titanyum - Titanium

Titanyum,  ₂₂ Ti

Titanyum
Telaffuz
Dış görünüş	gümüşi gri-beyaz metalik
Standart atom ağırlığı A r, std (Ti)	47.867(1)
Periyodik tablodaki titanyum
Hidrojen Helyum Lityum Berilyum Bor Karbon Azot Oksijen flor Neon Sodyum Magnezyum Alüminyum Silikon Fosfor Kükürt Klor Argon Potasyum Kalsiyum skandiyum Titanyum Vanadyum Krom Manganez Demir Kobalt Nikel Bakır Çinko galyum Germanyum Arsenik Selenyum Brom Kripton Rubidyum Stronsiyum İtriyum Zirkonyum niyobyum Molibden Teknesyum Rutenyum Rodyum paladyum Gümüş Kadmiyum İndiyum Teneke Antimon Tellür İyot ksenon sezyum Baryum lantan seryum Praseodimyum neodimyum prometyum Samaryum evropiyum Gadolinyum Terbiyum Disporsiyum Holmiyum erbiyum Tülyum İterbiyum lütesyum Hafniyum Tantal Tungsten Renyum Osmiyum İridyum Platin Altın Merkür (element) Talyum Öncülük etmek Bizmut Polonyum astatin radon Fransiyum Radyum Aktinyum toryum protaktinyum Uranyum Neptünyum plütonyum Amerika küriyum Berkelyum kaliforniyum Einsteinyum fermiyum Mendelevyum Nobelyum lavrensiyum Rutherfordyum dubniyum Seaborgiyum Bohriyum hassiyum meitneryum Darmstadtium röntgen Kopernik nihonyum flerovyum Moskova karaciğer Tennessine Oganesson – ↑ Ti ↓ Zr skandiyum ← titanyum → vanadyum
Atom numarası ( Z )	22
Grup	4. grup
Dönem	4. dönem
Engellemek	d-blok
Elektron konfigürasyonu	[ Ar ] 3d 2 4s 2
Kabuk başına elektron	2, 8, 10, 2
Fiziki ozellikleri
Faz de  STP	sağlam
Erime noktası	1941  K ​(1668 °C, ​3034 °F)
Kaynama noktası	3560 K ​(3287 °C, ​5949 °F)
Yoğunluk ( rt yakın  )	4.506 g / cc 3.
sıvı olduğunda (  mp'de )	4.11 g / cc 3.
Füzyon ısısı	14.15  kJ/mol
Buharlaşma ısısı	425 kJ/mol
Molar ısı kapasitesi	25.060 J/(mol·K)
Buhar basıncı P  (Pa) 1 10 100 1 bin 10 bin 100 bin de  T  (K) 1982 2171 (2403) 2692 3064 3558
atomik özellikler
oksidasyon durumları	-2, -1, 0, +1, +2 , +3 , +4 (  amfoterik oksit)
elektronegatiflik	Pauling ölçeği: 1.54
iyonlaşma enerjileri
atom yarıçapı	ampirik: 147  pm
kovalent yarıçap	160±8 pm
Titanyumun spektral çizgileri
Diğer özellikler
Doğal oluşum	ilkel
Kristal yapı	hegzagonal sıkı paket (hcp)
Ses hızı ince çubuk	5090 m/s (oda  sıcaklığında )
Termal Genleşme	8,6 µm/(m⋅K) (25 °C'de)
Termal iletkenlik	21,9 W/(m⋅K)
elektrik direnci	420 nΩ⋅m (20 °C'de)
Manyetik sıralama	paramanyetik
Molar manyetik duyarlılık	153,0 x 10 -6  cm 3 / mol (293 K)
Gencin modülü	116 GPa
Kayma modülü	44 not ortalaması
toplu modül	110 GPa
Poisson oranı	0.32
Mohs sertliği	6.0
Vickers sertliği	830–3420 MPa
Brinell sertliği	716–2770 MPa
CAS numarası	7440-32-6
Tarih
keşif	William Gregor (1791)
İlk izolasyon	Jöns Jakob Berzelius (1825)
Adlandıran	Martin Heinrich Klaproth (1795)
Titanyumun ana izotopları
İzotop Bolluk Yarı ömür ( t 1/2 ) çürüme modu Ürün 44 Ti eş 63 yıl ε 44 x y - 46 Ti %8.25 kararlı 47 Ti %7.44 kararlı 48 Ti %73,72 kararlı 49 Ti %5,41 kararlı 50 Ti %5,18 kararlı
Kategori: Titanyum görüş konuşmak Düzenle | Referanslar

Titanyum a, kimyasal element ile sembolü Ti ve atom numarası atom ağırlığı 47,867 ile ölçülür 22. dalton . Bu parlak olan bir geçiş metali , bir gümüş rengi, düşük yoğunluk ve yüksek mukavemetli, dirençli olan korozyon olarak deniz suyu , kral suyu ve klor .

Titanyum, 1791'de William Gregor tarafından Cornwall , İngiltere'de keşfedildi ve Yunan mitolojisindeki Titanlardan sonra Martin Heinrich Klaproth tarafından adlandırıldı . Element, yerkabuğunda ve litosferde geniş çapta dağılmış olan , başlıca rutil ve ilmenit olmak üzere bir dizi maden yatağı içinde meydana gelir ; hemen hemen tüm canlıların yanı sıra su, kaya ve toprak kütlelerinde bulunur. Metal, ana mineral cevherlerinden Kroll ve Hunter işlemleriyle çıkarılır . En yaygın bileşik olan titanyum dioksit popüler bir fotokatalizördür ve beyaz pigmentlerin üretiminde kullanılır. Diğer bileşikleri aşağıdakileri içerir , titanyum tetraklorür (TiCU ₄ ), bir bileşen duman ekranlar ve katalizörler ; ve polipropilen üretiminde katalizör olarak kullanılan titanyum triklorür (TiCl ₃ ) .

