Titano fizinės ir cheminės savybės

Titanas yra sidabriškai baltas pereinamasis metalas, kurio tankis yra tik 4,54 g/cm³, kuris yra apie 40% lengvesnis už geležį, tačiau jo stiprumas panašus į plieno. Dėl šios lengvos ir didelio stiprumo savybės titanas plačiai naudojamas visose gyvenimo srityse. Taigi, kokios yra titano fizinės ir cheminės savybės?

1. Titano atominė struktūra
Pirmiausia pažvelkime į titano atominę struktūrą. Titanas yra periodinės lentelės IVB grupėje, jo atominis skaičius yra 22. Branduolys susideda iš 22 protonų ir 20-32 neutronų, o ekstrabranduolinė elektronų struktūra yra išdėstyta kaip 1S22S22P63S23D24S2. Branduolio spindulys yra 5x{11}} cm. Šios unikalios atominės struktūros suteikia titanui unikalių fizinių ir cheminių savybių.

2. Titano fizinės savybės
Titano tankis 4.506-4.516 g/cm3 (20 laipsnis ), lydymosi temperatūra 1668±4 laipsniai , latentinė lydymosi šiluma 3.7-5. 0 kcal/g atomo, virimo temperatūra 3260±20 laipsnių, latentinė garavimo šiluma 102.5-112.5 kcal/g atomo, kritinė temperatūra 4350 laipsnių , o kritinis slėgis yra 1130 atmosferų. Titano šilumos ir elektros laidumas yra prastas, panašus arba šiek tiek mažesnis nei nerūdijančio plieno. Titano superlaidumas, o gryno titano superlaidumo kritinė temperatūra yra 0.{18}}.4K. 25 laipsnių temperatūroje titano šiluminė talpa yra 0,126 cal/g atomo laipsnio, šiluminė entalpija yra 1149 cal/g atomo laipsnio, o entropija yra 7,33 cal/g atomo laipsnio. Metalinis titanas yra paramagnetinė medžiaga, kurios magnetinis pralaidumas yra 1,00004.
Titanas turi plastiškumą. Didelio grynumo titano pailgėjimas gali siekti 50-60%, o skerspjūvio susitraukimas gali siekti 70-80%, tačiau jo stiprumas mažas ir jis netinka konstrukcinėms medžiagoms. Priemaišų buvimas titane turi didelę įtaką jo mechaninėms savybėms, ypač intersticinės priemaišos (deguonis, azotas, anglis) gali labai padidinti titano stiprumą ir žymiai sumažinti jo plastiškumą. Geros titano, kaip konstrukcinės medžiagos, mechaninės savybės pasiekiamos griežtai kontroliuojant atitinkamą priemaišų kiekį ir pridedant legiruojamųjų elementų.

3. Cheminės titano savybės
Titanas gali reaguoti su daugeliu elementų ir junginių aukštesnėje temperatūroje. Įvairūs elementai gali būti suskirstyti į keturias kategorijas pagal jų skirtingas reakcijas su titanu:
1 kategorija: halogenai ir deguonies grupių elementai sudaro kovalentinius ir joninius junginius su titanu;
2 kategorija: pereinamieji elementai, vandenilis, berilis, boro grupė, anglies grupė ir azoto grupės elementai sudaro intermetalinius junginius ir ribotus kietus tirpalus su titanu;
3 kategorija: cirkonis, hafnis, vanadžio grupė, chromo grupė, skandžio elementai sudaro neribotą kiekį kietų tirpalų su titanu;
4 kategorija: inertinės dujos, šarminiai metalai, šarminių žemių metalai, retųjų žemių elementai (išskyrus skandį), aktinis, toris ir kt. su titanu nereaguoja arba iš esmės nereaguoja.

