Titanij

Sa Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigacija, traži
Titanij,  22Ti
Titan-crystal bar.JPG
Titanij u periodnom sistemu
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(1)[2] 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[3] 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 4500[4] kg/m3 pri 298,15 K
Magnetizam paramagnetičan ( = 1,8 · 10−4)[4]
Tačka topljenja 1941 K (1668 °C)
Tačka ključanja 3533[5] K (3260 °C)
Molarni volumen 10,64 · 10-6 m3/mol
Toplota isparavanja 457[5] kJ/mol
Toplota topljenja 18,7 kJ/mol
Pritisak pare 0,49 Pa pri 1933 K
Brzina zvuka 4140 m/s pri 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
Oksidacioni broj +2, +3, +4
Oksid 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 je hemijski element sa simbolom Ti i atomskim brojem 22. To je sjajni prelazni metal, srebrenaste boje, male gustoće ali veoma velike čvrstoće. Dosta je otporan na koroziju u morskoj vodi, zlatotopki i hloru.

Titanij je otkrio William Gregor 1791. u Cornwallu, Velika Britanija a ime mu je dao Martin Heinrich Klaproth po Titanima iz grčke mitologije. Element se javlja unutar brojnih mineralnih depozita, uglavnom kao rutil i ilmenit, koji su široko rasprostranjeni u Zemljinoj kori i litosferi, a ima ga i u gotovo svim živim bićima, stijenama, vodotokovima, morima i zemljištu.[6] Metal se dobija iz svojih osnovnih mineralnih ruda pomoću Krollovog[3] i Hunterovog procesa. Njegov najčešći spoj, titanij-dioksid je fotokatalizator a koristi se i za proizvodnju bijelih pigmenata.[7] Drugi spojevi su titanij-tetrahlorid (TiCl4), koji sastojak dimnih zavjesa i katalizator i titanij-trihlorid (TiCl3), koji se koristi u proizvodnji polipropilena kao katalizator.[6]

Titanij se može legirati, između ostalih, i sa željezom, aluminijem, vanadijem i molibdenom, dajući vrlo jake ali lagahne legure pogodne za avionske i aeronautičke aplikacije (mlazne motore, rakete i svemirske letjelice), vojne i industrijske procese (hemikalije i petrohemikalije, tvornice za desalinizaciju, proizvodnju papira), kao i za brojne aplikacije u autoindustriji, prehrambenoj industriji, medicinskim protezama, ortopedskim implantatima, zubnim i endodontskim instrumentima, zubnim implantatima, sportskoj opremi, nakitu, mobilnim telefonima i drugim.[6]

Dvije najkorisnije osobine ovog metala su otpornost na koroziju i najbolji odnos između čvrstoće i gustoće od bilo kojeg drugog metalnog elementa.[8] U nelegiranom obliku, titanij je čvrst poput nekih vrsta čelika, ali je mnogo manje gustoće.[9] Postoje dva alotropska oblika[10] i pet prirodnih izotopa ovog elementa, od 46Ti do 50Ti, među kojim je 48Ti najrasprostranjeniji (73,8%).[11] Iako imaju isti broj valentnih elektrona i nalaze se u istoj grupi periodnog sistema elemenata, titanij i cirkonij se znatno razlikuju po mnogim hemijskim i fizičkim osobinama.

Osobine[uredi | uredi izvor]

Fizičke[uredi | uredi izvor]

Kao metalni element, titanij je općepoznat po svom visokom omjeru između čvrstoće i gustoće.[10] On je vrlo čvrst metal niske gustoće i relativno je duktilan (naročito u okruženju bez kisika),[6] sjajan i metalno-bijele boje.[12] Relativno visoka tačka topljenja titanija (viša od 1650 °C) čini ga korisnim vatrostalnim metalom. On je paramagnetičan i ima prilično nisku električnu i toplotnu provodljivost.[6]

Titanij trgovačke (99,2% čist) čistoće ima apsolutni otpor izvlačenju od oko 434 MPa, što je približno jednako uobičajenim niskolegiranim čeličnim legurama, ali je od njih daleko lakši. Titanij ima oko 60% veću gustoću od aluminija, ali je više nego dvostruku jači od njega[9] u usporedbi sa najčešće korištenom legurom aluminija 6061-T6. Određene legure titanija (npr. Beta C) dostižu zateznu čvrstoću od preko 1400 MPa.[8] Međutim, on gubi čvrstoću ako se zagrijava iznad 430 °C.[13]

Titanij nije čvrst kao neke vrste toplotno obrađenog čelika, nije magnetičan i vrlo slab je provodnik toplote i električne struje. Mašinska obrada titanija zahtijeva posebne mjere opreza, jer bi se materijal mogao oštetiti i izgrebati ako se ne koriste vrlo oštri alati i adekvatne mjere hlađenja. Kao i one napravljene od čelika, predmeti i strukture od titanija također imaju sličnu granicu zamora koja garantira dugovječnost u nekim aplikacijama.[12] Njegove legure imaju daleko manju krutost od mnogih drugih strukturnih materijala poput legura aluminija ili karbonskih vlakana.