Titanyum edilebilir alaşımlı ile demir , alüminyum , vanadyum , ve molibden güçlü ve hafif havacılık için alaşım (üretilmesi için, diğer unsurların yanı sıra, jet motor , füze ve uzay aracı ), askeri, endüstriyel prosesler (kimyasal ve petrokimya, tuz giderme tesisi , kağıt hamuru ve kağıt), otomotiv, tarım (tarım), tıbbi protezler , ortopedik implantlar , diş ve endodontik alet ve dosyalar, diş implantları , spor malzemeleri, mücevher, cep telefonları ve diğer uygulamalar.

Metalin en kullanışlı iki özelliği, herhangi bir metalik elementin en yükseği olan korozyon direnci ve mukavemet-yoğunluk oranıdır. Alaşımsız durumunda titanyum, bazı çelikler kadar güçlüdür , ancak daha az yoğundur. Bu elementin iki allotropik formu ve doğal olarak oluşan beş izotopu vardır , ⁴⁶ Ti ila ⁵⁰ Ti, en bol bulunanı ⁴⁸ Ti (%73.8). Titanyum ve zirkonyum aynı sayıda değerlik elektronuna sahip olmalarına ve periyodik tabloda aynı grupta olmalarına rağmen birçok kimyasal ve fiziksel özellik bakımından farklılık gösterirler.

özellikleri

Fiziki ozellikleri

Bir metal olarak titanyum, yüksek mukavemet-ağırlık oranı ile tanınır . Oldukça sünek (özellikle oksijensiz bir ortamda), parlak ve metalik-beyaz renkli , düşük yoğunluklu güçlü bir metaldir . Nispeten yüksek erime noktası (1.650 °C veya 3.000 °F'den fazla), onu refrakter bir metal olarak faydalı kılar . Bu bir paramanyetik ve oldukça düşük olan elektriksel ve termal iletkenliğe diğer metaller ile karşılaştırıldığında. Titanyum, kritik sıcaklığı olan 0.49 K'nin altına soğutulduğunda süper iletkendir .

Ticari olarak saf (%99.2 saf) titanyum dereceleri , yaygın düşük dereceli çelik alaşımlarınkine eşit , yaklaşık 434 MPa (63,000 psi ) nihai gerilme mukavemetine sahiptir , ancak daha az yoğundur. Titanyum, alüminyumdan %60 daha yoğundur, ancak en yaygın olarak kullanılan 6061-T6 alüminyum alaşımından iki kat daha güçlüdür . Belirli titanyum alaşımları (örneğin Beta C ), 1.400 MPa'nın (200.000 psi) üzerinde gerilme mukavemeti elde eder. Ancak titanyum 430 °C'nin (806 °F) üzerinde ısıtıldığında gücünü kaybeder.

Titanyum, bazı ısıl işlem görmüş çelik kaliteleri kadar sert değildir; manyetik değildir ve zayıf bir ısı ve elektrik iletkenidir. İşleme, önlem gerektirir, çünkü keskin aletler ve uygun soğutma yöntemleri kullanılmadıkça malzeme çürüyebilir . Çelik yapılar gibi, titanyumdan yapılanlar da bazı uygulamalarda uzun ömürlülüğü garanti eden bir yorulma sınırına sahiptir.

Metal, 882 °C'de (1,620 °F) vücut merkezli kübik (kafes) β formuna dönüşen altıgen α formunun dimorfik bir allotropudur . Belirli bir ısı daha sonra bu geçiş sıcaklığına ısıtılmış ancak dramatik bir şekilde α şekilde artar düşer ve ne olursa olsun sıcaklığın β formu için oldukça sabit kalmaktadır.

Kimyasal özellikler

Gibi alüminyum ve magnezyum , titanyum metal yüzey ve alaşımları okside ince gözeneksiz oluşturmak için havaya maruz kalma üzerine hemen pasivasyon ayrıca oksidasyon ve korozyon dökme metal koruyan katman. İlk oluştuğunda, bu koruyucu tabaka sadece 1-2 nm kalınlığındadır, ancak yavaş yavaş büyümeye devam eder ve dört yılda 25 nm kalınlığa ulaşır. Bu katman titanyuma, neredeyse platine eşdeğer, korozyona karşı mükemmel direnç sağlar .

Titanyum, seyreltik sülfürik ve hidroklorik asitler , klorür çözeltileri ve çoğu organik asit tarafından saldırıya dayanabilir . Bununla birlikte, titanyum konsantre asitler tarafından aşındırılır. Negatif redoks potansiyeli ile gösterildiği gibi, titanyum termodinamik olarak normal atmosferde erime noktasından daha düşük sıcaklıklarda yanan çok reaktif bir metaldir. Erime sadece inert bir atmosferde veya bir vakumda mümkündür. 550 °C'de (1.022 °F) klor ile birleşir. Ayrıca diğer halojenlerle reaksiyona girer ve hidrojeni emer.

Titanyum, havada 1.200 °C'de (2.190 °F) ve saf oksijende 610 °C'de (1.130 °F) oksijenle kolayca reaksiyona girerek titanyum dioksit oluşturur . Titanyum, saf nitrojen gazında yanan, 800 °C'de (1,470 °F) reaksiyona girerek titanyum nitrür oluşturan ve gevrekleşmeye neden olan birkaç elementten biridir . Oksijen, nitrojen ve diğer birçok gazla yüksek reaktivitesi nedeniyle, filamentlerden buharlaştırılan titanyum, titanyum süblimasyon pompalarının temelidir ve titanyum , bu gazlara kimyasal olarak bağlanarak bir temizleyici görevi görür. Bu tür pompalar, ultra yüksek vakum sistemlerinde son derece düşük basınçları ucuza üretir .

oluşum

Titanyum dokuzuncu en çok bol elemanı toprak kabuğunda ile (% 0.63 kütlesi ) ve yedinci en bol metali. Çoğu magmatik kayaçta , onlardan türetilen tortularda , canlılarda ve doğal su kütlelerinde oksitler olarak bulunur . Amerika Birleşik Devletleri Jeolojik Araştırmalar tarafından analiz edilen 801 tip magmatik kayadan 784'ü titanyum içeriyordu. Topraktaki oranı yaklaşık %0.5 ila 1.5'dir.

