Фізичні та хімічні властивості титану

Титан — це сріблясто-білий перехідний метал із щільністю лише 4,54 г/см³, який приблизно на 40% легший за залізо, але має міцність, порівнянну зі сталлю. Ця властивість легкості та високої міцності робить титан широко використовуваним у всіх сферах життя. Отже, які фізичні та хімічні властивості титану?

1. Будова атома титану
Спочатку давайте подивимося на атомну структуру титану. Титан знаходиться в IVB групі періодичної таблиці з атомним номером 22. Ядро складається з 22 протонів і 20-32 нейтронів, а позаядерна електронна структура має вигляд 1S22S22P63S23D24S2. Радіус ядра 5x10-13 см. Ці унікальні атомні структури надають титану унікальні фізичні та хімічні властивості.

2. Фізичні властивості титану
Щільність титану становить 4.506-4.516 г/см3 (20 градус), температура плавлення становить 1668±4 градуси, прихована теплота плавлення становить 3.7-5. 0 ккал/г атома, температура кипіння становить 3260±20 градусів, прихована теплота випаровування становить 102.5-112.5 ккал/г атома, критична температура становить 4350 градусів , а критичний тиск становить 1130 атмосфер. Теплопровідність і електропровідність титану низькі, подібні або трохи нижчі, ніж у нержавіючої сталі. Титан має надпровідність, а критична температура надпровідності чистого титану становить 0.38-0.4K. При 25 градусах теплоємність титану становить 0,126 кал/г атом·градус, теплова ентальпія становить 1149 кал/г атом·градус, а ентропія становить 7,33 кал/г атом·градус. Металевий титан є парамагнітною речовиною з магнітною проникністю 1,00004.
Титан має пластичність. Подовження титану високої чистоти може досягати 50-60%, а поперечна усадка може досягати 70-80%, але його міцність низька, і він не підходить для конструкційних матеріалів. Наявність домішок у титані має великий вплив на його механічні властивості, особливо інтерстиціальні домішки (кисень, азот, вуглець) можуть значно збільшити міцність титану та значно знизити його пластичність. Хороші механічні властивості титану як конструкційного матеріалу досягаються шляхом суворого контролю відповідного вмісту домішок і додавання легуючих елементів.

3. Хімічні властивості титану
Титан може реагувати з багатьма елементами та сполуками при більш високих температурах. Різні елементи можна розділити на чотири категорії відповідно до їх різних реакцій з титаном:
Категорія 1: Галогени та елементи групи кисню утворюють ковалентні та іонні сполуки з титаном;
Категорія 2: Перехідні елементи, водень, берилій, елементи групи бору, групи вуглецю та азоту утворюють інтерметалічні сполуки та обмежені тверді розчини з титаном;
Категорія 3: елементи цирконію, гафнію, групи ванадію, групи хрому, скандію утворюють необмежену кількість твердих розчинів з титаном;
Категорія 4: Інертні гази, лужні метали, лужноземельні метали, рідкоземельні елементи (крім скандію), актиній, торій тощо не реагують з титаном або взагалі не реагують.

4. Реакція зі сполуками:
HF і фтор
Фтористий водень реагує з титаном, утворюючи при нагріванні TiF4, і формула реакції (1); неводний фтористий водень може утворювати щільну плівку тетрафториду титану на поверхні титану, яка може перешкоджати проникненню HF всередину титану. Плавикова кислота є найсильнішим флюсом для титану. Навіть плавикова кислота з концентрацією 1% може бурхливо реагувати з титаном; безводні фториди та їх водні розчини не реагують з титаном при низьких температурах, а лише розплавлені фториди істотно реагують з титаном при високих температурах.
Ti+4HF＝TiF4+2H2+135.0 ккал (1) 2Ti+6HF＝2TiF4+3H2

HCl і хлориди
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 градусів для утворення TiCl4, див. формулу (3); соляної кислоти з концентрацією<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 ккал (3)2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2 (4)

Сірчана кислота і сірководень
Після титан реагує з розбавленою сірчаною кислотою<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% має значну реакцію з титаном. При кімнатній температурі близько 40% сірчаної кислоти має найшвидшу швидкість корозії титану. Коли концентрація перевищує 40% і досягає 60%, швидкість корозії сповільнюється і досягає найшвидшого значення 80%. Нагріта розведена кислота або 50% концентрована сірчана кислота може реагувати з титаном з утворенням сульфату титану, див. формулу (5), (6). Нагріта концентрована сульфатна кислота може бути відновлена ​​титаном з утворенням SO2, див. формулу (7). При кімнатній температурі титан реагує з сірководнем, утворюючи на його поверхні захисну плівку, яка може запобігти подальшій реакції між сірководнем і титаном. Однак при високих температурах сірководень реагує з титаном з утворенням осаду водню, як показано у формулі (8). Порошкоподібний титан починає реагувати з сірководнем при 600 градусах з утворенням сульфіду титану. При 900 градусах продуктом реакції є переважно TiS, а при 1200 градусах - Ti2S3.
Ti＋H2SO4＝TiSO4＋H2 (5) 2Ti＋3H2SO4＝Ti2(SO4)3＋H2 (6)
2Ti＋6H2SO4＝Ti2(SO4)3＋3SO2＋6H2O＋202 ккал (7)Ti＋H2S＝TiS＋H2＋70 ккал (8)

Азотна кислота і царська горілка
Щільний і гладкий титан має хорошу стійкість до азотної кислоти, оскільки азотна кислота може швидко утворювати міцну оксидну плівку на поверхні титану, але шорстка поверхня, особливо губчастий титан або порошковий титан, може реагувати з низькою та гарячою розведеною азотною кислотою, див. формулу (9), (10) і концентрована азотна кислота вище 70 градусів також може реагувати з титаном, див. формулу (11); при кімнатній температурі титан не реагує з царською горілкою. При високій температурі титан може реагувати з царською горілкою з утворенням TiCl2.
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO (10)
Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)

Таким чином, властивості титану тісно пов’язані з температурою, його існуючою формою та чистотою. Щільний металевий титан досить стабільний у природі, але порошкоподібний титан може викликати самозаймання в повітрі. Наявність домішок у титані істотно впливає на фізичну, хімічну, механічну та корозійну стійкість титану. Зокрема, деякі міжвузлові домішки можуть спотворювати решітку титану та впливати на різні властивості титану. При кімнатній температурі хімічна активність титану дуже мала і може реагувати з декількома речовинами, такими як плавикова кислота, але активність титану швидко зростає при підвищенні температури, особливо при високих температурах титан може бурхливо реагувати з багатьма речовинами. Процес плавлення титану, як правило, здійснюється при високій температурі понад 800 градусів, тому він повинен працювати у вакуумі або під захистом інертної атмосфери.