Titanium - Titanium


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De titânio,   22 Ti
bar.jpg Titan-cristal
Propriedades gerais
Pronúncia / T ɪ t n i ə m , t - / ( tə- TAY -nee-əm, TY- )
Aparência cinzento-branca prateado metálico
Peso atómico Padrão ( A r, padrão ) 47,867 (1)
Titânio na tabela periódica
hidrogênio Hélio
Lítio Berílio Boro Carbono Azoto Oxigênio Flúor Néon
Sódio Magnésio Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro argão
Potássio Cálcio Escândio Titânio Vanádio crômio Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Gálio Germânio Arsênico Selênio Bromo criptônio
Rubídio Estrôncio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio tecnécio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio Indium Lata antimônio Telúrio Iodo xênon
Césio Bário Lantânio Cério Praseodímio neodímio Promécio Samário európio gadolínio Térbio disprósio Holmium Erbium Túlio Itérbio lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio rênio Ósmio Iridium Platina Ouro Mercúrio (elemento) Tálio Conduzir Bismuto Polônio Astatine radão
francium Rádio Actínio Tório Protactínio Urânio Neptúnio Plutônio amerício curandeiro Berkelium californium Einsteinium fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium dubnium seaborgium Bohrium hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium fleróvio Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
-

Ti

Zr
escândiotitâniovanádio
Número atómico ( Z ) 22
Grupo grupo 4
Período período de 4
Quadra d-bloco
categoria de elemento   metal de transição
configuração eletrônica [ Ar ] 3d 2 4s dois
Elétrons por shell
2, 8, 10, 2
Propriedades físicas
Fase em  STP sólido
Ponto de fusão 1941  K (1668 ° C, 3034 ° F)
Ponto de ebulição 3560 K (3287 ° C, 5949 ° F)
Densidade (perto  rt ) 4,506 g / cm 3
quando o líquido (no  pf ) 4,11 g / cm 3
Calor de fusão 14,15  kJ / mol
Calor da vaporização 425 kJ / mol
capacidade térmica molar 25,060 J / (mol · K)
Pressão de vapor
P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
em  T  (K) 1982 2171 (2403) 2692 3064 3558
Propriedades atômicas
estados de oxidação -2, -1, 1, 2, 3, 4 (um  anfotérico óxido)
Eletro-negatividade escala Pauling: 1,54
energias de ionização
  • 1: 658,8 kJ / mol
  • 2: 1309,8 kJ / mol
  • 3: 2652,5 kJ / mol
  • ( Mais )
Raio atômico empírica: 147  pm
raio covalente 160 ± 08:00
Linhas de cor em uma faixa espectral
Linhas espectrais de titânio
outras propriedades
Estrutura de cristal hexagonal compacta-fim (HCP)
perto embalado estrutura cristalina hexagonal para titânio
Velocidade do som haste fina 5.090 m / s (em  RT )
Expansão térmica 8.6? M / (m-K) (a 25 ° C)
Condutividade térmica 21,9 W / (mK)
Resistividade elétrica 420 Nco · m (a 20 ° C)
ordenamento magnético paramagnético
susceptibilidade magnética + 153,0 · 10 -6  cm 3 / mol (293 K)
Módulo de Young 116 GPa
módulo de cisalhamento 44 GPa
módulo de volume 110 GPa
coeficiente de Poisson 0,32
dureza de Mohs 6
dureza de Vickers 830-3420 MPa
dureza Brinell 716-2770 MPa
Número CAS 7440-32-6
História
Descoberta William Gregor (1791)
primeiro isolamento Jöns Jakob Berzelius (1825)
nomeado pela Martin Heinrich Klaproth (1795)
Principais isótopos de titânio
Isótopo Abundância Meia-vida ( t 1/2 ) modo de decaimento produtos
44 Ti syn 63 y ε 44 Sc
γ -
46 Ti 8,25% estável
47 Ti 7,44% estável
48 Ti 73,72% estável
49 Ti 5,41% estável
50 Ti 5,18% estável
| referências

O titânio é um elemento químico com símbolo Ti e número atómico 22. É um brilhante de metal de transição com uma cor prata, de baixa densidade, e alta resistência. O titânio é resistente à corrosão na água do mar , água régia e cloro .

Titanium foi descoberto em Cornwall , Grã-Bretanha , por William Gregor em 1791, e foi nomeado por Martin Heinrich Klaproth após os Titãs de mitologia grega . O elemento ocorre dentro de um número de minerais depósitos, principalmente rutilo e ilmenite , que são amplamente distribuídas na crosta terrestre e litosfera , e é encontrado em quase todos os seres vivos, corpos água, rochas e solos. O metal é extraído a partir dos seus minérios principais minerais por os Kroll e processos de Hunter . O composto mais comum, dióxido de titânio , é um popular fotocatalisador e é utilizado na fabricação de pigmentos brancos. Outros compostos incluem tetracloreto de titânio (TiCl 4 ), um componente de cortinas de fumo e catalisadores ; e tricloreto de titânio (TiCl 3 ), que é utilizado como um catalisador na produção de polipropileno .

