Titāna fizikālās un ķīmiskās īpašības
Titāns ir sudrabaini balts pārejas metāls, kura blīvums ir tikai 4,54 g/cm³, kas ir par aptuveni 40% vieglāks par dzelzi, bet tā izturība ir salīdzināma ar tērauda izturību. Šī vieglā un augstas stiprības īpašība padara titānu plaši izmantotu visās dzīves jomās. Tātad, kādas ir titāna fizikālās un ķīmiskās īpašības?
1. Titāna atomu struktūra
Vispirms apskatīsim titāna atomu struktūru. Titāns atrodas periodiskās tabulas IVB grupā ar atomu skaitu 22. Kodols sastāv no 22 protoniem un 20-32 neitroniem, un ārpuskodolu elektronu struktūra ir sakārtota kā 1S22S22P63S23D24S2. Kodola rādiuss ir 5x10-13 cm. Šīs unikālās atomu struktūras piešķir titānam unikālas fizikālās un ķīmiskās īpašības.
2. Titāna fizikālās īpašības
Titāna blīvums ir 4.506-4.516 g/cm3 (20 grādi), kušanas temperatūra ir 1668±4 grādi, latentais kušanas siltums ir 3.7-5. 0 kcal/g atoma, viršanas temperatūra ir 3260±20 grādi, latentais iztvaikošanas siltums ir 102.5-112.5 kcal/g atoma, kritiskā temperatūra ir 4350 grādi , un kritiskais spiediens ir 1130 atmosfēras. Titāna siltumvadītspēja un elektrovadītspēja ir slikta, līdzīga vai nedaudz zemāka nekā nerūsējošajam tēraudam. Titānam ir supravadītspēja, un tīra titāna supravadīšanas kritiskā temperatūra ir 0.{18}}.4K. Pie 25 grādiem titāna siltumietilpība ir 0,126 cal/g atom·grādi, termiskā entalpija ir 1149 cal/g atoma, un entropija ir 7,33 cal/g atom·grādi. Metāliskais titāns ir paramagnētiska viela ar magnētisko caurlaidību 1,00004.
Titānam piemīt plastiskums. Augstas tīrības pakāpes titāna pagarinājums var sasniegt 50-60%, šķērsgriezuma saraušanās var sasniegt 70-80%, taču tā stiprība ir zema un nav piemērota konstrukcijas materiāliem. Piemaisījumu klātbūtne titānā ļoti ietekmē tā mehāniskās īpašības, īpaši intersticiālie piemaisījumi (skābeklis, slāpeklis, ogleklis) var ievērojami palielināt titāna stiprību un būtiski samazināt tā plastiskumu. Titāna kā strukturālā materiāla labās mehāniskās īpašības tiek panāktas, stingri kontrolējot atbilstošo piemaisījumu saturu un pievienojot leģējošus elementus.
3. Titāna ķīmiskās īpašības
Titāns var reaģēt ar daudziem elementiem un savienojumiem augstākā temperatūrā. Dažādus elementus var iedalīt četrās kategorijās atbilstoši to dažādajām reakcijām ar titānu:
1. kategorija: halogēni un skābekļa grupu elementi veido kovalentus un jonu savienojumus ar titānu;
2. kategorija: pārejas elementi, ūdeņradis, berilijs, bora grupa, oglekļa grupa un slāpekļa grupas elementi veido intermetāliskus savienojumus un ierobežotus cietus šķīdumus ar titānu;
3. kategorija: cirkonija, hafnija, vanādija grupa, hroma grupa, skandija elementi veido neierobežotu daudzumu cietu šķīdumu ar titānu;
4. kategorija: inertās gāzes, sārmu metāli, sārmzemju metāli, retzemju elementi (izņemot skandiju), aktīnijs, torijs utt. nereaģē ar titānu vai būtībā nereaģē.