Metal je dimorfni alotrop sa heksagonalnom α formom koja se mijenja u prostornu-centriranu kubičnu (rešetkastu) β formu pri 882 °C.[13] Specifični toplotni kapacitet α forme znatno se povećava kada se zagrijava do ove prelazne temperature ali iznad nje pada i ostaje približno konstantna za β formu bez obzira na temperaturu.[13] Poput cirkonija i hafnija, postoje i i omega faze, koje su termodinamički stabilne pri visokim pritiscima ali su metastabilne pri normalnom pritisku. Ova faza je obično heksagonalna (idealna) ili trigonalna (nepravilna) a smatra se da se javlja zbog mehkog longitudinalnog akustičnog fonona β faze uzrokujući propadanje (111) ravni atoma.[14]

Hemijske[uredi | uredi izvor]

Pourbaixov dijagram za titanij u čistoj vodi, perhlornoj kiselini ili natrij-hidroksidu[15]

Poput aluminija i magnezija, metalni titanij i njegove legure se oksidiraju odmah nakon izlaganja kisiku iz zraka. Titanij vrlo lahko reagira sa kisikom iz zraka pri 1200 °C, dok pri 610 °C sa čistim kisikom nastaje titanij-dioksid.[10] Međutim, on vrlo sporo reagira s vodom i zrakom na sobnoj temperaturi jer na njegovoj površini nastaje pasivni sloj oksida koji ostatak titanija štiti od daljnje oksidacije.[6] Čim se taj zaštitni sloj formira, on je debeo tek 1 do 2 nm, ali postaje sve deblji te nakon približno četiri godine iznosi oko 25 nm.[16]

Atmosferska pasivizacija omogućava titaniju odličnu otpornost na koroziju, toliku da se može porediti s platinom. U sposobnosti je izdržati napad razrijeđene sumporne i hlorovodične kiseline, hloridnih rastvora i većine organskih kiselina.[3] Ipak, ovaj metal mogu korodirati koncentrirane kiseline.[17] Kao što to indicira negativni redoks potencijal, titanij je termodinamički veoma reaktivan metal koji sagorijeva u atmosferi i pri nižim temperaturama od svoje tačke topljenja. Topljenje je moguće samo u inertnoj atmosferi ili u vakuumu. Pri 550 °C, on se spaja sa hlorom.[3] Također reagira i sa drugim halogenim i apsorbira vodik.[7]

Titanij je jedan od malobrojnih elemenata koji sagorijevaju u čistom gasovitom dušiku, s njim reagira pri 800 °C gradeći titanij-nitrid, koji uzrokuje krhkost.[18] Zbog reaktivnosti sa kisikom, dušikom i nekim drugim gasovima, titanijski filamenti se koriste u sublimacijskim pumpama kao "hvatači" ovih gasova. Takve pumpe vrlo jeftino i efikasno omogućavaju postizanje izuzetno niskih pritisaka u sistemima sa ultravisokim vakuumom.

Izotopi[uredi | uredi izvor]

Prirodni titanij se sastoji iz pet stabilnih izotopa: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti i 50Ti, od kojih je 48Ti najviše zastupljen (73,8%). Osim njih, otkriveno je 11 radioizotopa, među kojim je najstabilniji 44Ti sa vremenom poluraspada od 63 godine, zatim slijede izotopi 45Ti sa 184,8 minuta do poluraspada, 51Ti sa 5,76 minuta i 52Ti sa 1,7 minuta. Svi ostali radioaktivni izotopi raspadaju se za kraće od 33 sekunde, a većina kraće od pola sekunde.[11]

Izotopi titanija imaju raspon atomskih težina od 39,99 u (40Ti) do 57,966 u (58Ti). Primarni način raspada kod izotopa lakših od najrasprostranjenijeg stabilnog, 48Ti, jeste elektronski zahvat dok je kod onih težih beta-raspad. Osnovni proizvod raspada kod izotopa lakših od 48Ti su izotopi elementa 21 (skandija) dok su osnovni proizvodi izotopa težih od 48Ti izotopi elementa 23 (vanadija).[11] Titanij postaje radioaktivan nakon bombardiranja sa deuteronima, uglavnom emitirajući pozitrone i tvrde gama zrake.[3]

Historija[uredi | uredi izvor]

Martin Heinrich Klaproth je dao ime titaniju prema Titanima iz grčke mitologije

Titanij je otkrio amaterski geolog i klerik William Gregor (u to vrijeme na mjestu vikara župe Creed) 1791. kao inkluziju u jednom mineralu iz Cornwalla (Velika Britanija).[19] Gregor je opazio prisustvo novog elementa u ilmenitu[7] kada je pronašao crni pijesak u vodotoku u susjednoj župi Manaccan, pri čemu je magnet mogao privlačiti taj pijesak.[19] Pri njegovoj analizi, otkrio je prisustvo dva metalna oksida: željezo-oksida (što je objašnjavalo privlačenje magneta) dok 45,25% bijelog metalnog oksida nije mogao identificirati.[20] Nakon što je shvatio da nepoznati oksid sadrži metal koji do tada nije bio otkriven, Gregor je izvještaj o svom otkriću poslao Kraljevskom geološkom društvo Cornwalla te njemačkom naučnom časopisu Crell's Annalen.[19]

