آهنگ Titanium از David Guetta ft. Sia، متن ترانه “You shoot me down, but I will not fall; من تیتانیوم هستم”. تیتانیوم عنصری یکی از قوی ترین فلزات است – به اندازه فولاد قوی است، اما در مقایسه با آن، چگالی کمتر و بسیار سبک تر است. علاوه بر این، در برابر دماهای شدید بسیار مقاوم است. این عنصر تیتانیوم را به یک عامل آلیاژی عالی برای هواپیما و فضاپیما تبدیل می کند.

این عنصر قطعاً همانقدر قوی است که آهنگ نشان می دهد.

حقایق جالب در مورد تیتانیوم
نام تیتانیوم از تیتان های اساطیر یونان گرفته شده است.
در ابتدا نام تیتانیوم گرگوریت بود.
در طبیعت، این عنصر تقریباً همیشه در سنگ های آذرین و رسوبات آن یافت می شود. معدنچیان به دنبال مواد معدنی روتیل و ایلمنیت هستند.
روی زمین، سنگ ها حاوی حدود 1٪ تیتانیوم هستند. با این حال، در ماه، خوشه هایی از سنگ های غنی از تیتانیوم وجود دارد که حاوی حدود 10٪ تیتانیوم است.
همانطور که آموخته شد، در دماهای بالاتر، تیتانیوم با اکسیژن واکنش نشان می دهد. در طول تولید آلیاژهای تیتانیوم، مقیاس اکسید تیتانیوم حذف می شود تا از شکننده شدن فلز جلوگیری شود.
تیتانیوم نهمین عنصر فراوان روی زمین است. پوسته زمین حدود 0.44 درصد از آن را شامل می شود. گیاهان، حیوانات، آب های طبیعی و ستارگان نیز حاوی این عنصر هستند.
تیتانیوم در جدول تناوبی

تیتانیوم یک فلز واسطه با نماد Ti و عدد اتمی 22 است. در گروه 4، سمت راست اسکاندیم، سمت چپ وانادیوم و بالای زیرکونیوم قرار دارد. شیمی و خواص آن تا حدودی شبیه زیرکونیوم است. الکترونگاتیوی آن 1.54 است و اتم تیتانیوم دارای پیکربندی الکترونی [Ar]3d24s2 یا 1s22s22p63s23p63d24s2 است.

تیتانیوم کجا یافت می شود؟

تیتانیوم نهمین عنصر فراوان روی زمین است. می توان آن را در سنگ های آذرین و رسوبات حاصل از آنها یافت. این در مواد معدنی روتیل رخ می دهد. ایلمنیت و تیتانیت و در بسیاری از سنگ‌های آهن وجود دارد. تیتانیوم بسیار گسترده است و بزرگترین تولیدکنندگان اسفنج تیتانیوم چین، روسیه، ایالات متحده آمریکا و ژاپن هستند.

نسبت استحکام به وزن بالای تیتانیوم و مقاومت در برابر خوردگی آن را به عنصری بسیار ارزشمند تبدیل کرده است. همانطور که گفته شد، تیتانیوم به اندازه فولاد قوی است، در حالی که وزن بسیار کمتری دارد و می تواند تغییرات شدید دما را تحمل کند. مقاومت آن در برابر خوردگی به دلیل توانایی آن در تشکیل یک لایه سطحی اکسید غیرفعال است که از انتقال الکترون به محیط اطراف جلوگیری می کند.

در شکل خالص خود، فلزی براق و براق است که سخت و انعطاف پذیر است. رسانایی الکتریکی و حرارتی پایینی دارد و پارامغناطیس است.

آیا تیتانیوم خطرناک است؟

همانطور که گفته شد، محصولات غذایی معمولا حاوی TiO2 هستند. در حالی که FDA بیان می کند که رنگدانه را می توان برای رنگ آمیزی مواد غذایی استفاده کرد، به شدت تنظیم می کند که چه مقدار می تواند اضافه شود، زیرا محدودیت 1٪ وجود دارد.

استنشاق پودر تیتانیوم می تواند بر ریه های انسان تأثیر بگذارد و باعث بیماری پلورال شود. سرطان زا است و ممکن است باعث سرطان شود.