O titânio pode ser ligado com ferro , alumínio , vanádio e molibdênio , entre outros elementos, para produzir ligas fortes e leves para a indústria aeroespacial ( motores a jato , mísseis e naves espaciais ), militares, processos industriais (química e petroquímica, usinas de dessalinização , polpa, e papel), automotivo, agro-alimentar, médicos próteses ortopédicas implantes , instrumentos e arquivos dentais e endodontia, implantes dentários , artigos esportivos, jóias, telefones celulares e outras aplicações.

As duas propriedades mais úteis do metal são a resistência à corrosão e a relação resistência-densidade, a maior de qualquer elemento metálico. Em sua condição pura, o titânio é tão forte como alguns aços , mas menos densa. Existem dois alotrópicas formas e cinco que ocorrem naturalmente isótopos desse elemento, 46 Ti através de 50 Ti, com 48 Ti, sendo o mais abundante (73,8%). Apesar de terem o mesmo número de electrões de valência e estão no mesmo grupo na tabela periódica , de titânio e de zircónio diferem em muitos propriedades químicas e físicas.

Características

Propriedades físicas

Como metais , o titânio é reconhecida pela sua elevada relação resistência-peso . É um forte de metal com baixa densidade que é bastante dúctil (especialmente em um oxigénio ambiente -livre), brilhante, metal branco na cor . O ponto de fusão relativamente elevado (mais de 1650 ° C ou 3000 ° F), faz com que seja útil como um metal refractário . É paramagnética e tem bastante baixa elétrica e condutividade térmica .

Comercialmente puro (99,2% puro) graus de titânio tem resistência absoluta à tracção de cerca de 434 MPa (63.000 psi ), igual ao de ligas de aço de baixo grau comum, mas são menos densos. O titânio é 60% mais denso do que o alumínio, mas mais do que duas vezes tão forte como o mais vulgarmente utilizado de liga de alumínio 6061-T6 . Certas ligas de titânio (por exemplo, beta C ) alcançar resistências à tracção de mais de 1400 MPa (200,000 psi). No entanto, o titânio perde intensidade quando aquecidos acima de 430 ° C (806 ° F).

Titânio não é tão duro como alguns tipos de aço tratado termicamente; que é não-magnético e um mau condutor de calor e electricidade. Usinagem requer precauções, porque o material pode fel a menos que sejam usadas ferramentas afiadas e métodos de resfriamento adequado. Como estruturas de aço, aqueles feitos de titânio têm um limite de fadiga , que garante a longevidade em algumas aplicações.

O metal é um dimorphic alótropo de uma forma α hexagonal que muda para uma forma cúbica (treliça) β de corpo centrado a 882 ° C (1620 ° F). O calor específico do formulário α aumenta dramaticamente à medida que ele é aquecido a esta temperatura de transição mas, em seguida, cai e permanece relativamente constante para a forma β independentemente da temperatura.

Propriedades quimicas

O diagrama de Pourbaix de titânio em água pura, ácido perclórico, ou hidróxido de sódio

Como alumínio e magnésio , metais titânio e suas ligas oxidar imediatamente após a exposição ao ar. Titânio reage facilmente com oxigénio a 1200 ° C (2190 ° F) em ar, e a 610 ° C (1130 ° F) em oxigénio puro, formando dióxido de titânio . É, no entanto, lentos a reagir com água e ar a temperatura ambiente porque forma um passiva revestimento de óxido que protege o metal grandes quantidades de oxidação adicional. Quando primeiras formas, esta camada protectora é de apenas 1-2 nm de espessura, mas continua a crescer lentamente; atingindo uma espessura de 25 nm, em quatro anos.

Passivação atmosférica dá titânio excelente resistência à corrosão, quase equivalente ao de platina . O titânio é capaz de suportar o ataque por diluído sulfúrico e os ácidos clorídrico , soluções de cloreto, e a maioria dos ácidos orgânicos. No entanto, o titânio é corroído por ácidos concentrados. Como indicado pelo seu potencial redox negativo, o titânio é termodinamicamente um metal muito reactivo que queima em atmosfera normal, a temperaturas mais baixas do que o ponto de fusão. De fusão é possível apenas em uma atmosfera inerte ou no vácuo. A 550 ° C (1022 ° F), combina-se com o cloro. É também reage com outros halogéneos e absorve hidrogénio.

O titânio é um dos poucos elementos que queima em gás de azoto puro, reagindo a 800 ° C (1470 ° F) para formar nitreto de titânio , o que faz com que a fragilização. Devido à sua elevada reactividade com oxigénio, azoto, e alguns outros gases, de titânio filamentos são aplicados em bombas de titânio sublimação como sequestrantes para estes gases. Tais bombas de forma barata e fiável produzir extremamente baixas pressões em vácuo ultra-alto sistemas.

Ocorrência

2011 a produção de rutilo e ilmenite
País mil
toneladas
% Do total
Austrália 1.300 19,4
África do Sul 1.160 17,3
Canadá 700 10.4
Índia 574 8,6
Moçambique 516 7.7
China 500 7,5
Vietnã 490 7.3
Ucrânia 357 5,3
Mundo 6.700 100

O titânio é o nono-mais abundante elemento em Terra crosta (0,63% em massa ) e o sétimo mais abundante de metal. Ela está presente como óxidos na maioria rochas ígneas , em sedimentos deles derivados, nos seres vivos, e corpos de água naturais. Dos 801 tipos de rochas ígneas analisados pelo United States Geological Survey , 784 continha titânio. A sua proporção em solos é de aproximadamente 0,5 a 1,5%.