Približno u isto vrijeme Franz-Joseph Müller von Reichenstein je dobio sličnu supstancu, ali je nije mogao identificirati.[7] Oksid su ponovno otkrili 1795. godine, nezavisno jedan od drugog, pruski hemičar Martin Heinrich Klaproth u rutilu iz sela Boinka (njemački naziv nepoznatog toponima u Mađarskoj).[19][21] Klaproth je otkrio da on sadrži novi element kojem je dao ime po Titanima iz grčke mitologije.[22] Nakon što je čuo o Gregorovom ranijem otkriću, dobavio je uzorak manaccanita te potvrdio da i on sadrži metal titanij.

Trenutno poznati procesi za izdvajanje titanija iz raznih njegovih ruda su pretežno skupi i zahtijevaju mnogo rada. Nije moguće reducirati rudu zagrijavajući je sa ugljom (kao što se to radi sa željezom), jer se titanij spada sa ugljikom gradeći titanij-karbid.[19] Čisti metalni titanij (99,9% čistoće) prvi je dobio Matthew A. Hunter 1910. godine pri Politehničkom institutu Rensselaer tako što je zagrijavao TiCl4 u prisustvu natrija pri temperaturi od 700–800 °C i visokom pritisku[23] tokom serijske proizvodnje poznate kao Hunterov proces.[3] Metalni titanij se nije koristio izvan laboratorije sve do 1932. kada je William Justin Kroll pokazao da se titanij može proizvesti redukcijom titanij-tetrahlorida (TiCl4) u prisustvu kalcija.[24] Osam godina kasnije, on je poboljšao taj proces tako što je koristio magnezij ili čak kalij, pa je taj proces po njemu i dobio ime Krollov proces.[24] Iako su nastavljena istraživanja o efikasnijim i jeftnijim procesima (kao što su FFC Cambridge, Armstrongov proces i dr), Krollov proces se i danas koristi za komercijalnu proizvodnju ovog metala.[3][7]

"Titanijska spužva" napravljena Krollovim procesom

Titanij veoma velikog stepena čistoće dobijen je u malim količinama kada su Anton Eduard van Arkel i Jan Hendrik de Boer otkrili jodid odnosno proces kristalne poluge 1925. godine, tako što su reakcijom sa jodom dobili pare koje su se raspale prevođenjem preko vrelog filamenta, dajući čisti metalni titanij.[25]

Tokom 1950tih i 1960tih, Sovjetski savez je predvodio svijet u korištenju titanija u vojne svrhe, naročito za podmornice[23] (klase podmornica "Alfa" i "Mike" - K-278 Komsomolets)[26] kao dio sovjetskih hladnoratovskih vojnih programa.[27] Počev od ranih 1950tih, titanij se znatno počeo koristiti u vojnoj avioindustriji, u najvećoj mjeri za mlazne avione visokih performansi, na početku kod F-100 Super Sabre, zatim i aviona poput Lockheed A-12 te SR-71.

Prepoznavajući stratešku važnost titanija,[28] Ministarstvo odbrane Sjedinjenih Američkih Država (DoD) podržalo je prvobitne napore njegove komercijalizacije. U doba Hladnog rata, američka vlada je titanij smatrala strateškim materijalom, te su ogromne zalihe titanijske "spužve" skladištene u Nacionalnom centru za skladištenje vojnog materijala, iz kojeg je veći dio zaliha izbačen tek 2000tih.[29] Prema podacima iz 2006. godine, najveći svjetski proizvođač ruska kompanija VSMPO-Avisma imala je približno 29% udjela u svjetskoj proizvodnji ovog metala.[30] U 2015. titanijska "spužva" se proizvodila u šest zemalja svijeta (poredano po količini): Kina, Japan, Rusija, Kazahstan, SAD, Ukrajina i Indija.[31][32]

Američka agencija za projekte naprednog istraživanja iz oblasti odbrane (DARPA) je 2006. dala poticaj konzorciju od dvije kompanije u visini od 5,7 miliona US$ u cilju razvitka novog proces dobijanja metalnog praha titanija. Pod visokim pritiskom i temperaturom takav prah se može koristiti za dobijanje snažnih ali vrlo lahkih predmeta, u rasponu od aeronautičkih komponenti, tenkovskih oplata te sirovina za hemijsku industriju.[33]

Naučnici sa Američkog nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) i hemijske korporacije Afton su 2008. godine objavili rezultate istraživanja o dodavanju titanijevih spojeva u pogonska goriva, gdje ti spojevi grade slojeve otporne na habanje, reda veličine u nanometrima, na površinama osjetljivih dijelova motora, što implicira njihovu upotrebu kao pogodnu zamjenu za ranije spojeve, štetne po okolinu.[34] Titanij je također i jedan od kandidata kojim bi se mogli zamijeniti otrovni spojevi fosfora, koji se nalaze u većini pogonskih goriva i maziva.