در محیط زیست، تیتانیوم نسبتاً ایمن است. با این حال، هنوز هم خطرات خود را دارد. پودر تیتانیوم قابل اشتعال است. هنگامی که در هوا گرم می شود و در معرض اکسیژن قرار می گیرد، خطر انفجار را به همراه دارد. اگر با آب در دمای بالا واکنش نشان دهد، هیدروژن آزاد می کند و می تواند باعث انفجار شود.

پیدا کردن ضعف تیتانیوم: آیا آنقدر خوب است که درست باشد؟

تیتانیوم بسیار غیرقابل تخریب به نظر می رسد و تقریباً در برابر همه چیز مصون است، زیرا به دلیل خاصیت ارتجاعی خود در برابر استرس بسیار سازگار است. با این حال، این نادرست است. این فلز با اکسیژن بسیار واکنش پذیر است و هنگامی که این دو عنصر با هم مخلوط می شوند، بسیار شکننده و شکننده می شود. این باعث می شود که آن را شکننده و مستعد ترک خوردن کند. اکسیژن بزرگترین دشمن تیتانیوم است.

کاربردهای تیتانیوم در دنیای امروز

رایج ترین شکل استفاده از تیتانیوم از طریق رنگدانه دی اکسید تیتانیوم (TiO2) است. این یک پودر غیر سمی است که بسیار مات و به رنگ سفید است. لاک، کاغذ، لعاب و حتی غذا همگی می توانند حاوی این رنگدانه باشند. چرا اینقدر محبوب است؟ TiO2 دارای حالت اکسیداسیون +4 است – پایدارترین حالت اکسیداسیون – و در برابر اشعه ماوراء بنفش و تغییر رنگ مقاوم است، بنابراین معمولاً در رنگ، پلاستیک و ضد آفتاب یافت می شود. محصولات غذایی مانند گل ختمی، آدامس و فراست کیک معمولاً دارای TiO2 هستند تا رنگ سفید زیبایی را به شما بدهند. علاوه بر این، پودر غیر سمی برای خواص استحکام بخشی به موادی مانند گرافیت اضافه می شود. چوب های گلف با کیفیت بالا معمولاً با رنگدانه پوشانده می شوند.

آلیاژهای تیتانیوم حاوی فلزات دیگری مانند آلومینیوم و فولاد هستند. این آلیاژها بسیار مقاوم هستند و می توانند در برابر خوردگی، ترک خوردگی و دماهای شدید دوام بیاورند. استحکام بالای آن توضیح می‌دهد که چرا از این فلز برای ساخت هواپیما، فضاپیما، کشتی‌های دریایی و ارابه فرود استفاده می‌شود. علاوه بر این، این فلز قوی می تواند در برابر خوردگی ناشی از آب شور مقاومت کند. بنابراین کشتی ها، آکواریوم های آب شور، خطوط ماهیگیری و حتی برخی زیردریایی ها از آلیاژ تیتانیوم استفاده می کنند. آنها همچنین برای ساخت ایمپلنت های دندانی استفاده می شوند، زیرا در تماس با مایعات بدن تجزیه نمی شوند. علاوه بر این، آلیاژهای تیتانیوم در دستگاه‌های مصنوعی استفاده می‌شوند، زیرا نسبت به بافت و استخوان بدن واکنشی ندارند. در نهایت، تیتانیوم استئو رسانا است، به این معنی که باعث رشد استخوان می شود

روی خود ایمپلنت که امکان ادغام یکپارچه در ساختار اسکلتی را فراهم می کند.

تیتانیوم علاوه بر اینکه فلزی بسیار قوی است، می‌تواند در رنگ‌های مختلف آنودایز رنگی نیز داشته باشد. آندایزاسیون اکسیداسیون مستقیم سطح فلز است. این معمولا با استفاده از الکترولیز انجام می شود. آنودیزاسیون به فلز روکش انعطاف‌پذیرتری می‌دهد که سخت‌تر از فلز پایه زیرین است که این فرآیند را در صنعت هوافضا بسیار محبوب می‌کند. برخلاف آندایزاسیون آلومینیوم، آندایزاسیون تیتانیوم رنگی نیازی به استفاده از رنگ ندارد. رنگ های مختلفی را می توان با تغییر ولتاژ مورد استفاده برای فرآیند الکترولیز تولید کرد. هر ولتاژ منجر به تشکیل لایه اکسیدی با ضخامت متفاوتی می شود که رنگ متفاوتی تولید می کند.

