Titanij

Sa Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigacija, traži
Titanij
[Ar] 3d2 4s2 22Ti
   
Periodni sistem elemenata
Općenito
Hemijski element, Simbol, Atomski broj Titanij, Ti, 22
Serija Prelazni metali
Grupa, Perioda, Blok 4, 4, d
Izgled srebrenasti metal
Zastupljenost 0,41[1] %
Atomske osobine
Atomska masa 47,867 u
Atomski radijus (izračunat) 140 (176) pm
Kovalentni radijus 160 pm
Van der Waalsov radijus - pm
Elektronska konfiguracija [Ar] 3d2 4s2
Broj elektrona u energetskom nivou 2, 8, 10, 2
Izlazni rad 4,33 eV [2] eV
1. energija ionizacije 658,8 kJ/mol
2. energija ionizacije 1309,8 kJ/mol
3. energija ionizacije 2652,5 kJ/mol
4. energija ionizacije 4174,6 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje čvrsto
Mohsova skala tvrdoće 6
Kristalna struktura heksagonalna (do 882 °C)
Gustoća 4507 kg/m3
Magnetizam paramagnetičan
Tačka topljenja 1941 K (1668 °C)
Tačka ključanja 3533[3] K (3260 °C)
Molarni volumen 10,64 · 10-6 m3/mol
Toplota isparavanja 457[3] kJ/mol
Toplota topljenja 18,7 kJ/mol
Pritisak pare 0,49 Pa kod 1933 K
Brzina zvuka 4140 m/s kod 293,15 K
Specifična toplota 523[1] J/(kg · K)
Specifična električna provodljivost 2,5 · 106 S/m
Toplotna provodljivost 22 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacijsko stanje +2, +3, +4
Oksidi TiO2
Elektrodni potencijal -0,86 V (TiO2+ + 2H+ + 4e-
→ Ti + 2H2O)
Elektronegativnost 1,54 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR
44Ti

sin

49 god ε 0,268 44Sc
45Ti

sin

184,8 min ε 2,062 45Sc
46Ti

8,0 %

Stabilan
47Ti

7,3 %

Stabilan
48Ti

73,8 %

Stabilan
49Ti

5,5 %

Stabilan
50Ti

5,4 %

Stabilan
51Ti

sin

5,76 min β- 2,471 51V
52Ti

sin

1,7 min β- 1,973 52V
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja
Prah

Lahko zapaljivo

F
Lahko zapaljivo

Nadražujuće

Xi
Nadražujuće
Obavještenja o riziku i sigurnosti R: 17-36/37/38 (prah)
S: 26 (prah)
Ukoliko je moguće i u upotrebi, koriste se SI osnovne jedinice.
Ako nije drugačije označeno, svi podaci su podaci dobiveni mjerenjima u normalnim uslovima.

Titanij (Ti, latinski - titanium) je hemijski element sa simbolom Ti i atomskim brojem 22. Član je IVB grupe hemijskih elemenata i pripada prelaznim metalima. Ima 18 izotopa čije se atomske mase nalaze između 46 do 50. Izotopi od 46 do 50 su postojani. Titanij je bijeli, sjajni, lahki metal, koji je otporan na koroziju. Vrlo je čvrst, može se dobro izvlačiti i podnosi visoke temperature. Zbog tih osobina je idealan za korištenje gdje se traži otpornost na koroziju, čvrstina i lahkoća materijala. Zbog zahtjevnog procesa dobijanja titanija, on je desetak puta skuplji od aluminija[4].

Zastupljenost[uredi | uredi izvor]

Titanij se u Zemljinoj kori pojavljuje samo u spojevima sa kisikom kao oksid. On uopće nije rijedak, sa 0,565% se nalazi na devetom mjestu najzastupljenijih elemenata na kontinentalnoj Zemljinoj kori.[5] Međutim, uglavnom se može naći u dosta niskim koncentracijama.