Rasprostranjenost[uredi | uredi izvor]

Proizvodnja rutila i ilmenita u 2011. godini[35]
Država hiljada
tona
 % udjela
svjetske proizvodnje
Flag of Australia.svg Australija 1.300 19,4
Flag of South Africa.svg Južnoafrička Republika 1.160 17,3
Flag of Canada.svg Kanada 700 10,4
Flag of India.svg Indija 574 8,6
Flag of Mozambique.svg Mozambik 516 7,7
Kina 500 7,5
Flag of Vietnam.svg Vijetnam 490 7,3
Flag of Ukraine.svg Ukrajina 357 5,3
svijet 6.700 100

Titanij je deveti element po rasprostranjenosti u Zemljinoj kori (oko 0,63% po masi)[20] te sedmi metal po rasprostranjenosti. Prisutan je u vidu oksida u većini vulkanskih stijena, kao i sedimentima nastalih iz njih, zatim živim bićima i većini vodenih površina.[6][3] Među 801 vrstom vulkanskih stijena koje je analizirao Američki geološki zavod, 784 vrste sadržavaju titanij. Njegov udio u zemljištu iznosi približno 0,5% do 1,5%.[20]

Vrlo široko je rasprostranjen i javlja se uglavnom u mineralima anatasu, brukitu, ilmenitu, perovskitu, rutilu i titanitu.[16] Među ovim mineralima, samo rutil i ilmenit imaju određeni ekonomski značaj, mada ih je dosta teško naći u visokim koncentracijama. U 2011. godini iskopano je oko 6 miliona tona rutila i 0,7 miliona tona ilmenita.[35] Značajni depoziti ilmenita sa visokim udjelom titanija postoje u zapadnoj Australiji, Kanadi, Kini, Indiji, Mozambiku, Novom Zelandu, Norveškoj, Ukrajini i Južnoafričkoj Republici.[16] U 2011. proizvedeno je oko 186 hiljada titanija u obliku metalne "spužve", uglavnom u Kini (60.000 t), Japanu (56 hiljada tona), Rusiji (40.000 t), SAD (32 hiljade tona) i Kazahstanu (20,7 hiljada tona). Ukupne rezerve titanija se procjenjuju na oko 600 miliona tona.[35]

Koncentracija titanija u okeanu je oko 4 pikomola po litru. Pri 100 °C procjenuje se da je koncentracija titanija u vodi manja od 10−7 M uz pH vrijednost 7. Identitet iona titanija u vodenom rastvoru nije dovoljno poznat jer je on vrlo slabo rastvorljiv te za to ne postoje dovoljno osjetljive spektroskopske metode, međutim poznato je da je njegovo oksidacijsko stanje +4 stabilno u prisustvu zraka. Ne postoje dokazi da titanij ima neku biološku ulogu, mada su poznati rijetki organizmi koji akumuliraju velike koncentracije titanija u sebi.[36]

Titanij je otkriven i u meteoritima a detektovan je i u Sunčevom spektru kao i zvijezdama M-klase[3] (najhladniji tip) gdje je temperatura površine oko 3200 °C.[22] Uzorci stijena donesenih sa Mjeseca tokom misije Apollo 17 imali su u sebi oko 12,1% TiO2.[3] Također ga ima i u ugljenoj prašini, biljkama pa i u ljudskom tijelu. Samorodni titanij (čisto metalni) je veoma rijedak,[37] a tek 2010. je priznat kao zaseban mineral.

Spojevi[uredi | uredi izvor]

Svrdlo obloženo TiN (titanij-nitridom)

Oksidacijsko stanje +4 je dominantno u hemiji titanija,[38] mada su poznati i spojevi oksidacijskog stanja +3.[39] Obično titanij usvaja oktaedarsku koordinacijsku geometriju u svojim kompleksima, a tetraedarski TiCl4 je značajan izuzetak. Zbog tog visokog oksidacijskog stanja, spojevi titanija(IV) pokazuju visoki stepen kovalentnog vezivanja. Za razliku od većine drugih prelaznih metala, jednostavni vodeni Ti(IV)-kompleksi su nepoznati.

Oksidi, sulfidi i alkoksidi[uredi | uredi izvor]

Najvažniji oksid je TiO2, koji postoji u tri važna polimorfna oblika: anatas, brukit i rutil. Svi oni su bijele dijamagnetične supstance, mada neki mineralni uzorci mogu biti tamni (vidi rutil). Oni usvajaju polimerne strukture u kojima je atom titanija okružen sa drugih šest oksidnih liganada, povezanih na druge Ti centre.