Contendo titânio comuns minerais são anatase , brookite , ilmenite , perovskita , rutilo , e titanite (sphene). Akaogiite é um mineral extremamente raro que consiste em dióxido de titânio. Destes minerais, única rutilo e ilmenite tem importância econômica, mas mesmo eles são difíceis de encontrar em altas concentrações. Cerca de 6,0 e 0,7 milhões de toneladas desses minerais foram minadas em 2011, respectivamente. Existem depósitos de ilmenite de titânio-peso significativo no oeste da Austrália , Canadá , China , Índia , Moçambique , Nova Zelândia , Noruega , Serra Leoa , África do Sul e Ucrânia . Cerca de 186.000 toneladas de titânio esponja de metal foram produzidos em 2011, principalmente na China (60.000 t), Japão (56.000 t), Rússia (40.000 t), Estados Unidos (32.000 t) e Cazaquistão (20.700 t). As reservas totais de titânio são estimados para exceder 600 milhões de toneladas.

A concentração de titânio é de cerca de 4 picomolar no oceano. À temperatura de 100 ° C, a concentração do titânio em água é estimado como sendo inferior a 10 -7 M a pH 7. A identidade das espécies de titânio em solução aquosa permanece desconhecida devido à sua baixa solubilidade e a falta de métodos espectroscópicos sensíveis, embora apenas o estado de oxidação 4+ é estável em ar. Não existe evidência para um papel biológico, embora raras organismos são conhecidos para acumular concentrações elevadas de titânio.

O titânio está contido em meteoritos , e foi detectada no Sol e em -M tipo estrelas (o tipo mais fresco) com uma temperatura de superfície de 3200 ° C (5790 ° F). Rochas trazidas da Lua durante a Apollo 17 missão é composta de 12,1% TiO 2 . Também é encontrada em carvão cinzas, plantas , e mesmo o humano corpo. Titânio nativa (puro metálico) é muito raro.

isótopos

Naturalmente ocorrendo titânio é composto por 5 estáveis isótopos : 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti, e 50 Ti, com 48 Ti sendo o mais abundante (73,8% de abundância natural ). Onze radioisótopos têm sido caracterizados, os mais estáveis 44 Ti com uma meia-vida de 63 anos; 45 Ti, 184.8 minutos; 51 Ti, 5,76 minutos; e 52 Ti, 1,7 minutos. Todos os outros radioativos isótopos têm meia-vida inferior a 33 segundos e a maioria, menos de meio segundo.

Os isótopos de gama de titânio em peso atómico de 39,99 u ( 40 Ti) de 57,966 L ( 58 Ti). O principal modo de decaimento antes do isótopo estável mais abundante, 48 Ti, é de captura de electrões e o modo primário depois é a emissão beta . Os principais produtos de decomposição antes 48 Ti são elemento (21 escândio ) isótopos e os produtos primários após elemento são 23 ( vanádio ) isótopos.

Titânio torna-se radioactivo mediante bombardeamento com deutério , emitindo principalmente positrões e duras raios gama .

compostos

Uma broca toque colorido de aço com a ranhura espiral colorida em um tom dourado.
Revestido de estanho broca pouco

A 4 estado de oxidação domina química de titânio, mas os compostos em o 3 estado de oxidação também são comuns. Comumente, titânio adopta uma geometria de coordenação octaédrica em seus complexos, mas tetraédrico TiCl 4 é uma notável excepção. Devido ao seu elevado estado de oxidação, de titânio (IV) compostos que exibem um elevado grau de ligação covalente . Ao contrário da maioria dos outros metais de transição, simples aquo Ti (IV) os complexos são desconhecidos.

Óxidos, sulfetos e alcóxidos

O óxido mais importante é o TiO 2 , que existe em três importantes polimorfos ; anatase , brookita e rutilo . Todos estes são diamagnéticos sólidos brancos, embora amostras de minerais pode aparecer escuro (ver rutilo ). Elas adoptam estruturas poliméricas em que Ti é rodeada por seis óxido de ligandos que se ligam a outros centros de Ti.

O termo titanatos geralmente refere-se ao titânio (IV), compostos, tal como representado por titanato de bário (BaTiO 3 ). Com uma perovsquita estrutura, este material apresenta piezoeléctricos propriedades e é usado como um transdutor na interconversão de som e electricidade . Muitos minerais são titanatos, por exemplo, ilmenite (FeTiO 3 ). Safiras e os rubis obter a sua asterismo (brilho formador de estrela) a partir da presença de impurezas de dióxido de titânio.

Uma variedade de óxidos reduzidos ( subóxidos ) de titânio são conhecidos, principalmente reduzidas estequiometrias de dióxido de titânio obtidos por plasma atmosférico pulverização .ti 3 O 5 , descrito como um Ti (IV) -ti (III) espécies, é um semicondutor roxo produzido pela redução de TiO 2 com hidrogénio a altas temperaturas, e é utilizado industrialmente quando as superfícies precisam de ser revestidas com dióxido de titânio-vapor: evapora tão pura TiO, ao passo que o TiO 2 evapora-se como uma mistura de óxidos e depósitos de revestimentos com índice de refracção variável. Também conhecido é Ti 2 O 3 , com o corindo estrutura, e TiO , com a estrutura de sal de rocha, ainda que muitas vezes estequiométrico.