تاریخچه تیتانیوم
تیتانیوم چگونه کشف شد و چه کسی آن را کشف کرد؟

تاریخچه تیتانیوم کاملا منحصر به فرد است. دو شیمیدان مختلف تیتانیوم را در دو زمان جداگانه کشف کردند – یک بار در سال 1791 و یک بار در سال 1795. شیمیدان بریتانیایی کشیش ویلیام گرگور ابتدا تیتانیوم عنصری را کشف کرد. سپس یک شیمیدان آلمانی به نام مارتین هاینریش کلاپروت دوباره این عنصر را کشف کرد. چه طور ممکنه؟ گرگور یک کانی شناس بود و در حال مطالعه شن سیاه در دره ماناکان بود. او نمونه‌ای از ماسه برداشت و توانست یک اکسید آهن و یک فلز ناشناخته را شناسایی کند که آن را «مناکانیت» نامید. این اکسید به عنوان ایلمنیت، یکی از سنگ معدن تیتانیوم شناسایی شد. اگرچه او یافته‌های خود را به انجمن زمین‌شناسی سلطنتی کورنوال گزارش کرد، مشارکت‌های او فراموش شد. چند سال بعد، کلاپروت در حین مطالعه Schörl، نوعی سنگ معدن قرمز و شکلی از روتیل (TiO2) تیتانیوم را دوباره کشف کرد. این دانشمند روتیل را “تیتانیوم” نامید.

واکنش های تیتانیوم

اسید هیدروکلریک با تیتانیوم واکنش نمی دهد مگر اینکه داغ باشد، در این مرحله به آرامی تیتانیوم را حل می کند و در نتیجه کلرید تیتانیوم بنفش تیره (III) ایجاد می شود. این برعکس بیسموت است، جایی که اسید هیدروکلریک هیچ تاثیری ندارد. با گذشت زمان این ترکیب به آرامی به تیتانیوم بی رنگ (IV) اکسید می شود. فلز تیتانیوم دارای یک لایه غیرفعال اکسید تیتانیوم در هر زمان است، مشابه آلومینیوم، به همین دلیل است که می تواند در برابر اسیدهای قوی مقاومت کند.

وقتی تیتانیوم با اسید نیتریک داغ واکنش می دهد، نامحلول می شود. هنگام حل کردن فلز، حلال انتخابی اسید هیدروفلوئوریک است زیرا هم می تواند فلز را حل کند و هم آن را در محلول نگه دارد.

تیتانیوم در مواجهه با دماهای مختلف رفتار متفاوتی دارد. در دمای اتاق، فلز شکننده است، در حالی که در دمای بالا، انعطاف پذیرتر و چکش خوارتر است. در دماهای بالا، تیتانیوم می تواند با اکسیژن واکنش داده و دی اکسید تیتانیوم ایجاد کند.

آزمایش با تیتانیوم

تیتانیوم به آرامی با اسید هیدروکلریک داغ واکنش می دهد تا TiCl3 بنفش زیبایی تولید کند. افزودن سدیم فلوراید یک فلورو کمپلکس سبز تیتانیوم (III) ایجاد می کند، افزودن یون تیوسیانات یک کمپلکس تیوسیانات با رنگ بنفش عمیق تر ایجاد می کند. افزودن هیدروکسید سدیم یک هیدروکسید تیتانیوم آبی رنگی زیبا (III) را رسوب می دهد. آخرین، اما نه کم اهمیت، افزودن 30 درصد پراکسید هیدروژن به TiCl3 آبی، یک ترکیب پراکسی تیتانیوم قرمز رنگ (IV)، Ti(O2)(OH)+ تولید می کند.