Pod pojmom "titanati" obično se smatraju spojevi titanija(IV), a njihov predstavnik je barij-titanat (BaTiO3). Sa strukturom perovskita, ovaj materijal ima piezoelektrične osobine te se koristi kao pretvarač za pretvaranje zvuka u elektricitet i obrnuto.[10] Mnogi minerali spadaju u titanate, npr. ilmenit (FeTiO3). Zvjezdasti safiri i rubini pokazuju svoj asterizam (odsjaj u obliku zvijezde) zbog prisustva nečistoća titanij-dioksida u njima.[16] Poznati su raznovrsni reducirani oksidi titanija. Ti3O5, opisan kao vrsta Ti(IV)-Ti(III) spoja, jeste ružičasti poluprovodnik dobijen redukcijom TiO2 sa vodikom pri visokim temperaturama,[40] a našao je industrijsku primjenu u slučajevima kada je potrebno da površina bude prekrivena parama titanij-dioksida. Ovaj spoj isparava u vidu čistog TiO, dok, za razliku od njega, TiO2 isparava u vidu mješavine oksida te se taloži u sloju koji ima varijabilan indeks prelamanja.[41] Također je proučavan i spoj Ti2O3, sa strukturom korunda te TiO sa strukturom kamene soli, mada je ona često nestehiometrijska.[42]

Alkoksidi titanija(IV), dobijeni reakcijom TiCl4 sa alkoholima, su bezbojne supstance koje prelaze u diokside njihovom reakcijom sa vodom. Oni su industrijski korisni za procese gdje se treba nanijeti sloj čvrstog TiO2 putem sol-gel procesa. Titanij-izopropoksid se koristi u sintezama hiralnih organskih spojeva pomoću asimetrične katalitičke epoksidacije.

Titanij gradi brojne vrste sulfida, međutim jedino za TiS2 postoji određeni naučni i ekonomski interes. On usvaja slojevitu strukturu a koristi se kao katoda u razvoju litijskih baterija. Pošto je ion Ti(IV) tvrdi kation, sulfidi titanija su nestabilni i obično hidroliziraju do oksida uz otpuštanje vodik-sulfida.

Nitridi i karbidi[uredi | uredi izvor]

Titanijevi(III) spojevi su karakteristično ljubičasti, kao što to pokazuje ovaj vodeni rastvor titanij-trihlorida.

Titanij-nitrid (TiN) ima ekvivalent tvrdoće uporediv sa safirom i karborundom (9,0 na Mohsovoj skali),[43] te se često koristi za oblaganje alata za rezanje ili bušenje, poput svrdla.[44] Zbog zlatnog odsjaja koristi se i u dekorativne svrhe, a kao izolatorski metal u proizvodnji poluprovodnika.[45] Titanij-karbid, koji je također izuzetno tvrd, našao je primjenu u proizvodnji alata za sječenje i za oblaganje.[46]

Halidi[uredi | uredi izvor]

Titanij-tetrahlorid (titanij(IV)-hlorid, TiCl4[47]) je bezbojna isparljiva tekućina (iako su trgovački uzorci žućkasti), koja u prisustvu kisika iz zraka hidrolizira uz spektakularno otpuštanje bijelog dima. Pomoću Krollovog procesa TiCl4 se dobija tokom konverzije titanijevih ruda do titanij-dioksida koji se naprimjer koristi kao bijeli pigment.[48] On se također vrlo široko koristi u organskoj hemiji kao Lewisova kiselina, naprimjer u procesu Mukaiyamine aldol kondenzacije.[49] U van Arkelovom procesu, titanij-tetrajodid (TiI4) se generiše pri proizvodnji titanijevog metala izrazito visoke čistoće. Titanij(III) i titanij(II) također grade stabilne hloride. Značajan primjer je titanij(III)-hlorid (TiCl3), koji se koristi kao katalizator u proizvodnji poliolefina (vidi Ziegle-Nattin katalizator) te kao redukciono sredstvo u organskoj hemiji.

Organometalni kompleksi[uredi | uredi izvor]

Zbog svoje važne uloge kao polimerizacijski katalizatori, spojevi titanija sa Ti-C vezama su vrlo detaljno proučavani. Među najčešćim organotitanijskim kompleksima je titanocen-dihlorid ((C5H5)2TiCl2). Slični spojevi su i Tebbeov i Petasisov reagens. Titanij gradi i karbonilne komplekse kao što je naprimjer titanocen-dikarbonil (C5H5)2Ti(CO)2.[50]

Proizvodnja[uredi | uredi izvor]

Titanij (mineralni koncentrat)
Osnovni proizvodi od titanija: ploče, cijevi, prah i šipke

Proizvodnja i prerada metalnog titanija odvija se u četiri osnovna koraka:[8] redukcija titanijske rude u "spužvu", poroznu formu metala; topljenje "spužve" odnosno nje i osnovne legure koja gradi ingot; osnovna proizvodnja kada se ingot pretvara u osnovne proizvode valjaonice poput ploča, šipki, cijevi, poluga i slično, te sekundarna prerada kada se iz poluproizvoda dobijaju gotovi predmeti.

