Titaani füüsikalised ja keemilised omadused

Titaan on hõbevalge siirdemetall, mille tihedus on vaid 4,54 g/cm³, mis on rauast umbes 40% kergem, kuid selle tugevus on võrreldav terase omaga. See kerge ja ülitugev omadus muudab titaani laialdaseks kasutuseks kõigil elualadel. Niisiis, millised on titaani füüsikalised ja keemilised omadused?

1. Titaani aatomstruktuur
Kõigepealt vaatame titaani aatomistruktuuri. Titaan asub perioodilisustabeli IVB rühmas, aatomnumbriga 22. Tuum koosneb 22 prootonist ja 20-32 neutronist ning tuumaväline elektronide struktuur on paigutatud kujul 1S22S22P63S23D24S2. Tuuma raadius on 5x{11}} cm. Need ainulaadsed aatomistruktuurid annavad titaanile ainulaadsed füüsikalised ja keemilised omadused.

2. Titaani füüsikalised omadused
Titaani tihedus on 4.506-4.516 g/cm3 (20 kraadi), sulamistemperatuur on 1668±4 kraadi, varjatud sulamissoojus on 3.7-5. 0 kcal/g aatomi kohta, keemistemperatuur on 3260±20 kraadi, latentne aurustumissoojus on 102.5-112.5 kcal/g aatomi kohta, kriitiline temperatuur on 4350 kraadi ja kriitiline rõhk on 1130 atmosfääri. Titaani soojusjuhtivus ja elektrijuhtivus on kehvad, sarnased või veidi madalamad kui roostevaba teras. Titaanil on ülijuhtivus ja puhta titaani ülijuhtivuse kriitiline temperatuur on 0.38-0.4K. 25 kraadi juures on titaani soojusmahtuvus 0,126 cal/g aatom° kraadi, termiline entalpia on 1149 cal/g aatomi kohta ja entroopia 7,33 cal/g aatom° kraadi. Metalliline titaan on paramagnetiline aine, mille magnetiline läbilaskvus on 1,00004.
Titaanil on plastilisus. Kõrge puhtusastmega titaani pikenemine võib ulatuda 50-60%-ni ja ristlõike kokkutõmbumine võib ulatuda 70-80%-ni, kuid selle tugevus on madal ja see ei sobi konstruktsioonimaterjalidele. Lisandite olemasolu titaanis mõjutab oluliselt selle mehaanilisi omadusi, eriti interstitsiaalsed lisandid (hapnik, lämmastik, süsinik) võivad oluliselt suurendada titaani tugevust ja oluliselt vähendada selle plastilisust. Titaani kui konstruktsioonimaterjali head mehaanilised omadused saavutatakse sobiva lisandite sisalduse range kontrolliga ja legeerivate elementide lisamisega.

3. Titaani keemilised omadused
Titaan võib kõrgematel temperatuuridel reageerida paljude elementide ja ühenditega. Erinevad elemendid võib jagada nelja kategooriasse vastavalt nende erinevatele reaktsioonidele titaaniga:
1. kategooria: halogeenid ja hapnikurühma elemendid moodustavad titaaniga kovalentseid ja ioonseid ühendeid;
2. kategooria: üleminekuelemendid, vesinik, berüllium, boorrühm, süsinikurühm ja lämmastikurühma elemendid moodustavad intermetallilisi ühendeid ja piiratud tahkeid lahuseid titaaniga;
3. kategooria: tsirkoonium, hafnium, vanaadiumirühm, kroomirühm, skandiumi elemendid moodustavad titaaniga piiramatul hulgal tahkeid lahuseid;
4. kategooria: inertgaasid, leelismetallid, leelismuldmetallid, haruldased muldmetallid (v.a skandium), aktiinium, toorium jne ei reageeri titaaniga või põhimõtteliselt ei reageeri.