Os alcóxidos de titânio (IV), preparado por reacção de TiCl 4 com álcoois, são compostos incolores que convertem para o dióxido de reacção com água. Eles são industrialmente úteis para depositar TiO sólido 2 através do processo sol-gel . Isopropóxido de titânio é utilizado na síntese de compostos orgânicos quirais por meio da epoxidação de Sharpless .

Titânio forma uma variedade de sulfetos, mas apenas TIS 2 tem atraído interesse significativo. Adopta uma estrutura em camadas e foi usado como um cátodo no desenvolvimento de pilhas de lítio . Uma vez que Ti (IV) é uma "catião duro" , os sulfuretos de titânio são instáveis e tendem a hidrolisar para o óxido com libertação de sulfureto de hidrogénio.

Nitretos e carbonetos

Nitreto de titânio (TiN) é um membro de uma família de nitretos de metais de transição refractários e exibe propriedades semelhantes a ambos os compostos covalentes, incluindo; estabilidade termodinâmica, dureza extrema, condutividade térmica / eléctrica, e um ponto de fusão elevado. TiN tem uma dureza equivalente a safira e carborundum (9,0 na escala de Mohs ), e é muitas vezes usado para ferramentas de corte de revestimento, tais como brocas de perfuração . É também utilizado como um acabamento decorativo colorido-ouro e como um metal de barreira na fabricação de semicondutores . Carboneto de titânio , que também é muito difícil, é encontrado em ferramentas e revestimentos de corte.

De titânio (III) compostos são caracteristicamente violeta, ilustrado por esta solução aquosa de tricloreto de titânio .

halogenetos

O tetracloreto de titânio (cloreto de titânio (IV), TiCl 4 ) é um líquido volátil incolor (amostras comerciais são amarelado) que, no ar, hidrolisa com emissão espectacular das nuvens brancas. Através do processo de Kroll , TiCl 4 é produzido na conversão de minérios de titânio para dióxido de titânio, por exemplo, para uso em tinta branca. É amplamente utilizada em química orgânica como um ácido de Lewis , por exemplo, no Mukaiyama condensação aldólica . No processo de van Arkel , tetraiodeto de titânio (Tii 4 ) é gerado na produção de alta pureza de metal titânio.

Titânio (III) e titânio (II) também formam cloretos estáveis. Um exemplo notável é titânio (III) cloreto de (TiCl 3 ), que é utilizado como um catalisador para a produção de poliolefinas (ver catalisador de Ziegler-Natta ) e uma redução de agente em química orgânica.

complexos organometálicos

Devido ao papel importante dos compostos de titânio como polimerização do catalisador, os compostos com ligações Ti-C têm sido intensamente estudadas. O complexo organotitânio mais comum é titanoceno dicloreto de ((C 5 H 5 ) 2 TiCl 2 ). Os compostos relacionados incluem reagente de Tebbe e reagente de Petasis . Titânio forma complexos de carbonilo , por exemplo (C 5 H 5 ) 2 Ti (CO) 2 .

terapia anti-cancro

No seguimento do sucesso de -base de platina quimioterapia, titânio (IV) foram complexos entre os primeiros compostos não-platina a ser testados para o tratamento do cancro. A vantagem dos compostos de titânio encontra-se na sua elevada eficácia e baixa toxicidade. Em ambientes biológicos, hidrólise conduz ao dióxido de titânio segura e inerte. Apesar destas vantagens os primeiros compostos candidatos falhou ensaios clínicos. Além disso o desenvolvimento resultou na criação de drogas potencialmente eficazes, selectivos, e estáveis à base de titânio. Seu modo de ação ainda não está bem compreendida.

História

imagem do perfil gravado de um homem mid-idade, com testa alta.  A pessoa está usando um revestimento e um lenço.
Martin Heinrich Klaproth nomeado titânio para os Titans de mitologia grega

Titanium foi descoberto em 1791 pelo clérigo e geólogo amador, William Gregor , como a inclusão de um mineral em Cornwall , Inglaterra. Gregor reconheceu a presença de um novo elemento em ilmenite quando ele encontrou areia preta por um córrego e notou a areia foi atraído por um ímã . Analisando a areia, que determinada a presença de dois óxidos metálicos: óxido de ferro (explicando a atracção para o íman) e 45,25% de um óxido metálico branco que não podia identificar. Percebendo que o óxido não identificado continha um metal que não encontrou nenhum elemento conhecido, Gregor relatou suas descobertas à Real Sociedade Geológica da Cornualha e na revista científica alemã de Crell Annalen .

Na mesma época, Franz-Joseph Müller von Reichenstein produziu uma substância similar, mas não conseguiu identificá-lo. O óxido foi redescoberta de forma independente em 1795 pelo prussiano químico Martin Heinrich Klaproth em rutilo de Boinik (nome alemão Bajmócska), uma aldeia na Hungria (agora Bojnický na Eslováquia). Klaproth descobriu que ele continha um elemento novo e nomeou-o para os Titans de mitologia grega . Depois de ouvir sobre descoberta anterior de Gregor, ele obteve uma amostra de manaccanite e confirmou que ele continha titânio.