4. Reakcija ar savienojumiem:
HF un fluors
Fluorūdeņraža gāze reaģē ar titānu, karsējot veidojot TiF4, un reakcijas formula ir (1); neūdens ūdeņraža fluorīda šķidrums var veidot blīvu titāna tetrafluorīda plēvi uz titāna virsmas, kas var novērst HF iekļūšanu titāna iekšpusē. Fluorūdeņražskābe ir spēcīgākā titāna plūsma. Pat fluorūdeņražskābe ar koncentrāciju 1% var spēcīgi reaģēt ar titānu; bezūdens fluorīdi un to ūdens šķīdumi nereaģē ar titānu zemā temperatūrā, un tikai izkausēti fluorīdi būtiski reaģē ar titānu augstā temperatūrā.
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.{5}} kcal (1) 2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2
HCl un hlorīdi
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 grādu, veidojot TiCl4, skatīt formulu (3); sālsskābe ar koncentrāciju<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＋4HCl＝TiCl4＋2H2＋94,75kcal (3)2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2 (4)
Sērskābe un sērūdeņradis
Pēc tam, kad titāns reaģē ar atšķaidītu sērskābi<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% ir nozīmīga reakcija ar titānu. Istabas temperatūrā aptuveni 40% sērskābes ir visātrākais titāna korozijas ātrums. Ja koncentrācija ir lielāka par 40% un sasniedz 60%, korozijas ātrums palēninās un visātrāk sasniedz 80%. Karsēta atšķaidīta skābe vai 50% koncentrēta sērskābe var reaģēt ar titānu, veidojot titāna sulfātu, skatīt formulu (5), (6). Uzkarsētu koncentrētu sērskābi var reducēt ar titānu, veidojot SO2, skatīt formulu (7). Istabas temperatūrā titāns reaģē ar sērūdeņradi, veidojot uz tā virsmas aizsargplēvi, kas var novērst turpmāku reakciju starp sērūdeņradi un titānu. Tomēr augstā temperatūrā sērūdeņradis reaģē ar titānu, izgulsnējot ūdeņradi, kā parādīts formulā (8). Pulverveida titāns sāk reaģēt ar sērūdeņradi 600 grādu temperatūrā, veidojot titāna sulfīdu. Pie 900 grādiem reakcijas produkts galvenokārt ir TiS, un pie 1200 grādiem tas ir Ti2S3.
Ti＋H2SO4＝TiSO4＋H2 (5) 2Ti＋3H2SO4＝Ti2(SO4)3＋H2 (6)
2Ti＋6H2SO4＝Ti2(SO4)3＋3SO2＋6H2O＋202 kcal (7)Ti＋H2S＝TiS＋H2＋70 kcal (8)
Slāpekļskābe un ūdens regija
Blīvs un gluds titāns ir laba stabilitāte pret slāpekļskābi, jo slāpekļskābe var ātri izveidot spēcīgu oksīda plēvi uz titāna virsmas, bet raupja virsma, īpaši titāna sūklis vai pulverveida titāns, var reaģēt ar zemu un karstu atšķaidītu slāpekļskābi, skatīt formulu. (9), (10) un koncentrēta slāpekļskābe virs 70 grādiem var reaģēt arī ar titānu, skatīt formulu (11); istabas temperatūrā titāns nereaģē ar aqua regia. Augstā temperatūrā titāns var reaģēt ar Aqua Regia, veidojot TiCl2.
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO (10)
Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)
Rezumējot, titāna īpašības ir cieši saistītas ar temperatūru, tā esošo formu un tīrību. Blīvs metāla titāns dabā ir diezgan stabils, bet pulverveida titāns var izraisīt spontānu aizdegšanos gaisā. Piemaisījumu klātbūtne titānā būtiski ietekmē titāna fizikālo, ķīmisko, mehānisko un izturību pret koroziju. Jo īpaši daži intersticiāli piemaisījumi var izkropļot titāna režģi un ietekmēt dažādas titāna īpašības. Istabas temperatūrā titāna ķīmiskā aktivitāte ir ļoti maza un var reaģēt ar dažām vielām, piemēram, fluorūdeņražskābi, bet titāna aktivitāte strauji palielinās, kad temperatūra paaugstinās, īpaši augstā temperatūrā titāns var spēcīgi reaģēt ar daudzām vielām. Titāna kausēšanas process parasti tiek veikts augstā temperatūrā, kas pārsniedz 800 grādus, tāpēc tas jādarbina vakuumā vai inertas atmosfēras aizsardzībā.