Pošto se ne može lahko proizvesti redukcijom titanij-dioksida,[12] metalni titanij se dobija redukcijom TiCl4 sa metalnim magnezijem u tzv. Krollovom procesu. Složenost ove serijske proizvodnje u Krollovom procesu opravdava se relativno visokom vrijednošću titanija na tržištu,[51] iako je Krollov proces donekle jeftiniji od Hunterovog procesa.[23] Da bi se dobio TiCl4 neophodan za Krollov proces, dioksid se mora podvrgnuti karbotermičkoj redukciji u prisustvu hlora. U tom procesu, gasoviti hlor se propušta iznad užarene smjese rutila ili ilmenita uz prisustvo ugljika. Nakon temeljitog pročišćavanja putem frakcionalne destilacije, TiCl4 se reducira pri 800 °C pomoću istopljenog magnezija u atmosferi internog gasa argona.[10] Dalje se metalni titanij čisti van Arkel-de Boerovim procesom, koji uključuje termalno raspadanje titanij-tetrajodida.

U posljednje vrijeme razvijen je metod serijske proizvodnje zvani FFC Cambridge proces,[52] u kojem se koristi prah titanij-dioksida (rafinirani oblik rutila) kao sirovinska baza a dobija se metalni titanij u obliku spužve ili praha. Ovaj proces zahtijeva nekoliko koraka manje od Krollovog procesa i oduzima manje vremena.[53] Ako se u procesu pomješaju prahovi oksida, proizvod je legura.

Uobičajene legure titanij dobijaju se redukcijom. Primjeri takvih legura su kuprotitanij (reducira se rutil uz dodatak bakra), ferougljični titanij (reducira se ilmenit sa koksom u električnoj peći) te manganotitanij (rutil sa manganom ili njegovim oksidima).[54]

2 FeTiO3 + 7 Cl2 + 6 C → 2 TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 CO (900 °C)
TiCl4 + 2 Mg → 2 MgCl2 + Ti (1100 °C)

Dobijeno je oko 50 vrsta i legura titanija koje su još u upotrebi, mada je samo nekoliko desetaka lahko dostupno na tržištu.[8] Međunarodna organizacija za standardizaciju (ASTM International) priznaje 31 leguru i stepene čistoće titanija među kojima se stepeni od 1 do 4 smatraju komercijalno čistim metalom (nelegiranim). Ova četiri stepena čistog titanija se razlikuju po čvrstoći, otporu izvlačenju kao funkciji udjela kisika, pri čemu je stepen 1 najduktilniji (najmanja vlačna čvrstoća uz udio kisika od 0,18%), dok je stepen 4 najmanje duktilan (najviša vlačna čvrstoća uz udio kisika od 0,4%.[16] Ostali stepeni titanija su legure titanija, među kojima je svaka dizajnirana za određene osobine duktilnosti, čvrstoće, tvrdoće, električnog otpora, otpornosti na puzanje, specifične otpornosti na koroziju kao i kombinacije ovih osobina.[55]

Pored specifikacija određenih ASTM standardom, legure titanija se proizvode i u skladu sa američkim vojnim i svemirskim standardima (SAE-AMS, MIL-T), ISO standardima te specifikacijama karakterističnim za pojedine zemlje, kao i onima koje krajnji korisnici naruče za potrebe svemirskih programa, vojnih, medicinskih i raznih industrijskih aplikacija.[8]

Prah titanija se proizvodi u procesu masovne proizvodnje, poznatog kao Armstrongov proces,[56] sličnog Hunterovom procesu serijske proizvodnje. Toku gasa titanij-tetrahlorida se dodaje tok istopljenog metalnog natrija, proizvodi (so natrij-hlorid i čestice titanija) se filtriraju od viška natrija. Zatim se titanij odvaja od soli ispiranjem vodom. I natrij i hlor se mogu reciklirati u ovom procesu kako bi se preradilo više titanij-tetrahlorida.[57]

Svo zavarivanje titanija se mora vršiti u inertnoj atmosferi argona ili helija da bi se on zaštitio od kontaminacije atmosferskim gasovima (kisikom, dušikom i vodikom).[13] Ako dođe do kontaminacije dešava se niz pojava, poput krhkosti, čime se smanjuje integritet zavarenih površina i dovodi do mogućeg loma. Komercijalno čisti valjani proizvodi (limovi, ploče) se vrlo lahko proizvode, ali se pri njihovom dobijanju mora paziti da metal ima vrstu "pamćenja" te teži da se vrati u prvobitni oblik. Ovo je naročito uočljivo kod nekih vrlo čvrstih legura.[58][59] Titanij se ne može lemiti prije nego što se obloži nekim metalom koji je lemljiv.[60] Titanij se može mašinski obrađivati istim alatima koji se koriste za obradu nehrđajućeg čelika.[13]

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.

Biološki značaj[uredi | uredi izvor]

[icon] Ova sekcija zahtijeva proširenje.

Elementarni titanij nije otrovan, ali neke njegove soli jesu.