Najvažniji minerali titanija su:

Najveća nalazišta titanija se nalaze u Australiji, Skandinaviji, Sjevernoj Americi, na Uralu i Maleziji. U Paragvaju je 2010. godine otkriveno veliko nalazište titanija, čije je iskorištavanje planirano u skorije vrijeme.[6]

Titanij mogu sadržavati i meteoriti. Unutar Sunca i mnogih zvijezda spektralne klase M također je potvrđeno prisustvo titanija. Na Mjesecu su dokazane određene količine titanijskih spojeva.[7][8] Probe tla koje je donijela misija Apollo 17 sa Mjeseca sadržavale su do 12,1 % TiO2. Postoje planovi i za iskopavanje titanijske rude sa asteroida.

Prisustvo titanija je dokazano i u nekim biljkama i čovjekovom organizmu.

Proizvodnja titanija u hiljadama tona[9]
red.br. država 2003
2004
2005
1 Flag of Australia.svg Australija 1 300 2 110 2 230
2 Flag of South Africa.svg Južnoafrička Republika 1 070 1 130 1 130
3 Flag of Canada.svg Kanada 810 870 870
4 Kina 400 840 820
5 Flag of Norway.svg Norveška 380 370 420

Historija[uredi | uredi izvor]

Titanij je otkrio engleski hemičar William Gregor 1791. godine. Također, nezavisno od njega, 1795. godine otkriva ga njemački hemičar Heinrich Klaproth u rudi rutila i daje mu današnje ime, koje potiče iz grčke mitologije.

Justus von Liebig uspijeva 1831. godie dobiti čisti titanij iz rude. Prvi koji je proizveo 99,9% čisti elementarni titanij bio je Matthew A. Hunter 1910. godine, kada je zagrijavajući titanij tetrahlorid na 700-800 °C sa natrijem dobio titanij.

Tek je 1940tih William Justin Krollu uspjelo putem takozvanog Krolovog procesa putem tehničke redukcije titanij tetrahlorida sa magnezijem, dobiti titanij u većim količinama za komercijalnu upotrebu.

Proizvodnja[uredi | uredi izvor]

Titanijska spužva, 99,7 % čistoće, dobijena putem Krolovog procesa
Titanijska kristalna šipka, 99,995 % čistoće, napravljena putem Van-Arkel-de-Boerovog procesa

Čisti titanij je veoma rijedak na Zemlji. On se obično dobija iz minerala ilmenita i rutila. Proces proizvodnje koje si primjenjuje za ekstrakciju metala iz rude je veoma zahtjevan, što se najviše primjeti na visokoj cijeni titanija na tržištu. Tako je 2008. godine prosječna cijena titanija po toni iznosila oko 12.000 .[10]

Proces proizvodnje je od otkrića Krolovog procesa gotovo nepromijenjen. Najčešće se počinje od ilmenita i rutila, kao titanijskih oksida, koji u prisustvu hlora i uglja na visokim temperaturama prelaze u titanij(IV) hlorid i ugljik monoksid. Na kraju se dešava redukcija do titanija putem tekućeg magnezija. Za daljnju upotrebu i preradu titanija u vidu legura, čisti titanij u obliku spužve se mora pretopiti u vakuumskoj elektrolučnoj peći.

Najveći pojedinačni svjetski proizvođač titanija i titanijskih legura je ruska kompanija VSMPO-AVISMA sa sjedištem u Jekaterinburgu na Uralu. Procentualno najčistiji titanij se dobija putem Van-Arkel-de-Boerovog procesa.