Ortak titanyum içeren mineral olan anataz , brokit , ilmenit , perovskit , rutil ve titanit (titanit). Akaogiit , titanyum dioksitten oluşan son derece nadir bir mineraldir. Bu minerallerden sadece rutil ve ilmenit ekonomik öneme sahip olmakla birlikte yüksek konsantrasyonlarda dahi bulunmaları zordur. 2011 yılında bu minerallerin yaklaşık 6,0 ve 0,7 milyon tonu çıkarıldı. Batı Avustralya , Kanada , Çin , Hindistan , Mozambik , Yeni Zelanda , Norveç , Sierra Leone , Güney Afrika ve Ukrayna'da önemli titanyum içeren ilmenit yatakları bulunmaktadır . 2011 yılında, çoğunlukla Çin (60.000 t), Japonya (56.000 t), Rusya (40.000 t), Amerika Birleşik Devletleri (32.000 t) ve Kazakistan'da (20.700 t) olmak üzere yaklaşık 186.000 ton titanyum metal sünger üretildi. Toplam titanyum rezervlerinin 600 milyon tonu aştığı tahmin edilmektedir.

2011 rutil ve ilmenit üretimi

Ülke	bin ton	% Toplam
Avustralya	1.300	19.4
Güney Afrika	1160	17.3
Kanada	700	10.4
Hindistan	574	8.6
Mozambik	516	7.7
Çin	500	7.5
Vietnam	490	7.3
Ukrayna	357	5.3
Dünya	6.700	100

Titanyum konsantrasyonu okyanusta yaklaşık 4 pikomolardır. 100 °C'de sudaki titanyum konsantrasyonunun pH 7'de 10 ^-7 M'den az olduğu tahmin edilmektedir. 4+ oksidasyon durumu havada stabildir. Nadir organizmaların yüksek konsantrasyonlarda titanyum biriktirdiği bilinmesine rağmen, biyolojik bir rol için hiçbir kanıt yoktur.

Titanyum göktaşlarında bulunur ve Güneş'te ve yüzey sıcaklığı 3200 °C (5.790 °F) olan M-tipi yıldızlarda (en soğuk tip) tespit edilmiştir. Rocks gelen geri getirdi Ay boyunca Apollo 17 misyonu 12.1% TiO oluşmaktadır ₂ . Doğal titanyum (saf metalik) çok nadirdir.

izotoplar

Doğal olarak oluşan titanyum beş kararlı izotoptan oluşur : ⁴⁶ Ti, ⁴⁷ Ti, ⁴⁸ Ti, ⁴⁹ Ti ve ⁵⁰ Ti, ⁴⁸ Ti en bol olanıdır (%73.8 doğal bolluk ). En kararlısı 63 yıllık yarılanma ömrüne sahip ⁴⁴ Ti olan en az 21 radyoizotop karakterize edilmiştir ; ⁴⁵ Ti, 184,8 dakika; ⁵¹ Ti, 5.76 dakika; ve ⁵² Ti, 1.7 dakika. Diğer tüm radyoaktif izotopların yarılanma ömrü 33 saniyeden az, çoğunluğu ise yarım saniyeden az.

Titanyumun izotoplarının atom ağırlığı 39.002 u ( ³⁹ Ti) ile 63.999 u ( ⁶⁴ Ti) arasında değişir . Birincil bozunma modu daha hafif izotopları için ⁴⁶ Ti olan pozitron emisyon (haricinde ⁴⁴ Ti maruz elektron yakalama yol açan) skandiyum izotopları ve daha ağır izotoplar için birincil modu ⁵⁰ Ti olan beta emisyonu yol izotopları vanadyum .

Titanyum , esas olarak pozitronlar ve sert gama ışınları yayan döteronlarla bombardıman üzerine radyoaktif hale gelir .

Bileşikler

+4 oksidasyon durumu titanyum kimyasına hakimdir, ancak +3 oksidasyon durumundaki bileşikler de yaygındır. Genellikle titanyum , komplekslerinde oktahedral koordinasyon geometrisini benimser , ancak tetrahedral TiCl ₄ dikkate değer bir istisnadır. Yüksek oksidasyon durumu nedeniyle titanyum(IV) bileşikleri yüksek derecede kovalent bağ sergiler .

Oksitler, sülfürler ve alkoksitler

En önemli oksit TiO olan ₂ üç önemli bulunmaktadır, polimorflar ; anataz , brookite ve rutil . Bunların hepsi beyaz diyamanyetik katılardır, ancak mineral örnekleri koyu görünebilir (bkz. rutil ). Ti'nin diğer Ti merkezlerine bağlanan altı oksit ligand ile çevrelendiği polimerik yapıları benimserler .

Terimi, titanatlar genellikle ile temsil edildiği gibi, titanyum (IV) bileşikleri belirtmektedir baryum titanat (BaTiO ₃ ). Bir ile perovskit yapı, bu malzeme sergileyen piezoelektrik özellikleri ve iç dönüşümü bir transdüktör olarak kullanılan ses ve elektrik . Birçok mineral titanattır , örneğin ilmenit (FeTiO ₃ ). Yıldız safirleri ve yakutlar , asterizmlerini (yıldız oluşturan parlaklık) titanyum dioksit safsızlıklarının varlığından alırlar.

Düşük oksitlerin (çeşitli oksidili titanyum), bilinen temel olarak azaltılır stoichiometries arasında titanyum dioksit ile elde edilen atmosferik plazma püskürtme . Ti ₃ O ₅ bir Ti (IV) '-Ti (III)' tür olarak tarif, TiO indirgenmesi ile üretilen bir mor yarı iletkendir ₂ , yüksek sıcaklıklarda, hidrojen ile, ve yüzeyleri buhar kaplı titanyum dioksit olması gerektiğinde endüstriyel kullanılır : saf TiO olarak buharlaşırken TiO ₂ , oksitlerin bir karışımı olarak buharlaşır ve değişken kırılma indisine sahip kaplamaları biriktirir. Ayrıca bilinen Ti ₂ O ₃ ile, korundum yapısı ve TiO , ancak genellikle stoikiometrik, kaya tuzu yapı ile.