ترکیبات تیتانیوم
اکسیدها

ترکیبات اکسید تیتانیوم زمانی تشکیل می شوند که تیتانیوم با اکسیژن در دمای بالا واکنش می دهد. مهمترین اکسید دی اکسید تیتانیوم، TiO2 است، زیرا کم هزینه، غیر سمی و از نظر شیمیایی بی اثر است و کاربردهای آن را گسترده می کند. علاوه بر این، این تنها اکسید تیتانیوم طبیعی است. TiO2 به صورت پودر ریز و سفید رنگی است که رنگدانه سفید می سازد. آیا تا به حال فکر کرده اید که کرم قهوه چگونه اینقدر سفید است؟ حاوی رنگدانه TiO2 است. علاوه بر این، اشکال مختلف با خواص متفاوت را تشکیل می دهد. TiO2 به سه شکل وجود دارد: آناتاز، بروکیت و روتیل.

پلی‌مورف‌های آناتاز و بروکیت فراپایدار هستند، به این معنی که تنها تحت شرایط خاص پایدار هستند. در غیر این صورت، آنها ممکن است دچار دگرگونی خود به خود شوند. هنگامی که گرم می شوند، آناتاز و بروکیت به طور برگشت ناپذیری به فرم روتیل پایدارتر تبدیل می شوند. آناتاز یک ماده معدنی قهوه ای مایل به سیاه است که در صورت رنگ روشن شفاف و در صورت رنگی عمیق مات است. بروکیت یک کریستال قرمز تیره است که بسیار نادر است. متاسفانه بوی بد آن باعث متمایز شدن آن از بقیه شده است. سنگ معدن روتیل فراوان ترین شکل طبیعی TiO2 است. آنها در پوسته زمین گسترده هستند و حاوی 98٪ TiO2 هستند. جدا از تولید فلز تیتانیوم، نقش زیادی در تولید رنگدانه و سرامیک های نسوز دارند.

دی اکسید تیتانیوم بسیار خنثی است و در مقابل اکثر اسیدها حتی در صورت حرارت دادن مقاومت می کند، به جز اسید هیدروفلوئوریک.

هالیدها

ترکیبات هالید تیتانیوم محصول ترکیب تیتانیوم با هالوژن هستند. انواع مختلفی از ترکیبات هالید از جمله کلریدها، یدیدها و فلورایدها وجود دارد.

کلریدها

تتراکلرید تیتانیوم، TiCl4، زمانی تشکیل می شود که تیتانیوم با کلر خشک در دمای بالا واکنش می دهد. TiCl4 یک مایع بدبو، سنگین و بی رنگ با پیوندهای کووالانسی است. علاوه بر این، در طبیعت وجود ندارد و از پردازش o ناشی می شود

مواد معدنی حاوی تیتانیوم این ممکن است چیز خوبی باشد، زیرا سمی ترین ترکیب تیتانیوم است. TiCl4 یک ترکیب خورنده و ناپایدار است که در تماس با مواد دیگر واکنش‌های مختلفی را متحمل می‌شود. هنگامی که در معرض هوا قرار می گیرد، بخار می کند. در تماس با آب، اسید هیدروکلریک تشکیل می دهد. هنگامی که با الکل واکنش می دهد، یک آلکوکسید تشکیل می دهد. با وجود خطرات، TiCl4 یک ترکیب مهم است، زیرا محصول میانی در هنگام تولید تجاری تیتانیوم است. علاوه بر این، آلکوکسیدها برای زمینه صنعتی بسیار حیاتی هستند. هنگامی که آلکوکسیدها با آب واکنش می دهند، به دی اکسید تیتانیوم جامد تبدیل می شوند، که همانطور که گفته شد، دارای خواص حیاتی بسیاری است.

تری کلرید تیتانیوم، TiCl3، یک کلرید پایین تر و کمی ناپایدارتر است. اتم تیتانیوم TiCl3 از یک الکترون d تشکیل شده است و هنگامی که این الکترون برانگیخته می شود، رنگ بنفش قابل تشخیصی ایجاد می کند. اما قانون انتخاب لاپورت از مات بودن این رنگ زیبا جلوگیری می کند. قانون انتخاب لاپورت انتقال بین دو حالت با تقارن یکسان را ممنوع می کند. علاوه بر این، TiCl3 هم یک عامل کاهنده و هم یک کاتالیزور برای تولید پروپیلن است که پلی پروپیلن را می سازد. این ماده شیمیایی در بسیاری از اقلام خانگی مانند بطری های سس کچاپ، کیسه های چیپس سیب زمینی، نی و حتی الیاف فرش یافت می شود.