Os processos actualmente conhecidos para a extracção de titânio a partir dos seus vários minérios são laboriosas e dispendiosas; não é possível reduzir o minério por aquecimento com carbono (como em fundição de ferro) porque titânio combina com o carbono para a produção de carboneto de titânio . Titânio metálico puro (99,9%) foi preparado pela primeira vez em 1910 por Matthew A. Hunter no Rensselaer Polytechnic Institute por aquecimento de TiCl 4 com sódio a 700-800 ° C sob grande pressão em um processo descontínuo conhecida como o processo de Hunter . De metal de titânio não foi utilizado fora do laboratório até 1932 quando William Justin Kroll provou que pode ser produzido por redução de tetracloreto de titio (TiCl 4 ) com cálcio . Oito anos mais tarde ele refinou este processo com magnésio e até mesmo de sódio no que ficou conhecido como o processo de Kroll . Embora a pesquisa continua em processos mais eficientes e mais baratos (por exemplo, FFC Cambridge , Armstrong ), o processo de Kroll ainda é usado para a produção comercial.

Esponja de titânio, feita pelo processo de Kroll

Titânio de muito alta pureza foi feita em pequenas quantidades, quando Anton Eduard van Arkel e Jan Hendrik de Boer descoberto o iodeto, ou barra de cristal , processo em 1925, por reacção com iodo e decompor os vapores formados ao longo de um filamento quente de metal puro.

Nos anos 1950 e 1960, a União Soviética foi pioneira no uso de titânio em aplicações militares e submarinos ( classe Alfa e classe Mike ) como parte de programas relacionados com a Guerra Fria. Começando no início de 1950, titânio entrou em uso extensivamente na aviação militar, especialmente em jatos de alta performance, começando com aeronaves como o F-100 Super Sabre e Lockheed A-12 e SR-71 .

Reconhecendo a importância estratégica de titânio, os EUA Departamento de Defesa apoiou os esforços iniciais de comercialização.

Durante todo o período da Guerra Fria, o titânio foi considerado um material estratégico pelo governo dos EUA, e um grande estoque de esponja de titânio foi mantida pela Defesa Nacional Stockpile Centro , que foi finalmente esgotado na década de 2000. De acordo com dados de 2006, o maior produtor do mundo, com sede em russo VSMPO-AVISMA , foi estimada em cerca de 29% da quota de mercado mundial. A partir de 2015, metal esponja de titânio foi produzido em seis países: China, Japão, Rússia, Cazaquistão, os EUA, Ucrânia e Índia. (em ordem de saída).

Em 2006, os EUA Defesa Agência de Projetos de Pesquisa Avançada (DARPA) recebeu US $ 5,7 milhões para um consórcio de duas empresas para desenvolver um novo processo para a tomada de metal titânio em pó . Sob calor e pressão, o pó pode ser utilizado para criar artigos fortes e leves, que variam de blindagem para os componentes para as indústrias aeroespacial, de transporte, e de processamento químico.

Produção e fabricação

Um pequeno amontoado de grãos negros uniformes menores do que 1 mm de diâmetro.
Titânio (concentrado de mineral)
produtos de titânio básicos: placa, tubo, hastes, e pó

O processamento de metal de titânio ocorre em quatro etapas principais: a redução de minério de titânio em "esponja", uma forma porosa; fusão de esponja, ou esponja além de uma liga principal para formar um lingote; fabricação primário, onde um lingote é convertido em produtos de moinho gerais, tais como tarugos , barra, placa , folha , tira, e tubo ; e fabricação secundária de formas acabados de produtos de moinho.

Uma vez que não pode ser prontamente produzido por redução do seu dióxido de carbono, de metal titânio é obtido por redução de TiCl 4 com magnésio metálico no processo de Kroll. A complexidade desta produção de lotes no processo Kroll explica o valor de mercado relativamente elevada de titânio, apesar do processo de Kroll ser menos caro do que o processo de Hunter. Para produzir o TiCl 4 exigido pelo processo de Kroll, o dióxido é submetido a redução carbotérmica na presença de cloro . Neste processo, o gás de cloro é feito passar sobre uma mistura quente de rutilo ou de ilmenite, na presença de carbono. Após extensa purificação por destilação fraccionada , o TiCl 4 é reduzida com 800 ° C fundido de magnésio numa atmosfera de árgon atmosfera. De metal titânio pode ser adicionalmente purificado pelo processo de van Arkel-de Boer , que envolve a decomposição térmica de tetraiodeto de titânio.

Um método de produção de lotes mais recentemente desenvolvidos, o processo FFC Cambridge, consome pó de dióxido de titânio (uma forma refinada de rutilo) como matéria-prima e produz o metal titânio, pó ou esponja. O processo envolve menos etapas do que o processo de Kroll e leva menos tempo. Se são utilizados pós de óxidos misturados, o produto é uma liga .

Ligas de titânio comuns são feitas por redução. Por exemplo, cuprotitanium (rutilo com cobre adicionado é reduzida), ferrocarbono titânio (ilmenite reduzida com coque num forno eléctrico), e manganotitanium (rutilo com óxidos de manganês ou de manganês) são reduzidos.