4. Reaktsioon ühenditega:
HF ja fluoriid
Gaasiline vesinikfluoriid reageerib titaaniga, moodustades kuumutamisel TiF4 ja reaktsiooni valem on (1); mittevesipõhine vesinikfluoriidi vedelik võib moodustada titaani pinnale tiheda titaantetrafluoriidi kile, mis võib takistada HF tungimist titaani sisemusse. Vesinikfluoriidhape on titaani tugevaim voog. Isegi vesinikfluoriidhape kontsentratsiooniga 1% võib titaaniga ägedalt reageerida; veevabad fluoriidid ja nende vesilahused ei reageeri titaaniga madalal temperatuuril ning ainult sula fluoriidid reageerivad titaaniga oluliselt kõrgel temperatuuril.
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.{5}} kcal (1) 2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2

HCl ja kloriidid
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 kraadi, et moodustada TiCl4, vt valemit (3); vesinikkloriidhape kontsentratsiooniga<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＋94,75 kcal (3)2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2 (4)

Väävelhape ja vesiniksulfiid
Pärast seda, kui titaan reageerib lahjendatud väävelhappega<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%-l on oluline reaktsioon titaaniga. Toatemperatuuril on umbes 40% väävelhappel titaanil kõige kiirem korrosioonikiirus. Kui kontsentratsioon on suurem kui 40% ja jõuab 60%, korrosioonikiirus aeglustub ja saavutab kõige kiiremini 80%. Kuumutatud lahjendatud hape või 50% kontsentreeritud väävelhape võib reageerida titaaniga, moodustades titaansulfaadi, vt valemit (5), (6). Kuumutatud kontsentreeritud väävelhapet saab redutseerida titaaniga, moodustades SO2, vt valemit (7). Toatemperatuuril reageerib titaan vesiniksulfiidiga, moodustades selle pinnale kaitsekile, mis võib takistada edasist reaktsiooni vesiniksulfiidi ja titaani vahel. Kuid kõrgel temperatuuril reageerib vesiniksulfiid titaaniga ja sadestab vesinikku, nagu on näidatud valemis (8). Titaanipulber hakkab 600 kraadi juures reageerima vesiniksulfiidiga, moodustades titaansulfiidi. 900 kraadi juures on reaktsioonisaadus peamiselt TiS ja 1200 kraadi juures on see 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)

Lämmastikhape ja aqua regia
Tihedal ja siledal titaanil on lämmastikhappe suhtes hea stabiilsus, kuna lämmastikhape võib kiiresti moodustada titaani pinnale tugeva oksiidkile, kuid kare pind, eriti käsn-titaan või pulbertitaan, võib reageerida madala ja kuuma lahjendatud lämmastikhappega, vt valemit. (9), (10) ja kontsentreeritud lämmastikhape üle 70 kraadi võivad samuti reageerida titaaniga, vt valemit (11); toatemperatuuril ei reageeri titaan aqua regiaga. Kõrgel temperatuuril võib titaan reageerida Aqua Regiaga, moodustades TiCl2.
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO (10)
Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)

Kokkuvõttes on titaani omadused tihedalt seotud temperatuuri, selle olemasoleva vormi ja puhtusega. Tihe metalltitaan on oma olemuselt üsna stabiilne, kuid pulbriline titaan võib õhus põhjustada isesüttimist. Lisandite olemasolu titaanis mõjutab oluliselt titaani füüsikalist, keemilist, mehaanilist ja korrosioonikindlust. Eelkõige võivad mõned interstitsiaalsed lisandid moonutada titaani võre ja mõjutada titaani erinevaid omadusi. Toatemperatuuril on titaani keemiline aktiivsus väga väike ja võib reageerida mõne ainega, näiteks vesinikfluoriidhappega, kuid titaani aktiivsus tõuseb kiiresti temperatuuri tõustes, eriti kõrgel temperatuuril võib titaan reageerida ägedalt paljude ainetega. Titaani sulatusprotsess viiakse tavaliselt läbi kõrgel temperatuuril, mis on üle 800 kraadi, seega tuleb seda kasutada vaakumis või inertse atmosfääri all.