دی کلرید تیتانیوم، TiCl2، بسیار واکنش پذیر است و هنگامی که در معرض هوا قرار می گیرد، آتش می گیرد. مانند TiCl3 یک عامل کاهنده است و کلریدهای پایدار را تشکیل می دهد.

تیتانیوم در هر دو حالت اکسیداسیون +3 و +4 به راحتی کمپلکس های فلوراید را تشکیل می دهد.

یدیدها

تترایدید تیتانیوم، TiI4، همچنین یک تتراهالید مهم است زیرا قادر به تولید فلز تیتانیوم با خلوص بالا است. چگونه؟ معکوس کردن واکنش Ti + 2 I2 → TiI4 فلز خالص را جدا می کند. با این حال، این ترکیب نسبتا نادر است. علاوه بر این، نامحلول است و در آب هیدرولیز می شود.

فلوراید

یون های فلوراید در لایه اکسید محافظ تیتانیوم و آلیاژهای آن نقش دارند. اثر خورنده دارند. تیتانیوم در دماهای بالاتر با فلوئور واکنش داده و هالید تیتانیوم (IV) به نام تترا فلوراید تیتانیوم، TiF4 را تشکیل می‌دهد. این یک ترکیب نامحلول است که منبع تیتانیوم برای تولید فلز است. این یک ترکیب مورد مطالعه است که کاربرد بالقوه ای در زمینه دندانپزشکی برای درمان ضایعات پوسیدگی دارد. در حال حاضر، به دلیل فقدان مطالعات in vivo، یافته ها قطعی نیستند. این ترکیب دارای یک تعامل منحصر به فرد با بافت سخت دندان است. فلوراید ممکن است از پوسیدگی دندان جلوگیری کند، اما قرار گرفتن در معرض زیاد آن می‌تواند به دلیل اثرات خورنده‌ای که دارد، مشکلات سلامتی منفی ایجاد کند.

ترکیبات آلی فلزی

دی کلرید تیتانوسن، (C5H5)2TiCl2، یک متالوسن است. این یک معرف و کاتالیزور است که در بسیاری از واکنش های سنتز در شیمی آلی استفاده می شود. رنگ آن قرمز روشن است و از تولوئن بلورهای سوزنی شکل می دهد. علاوه بر این، (C5H5)2TiCl2 یک پیش ماده برای سنتز مشتقات تیتانیوم (II) است. این ترکیب مهم است زیرا منبع تیتانیوم برای تولید نانوساختارهای دی اکسید تیتانیوم را فراهم می کند. در آینده، (C5H5)2TiCl2، ممکن است نقش حیاتی در زمینه پزشکی ایفا کند، زیرا در حال حاضر برای استفاده از آن به عنوان یک داروی ضد سرطان در حال مطالعه است.

سولفیدها

در حالی که انحرافات مختلفی از سولفیدهای تیتانیوم وجود دارد، دی سولفید تیتانیوم، TiS2 مهمترین آنهاست. این پودر بدبو و خاکستری زرد ناپایدار است و در آب هیدرولیز می شود و سولفید هیدروژن آزاد می کند که گازی سمی و قابل اشتعال است. علاوه بر این، این یک کاتد یا الکترود با بار منفی برای باتری‌های لیتیومی قابل شارژ است.

نیتریدها

نیترید تیتانیوم، قلع یک فلز انتقالی نسوز است. میکروسختی بالایی از خود نشان می دهد، از نظر ترمودینامیکی پایدار است، خواص رسانایی دارد، اصطکاک را کاهش می دهد و نقطه ذوب بالایی دارد. بسیار مفید است و به عنوان یک پیش ماده برای تولید پوشش مقاوم در برابر خوردگی عمل می کند. بسیاری از ابزارهای برش، از جمله تجهیزات جراحی، با قلع پوشانده شده اند تا دوام و وضوح آنها افزایش یابد. TiN همچنین ظاهری زیبا و طلایی تیره به جا می گذارد.