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 (1100 ° C)

Cerca de cinquenta graus de titânio e ligas de titânio e são concebidos actualmente utilizados, embora apenas um par de dúzia são facilmente disponíveis comercialmente. O ASTM International reconhece 31 graus de titânio de metal e ligas, dos quais os tipos de um a quatro estão comercialmente puro (não ligado). Aqueles quatro variar em resistência à tracção como uma função de oxigénio conteúdo, com o grau 1, sendo o mais dúctil (menor resistência à tracção com um teor de oxigénio de 0,18%), e o grau 4 a menos dúctil (mais alta resistência à tracção com um teor de oxigénio de 0,40% ). As notas restantes ligas são, cada um desenhado para as propriedades específicas de ductilidade, força, dureza, da resistividade eléctrica, fluência de resistência, resistência à corrosão específica, e suas combinações.

Para além das especificações de ASTM, ligas de titânio também são produzidos para atender aeroespaciais e militares especificações (SAE-AMS, MIL-T), as normas ISO, e especificações específicos de cada país, bem como as especificações de propriedade de utilizador final para a indústria aeroespacial, militar, médicos e aplicações industriais.

Pó de titânio é fabricado utilizando uma produção fluxo processo conhecido como o processo de Armstrong que é semelhante ao processo de Hunter produção do lote. Um fluxo de gás de tetracloreto de titânio é adicionado a uma corrente de fundido de metal de sódio; os produtos de cloreto de sódio ( sal e partículas de titânio) é filtrado a partir da extra de sódio. O titânio é então separado a partir do sal por lavagem com água. Ambos sio e cloro são reciclados para produzir e processar mais tetracloreto de titânio.

Todos soldadura de titânio deve ser feito em uma atmosfera inerte de árgon ou hélio para protegê-lo de contaminação com gases atmosféricos (oxigénio, azoto e hidrogénio ). Contaminação causa uma variedade de condições, tais como a fragilização , que reduzem a integridade das juntas de montagem e conduzem a falha da junta.

Produto plano comercialmente puro (folha, placa) pode ser formado prontamente, mas o processamento deve ter em conta o facto de que o metal tem uma "memória" e tende a saltar para trás. Isto é especialmente verdadeiro de certas ligas de alta resistência. Titânio não podem ser soldadas sem primeiro pré- plaqueamento que num metal que é soldável . O metal pode ser maquinada com o mesmo equipamento e o mesmo processo como o aço inoxidável .

aplicações

Um cilindro de titânio de qualidade "grau 2"

O titânio é usado em aço como um elemento de liga ( ferro-titânio ) para reduzir o tamanho de grão e como desoxidante, e em aço inoxidável, para reduzir o teor de carbono. O titânio é muitas vezes em liga com o alumínio (para refinar o tamanho de grão), vanádio , cobre (para endurecer), ferro , manganês , molibdénio , e outros metais. Produtos de moinho de titânio (folha, placas, barras, fios, peças forjadas, fundidos) encontrar aplicação em industrial, aeroespacial, recreativos e mercados emergentes. Titânio em pó é utilizado na pirotecnia como uma fonte de partículas queima-brilhantes.

Pigmentos, aditivos, e revestimentos

Vidro de relógio sobre uma superfície preta com uma pequena porção de pó branco
O dióxido de titânio é o composto mais comummente usado de titânio

Cerca de 95% de todo o minério de titânio é destinado para refinamento em dióxido de titânio ( Ti O
2
), uma permanente intensamente brancopigmentousado em tintas, papel, pasta de dentes, e plásticos. É também utilizado no cimento, em pedras preciosas, como um agente opacificante em óptico de papel, e um agente de reforço em canas de pesca compósitos de grafite e tacos de golfe.

TiO
2
em pó é quimicamente inerte, resiste ao desbotamento na luz solar, e é muito opaco: que confere uma cor branca pura e brilhante para os produtos químicos castanhos ou cinza que formam a maioria dos plásticos de uso doméstico. Na natureza, este composto é encontrado no mineraisanatase,brookita, e rutilo. Tinta feita com dióxido de titânio faz bem em temperaturas extremas e ambientes marinhos. Dióxido de titânio puro tem um muito altoíndice de refracçãoe umadispersão ópticamaior do que odiamante. Além de ser um pigmento muito importante, o dióxido de titânio também é usado em filtros solares.

Aeroespacial e marinho

Porque as ligas de titânio tem alta resistência à tracção a taxa de densidade, alta resistência à corrosão , resistência à fadiga, resistência à quebra elevada, e capacidade de resistir a temperaturas moderadamente elevadas, sem rastejando , eles são utilizados em aeronaves, blindagem, navios de guerra, naves espaciais, e mísseis. Para estas aplicações, o titânio é ligado com alumínio, zircónio, níquel, vanádio, e outros elementos para o fabrico de uma variedade de componentes, incluindo partes críticas estruturais, paredes de fogo, o trem de aterragem , condutas de escape (helicópteros), e sistemas hidráulicos. De facto, cerca de dois terços de todo o metal titânio produzido é utilizado em motores de avião e quadros. O titânio 6Al-4V contas de liga para quase 50% de todas as ligas utilizadas em aplicações de aeronaves.