Alkoksitler TiCb reaksiyona sokulması suretiyle hazırlanabilir titanyum (IV) 'ün, ₄ alkoller ile, renksiz bileşiklerdir su ile reaksiyon dioksite dönüştürmek olduğu. Sol-jel işlemi yoluyla katı TiO ₂ biriktirmek için endüstriyel olarak kullanışlıdırlar . Titanyum izopropoksit Sharpless epoksidasyon yoluyla kiral organik bileşiklerin sentezinde kullanılır .

Titanyum çeşitli sülfürler oluşturur, ancak yalnızca TiS ₂ önemli ilgi görmüştür . Katmanlı bir yapı benimser ve lityum pillerin geliştirilmesinde katot olarak kullanılmıştır . Ti(IV) bir "sert katyon" olduğundan , titanyumun sülfürleri kararsızdır ve hidrojen sülfür salınımı ile okside hidrolize olma eğilimindedir.

Nitrürler ve karbürler

Titanyum nitrür (TiN), refrakter geçiş metali nitrür ailesinin bir üyesidir ve termodinamik stabilite, aşırı sertlik, termal/elektriksel iletkenlik ve yüksek bir erime noktası dahil olmak üzere her iki kovalent bileşiğe benzer özellikler sergiler. TiN, safir ve karborundum'a ( Mohs Ölçeğinde 9.0) eşdeğer bir sertliğe sahiptir ve genellikle matkap uçları gibi kesici aletleri kaplamak için kullanılır . Ayrıca yarı iletken imalatında altın renkli dekoratif kaplama ve bariyer metali olarak kullanılır . Aynı zamanda çok sert olan titanyum karbür kesici takımlarda ve kaplamalarda bulunur.

Halideler

Titanyum tetraklorür (titanyum(IV) klorür, TiCl ₄ ) renksiz uçucu bir sıvıdır (ticari numuneler sarımsıdır), havada muhteşem beyaz bulut emisyonu ile hidrolize olur. Via Kroll işlemi , TiCU ₄ titanyum metal titanyum cevherleri dönüştürülmesinde kullanılır. Titanyum tetraklorür, örneğin beyaz boyada kullanım için titanyum dioksit yapmak için de kullanılır. Organik kimyada bir Lewis asidi olarak , örneğin Mukaiyama aldol yoğunlaşmasında yaygın olarak kullanılır . Olarak van Arkel'in-de Boer işlemi , titanyum tetraiyodid (TII ₄ ) yüksek saflıkta titanyum metal üretiminde oluşturulur.

Titanyum(III) ve titanyum(II) da kararlı klorürler oluşturur. Dikkate değer bir örnek titanyum (III) klorid (TiCU ₃ bir şekilde kullanılır), katalizör üretimi için poliolefinler (bakınız Ziegler-Natta katalizörü ve bir indirgeme) ajanı , organik kimyada.

Organometalik kompleksler

Titanyum bileşiklerinin polimerizasyon katalizörü olarak önemli rolü nedeniyle , Ti-C bağları olan bileşikler yoğun bir şekilde incelenmiştir. En yaygın organotitanyum kompleksi titanosen diklorürdür ((C ₅ H ₅ ) ₂ TiCl ₂ ). İlgili bileşikler Tebbe reaktifi ve Petasis reaktifini içerir . Titanyum formları karbonil kompleksleri , mesela (Cı- ₅ , H ₅ ) ₂ , Ti (CO) ₂ .

Antikanser tedavisi çalışmaları

Platin bazlı kemoterapinin başarısını takiben , titanyum(IV) kompleksleri, kanser tedavisi için test edilecek ilk platin olmayan bileşikler arasındaydı. Titanyum bileşiklerinin avantajı, in vivo olarak yüksek etkinlikleri ve düşük toksisitelerinde yatmaktadır . Biyolojik ortamlarda hidroliz, güvenli ve inert titanyum dioksite yol açar. Bu avantajlara rağmen, ilk aday bileşikler, toksisite oranlarına ve formülasyon komplikasyonlarına karşı yetersiz etkinlik nedeniyle klinik deneylerde başarısız oldu. Daha fazla gelişme, potansiyel olarak etkili, seçici ve stabil titanyum bazlı ilaçların yaratılmasıyla sonuçlandı.

Tarih

Titanyum edildi keşfedilen tarafından 1791 yılında din adamı ve amatör jeolog William Gregor bir şekilde dahil edilmesi a mineral içinde Cornwall , İngiltere. Gregor , bir dere kenarında siyah kum bulduğunda ve kumun bir mıknatıs tarafından çekildiğini fark ettiğinde , ilmenitte yeni bir elementin varlığını fark etti . Kumu analiz ederek, iki metal oksitin varlığını belirledi: demir oksit (mıknatısın çekiciliğini açıklar) ve tanımlayamadığı beyaz metalik oksitin %45.25'i. Tanımlanamayan oksidin bilinen hiçbir elementle eşleşmeyen bir metal içerdiğini fark eden Gregor, bulgularını Royal Geological Society of Cornwall'a ve Alman bilim dergisi Crell's Annalen'e bildirdi .

Aynı zamanlarda, Franz-Joseph Müller von Reichenstein benzer bir madde üretti, ancak onu tanımlayamadı. Oksit bağımsız olarak 1795 yılında Prusyalı kimyager Martin Heinrich Klaproth tarafından Macaristan'da bir köy olan Boinik'te (şimdi Slovakya'da Bojničky) Boinik'ten (Almanca adı Bajmócska) rutil olarak yeniden keşfedildi . Klaproth yeni bir element içerdiğini buldu ve onu Yunan mitolojisindeki Titanlar olarak adlandırdı . Gregor'un daha önceki keşfini duyduktan sonra, bir manakanit örneği aldı ve titanyum içerdiğini doğruladı.