Osobine[uredi | uredi izvor]

Titanijski cilindar, čisti titanij
Titanij visoke čistoće s opaliziranom površinom

Na zraku, na površini metala se stvara izuzetno otporan oksidni sloj, koji štiti titanij od daljnje korozije u većini otapala. Značajna osobina je njegova čvrstoća pored niske relativne gustoće. Zagrijavanjem iznad temperature od 400 °C vrlo brzo mu se vraćaju osobine čvrstoće. Potpuno čisti titanij ima dobru provodljivost. Pri višim temperaturama zbog primanja kisika, dušika i vodika, postaje veoma krt i lomljiv. Reaktivnost titanija se povećava na visokim temperaturima i pri povišenom pritisku, kada oksidirani sloj popusti hemijskim napadima otapala i drugim hemikalija. Pri toj reakciji može doći i do eksplozije. U čistom kisiku na 25 °C i pri pritisku od 25 bara titanij sagorijeva do titanij dioksida. I pored oksidnog sloja, na temperaturama iznad 880 °C reagira sa kisikom, a pri temperaturi iznad 550 °C sa hlorom. Titanij reagira ("gori") i u čistom dušiku, na šta se pri obradi metala mora paziti zbog razvijanja visoke temperature.

Titanij je otporan na razrijeđenu sumpornu kiselinu, hlorovodoničnu kiselinu, rastvore koji sadrže hlor, hladnu dušičnu kiselinu i većinu organskih kiselina i baza, kao i na natrij hidroksid. U koncentriranoj sumpornoj kiselini, titanij se polahko rastvara, praveći ljubičasti titanij sulfat. Zbog opasnosti od eksplozije pri radu sa titanijem u prisustvu hlora, neophodno je pridržavanje strogih sigurnosnih procedura.

Mehaničke osobine i otpornost prema koroziji se mogu dodatno poboljšati dodavanjem u titanijsku leguru manje količine aluminija, vandija, mangana, molibdena, paladija, bakra, cirkonija i kalaja.

Ispod temperature od 0,4 K[11] titanij pokazuje supravodljive osobine. Na temperaturama ispod 880 °C, titanijski atomi sačinjavaju heksagonalnu gustu kristalnu strukturu u obliku kugle. Iznad 880 °C kristalna struktura titanija se mijenja u kubičnu prostorno centriranu rešetku.

Legure[uredi | uredi izvor]

Legure titanija se veoma često označavaju pomoću američkog standarda ASTM stepenima od 1 do 35. Stepeni od 1 do 4 označavaju čisti titanij određenog stepena čistoće[12]. Čisti titanij ima oznaku 3.7034 po DIN EN 10027-2, dok privredno najvažnija legura Ti-6Al-4V (6 % aluminija, 4 % vanadija, ASTM: stepen 5) ima oznaku 3.7165.

Ostale važnije titanijske legure, koje se većinom koriste u avioindustriji su:

Oznaka Hem. sastav Modul elastičnosti u GPa gustoća u g·cm−3
Ti6246 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 125,4 4,51
Ti6242 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 4,50

Nitinol (Nikl-titanij) je takozvana legura koja pamti formu (oblik).

Upotreba[uredi | uredi izvor]

Lopatica kompresora načinjena od titanija
Ručni sat sa titanijskom narukvicom i kućištem

Legure titanija su veoma lahke i mehanički izdržljive, posebno na razvlačenje i zbog toga se koriste u avioindustriji, a također i za pravljenje bicikli i drugih sportskih sprava. Legure titanija imaju mnogo bolje osobine od legura aluminija, ali su od njih značno skuplje te su zbog toga manje zastupljene. U nehrđajućim čelicima, titanij onemogućava međukristalnu koroziju.