4. Reakcija su junginiais:
HF ir fluoras
Vandenilio fluorido dujos reaguoja su titanu ir susidaro TiF4 kaitinant, o reakcijos formulė yra (1); nevandeninis vandenilio fluorido skystis ant titano paviršiaus gali sudaryti tankią titano tetrafluorido plėvelę, kuri gali neleisti HF prasiskverbti į titano vidų. Vandenilio fluorido rūgštis yra stipriausias titano srautas. Netgi 1 % koncentracijos vandenilio fluorido rūgštis gali smarkiai reaguoti su titanu; bevandeniai fluoridai ir jų vandeniniai tirpalai nereaguoja su titanu žemoje temperatūroje, o tik išlydyti fluoridai reikšmingai reaguoja su titanu aukštoje temperatūroje.
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.{5}} kcal (1) 2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2

HCl ir chloridai
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 laipsnių, kad susidarytų TiCl4, žr. (3) formulę; druskos rūgštis, kurios koncentracija<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)

Sieros rūgštis ir vandenilio sulfidas
Po to, kai titanas reaguoja su praskiesta sieros rūgštimi<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% turi reikšmingą reakciją su titanu. Kambario temperatūroje apie 40% sieros rūgšties titano korozijos greitis yra didžiausias. Kai koncentracija yra didesnė nei 40% ir pasiekia 60%, korozijos greitis sulėtėja ir greičiausias pasiekia 80%. Įkaitinta praskiesta rūgštis arba 50 % koncentruota sieros rūgštis gali reaguoti su titanu ir sudaryti titano sulfatą, žr. (5), (6) formulę. Kaitinama koncentruota sieros rūgštis gali būti redukuojama titanu, kad susidarytų SO2, žr. (7) formulę. Kambario temperatūroje titanas reaguoja su vandenilio sulfidu ir sudaro apsauginę plėvelę ant jo paviršiaus, kuri gali užkirsti kelią tolesnei vandenilio sulfido ir titano reakcijai. Tačiau esant aukštai temperatūrai, vandenilio sulfidas reaguoja su titanu ir nusodina vandenilį, kaip parodyta (8) formulėje. Titano milteliai pradeda reaguoti su vandenilio sulfidu 600 laipsnių temperatūroje, kad susidarytų titano sulfidas. Esant 900 laipsnių, reakcijos produktas daugiausia yra TiS, o esant 1200 laipsnių – 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)

Azoto rūgštis ir Aqua Regia
Tankus ir lygus titanas turi gerą azoto rūgšties stabilumą, nes azoto rūgštis gali greitai suformuoti stiprią oksido plėvelę ant titano paviršiaus, tačiau šiurkštus paviršius, ypač titano kempinė arba titano milteliai, gali reaguoti su mažai ir karšta praskiesta azoto rūgštimi, žr. (9), (10) ir koncentruota azoto rūgštis virš 70 laipsnių taip pat gali reaguoti su titanu, žr. (11) formulę; kambario temperatūroje titanas nereaguoja su Aqua Regia. Esant aukštai temperatūrai, titanas gali reaguoti su Aqua Regia ir sudaryti TiCl2.
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO (10)
Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)

Apibendrinant galima pasakyti, kad titano savybės yra glaudžiai susijusios su temperatūra, esama jo forma ir grynumu. Tankus metalinis titanas yra gana stabilus, tačiau titano milteliai gali sukelti savaiminį užsidegimą ore. Priemaišų buvimas titane labai paveikia titano fizikinį, cheminį, mechaninį ir atsparumą korozijai. Visų pirma, kai kurios intersticinės priemaišos gali iškreipti titano gardelę ir paveikti įvairias titano savybes. Kambario temperatūroje titano cheminis aktyvumas yra labai mažas ir gali reaguoti su keliomis medžiagomis, tokiomis kaip vandenilio fluorido rūgštis, tačiau titano aktyvumas sparčiai didėja, kai temperatūra pakyla, ypač esant aukštai temperatūrai, titanas gali smarkiai reaguoti su daugeliu medžiagų. Titano lydymosi procesas paprastai atliekamas aukštoje, aukštesnėje nei 800 laipsnių temperatūroje, todėl jis turi būti naudojamas vakuume arba apsaugotas nuo inertinės atmosferos.