Titanyumun çeşitli cevherlerinden çıkarılması için şu anda bilinen işlemler zahmetli ve maliyetlidir; (demir ergitmede olduğu gibi) karbonla ısıtarak cevheri azaltmak mümkün değildir çünkü titanyum karbonla birleşerek titanyum karbür üretir . Saf metalik titanyum (% 99.9), ilk olarak 1910 yılında hazırlandı Matthew A. Hunter de Rensselaer Polytechnic Institute TiCU ısıtılarak ₄ ile sodyum bir büyük basınç altında 700-800 ° C'de toplu işlem olarak da bilinir Hunter işlemi . Titanyum metali, William Justin Kroll'un titanyum tetraklorürü (TiCl ₄ ) kalsiyum ile indirgeyerek ürettiği 1932 yılına kadar laboratuvar dışında kullanılmadı . Sekiz yıl sonra bu işlemi magnezyum ve sodyum ile Kroll işlemi olarak bilinen süreçte rafine etti . Araştırmalar daha ucuz ve daha verimli süreçler aramaya devam etse de (örneğin FFC Cambridge , Armstrong ), Kroll süreci hala ticari üretim için kullanılmaktadır.

Anton Eduard van Arkel ve Jan Hendrik de Boer , 1925'te iyot ile reaksiyona girerek ve oluşan buharları sıcak bir filament üzerinde saf metale ayrıştırarak iyodür işlemini keşfettiklerinde, çok yüksek saflıkta titanyum küçük miktarlarda yapıldı .

1950'lerde ve 1960'larda Sovyetler Birliği , Soğuk Savaş ile ilgili programların bir parçası olarak askeri ve denizaltı uygulamalarında ( Alfa sınıfı ve Mike sınıfı ) titanyum kullanımına öncülük etti . 1950'lerin başlarından itibaren titanyum, F-100 Super Saber ve Lockheed A-12 ve SR-71 gibi uçaklardan başlayarak, askeri havacılıkta, özellikle yüksek performanslı jetlerde yaygın olarak kullanılmaya başlandı .

Soğuk Savaş dönemi boyunca, titanyum ABD hükümeti tarafından stratejik bir malzeme olarak kabul edildi ve büyük bir titanyum sünger stoğu ( saf metalin gözenekli bir formu), stok 2000'lerde dağılana kadar Savunma Ulusal Stok Merkezi tarafından muhafaza edildi. . 2006 yılında, Rusya merkezli VSMPO-AVISMA , dünya pazarının yaklaşık % 29'unu oluşturan dünyanın en büyük üreticisiydi. 2015 yılı itibarıyla titanyum sünger üreten yedi ülke sırasıyla Çin, Japonya, Rusya, Kazakistan, ABD, Ukrayna ve Hindistan olmuştur.

Üretme

Titanyum metalinin işlenmesi dört ana adımda gerçekleşir: titanyum cevherinin gözenekli bir form olan "sünger"e indirgenmesi; sünger veya sünger artı bir külçe oluşturmak için bir ana alaşımın eritilmesi; bir külçenin kütük , çubuk, levha , levha , şerit ve boru gibi genel değirmen ürünlerine dönüştürüldüğü birincil imalat ; ve değirmen ürünlerinden bitmiş şekillerin ikincil imalatı.

Kolaylıkla üretilemezler çünkü azalma arasında titanyum dioksit , titanyum metal azaltılması ile elde edilir TiCU ₄ magnezyum metal ile Kroll işlemi . Kroll prosesindeki bu toplu üretimin karmaşıklığı, Kroll prosesinin Hunter prosesinden daha ucuz olmasına rağmen titanyumun nispeten yüksek piyasa değerini açıklar . Kroll işleminin gerektirdiği TiCl _4'ü üretmek için , dioksit klor varlığında karbotermik indirgemeye tabi tutulur . Bu işlemde klor gazı, karbon varlığında kırmızı-sıcak bir rutil veya ilmenit karışımı üzerinden geçirilir . Tarafından kapsamlı saflaştırmadan sonra fraksiyonel damıtma , TiCU ₄ olan düşük 800 ° C (1,470 ° F) erimiş olan magnezyum in argon atmosferi. Titanyum metali, titanyum tetraiyodidin termal ayrışmasını içeren van Arkel-de Boer işlemi ile daha da saflaştırılabilir .

2 FeTiO ₃ + 7 Cl ₂ + 6 C → 2 TiCl ₄ + 2 FeCl ₃ + 6 CO (900 °C)

TiCl ₄ + 2 Mg → 2 MgCl ₂ + Ti (1,100 °C)

Daha yakın zamanda geliştirilen bir toplu üretim yöntemi olan FFC Cambridge işlemi , titanyum metali toz veya sünger olarak üretmek için erimiş kalsiyum klorürde titanyum dioksiti elektrokimyasal olarak azaltır . Karışık oksit tozları kullanılıyorsa, ürün bir alaşımdır .

Yaygın titanyum alaşımları indirgeme ile yapılır. Örneğin, kuprotitanyum ( bakır eklenmiş rutil indirgenir), ferrokarbon titanyum ( bir elektrikli fırında kok ile indirgenmiş ilmenit ) ve manganotitanyum (manganez veya manganez oksitli rutil) indirgenir.

Yaklaşık elli derece titanyum alaşımı tasarlanmış ve şu anda kullanılmaktadır, ancak yalnızca birkaç düzine ticari olarak kolayca temin edilebilir. ASTM Uluslararası titanyum metal ve bir ila dört arasında bir (alaşımsız) ticari olarak saf olan sınıflarda alaşımları, 31 notu tanır. Bu dördü, oksijen içeriğinin bir fonksiyonu olarak gerilme mukavemetinde farklılık gösterir; 1. derece en sünek (oksijen içeriği %0.18 olan en düşük gerilme mukavemeti) ve 4. derece en az sünek (%0.40 oksijen içeriği ile en yüksek gerilme mukavemeti) olur. ). Kalan kaliteler, her biri süneklik, mukavemet, sertlik, elektrik direnci, sürünme direnci, spesifik korozyon direnci ve bunların kombinasyonlarının belirli özellikleri için tasarlanmış alaşımlardır .

