خواص فیزیکی و شیمیایی تیتانیوم

تیتانیوم یک فلز واسطه نقره‌ای-سفید با چگالی تنها 4.54 گرم بر سانتی‌متر مربع است که حدود 40 درصد سبک‌تر از آهن است، اما دارای استحکامی قابل مقایسه با فولاد است. این ویژگی سبک و استحکام بالا باعث می شود که تیتانیوم به طور گسترده در تمام جنبه های زندگی استفاده شود. بنابراین، خواص فیزیکی و شیمیایی تیتانیوم چیست؟

1. ساختار اتمی تیتانیوم
ابتدا اجازه دهید نگاهی به ساختار اتمی تیتانیوم بیندازیم. تیتانیوم در گروه IVB جدول تناوبی با عدد اتمی 22 قرار گرفته است. شعاع هسته 5x{11}} سانتی متر است. این ساختارهای اتمی منحصر به فرد به تیتانیوم خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردی می بخشد.

2. خواص فیزیکی تیتانیوم
چگالی تیتانیوم 4.506-4.516 گرم بر سانتی متر مکعب (20 درجه)، نقطه ذوب 4±1668 درجه، گرمای نهان ذوب 3 است.7-5. 0 کیلوکالری در گرم اتم، نقطه جوش 20±3260 درجه، گرمای نهان تبخیر 102 است.{13}}.5 کیلو کالری در گرم اتم، دمای بحرانی 4350 درجه است. و فشار بحرانی 1130 اتمسفر است. رسانایی حرارتی و هدایت الکتریکی تیتانیوم ضعیف، مشابه یا کمی کمتر از فولاد ضد زنگ است. تیتانیوم دارای ابررسانایی است و دمای بحرانی ابررسانا تیتانیوم خالص 0.{18}}.4K است. در 25 درجه، ظرفیت گرمایی تیتانیوم 0.126 کالری بر گرم اتم · درجه، آنتالپی حرارتی 1149 کالری در گرم اتم و آنتروپی 7.33 کالری در گرم اتم · درجه است. تیتانیوم فلزی یک ماده پارامغناطیسی با نفوذپذیری مغناطیسی 100004 است.
تیتانیوم دارای خاصیت پلاستیکی است. ازدیاد طول تیتانیوم با خلوص بالا می تواند به 50-60% برسد و انقباض مقطعی می تواند به 70-80% برسد، اما مقاومت آن کم است و برای مصالح سازه ای مناسب نیست. وجود ناخالصی‌ها در تیتانیوم تأثیر زیادی بر خواص مکانیکی آن دارد، به‌ویژه ناخالصی‌های میان بافتی (اکسیژن، نیتروژن، کربن) می‌توانند استحکام تیتانیوم را تا حد زیادی افزایش داده و انعطاف پذیری آن را به میزان قابل توجهی کاهش دهند. خواص مکانیکی خوب تیتانیوم به عنوان یک ماده ساختاری با کنترل دقیق محتوای ناخالصی مناسب و افزودن عناصر آلیاژی به دست می آید.

3. خواص شیمیایی تیتانیوم
تیتانیوم می تواند با بسیاری از عناصر و ترکیبات در دماهای بالاتر واکنش نشان دهد. عناصر مختلف را می توان با توجه به واکنش های مختلف آنها با تیتانیوم به چهار دسته تقسیم کرد:
دسته 1: هالوژن ها و عناصر گروه اکسیژن ترکیبات کووالانسی و یونی را با تیتانیوم تشکیل می دهند.
دسته 2: عناصر انتقالی، هیدروژن، بریلیم، گروه بور، گروه کربن و عناصر گروه نیتروژن ترکیبات بین فلزی و محلول های جامد محدود را با تیتانیوم تشکیل می دهند.
دسته 3: زیرکونیوم، هافنیوم، گروه وانادیوم، گروه کروم، عناصر اسکاندیم محلول های جامد نامحدودی را با تیتانیوم تشکیل می دهند.
دسته 4: گازهای بی اثر، فلزات قلیایی، فلزات قلیایی خاکی، عناصر خاکی کمیاب (به جز اسکاندیم)، اکتینیم، توریم و ... با تیتانیوم واکنش نمی دهند یا اساساً واکنش نمی دهند.

4. واکنش با ترکیبات:
HF و فلوراید
گاز هیدروژن فلوراید با تیتانیوم واکنش می دهد تا TiF4 در هنگام گرم شدن ایجاد شود و فرمول واکنش (1) است. مایع فلوراید هیدروژن غیر آبی می تواند یک فیلم تترا فلوراید تیتانیوم متراکم را روی سطح تیتانیوم تشکیل دهد که می تواند از نفوذ HF به داخل تیتانیوم جلوگیری کند. اسید هیدروفلوئوریک قوی ترین شار برای تیتانیوم است. حتی اسید هیدروفلوئوریک با غلظت 1٪ می تواند به شدت با تیتانیوم واکنش نشان دهد. فلوریدهای بی آب و محلول های آبی آنها در دماهای پایین با تیتانیوم واکنش نمی دهند و فقط فلوریدهای مذاب به طور قابل توجهی با تیتانیوم در دماهای بالا واکنش می دهند.
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.{5}} کیلو کالری (1) 2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2

