí základy pre aplikácie v rôznych oblastiach.

Hoci je titán štvrtým najbežnejším kovovým prvkom v zemskej kôre (po hliníku, železe a horčíku), výroba kovového titánu je mimoriadne citlivá na znečistenie, najmä kyslík, a preto je jeho vývoj relatívne nový a nákladný.

Hlavné rudy používané pri primárnej výrobe titánu sú ilmenit a rutil, ktoré predstavujú približne 90 % a 10 % produkcie.

Výroba koncentrátu ilmenitu sa v roku 2015 blížila k 10 miliónom ton, hoci len malá časť (asi 5 %) koncentrátu ilmenitu vyrobeného každý rok sa nakoniec premení na kovový titán. Namiesto toho sa väčšina používa na výrobu oxidu titaničitého (TiO 2 ), bieliaceho pigmentu používaného vo farbách, potravinách, liečivách a kozmetike.

V prvom kroku procesu Kroll sa titánová ruda drví a zahrieva s koksovateľným uhlím v chlórovej atmosfére za vzniku chloridu titaničitého (TiCl 4 ). Chlorid sa potom zachytí a nechá prejsť cez chladič, čím sa získa kvapalina chloridu titaničitého s čistotou až 99 %.

Chlorid titaničitý sa potom privádza priamo do nádoby obsahujúcej roztavený horčík. Aby sa zabránilo kontaminácii kyslíkom, urobte ho inertným pridaním argónu.

Následný destilačný proces môže trvať niekoľko dní, počas ktorých sa nádoba zahreje na 1832 stupňov F (1000 stupňov). Horčík reaguje s chloridom titaničitým, odstraňuje chlorid a vytvára elementárny titán a chlorid horečnatý.

Výsledný vláknitý titán sa nazýva hubovitý titán. Na výrobu titánových zliatin a vysoko čistých titánových ingotov možno použiť elektrónový lúč, plazmový oblúk alebo tavenie vákuovým oblúkom na roztavenie titánovej špongie s rôznymi legovacími prvkami.

použitie

Aplikácia titánového kovu v oblasti športových potrieb sa prejavuje najmä v špičkových bicykloch, golfových paličkách, tenisových raketách a inom vybavení. Vďaka ľahkým vlastnostiam titánového kovu je športové vybavenie flexibilnejšie a pohodlnejšie, čím sa zlepšuje súťažná úroveň športovcov.

Titánový kov je široko používaný v leteckom a kozmickom priemysle, automobilovom priemysle, zdravotníckych zariadeniach, chemickom priemysle, elektronike a športovom tovare a ďalších oblastiach. S neustálym vývojom a pokrokom vedy a techniky a zdokonaľovaním technológie sa budú oblasti použitia titánového kovu naďalej rozširovať. Vynikajúce vlastnosti a všestrannosť titánového kovu z neho robia nenahraditeľnú súčasť moderných strojárskych materiálov.

 

〔Citát〕Bell, Terence. "Vlastnosti a vlastnosti titánu." ThoughtCo, 4. apríla 2023, thinkco.com/metal-profile-titanium-2340158.