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. ^ CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013.
  3. ^ a b c d e f g h i j Lide, D. R., ur. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86. izd.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
  4. ^ a b David R. Lide (ur.): 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. ISBN 9781420090840
  5. ^ 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
  6. ^ a b c d e f g "Titanium". Encyclopædia Britannica. 2006. Pristupljeno 13. 6. 2016. 
  7. ^ a b c d e Krebs Robert E. (2006). The History and Use of Our Earth's Chemical Elements: A Reference Guide (2 iz.). Westport, CT: Greenwood Press. ISBN 0-313-33438-2. 
  8. ^ a b c d e Donachie, Matthew J., Jr. (1988). TITANIUM: A Technical Guide. Metals Park, OH: ASM International. str. 11-16, i dodatak J. ISBN 0-87170-309-2. 
  9. ^ a b Barksdale 1968, str. 738
  10. ^ a b c d e "Titanium". Columbia Encyclopedia (6. iz.). New York: Columbia University Press. 2000–2006. ISBN 0-7876-5015-3. 
  11. ^ a b c Barbalace, Kenneth L. (2006). "Periodic Table of Elements: Ti – Titanium". Pristupljeno 18. 6. 2016. 
  12. ^ a b c Albert Stwertka (1998). "Titanium". Guide to the Elements (rev. iz.). Oxford University Press. str. 81–82. ISBN 0-19-508083-1. 
  13. ^ a b c d e Barksdale 1968, str. 734
  14. ^ Sikka S. K.; Vohra, Y. K.; Chidambaram, R. (1982). "Omega phase in materials". Progress in Materials Science 27 (3–4): 245–310. doi:10.1016/0079-6425(82)90002-0. 
  15. ^ Puigdomenech, Ignasi (2004) Hydra/Medusa Chemical Equilibrium Database and Plotting Software, KTH Royal Institute of Technology.
  16. ^ a b c d e Emsley 2001, str. 453
  17. ^ Casillas, N.; Charlebois, S.; Smyrl, W. H.; White, H. S. (1994). "Pitting Corrosion of Titanium". J. Electrochem. Soc. 141 (3): 636–642. doi:10.1149/1.2054783. 
  18. ^ A. L. Forrest (1981). "Effects of Metal Chemistry on Behavior of Titanium in Industrial Applications". Industrial Applications of itanium and Zirconium. str. 112. 
  19. ^ a b c d e Emsley 2001, str. 452
  20. ^ a b c Barksdale 1968, str. 732
  21. ^ Martin Heinrich Klaproth, "Chemische Untersuchung des sogenannten hungarischen rothen Schörls" (Hemijska ispitivanja takozvanog mađarskog crvenog turmalina [rutila]) u: Beiträge zur chemischen Kenntniss der Mineralkörper (Prilozi hemijskom znanju mineralnih tvari), vol. 1, (Berlin): Heinrich August Rottmann, 1795), 233-244.
  22. ^ a b Emsley 2001, str. 451
  23. ^ a b c Roza 2008, str. 9
  24. ^ a b Greenwood 1997, str. 955
  25. ^ Anton Eduard van Arkel; de Boer, J. H. (1925). "Preparation of pure titanium, zirconium, hafnium, and thorium metal". Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie 148: 345–50. doi:10.1002/zaac.19251480133. 
  26. ^ Eugene Yanko; Omsk VTTV Arms Exhibition and Military Parade JSC (2006). "Submarines: general information". Pristupljeno 10. 8. 2013. 
  27. ^ Stainless Steel World (1. 8. 2001). "VSMPO Stronger Than Ever". KCI Publishing B.V. str. 16–19. Pristupljeno 30. 8. 2016. 
  28. ^ National Materials Advisory Board, Commission on Engineering and Technical Systems (CETS), National Research Council (1983). Titanium: Past, Present, and Future. Washington, D.C.: national Academy Press. str. R9. NMAB-392. 
  29. ^ Defense National Stockpile Center (2008). Strategic and Critical Materials Report to the Congress. Operations under the Strategic and Critical Materials Stock Piling Act during the Period October 2007 through September 2008 (PDF). Ministarstvo odbrane SAD. str. 3304. 
  30. ^ Bush Jason (15. 2. 2006). "Boeing's Plan to Land Aeroflot". BusinessWeek. Arhivirano s originala, 9. 4. 2009. Pristupljeno 29. 12. 2006. 
  31. ^ "Roskill Information Services: Global Supply of Titanium is Forecast to Increase", Titanium Metal: Market Outlook to 2015 (5. izd. 2010).
  32. ^ "ISRO's titanium sponge plant in Kerala fully commissioned". timesofindia-economictimes. Pristupljeno 8. 11. 2015. 
  33. ^ DuPont (12. 12. 2006). "U.S. Defense Agency Awards $5.7 Million to DuPont and MER Corporation for New Titanium Metal Powder Process" (saopćenje za medije). Pristupljeno 1. 8. 2009. 
  34. ^ Guevremont Jeffrey M; Gregory H. Guinther, Dewey Szemenyei et al. (14. 6. 2008). "Enhancement of Engine Oil Wear and Friction Control Performance through Titanium Additive Chemistry". Tribology Transactions 51 (3): 324–331. doi:10.1080/10402000701772595. 
  35. ^ a b c Geološki zavod SAD. "USGS Minerals Information: Titanium". Pristupljeno 24. 6. 2016. 
  36. ^ Buettner K. M.; Valentine A. M. (2012). "Bioinorganic Chemistry of Titanium". Chemical Reviews 112 (3): 1863. doi:10.1021/cr1002886. 
  37. ^ Titanium, u Mindat bazi podataka, pristupljeno 25. 6. 2016.
  38. ^ Greenwood 1997, str. 958
  39. ^ Greenwood 1997, str. 970
  40. ^ Liu Gang; Huang Wan-Xia; Yi Yong (26. 6. 2013). "Preparation and Optical Storage Properties of λTi3O5 Powder". Journal of Inorganic Materials (jezik: kineski) 28 (4): 425–430. doi:10.3724/SP.J.1077.2013.12309. 
  41. ^ Bonardi Antonio; Pühlhofer Gerd; Hermanutz Stephan; Santangelo Andrea (2014). "A new solution for mirror coating in $γ$-ray Cherenkov Astronomy". Experimental Astronomy 38: 1. arXiv:1406.0622. Bibcode:2014ExA....38....1B. doi:10.1007/s10686-014-9398-x. 
  42. ^ Greenwood 1997, str. 962
  43. ^ Schubert, E.F. "The hardness scale introduced by Friederich Mohs". 
  44. ^ Truini Joseph (1. 5. 1988). "Drill Bits". Popular Mechanics (Hearst Magazines) 165 (5): 91. ISSN 0032-4558. 
  45. ^ Baliga B. Jayant (2005). Silicon carbide power devices. World Scientific. str. 91. ISBN 981-256-605-8. 
  46. ^ "Titanium carbide product information". H. C. Starck. Pristupljeno 16. 11. 2015. 
  47. ^ Seong, S.; Younossi, O.; Goldsmith, B. W. (2009). Titanium: industrial base, price trends, and technology initiatives. Rand Corporation. str. 10. ISBN 0-8330-4575-X. 
  48. ^ Johnson Richard W. (1998). The Handbook of Fluid Dynamics. Springer. str. 38–21. ISBN 3-540-64612-4. 
  49. ^ Coates Robert M.; Paquette, Leo A. (2000). Handbook of Reagents for Organic Synthesis. John Wiley and Sons. str. 93. ISBN 0-470-85625-4. 
  50. ^ Hartwig, J. F. (2010) Organotransition Metal Chemistry, from Bonding to Catalysis. University Science Books: New York. ISBN 189138953X
  51. ^ Barksdale 1968, str. 733
  52. ^ Chen George Zheng; Fray, Derek J.; Farthing, Tom W. (2000). "Direct electrochemical reduction of titanium dioxide to titanium in molten calcium chloride". Nature 407 (6802): 361–364. Bibcode:2000Natur.407..361C. doi:10.1038/35030069. PMID 11014188. 
  53. ^ Roza 2008, str. 23
  54. ^ "Titanium". Microsoft Encarta. 2005. Arhivirano s originala, 27. 10. 2006. Pristupljeno 29. 12. 2006. 
  55. ^ ASTM International (2006). Annual Book of ASTM Standards (Volume 02.04: Non-ferrous Metals). West Conshohocken, SAD: ASTM International. str. 2. ISBN 0-8031-4086-X.  ASTM International (1998). Annual Book of ASTM Standards (Volume 13.01: Medical Devices; Emergency Medical Services). West Conshohocken, SAD: ASTM International. str. 2–13. ISBN 0-8031-2452-X. 
  56. ^ Roza 2008, str. 25
  57. ^ "Titanium". The Essential Chemical Industry online. York, UK: CIEC Promoting Science at the University of York. 15. 1. 2015. 
  58. ^ AWS G2.4/G2.4M:2007 Guide for the Fusion Welding of Titanium and Titanium Alloys. Miami: American Welding Society. 2006. 
  59. ^ Titanium Metals Corporation (1997). Titanium design and fabrication handbook for industrial applications. Dallas: Titanium Metals Corporation. 
  60. ^ "Solderability". Pristupljeno 16. 6. 2011. 