جداسازی عنصر تیتانیوم

تیتانیوم فلزی برای استخراج آسان نیست. برای کمک به کاهش این مشکل، ویلیام جی کرول فرآیند کرول را در دهه 1930 معرفی کرد. این فرآیند برای استخراج تیتانیوم خالص از سنگ معدن آن، مانند روتیل، در مقیاس صنعتی کار می کند. همانطور که بحث شد، روتیل چند شکلی از دی اکسید تیتانیوم، TiO2 است. روتیل ابتدا با گرم شدن با کلر در دمای بسیار خطرناک حدود 1000 درجه سانتیگراد (1832 درجه فارنهایت) به تتراکلرید تیتانیوم، TiCl4 تبدیل می شود. هنگامی که بخار TiCl4 به دست آمد، در یک ظرف حاوی منیزیم یا سدیم قرار می گیرد و در دمای حدود 1000 درجه سانتیگراد فرآیند کاهش را طی می کند. این واکنش کاهش بسیار کند است و حدود دو روز طول می کشد. هنگامی که عنصر تیتانیوم خالص جدا شد، باید خنک شود، که ممکن است چند روز دیگر طول بکشد. در نهایت، این مخلوط خرد شده و با اسید کلریدریک ترکیب می‌شود تا عوامل کاهنده باقی‌مانده حذف شوند و تیتانیوم بیشتر خالص می‌شود. توجه به این نکته ضروری است که این فرآیند باید در فضای آرگون انجام شود

قطره هوا برای جلوگیری از هرگونه واکنش ناخواسته که منجر به شکننده شدن فلز می شود.

حالت های اکسیداسیون تیتانیوم

تیتانیوم عمدتاً در حالت اکسیداسیون +4 یافت می شود، اما می تواند حالت های اکسیداسیون +3 و +2 را نیز نشان دهد. در حالی که محل اکسیداسیون +3 نیز رایج است، به اندازه حالت +4 مهم نیست. هنگامی که یک ترکیب تیتانیوم در حالت اکسیداسیون +4 باشد، پایدارترین است و هیچ واکنش اکسیداسیون دیگری نمی تواند انجام شود. در نظر گرفته می شود که حالت اکسیداسیون بالایی دارد و بنابراین، ترکیبات تیتانیوم معمولاً پیوندهای کووالانسی تشکیل می دهند. نمونه هایی از ترکیبات در حالت اکسیداسیون +3 و +2 به ترتیب شامل تری اکسید دی تیتانیوم، Ti2O3 و مونوکسید تیتانیوم، TiO است.

خواص فیزیکی تیتانیوم

نقطه ذوب: 1943 K; 1670 درجه سانتی گراد; 3038 درجه فارنهایت

نقطه جوش: 3560 K; 3287 درجه سانتی گراد; 5949 درجه فارنهایت

چگالی: 4.506 گرم بر سانتی‌متر مربع

وزن اتمی: 47.867

عدد اتمی: 22

الکترونگاتیوی: 1.54

طبقه بندی: فلز واسطه

فراوانی طبیعی در پوسته زمین: 0.44%

پیکربندی پوسته الکترونی: [Ar] 3d2 4s2

ایزوتوپ ها: Ti-46، Ti-47، Ti-48، Ti-49، Ti-50

به طور طبیعی در مواد معدنی یافت می شود: روتیل، ایلمنیت، (به ندرت) آناتاز

سمیت: سمیت کم

از کجا می توانم “تیتانیوم” بخرم؟

iTunes! شوخی کردم. تیتانیوم یک فلز نسبتاً گران است. از سال 2003 تا 2014، قیمت هر پوند این فلز از 15 دلار به 30 دلار افزایش یافت. در سال 2018، یک تن متریک از این فلز، 4800 دلار قیمت داشت. بسیاری معمولاً روی فلز ارزشمند سرمایه گذاری می کنند. برای خرید و تجارت سهام در شرکت هایی که یا تیتانیوم استخراج می کنند یا از آن برای تولید محصولات خود استفاده می کنند استفاده می شود. با این حال، تیتانیوم را می توان به راحتی از آمازون و وب سایت ها و فروشگاه های تخصصی خریداری کرد.