O Lockheed A-12 e seu desenvolvimento a SR-71 "Blackbird" foram dois dos primeiros quadros de aviões, onde foi usado titânio, abrindo o caminho para o uso muito mais amplo nas forças armadas modernas e aviões comerciais. Estima-se que 59 toneladas métricas (130.000 libras) são utilizados no Boeing 777 , 45 no Boeing 747 , 18 no Boeing 737 , 32 no Airbus A340 , 18 no A330 , e 12 na A320 . O Airbus A380 pode usar 77 toneladas, das quais cerca de 11 toneladas nos motores. Em aplicações de motores aero, o titânio é utilizado para rotores, ps de compressor, componentes do sistema hidráulico, e naceles . Um uso precoce em motores a jato foi para o Orenda Iroquois na década de 1950.

Porque o titânio é resistente à corrosão pela água do mar, que é usado para fazer os eixos de hélice, aparelho, e permutadores de calor em instalações de dessalinização ; aquecedor-chillers para aquários de água salgada, linha de pesca e líder, e facas de mergulho. O titânio é usado nos alojamentos e componentes de vigilância implantados-mar e dispositivos de monitoramento para a ciência e os militares. A ex- União Soviética desenvolveu técnicas para a tomada de submarinos com cascos de ligas de titânio forjamento de titânio em grandes tubos de vácuo.

O titânio é usado nas paredes da sonda Juno de abóbada para proteger sistemas electrónicos de bordo.

Industrial

De alta pureza (99,999%) de titânio com visíveis cristalitos

Tubos soldados de titânio e equipamentos de processo (permutadores de calor, tanques, recipientes de processo, válvulas) são usados nas indústrias química e petroquímica principalmente para a resistência à corrosão. Ligas específicos são utilizados em aplicações de poços de petróleo e de gás e de níquel hidrometalurgia para a sua alta resistência (por exemplo: titânio beta liga C), a resistência à corrosão, ou ambos. A indústria de pasta e papel utiliza titânio em equipamento de processo expostos a meios corrosivos, tal como o hipoclorito de sódio ou gás de cloro húmido (no de branqueamento). Outras aplicações incluem soldagem ultra-sônica , onda de solda , e pulverização catódica metas.

O tetracloreto de titânio (TiCl 4 ), um líquido incolor, é importante como um intermediário no processo de tomada de TiO 2 e também é utilizado para produzir o catalisador de Ziegler-Natta . Tetracloreto de titânio também é usado para iridize vidro e, porque fumos fortemente no ar úmido, que é usado para fazer cortinas de fumaça.

Consumidor e arquitectónico

De metal de titânio é utilizado em aplicações automóveis, particularmente no automóvel e motociclo de corrida onde o baixo peso e grande resistência e rigidez são críticos. O metal é geralmente muito caro para o mercado consumidor em geral, embora alguns modelo atrasados Corvettes foram fabricados com escapamentos de titânio, e uma LT4 do Corvette Z06 motor supercharged usa válvulas de admissão de titânio leve, sólido para maior resistência e resistência ao calor.

O titânio é usado em muitos artigos esportivos: raquetes de tênis, tacos de golfe, eixos vara lacrosse; críquete, hóquei, churrasqueiras lacrosse, e capacete de futebol, e quadros de bicicletas e componentes. Apesar de não ser um material convencional para a produção de bicicletas, motos de titânio têm sido usados por equipes de corrida e ciclistas de aventura .

As ligas de titânio são usadas em armações de óculos que são bastante caros, mas altamente durável, de longa duração, peso leve, e não causam alergias de pele. Muitos mochileiros usam equipamentos de titânio, incluindo panelas, utensílios, lanternas, e estacas da barraca comer. Embora um pouco mais caro do que as alternativas de aço ou alumínio tradicionais, produtos de titânio pode ser significativamente mais leve sem comprometer a resistência. Ferraduras de titânio são preferíveis ao aço por ferradores , porque eles são mais leves e mais duráveis.

Revestimento de titânio de Frank Gehry 's Museu Guggenheim , Bilbao

Titânio tem sido ocasionalmente utilizados em arquitectura. A 42,5 m (139 pés) Padrão Yuri Gagarin , o primeiro homem a viajar no espaço ( 55 ° 42'29.7 "N 37 ° 34'57.2" E  /  55,708250 37,582556 ° N ° E / 55.708250; 37.582556 ), bem como a 110 m (360 pés) Padrão dos conquistadores do espaço na parte superior do Museu cosmonauta em Moscovo são feitos de titânio para a cor atraente do metal e associação com foguetes. O Museu Guggenheim de Bilbao e do Millennium Biblioteca Cerritos foram os primeiros edifícios na Europa e América do Norte, respectivamente, a ser revestida de painéis de titânio. Revestimento de titânio foi usada no Frederic C. Construção Hamilton, em Denver, Colorado.

Devido a força de titânio e leveza superiores em relação a outros metais (aço, aço inoxidável, e de alumínio), e por causa dos recentes avanços nas técnicas de acabamento de metais, a sua utilização tornou-se mais difundida na fabricação de armas de fogo. Principais usos incluem quadros de pistola e cilindros de revólver. Pelas mesmas razões, é usado no corpo de computadores portáteis (por exemplo, em A Apple linha PowerBook 's).

Algumas ferramentas sofisticado leves e resistentes à corrosão, tais como as pás e as lanternas, são feitas de titânio ou ligas de titânio.

Joalheria

Relação entre a tensão e a cor para titânio anodizado. (Cateb, 2010).