Literatura[uredi | uredi izvor]

  • Greenwood N. N.; Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements (2. iz.). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4. 
  • Barksdale Jelks (1968). "Titanium". U Clifford A. Hampel. The Encyclopedia of the Chemical Elements. New York: Reinhold Book Corporation. str. 732–738. LCCN 68029938. 
  • Emsley John (2001). "Titanium". Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, England, UK: Oxford University Press. ISBN 0-19-850340-7. 
  • Roza, Greg (2008). Titanium (1 iz.). New York, NY: The Rosen Publishing Group. ISBN 978-1-4042-1412-5. 
  • William Gregor (1791) "Beobachtungen und Versuche über den Menakanit, einen in Cornwall gefundenen magnetischen Sand" (Posmatranja i pokusi u vezi menakita (tj. ilmenita) pronađenog u magnetičnom pijesku iz Cornwalla), Chemische Annalen … , 1, str. 40-54, 103-119.
  • William Gregor (1791) "Sur le menakanite, espèce de sable attirable par l'aimant, trouvé dans la province de Cornouilles" (O mekanitu, vrsti magnetičnog pijeska, pronađenog u okrugu Cornwall), Observations et Mémoires sur la Physique, 39 : 72-78, 152-160.

Vanjski linkovi[uredi | uredi izvor]