ASTM spesifikasyonlarına ek olarak, titanyum alaşımları ayrıca havacılık ve askeri spesifikasyonları (SAE-AMS, MIL-T), ISO standartlarını ve ülkeye özgü spesifikasyonları ve ayrıca havacılık, askeri, tıbbi ve endüstriyel uygulamalar.

Titanyum tozu, seri üretim Hunter sürecine benzer Armstrong süreci olarak bilinen bir akış üretim süreci kullanılarak üretilir . Bir erimiş sodyum akışına bir titanyum tetraklorür gazı akışı eklenir ; ürünler (sodyum klorür tuzu ve titanyum parçacıkları) ekstra sodyumdan süzülür. Titanyum daha sonra su ile yıkanarak tuzdan ayrılır. Hem sodyum hem de klor, daha fazla titanyum tetraklorür üretmek ve işlemek için geri dönüştürülür.

Yapılışı

Titanyumun tüm kaynakları , atmosferik gazlarla (oksijen, nitrojen ve hidrojen) kontaminasyondan korumak için atıl bir argon veya helyum atmosferinde yapılmalıdır . Kirlenme, gevrekleşme gibi , montaj kaynaklarının bütünlüğünü azaltan ve bağlantı arızasına yol açan çeşitli koşullara neden olur .

Titanyum, lehimlenebilir bir metalle önceden kaplanmadan lehimlenemez . Metal, paslanmaz çelikle aynı ekipman ve aynı işlemlerle işlenebilir .

Şekillendirme ve dövme

Ticari olarak saf yassı ürün (levha, levha) kolayca oluşturulabilir, ancak işleme, metalin geri esneme eğilimini hesaba katmalıdır . Bu, özellikle bazı yüksek mukavemetli alaşımlar için geçerlidir. Dövme işleminde kullanılan yüksek sıcaklıklarda havadaki oksijene maruz kalmak, yorulma özelliklerini kötüleştiren " alfa durumu " adı verilen, oksijence zengin, kırılgan bir metalik yüzey tabakasının oluşmasına neden olur , bu nedenle öğütme, dağlama veya elektrokimyasal işlemle çıkarılması gerekir.

Uygulamalar

Titanyum, çelikte tane boyutunu küçültmek ve oksijen giderici olarak alaşım elementi ( ferro-titanyum ) olarak ve karbon içeriğini azaltmak için paslanmaz çelikte kullanılır. Titanyum genellikle alüminyum (tane boyutunu inceltmek için), vanadyum , bakır (sertleştirmek için), demir , manganez , molibden ve diğer metallerle alaşımlanır. Titanyum değirmen ürünleri (levha, levha, çubuk, tel, dövme, döküm) endüstriyel, havacılık, eğlence ve gelişmekte olan pazarlarda uygulama bulur. Toz haline getirilmiş titanyum, piroteknikte parlak yanan parçacıkların kaynağı olarak kullanılır .

Pigmentler, katkı maddeleri ve kaplamalar

Tüm titanyum cevherinin yaklaşık %95'i titanyum dioksite ( Ti O
₂), boyalarda, kağıtlarda, diş macunlarında ve plastiklerde kullanılan yoğun beyaz kalıcı bir pigmenttir . Ayrıca çimentoda, değerli taşlarda, kağıtta optik opaklaştırıcı ve grafit kompozit oltalarda ve golf kulüplerinde güçlendirici bir ajan olarak kullanılır.

TiO
₂pigment kimyasal olarak inerttir, güneş ışığında solmaya karşı dirençlidir ve çok opaktır: ev plastiklerinin çoğunu oluşturan kahverengi veya gri kimyasallara saf ve parlak beyaz bir renk verir. Doğada, bu bileşik anataz , brokit ve rutil minerallerinde bulunur . Titanyum dioksit ile yapılan boya, şiddetli sıcaklıklarda ve deniz ortamlarında iyi sonuç verir. Saf titanyum dioksit çok yüksek bir kırılma indeksine ve elmastan daha yüksek bir optik dağılıma sahiptir . Titanyum dioksit çok önemli bir pigment olmasının yanı sıra güneş kremlerinde de kullanılmaktadır.

Havacılık ve deniz

Titanyum alaşımları, yüksek olduğundan çekme direnci yoğunluk oranı, düşükten korozyon direnci , yorulma direnci, yüksek çatlak direnci olmadan ve orta derecede yüksek sıcaklıklara dayanma yeteneği sürünen , uçağın, zırh kaplama, deniz gemi, uzay aracı ve füze kullanılır. Bu uygulamalar için titanyum, kritik yapısal parçalar, yangın duvarları, iniş takımları , egzoz kanalları (helikopterler) ve hidrolik sistemler dahil olmak üzere çeşitli bileşenleri üretmek için alüminyum, zirkonyum, nikel, vanadyum ve diğer elementlerle alaşımlanır . Aslında, üretilen tüm titanyum metalin yaklaşık üçte ikisi uçak motorlarında ve çerçevelerinde kullanılmaktadır. Titanyum 6AL-4V alaşımı uçak uygulamalarında kullanılan tüm alaşımlar yaklaşık 50% 'ini.

Lockheed A-12 ve gelişimi SR-71 "Blackbird" Modern askeri ve ticari hava içinde çok daha geniş kullanım önünü titanyum kullanıldı ilk uçak çerçeve iki idi. Tahminen 59 ton (130,000 libre) kullanılan Boeing 777 içinde, 45 Boeing 747 içinde, 18 Boeing 737 içinde, 32 Airbus A340 , içinde 18 Airbus A330 içinde, ve 12 adet A320 . Airbus A380 motorlarında 11 ton hakkında da dahil olmak üzere 77 ton kullanabilir. Aero motor uygulamalarında titanyum rotorlar, kompresör kanatları, hidrolik sistem bileşenleri ve naseller için kullanılır . Jet motorlarında erken kullanım 1950'lerde Orenda Iroquois içindi .

