تیتانیم

Titanium

 

عمومی نام, علامت اختصاری, شماره Titanium, Ti, 22 گروه شیمیایی فلز انتقالی گروه, تناوب, بلوک 4, 4 , d جرم حجمی, سختی 4507 kg/m3, 6 رنگ فلزی نقره ای

خواص اتمی         وزن اتمی 47.867 amu شعاع اتمی (calc.) 140 «176» pm شعاع کووالانسی 136 pm شعاع واندروالس اطلاعات موجود نیست ساختار الکترونی Ar]3d2 4s2] e- بازای هر سطح انرژی 2, 8, 10, 2 درجه اکسیداسیون (اکسید) 4 (آمفوتریک) ساختار کریستالی شش گوش

خواص فیزیکی         حالت ماده جامد نقطه ذوب 1941 K (3034 °F) نقطه جوش 3560 K (5949 °F) حجم مولی  ש»10-6 * 10.64««متر مکعب بر مول گرمای تبخیر 421 kJ/mol گرمای هم جوشی 15.45 kJ/mol فشار بخار 0.49 Pa at 1933 K سرعت صوت 4140 m/s at 293.15 K

متفرقه               الکترونگاتیویته 1.54 (درجه پائولینگ) ظرفیت گرمایی ویژه 520 J/(kg*K) رسانائی الکتریکی 2.34 106/m اهم رسانائی گرمایی 21.9 W/(m*K) 1st پتانسیل یونیزاسیون 658.8 kJ/mol 2nd پتانسیل یونیزاسیون 1309.8 kJ/mol 3rd پتانسیل یونیزاسیون 2652.5 kJ/mol 4th پتانسیل یونیزاسیون 4174.6 kJ/mol 5th پتانسیل یونیزاسیون 9581 kJ/mol 6th پتانسیل یونیزاسیون 11533 kJ/mol 7th پتانسیل یونیزاسیون 13590 kJ/mol 8th پتانسیل یونیزاسیون 16440 kJ/mol 9th پتانسیل یونیزاسیون 18530 kJ/mol 10th پتانسیل یونیزاسیون 20833 kJ/mol

 

پایدارترین  ایزوتوپها       iso NA نیمه عمر DM DE MeV DP 44Ti {syn.} 63 y ε 0.268 44Sc 46Ti 8.0% Ti با24 نوترون پایدار است. 47Ti 7.3% Ti با25 نوترون پایدار است. 48Ti 73.8% Ti با26 نوترون پایدار است. 49Ti 5.5% Ti با27 نوترون پایدار است. 50Ti 5.4% Ti با28 نوترون پایدار است. SI & STP استفاده شده مگر آنکه ذکر شده باشد.

 

تیتانیم عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی دارای نشان Ti و عدد اتمی 22 می باشد. تیتانیم که عنصری است نرم ، سبک، نقره ای براق ، درخشان و فلز انتقالی مقاوم در برابر فرسایش ، در آلیاژهای محکم و سبک و رنگدانه های سفید کاربرد دارد. این عنصر در مواد معدنی متعددی وجود دارد ولی منابع اصلی آن روتیل و ایلمنیت هستند.

ویژگیهای قابل توجه

تیتانیم عنصر فلزی است که به سبب مقاومت زیاد خود در برابر فرسودگی ( تقریباً به مقاومت پلاتینیم) و استحکامی که نسبت به وزن خود دارد معروف است. فلزی است سبک ، محکم، قابل ساخت آسان با جرم حجمی پایین 40% ( هم چگال با فولاد) که به شکل خالص کاملاً چکش خوار، آسان برای کار ، براق و به رنگ نقره ای درخشان می باشد. نقطه ذوب نسبتاً زیاد این عنصر آنرا به یک فلز دیر گداز مفید تبدیل کرده است. تیتانیم به سختی فولاد اما 45% سبکتر از آن است و با اینکه 60% سنگین تر از آلومینیم می باشد دو برابر محکم تر از آن است. این خصوصیات ، تیتانیم را در برابرانواع معمولی فرسودگی بسیار مقاوم می کند. این فلز در معرض هوا یک لایه اکسید بی اثری را تولید می کند اما اگر در محیطهای بدون اکسیژن قرار گیرد انعطاف پذیر است. این فلز که اگر در هوا گرم شود شروع به سوختن می کند، تنها عنصری است که می تواند در گاز نیتروژن خالص بسوزد. تیتانیم در مقابل اسید سولفوریک رقیق ، اسید هیدروکلرید ریک ، گاز کلر، محلولهای کلرید و بیشتر اسیدهای آلی مقاوم است. تجربیات نشان داده که تیتانیم بعد از بمباران با دوترون بسیار رادیواکتیو شده و عمدتاً ارسال پوزیترون و اشعه های نیرومند گاما می کند. این عنصر دارای دو گونه است ؛ شکل آلفا چهار ضلعی که در دمای 880 درجه سانتیگراد به آرامی به شکل بتا مکعبی تغییر می کند. گر در اثر حرارت سرخ شود با اکسیژن ترکیب شده و در حرارت 550 درجه سانتیگراد با کلر ترکیب می گردد.