Legure na bazi titanija su sa oko 45€ po kilogramu znatno skuplje od superlegura. Zbog toga se one koriste samo u aplikacijama koje zahtjevaju najveće performanse:

Primjena u brodogradnji i aplikacijama koje sadrže hlor
  • Dijelovi propelera broda, poput vratila
  • Dijelovi postrojenja za desalinizaciju morske vode
  • Dijelovi za isparavanje rastvora soli
  • Anode za podmorske kablove za prenos visokih napona istosmjerne struje
  • Aparati u hloro-hemijskim postrojenjima
Proizvodi u oblasti sporta i vanjskih aktivnosti
  • visokokvalitetni ramovi za bicikl, u vidu legura sa aluminijem i vanadijem
  • noževi i pribor za jelo za ronioce i druge upotrebe u morskoj vodi
  • klinovi za pričvršćivanje šatora (zbog visoke čvrstoće uz malehnu težinu)
  • u golfu za glave palica
Upotreba u obliku jedinjenja
  • proizvodnja relativno mehkih vještačkih dragih kamenja
  • izrada aktivnog medija u titanij-safir laseru, za ultrakratke pulseve u intervalima oko femtosekunde
  • kao titanij tetrahlorid za proizvodnju staklenih ogledala i vještačke magle
  • izrada međumetalnih faza (Ni3Ti) u nekim niklovim legurama
Avion SR-71 se najvećim dijelom napravljen od titanija
U medicini
  • kao biomaterijal za implantate u medicinskoj tehnici i zubotehnici (zubni implantati), zbog svoje odlične otpornosti na koroziju u odnosu na ostale metale. Nije zabilježena imunološka reakcija odbacivanja (alergija na titanijski implantat). Također dosta su niži troškovi pravljenja zubnih kruna i zubnih mostova u odnosu na legure zlata.
  • u hirurškoj ortopediji, koristi se kod metalnih nožnih proteza i proteza kukova i koljena.
Elektronika
  • godine 2002. Nokia je pustila na tržište mobilni telefon Nokia 8910, a godinu kasnije i model 8910i, čija kućišta su bila napravljena od titanija.
  • u aprilu 2002., Apple Inc. je izbacio na tržište laptop „PowerBook G4 Titanium“, čiji je najveći dio kućišta bio napravljen od titanija. Laptop je imao ekran od 15,2 inča, bio je debljine jedan inč, a težak samo 2,4 kg.

Spojevi[uredi | uredi izvor]

Dok se metalni elementarni titanij koristi u veoma malehnim količinama, zbog vrlo skupog i zahtjevnog procesa proizvodnje, njegov oksid titanij dioksid TiO2 je relativno jeftin i neotrovan, a koji se koristi kao dodatak za izbjeljivanje u pastama, prašcima i bojama. Praktično gotovo sve današnje bijele boje i bijeli vještački materijali, kao i dodaci namirnicama sadrže titanij dioksid (oznaka mu je E171).

Neki od spojeva titanija su:

Biološki značaj[uredi | uredi izvor]

Elementarni titanij nije otrovan, ali neke njegove soli jesu.

Vanjski linkovi[uredi | uredi izvor]

Commons
Commons: Titanij

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ a b Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3
  2. ^ David R. Lide: CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press LLC, 1998, ISBN 0-8493-0479-2.
  3. ^ a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. u: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, str. 328–337, doi:10.1021/je1011086
  4. ^ What Are the Properties of Titanium?
  5. ^ David R. Lide (ed.): CRC Handbook of Chemistry and Physics, 90. izdanje, CRC Press, Boca Raton, Florida, 2009, sekcija 14, Geophysics, Astronomy, and Acoustics; Abundance of Elements in the Earth's Crust and in the Sea, str. 14-18.
  6. ^ http://latina-press.com/news/56028-riesige-titan-vorkommen-in-paraguay-entdeckt/
  7. ^ Podaci NASA-e upućuju na bogata nalazišta titanija na Mjesecu derstandard.at
  8. ^ Naučnici "hvale" Mjesec kao izdašnog isporučioca materijala welt.de, preuzeto 10. oktobra 2011
  9. ^ Proizvodnja titanija u svijetu u: Microsoft Encarti
  10. ^ Alexander Stirn: Vom Triebwerk bis zum Campanile. u: Süddeutsche Zeitung, 25. april 2009, str. 22.
  11. ^ Fizičke osobine titanija na webelements.com.
  12. ^ Tehnika zavarivanja titanija (PDF)