Titanyum deniz suyunun neden olduğu korozyona dayanıklı olduğundan , tuzdan arındırma tesislerinde pervane şaftları, arma ve ısı eşanjörleri yapmak için kullanılır ; tuzlu su akvaryumları için ısıtıcı-soğutucular, misina ve lider ve dalgıç bıçakları. Titanyum, bilim ve askeriye için okyanusta konuşlandırılmış gözetleme ve izleme cihazlarının muhafazalarında ve bileşenlerinde kullanılır. Eski Sovyetler Birliği , devasa vakum tüplerinde titanyum döven titanyum alaşımları gövdeli denizaltılar yapmak için teknikler geliştirdi.

Titanyum, Juno uzay aracının kasasının duvarlarında, yerleşik elektroniği korumak için kullanılıyor.

Sanayi

Kaynaklı titanyum boru ve proses ekipmanları (ısı eşanjörleri, tanklar, proses kapları, valfler) kimya ve petrokimya endüstrilerinde öncelikle korozyon direnci için kullanılmaktadır. Petrol ve gaz kuyu içi uygulamalarda ve nikel hidrometalurjide yüksek mukavemetleri (örneğin: titanyum beta C alaşımı), korozyon direnci veya her ikisi için özel alaşımlar kullanılır . Hamur ve kağıt endüstrisi gibi aşındırıcı ortama maruz proses ekipmanında titanyum kullanılarak sodyum hipoklorit (ağartma) veya ıslak klor gazının. Diğer uygulamalar arasında ultrasonik kaynak , dalga lehimleme ve püskürtme hedefleri bulunur.

Titanyum tetraklorit (TiCU ₄ ), renksiz bir sıvı, TiO yapım sürecinde bir ara ürün olarak önemli olan ₂ ve üretmek için kullanılan Ziegler-Natta katalizörü . Titanyum tetraklorür ayrıca camı iridize etmek için kullanılır ve nemli havada güçlü bir şekilde duman çıkardığı için duman perdeleri yapmak için kullanılır.

Tüketici ve mimari

Titanyum metal, otomotiv uygulamalarında, özellikle düşük ağırlık ve yüksek mukavemet ve sertliğin kritik olduğu otomobil ve motosiklet yarışlarında kullanılır. Metal, genel tüketici pazarı için genellikle çok pahalıdır, ancak bazı son model Corvette'ler titanyum egzozlarla üretilmiştir ve bir Corvette Z06'nın LT4 süper şarjlı motoru, daha fazla güç ve ısıya karşı direnç için hafif, katı titanyum emme valfleri kullanır.

Titanyum birçok spor ürününde kullanılmaktadır: tenis raketleri, golf sopaları, lakros çubukları; kriket, hokey, lakros ve futbol kaskı ızgaraları ve bisiklet çerçeveleri ve bileşenleri. Bisiklet üretimi için ana malzeme olmasa da, titanyum bisikletler yarış takımları ve macera bisikletçileri tarafından kullanılmıştır .

Titanyum alaşımları, oldukça pahalı ama oldukça dayanıklı, uzun ömürlü, hafif ve cilt alerjisine neden olmayan gözlük çerçevelerinde kullanılır. Birçok sırt çantalı gezgin, tencere, yemek kapları, fenerler ve çadır kazıkları dahil olmak üzere titanyum ekipman kullanır. Geleneksel çelik veya alüminyum alternatiflerinden biraz daha pahalı olmasına rağmen, titanyum ürünler dayanıklılıktan ödün vermeden önemli ölçüde daha hafif olabilir. Titanyum at nalları , daha hafif ve daha dayanıklı oldukları için nalbantlar tarafından çeliğe tercih edilir .

Titanyum bazen mimaride kullanılmıştır. 42,5 m (139 ft) uzunluğundaki uzayda seyahat eden ilk insan olan Yuri Gagarin Anıtı ( 55°42′29.7″K 37°34′57.2″E / 55.708250°K 37.582556°D / 55.708250; 37.582556 ) ve 110 m (360 ft) Fatihler Anıtı Moskova'daki Kozmonot Müzesi'nin tepesindeki Space of Space , metalin çekici rengi ve roketçilikle olan ilişkisi için titanyumdan yapılmıştır. Guggenheim Museum Bilbao ve Cerritos Millennium Kütüphane Avrupa ve Kuzey Amerika'da ilk binalar vardı, sırasıyla titanyum panellerde kılıflı edilecek. Denver, Colorado'daki Frederic C. Hamilton Binasında titanyum kaplama kullanıldı.

Titanyumun diğer metallere (çelik, paslanmaz çelik ve alüminyum) göre üstün mukavemeti ve hafifliği nedeniyle ve metal işleme tekniklerindeki son gelişmeler nedeniyle, ateşli silahların imalatında kullanımı daha yaygın hale geldi. Birincil kullanımlar tabanca çerçevelerini ve tabanca silindirlerini içerir. Aynı nedenlerle dizüstü bilgisayarların gövdesinde de kullanılır (örneğin Apple'ın PowerBook serisinde).

Kürek ve el feneri gibi bazı üst sınıf hafif ve korozyona dayanıklı aletler titanyum veya titanyum alaşımlarından yapılmıştır.

Takı

Dayanıklılığı nedeniyle titanyum, tasarımcı takıları (özellikle titanyum yüzükler ) için daha popüler hale geldi . Hareketsizliği, alerjisi olanlar veya yüzme havuzu gibi ortamlarda takı takacak olanlar için iyi bir seçimdir. Titanyum ayrıca , 24 ayar altın olarak pazarlanabilen bir alaşım üretmek için altınla alaşımlanır, çünkü alaşımlı Ti'nin %1'i daha düşük bir işaret gerektirmek için yetersizdir. Ortaya çıkan alaşım kabaca 14 ayar altının sertliğine sahiptir ve saf 24 ayar altından daha dayanıklıdır.

Titanium'un dayanıklılığı, hafifliği ve göçük ve korozyon direnci, onu saat kasaları için kullanışlı kılar . Bazı sanatçılar heykel, dekoratif obje ve mobilya üretmek için titanyum ile çalışırlar.