کاربردهـــــــــا

تقریباً 95% تیتانیم به شکل دی اکسید تیتانیم  TiO))2) مصرف می شود که رنگدانه سفید ثابتی است با قدرت پوشش خوب در رنگها ، کاغذ و پلاستیکها. رنگهایی که با دی اکسید تیتانیم ساخته می شوند منعکس کننده های بسیار خوب پرتو مادون قرمز هستند و بنابراین منجمان بطور گسترده ای از آن استفاده می کنند. آلیاژهای تیتانیم به علت استحکام ، سبکی ، مقاومت بسیار زیاد در برابر فرسودگی و توانایی تحمل حرارتهای بسیار زیاد در هواپیما و موشک مورد استفاده قرار می گیرند اگرچه کاربردهای آن در محصولات مصرفی مثل چوب گلف ، دوچرخه و کامپیوترهای laptop نیز در حال رواج است. تیتانیم بیشتر با آلومینیم آهن ، منگنز،مولیبدنم و مواد دیگر آلیاژ می سازد.

 

سایر کاربردها

به علت مقاومت زیاد آن در برابر آب دریا از آن برای ساخت میله های پروانه و وسایل کشتی استفاده می شود. برای ساخت سنگ جواهرهای مصنوعی ظریف بکار می رود. مایع بی رنگ تتراکلرید تیتانیم ( TiCl4) برایiridize شیشه مورد استفاده قرار می گیرد و چون در هوای مرطوب شدیداً تولید بخار می کند برای ایجاد پرده دود )جهت استتار) نیز کاربرد دارد. علاوه بر اینکه دی اکسید تیتانیم رنگدانه بسیار مهمی است چون خودش توانایی محافظت از پوست را دارد در کرمهای ضد آفتاب بکار برده می شود. چون این فلز از نظر فیزیولوژیکی بی اثر محسوب می شود از آن در پیوندهای جایگزینی مفصل مثل لگن مورد استفاده است. به علت بی اثری و رنگهای جذاب، استفاده از آن بعنوان زیورآلات بدن رایج شده است. یکی از کاربردهای بالقوه تیتانیم در کارخانه های آب شیرین کن است.

 

تاریخچه

تیتانیم ( واژه لاتین Titans اولین فرزند پسر Gaia) در سال 1791 در انگلستان توسط جناب William Gregor که متوجه وجود عنصرجدیدی در ایلمنیت شده بود کشف شد. این عنصر چند سال بعد توسط Heinrich Klaproth شیمیدان آلمانی در کانی روتیل دوباره کشف گردید. در سال 1795 Klaproth این عنصر جدید را بر اساس Titan در اساطیر یونان نامگذاری نمود. Matthew A. Hunter در سال 1910 بوسیله حرارت دادن TiCl4 با سدیم در بمب فولادی در دمای 800-700 درجه سانتیگراد برای اولین بار تیتانیم فلزی خالص ( 9/99%) تهیه کرد. فلز تیتانیم تا سال 1946 خارج از آزمایشگاه کاربردی نداشت در این سالWilliam Justin Kroll اثبات نمود که می توان تیتانیم را بوسیله کاهش تتراکلرید تیتانیم با منیزیم بصورت تجاری تولید کرد (این روش امروزه همچنان مورد استفاده است ).

 

پیدایش

فلز تیتانیم در طبیعت بصورت ترکیب با سایر عناصر وجود دارد و این عنصر نهمین عنصر فراوان در پوسته زمین محسوب می شود ( 06/0% کل جرم) و در بیشتر سنگهای آذرین و رسوبات آنها یافت می شود. بیشتر در مواد معدنی brookite, ilmenite, leucoxene, perovskite, rutile، anatase و sphene وجود داشته و نیز در سنگ معدن آهن و titanates دیده می شود. از میان این مواد معدنی فقط ilmenite، leucoxene و rutile از نظر اقتصادی اهمیت دارند. چون تیتانیم به راحتی در دماهای زیاد با اکسیژن و کربن واکنش می کند تهیه فلز تیتانیم خالص مشکل است. منابع مهم تیتانیم در استرالیا ، اسکاندیناوی ، آمریکای شمالی و مالزی قرار دارند. این فلز در شهاب سنگها یافت شده وحضور آن در خورشید و ستارگان M-type نیز شناسایی شده است. سنگهایی در مأموریت آپولو 17 از ماه آورده شده اند که حاوی 1/12% TiO2 هستند. بعلاوه تیتانیم در خاکستر ذغال سنگ، گیاهان و حتی بدن انسان یافت شده است.