HCl و کلریدها
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 درجه برای تشکیل TiCl4، به فرمول (3) مراجعه کنید. اسید هیدروکلریک با غلظت<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٪ ef٪ bc٪ 8b4HCl٪ ef٪ bc٪ 9dTiCl4٪ ef٪ bc٪ 8b2H2٪ ef٪ bc٪ 8b94.75kcal (3) 2Ti٪ ef٪ bc٪ 8b6HCl٪ ef٪ bc٪ 9dTiCl3٪ ef٪ bc٪ ef٪ bc٪ 8b3H2 (4)

اسید سولفوریک و سولفید هیدروژن
پس از واکنش تیتانیوم با اسید سولفوریک رقیق<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% واکنش قابل توجهی با تیتانیوم دارد. در دمای اتاق حدود 40 درصد اسید سولفوریک سریعترین نرخ خوردگی را در تیتانیوم دارد. هنگامی که غلظت بیشتر از 40٪ است و به 60٪ می رسد، سرعت خوردگی کاهش می یابد و به سریع ترین حالت در 80٪ می رسد. اسید رقیق گرم شده یا اسید سولفوریک غلیظ 50% می تواند با تیتانیوم واکنش داده و سولفات تیتانیوم را تشکیل دهد، فرمول (5)، (6) را ببینید. اسید سولفوریک غلیظ گرم شده را می توان توسط تیتانیوم احیا کرد تا SO2 تشکیل شود، فرمول (7) را ببینید. در دمای اتاق، تیتانیوم با سولفید هیدروژن واکنش می دهد تا یک لایه محافظ روی سطح خود ایجاد کند که می تواند از واکنش بیشتر بین سولفید هیدروژن و تیتانیوم جلوگیری کند. با این حال، در دماهای بالا، سولفید هیدروژن با تیتانیوم واکنش داده و هیدروژن را رسوب می دهد، همانطور که در فرمول (8) نشان داده شده است. تیتانیوم پودر شده در دمای 600 درجه شروع به واکنش با سولفید هیدروژن می کند و سولفید تیتانیوم را تشکیل می دهد. در 900 درجه، محصول واکنش عمدتا TiS و در 1200 درجه، Ti2S3 است.
Ti٪ef٪bc٪8bH2SO4٪ef٪bc٪9dTiSO4٪ef٪bc٪8bH2 (5) 2Ti٪ef٪bc٪8b3H2SO4٪ef٪bc٪9dTi2(SO4)3٪ef٪bc٪8bH2 (6)
2Ti＋6H2SO4＝Ti2(SO4)3＋3SO2＋6H2O＋202 کیلو کالری (7)Ti＋H2S＝TiS＋H2＋70 کیلو کالری (8)

اسید نیتریک و آکوا رژیا
تیتانیوم متراکم و صاف نسبت به اسید نیتریک پایداری خوبی دارد، زیرا اسید نیتریک می تواند به سرعت یک لایه اکسید قوی روی سطح تیتانیوم ایجاد کند، اما سطح ناهموار، به ویژه تیتانیوم اسفنجی یا تیتانیوم پودری، می تواند با اسید نیتریک رقیق کم و داغ واکنش نشان دهد. (9)، (10) و اسید نیتریک غلیظ بالای 70 درجه نیز می تواند با تیتانیوم واکنش دهد، به فرمول (11) مراجعه کنید. در دمای اتاق، تیتانیوم با آکوا رژیا واکنش نمی دهد. در دمای بالا، تیتانیوم می‌تواند با آب رگیا واکنش داده و TiCl2 را تشکیل دهد.
3Ti٪ ef٪ bc٪ 8b4HNO3٪ ef٪ bc٪ 8b4H2O٪ ef٪ bc٪ 9d3H4TiO4٪ ef٪ bc٪ 8b4NO (9) 3Ti٪ ef٪ bc٪ bc٪ 8b4HNO3٪ ef٪ bc٪ 8bH2O٪ ef٪ bc٪ 9d3H2TiO٪ ef٪ bc٪ 8b4NO (10)
Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)

به طور خلاصه، خواص تیتانیوم ارتباط نزدیکی با دما، شکل موجود و خلوص آن دارد. تیتانیوم فلزی متراکم در طبیعت کاملاً پایدار است، اما تیتانیوم پودر شده می تواند باعث احتراق خود به خود در هوا شود. وجود ناخالصی در تیتانیوم به طور قابل توجهی بر مقاومت فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی و خوردگی تیتانیوم تأثیر می گذارد. به طور خاص، برخی ناخالصی های بینابینی می توانند شبکه تیتانیوم را مخدوش کرده و بر خواص مختلف تیتانیوم تأثیر بگذارند. در دمای اتاق، فعالیت شیمیایی تیتانیوم بسیار کم است و می تواند با چند ماده مانند اسید هیدروفلوئوریک واکنش دهد، اما فعالیت تیتانیوم به سرعت در هنگام افزایش دما افزایش می یابد، به خصوص در دماهای بالا، تیتانیوم می تواند به شدت با بسیاری از مواد واکنش نشان دهد. فرآیند ذوب تیتانیوم به طور کلی در دمای بالای 800 درجه انجام می شود، بنابراین باید در خلاء یا تحت حفاظت یک اتمسفر بی اثر عمل کرد.