Titanyum edilebilir anodize optik yol, yüzey oksit tabakasının kalınlığını değiştirmek için girişim saçakları ve parlak renklerde çeşitli. Bu renklenme ve kimyasal eylemsizlik ile titanyum, vücut delme için popüler bir metaldir .

Titanyum, dolaşımda olmayan özel madeni paralarda ve madalyalarda küçük bir kullanıma sahiptir. 1999'da Cebelitarık, milenyum kutlaması için dünyanın ilk titanyum madeni parasını çıkardı. Avustralyalı bir ragbi ligi takımı olan Gold Coast Titans , yılın oyuncusuna saf titanyum madalyası veriyor.

Tıbbi

Titanyum biyouyumlu olduğundan (toksik olmadığı ve vücut tarafından reddedilmediği için), kalça topları ve yuvaları ( eklem replasmanı ) gibi cerrahi aletler ve implantlar ve 20'ye kadar yerinde kalabilen diş implantları dahil olmak üzere birçok tıbbi kullanıma sahiptir. yıllar. Titanyum genellikle yaklaşık %4 alüminyum veya %6 Al ve %4 vanadyum ile alaşımlanır.

Titanyum, doğal olarak osseointegrasyon yeteneğine sahiptir, bu da 30 yıldan fazla sürebilen dental implantlarda kullanım sağlar . Bu özellik ortopedik implant uygulamaları için de kullanışlıdır . Bunlar, titanyumun düşük elastisite modülünden ( Young modülü ), bu tür cihazların tamir etmeyi amaçladığı kemiğe daha yakından uyması için yararlanır. Sonuç olarak, iskelet yükleri kemik ve implant arasında daha eşit bir şekilde paylaşılır , bu da ortopedik implantların sınırlarında meydana gelen stres kalkanı ve periprostetik kemik kırıkları nedeniyle daha düşük kemik bozulması insidansına yol açar . Bununla birlikte, titanyum alaşımlarının sertliği hala kemiğin iki katından fazladır, bu nedenle bitişik kemik büyük ölçüde azaltılmış bir yük taşır ve bozulabilir.

Titanyum ferromanyetik olmadığı için titanyum implantlı hastalar manyetik rezonans görüntüleme ile güvenli bir şekilde incelenebilir (uzun süreli implantlar için uygundur). Titanyumun vücuda implantasyon için hazırlanması, onu yüzey atomlarını uzaklaştıran ve anında oksitlenen taze titanyumu açığa çıkaran yüksek sıcaklıktaki bir plazma arkına tabi tutmayı içerir.

Eklemeli üretim tekniklerindeki modern gelişmeler, ortopedik implant uygulamalarında titanyum kullanımı için artan bir potansiyele sahiptir. Karmaşık implant iskelesi tasarımları, titanyum alaşımları kullanılarak 3D yazdırılabilir, bu da daha hastaya özel uygulamalara ve daha fazla implant osseointegrasyonuna olanak tanır."

Titanyum, görüntü kılavuzlu cerrahide kullanılan cerrahi aletlerin yanı sıra tekerlekli sandalyeler, koltuk değnekleri ve yüksek mukavemet ve düşük ağırlığın istendiği diğer ürünler için kullanılır.

Titanyum dioksit nanoparçacıkları elektronikte ve ilaç ve kozmetik ürünlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır .

Nükleer atık depolama

Korozyon direnci nedeniyle, nükleer atıkların uzun süreli depolanması için titanyumdan yapılmış kaplar incelenmiştir. 100.000 yıldan daha uzun ömürlü konteynerlerin, malzeme hatalarını en aza indiren üretim koşulları ile mümkün olduğu düşünülmektedir. Uzun ömürlerini artırmak için başka tipteki kapların üzerine bir titanyum "damla kalkanı" da takılabilir.

Önlemler

Titanyum yüksek dozlarda dahi toksik değildir ve insan vücudunda herhangi bir doğal rol oynamaz . İnsanlar tarafından her gün tahmini olarak 0,8 miligram titanyum yutulur, ancak çoğu dokularda emilmeden geçer. Bununla birlikte, bazen silika içeren dokularda biyolojik olarak birikmektedir . Bir çalışma titanyum ve sarı tırnak sendromu arasında olası bir bağlantı olduğunu gösteriyor .

Bir toz veya metal talaşı biçiminde titanyum metali önemli bir yangın tehlikesi ve havada ısıtıldığında patlama tehlikesi oluşturur. Titanyum yangınını söndürmek için su ve karbondioksit etkisizdir; Bunun yerine D sınıfı kuru toz ajanlar kullanılmalıdır.

Klor üretiminde veya işlenmesinde kullanıldığında titanyum, titanyum-klor yangınına neden olabileceğinden kuru klor gazına maruz bırakılmamalıdır.

Titanyum, taze, oksitlenmemiş bir yüzey sıvı oksijenle temas ettiğinde alev alabilir .

Bitkilerde işlev

Bitkilerde bilinmeyen bir mekanizma , karbonhidrat üretimini uyarmak ve büyümeyi teşvik etmek için titanyum kullanabilir . Bu, çoğu bitkinin neden milyonda 1 kısım (ppm) titanyum içerdiğini , gıda bitkilerinin yaklaşık 2 ppm içerdiğini ve atkuyruğu ve ısırgan otunun neden 80 ppm'ye kadar içerdiğini açıklayabilir .

Ayrıca bakınız

Referanslar

bibliyografya

Dış bağlantılar

• "Titanyum: Bir Sonraki Büyük Metalimiz" , Popular Science , Ekim 1950—Titanyum hakkında ilk genel ayrıntılı makalelerden biri
• Titanyum de video Periyodik Tablo (Nottingham Üniversitesi)
• The Essential Chemical Industry'de Titanyum – çevrimiçi (CIEC Promoting Science at the University of York)
• Uluslararası Titanyum Derneği Arşivlenen de 4 Kasım 2020 Wayback Machine
• Titanyum ve Alaşımlarının Metalurjisi, Cambridge Üniversitesi
• Ülkelere Göre Dünya Titanyum Konsantreleri Üretimi
• tanrıların metali