 

تولیـــــــد

فلز تیتانیم بصورت تجاری بوسیله کاهش TiCl4 با منیزیم تولید می شود این فرآیند را William Justin Kroll در سال 1946 ابداع کرد. این فرآیند گروهی ، گران و پیچیده است اما ممکن است فرآیند جدیدتری که روش "FFC-Cambridge" نامیده می شود جایگزین روش قدیمی گردد. در این روش از ماده خام پودر دی اکسید تیتانیم ( که شکل تصفیه شده روتیل است) برای تولید نهایی که جریان مداومی از تیتانیم مذاب است استفاده می شود. از این محصول بلافاصله در ساخت آلیاژهای تجاری بهره می برند. امید است با استفاده از روش FFC-Cambridge مقدار بیشتری تیتانیم و باهزینه ای کمتر برای صنعت هوافضا و بازار کالاهای زینتی تهیه شود و شاهد استفاده از این فلز در محصولاتی که در حال حاضر از آلومینیم و انواع خاص فولاد استفاده می کنند باشیم.

 

ترکیبــــــــات

اگرچه فلز تیتانیم به علت هزینه زیاد استخراج نسبتاٌ متداول نیست ، دی اکسید تیتانیم ارزان،به مقدار زیاد موجود و دارای کاربرد وسیعی به عنوان رنگدانه سفید در صنعت رنگ سازی ، پلاستیک و سیمان ساختمان می باشد. پودرTio2 از نظر شیمیایی بی اثراست ، در نور آفتاب رنگ خود را حفظ می کند و بسیار مات است : این خصوصیت باعث می شود تا مواد شیمیایی خاکستری یا قهوه ای که بیشتر پلاستیکهای خانگی را تشکیل می دهند به رنگ سفید خالص درخشانی تبدیل کند. دی اکسید تیتانیم خالص دارای ضریب شکست بسیار بالا و تجزیه نوری بیشتر ازالماس است. یاقوت کبودستاره ای و یاقوت قرمز درخشندگی خود را از دی اکسید تیتانیوم موجود در خود می‌‌گیرند.

 

ایزوتوپها

تیتانیم بطور طبیعی دارای 5 ایزوتوپ پایدار تیتانیم 46، تیتانیم47، تیتانیم48، تیتانیم49 و تیتانیم50 است که فراوان ترین آنها تیتانیم 48 ( فراوانی طبیعی 8/73%) می باشد . 11 رادیوایزوتوپ هم برای این عنصر شناسایی شده که پایدار ترین آنها تیتانیم 44 بانیمه عمر 63 سال، تیتانیم 45 با نیمه عمر 8/184 دقیقه، تیتانیم 51 با نیمه عمر 76/5 دقیقه و تیتانیم 52 با نیمه عمر7/1 دقیقه هستند. سایر ایزوتوپهای رادیواکتیو نیمه عمری کمتر از 33 ثانیه دارند که نیمه عمر اکثر آنها کمتر از نیم ثانیه می باشد. ایزوتوپهای تیتانیم از نظر وزن اتمی بین amu99/39 (تیتانیم 40) و amu966/57 (تیتانیم 58) قرار دارند. حالت فروپاشی اولیه قبل از فراوان ترین ایزوتوپ (تیتانیم 48) جذب الکترون و حالت اولیه پس از آن ارسال بتا می باشد. محصول فروپاشی اولیه قبل از تیتانیم 48 ایزوتوپهای عنصر 21 ( اسکاندیم) و محصول اولیه پس از آن ایزوتوپهای عنصر 23 ( وانادیم) می باشد.

 

هشدارهـــــــا

پودر فلز تیتانیم خطر جدی آتش زایی دارد اما نمکهای آنرا در بیشتر موارد نسبتاً بی ضرر به حساب می آورند. اما ترکیبات با کلر را مثل TiCl3 و TiCl4 باید خورنده در نظر گرفت . تیتانیم به تجمع در بافتهایی از بدن که دارای سیلیکا است تمایل دارد اما این عنصر هیچگونه نقش بیولوژیکی شناخته شده ای در انسان ندارد.