Devido à sua durabilidade, titânio tornou-se mais popular para designer de jóias (particularmente, os anéis de titânio ). Sua inércia faz com que seja uma boa escolha para aqueles com alergias ou aqueles que estarão vestindo a jóia em ambientes como piscinas. O titânio também é ligado com ouro para produzir uma liga que pode ser comercializado como 24 quilates ouro porque o 1% de Ti ligado é insuficiente para exigir uma marca menor. A liga resultante é mais ou menos a dureza de ouro de 14 quilates e é mais durável do que pura de ouro de 24 quilates.

Durabilidade do Titanium, peso leve, e dent e resistência à corrosão torná-lo útil para assistir casos. Alguns artistas trabalham com titânio para produzir esculturas, objetos de decoração e mobiliário.

O titânio pode ser anodizado para variar a espessura da camada de óxido superficial, causando ópticos franjas de interferência e uma variedade de cores brilhantes. Com esta coloração e inércia química, o titânio é um metal popular para a perfuração do corpo .

Titanium tem um uso menor em moedas e medalhas Não-Circulante dedicados. Em 1999, Gibraltar lançado primeira moeda de titânio do mundo para a celebração do milênio. Os Gold Coast Titans , uma equipe da liga de rugby australiano, atribuir uma medalha de titânio puro ao seu jogador do ano.

Médico

Porque o titânio é biocompatível (não-tóxico e não rejeitados pelo corpo), tem muitas utilizações médicas, incluindo instrumentos cirúrgicos e implantes, tais como bolas de quadril e tomadas ( substituição da articulação ) e implantes dentários que pode permanecer no local por até 20 anos. O titânio é muitas vezes misturado com cerca de 4% de alumínio ou 6% de Al e 4% de vanádio.

parafusos médicos e placa utilizados para reparação da fractura do pulso, é escala em centímetros.

Titanium tem a capacidade inerente de osseointegrate , permitindo o uso em implantes dentários que podem durar mais de 30 anos. Essa propriedade também é útil para implantes ortopédicos aplicações. Estes benefícios de menor módulo de elasticidade de titânio ( módulo de Young ) a corresponder a mais de perto a do osso que tais dispositivos são destinados a reparar. Como resultado, as cargas do esqueleto são mais equitativamente distribuídos entre o osso e o implante, levando a uma menor incidência de degradação de osso, devido ao stress e de blindagem periprostética do osso fracturas, que ocorrem nas fronteiras de implantes ortopédicos. No entanto, a rigidez ligas de titânio é ainda mais do que duas vezes a do osso, de modo osso adjacente suporta uma carga muito reduzida e pode deteriorar-se.

Porque o titânio é não- ferromagnético , os pacientes com implantes de titânio pode ser examinada de forma segura com a imagem por ressonância magnética (conveniente para implantes de longo prazo). Preparando titânio para implantação no corpo envolve submetendo-o a uma alta temperatura de plasma a arco que remove os átomos da superfície, expondo titânio fresco que é imediatamente oxidado.

O titânio é usado para os instrumentos cirúrgicos utilizados na cirurgia guiada por imagem , bem como cadeiras de rodas, muletas, e quaisquer outros produtos onde a elevada resistência e baixo peso são desejáveis.

Dióxido de titânio nanopartículas são amplamente utilizados em electrónica e a entrega de produtos farmacêuticos e cosméticos.

armazenamento de resíduos nucleares

Devido a isto é a resistência à corrosão, os recipientes feitos de titânio têm sido estudados para o armazenamento a longo prazo de resíduos nucleares. Recipientes que duram mais de 100.000 anos são pensados ​​possível com condições de fabricação que minimizam defeitos materiais. Um titânio "escudo de gotejamento" também pode ser instalado por cima de recipientes de outros tipos de aumentar a sua longevidade.

biorremediação

As espécies de fungos Oreades Marasmius e capnoides Hypholoma pode bioconversão de titânio em solos poluídos titânio.

Precauções

As folhas verdes escuras dentadas elípticas de urtiga
Urtigas conter até 80 partes por milhão de titânio.

Titanium não é tóxico mesmo em doses grandes e não desempenham qualquer papel natural no interior do corpo humano . Uma quantidade estimada de 0,8 miligramas de titânio é ingerido por seres humanos por dia, mas a maioria passa sem ser absorvido nos tecidos. É, no entanto, por vezes, bio-acumular-se em tecidos que contêm sílica . Um estudo indica uma possível ligação entre o titânio e Síndrome das unhas amarelas . Um mecanismo desconhecido em plantas pode utilizar titânio para estimular a produção de hidratos de carbono e encorajar o crescimento. Isto pode explicar porque a maioria das plantas contenha cerca de 1 parte por milhão (ppm) de titânio, as plantas alimentares têm cerca de 2 ppm, e cavalinha e urtiga conter até 80 ppm.

Como um pó ou sob a forma de aparas de metal, de metal titânio constitui um risco significativo de fogo e, quando aquecido, em ar , o risco de explosão. Água e dióxido de carbono são ineficazes para extinguir o fogo de titânio; Classe D agentes de pó seco deve ser utilizado em vez disso.

Quando utilizado na produção ou manipulação de cloro , titânio não deve ser exposto a secar o gás de cloro, pois pode resultar num incêndio de titânio-cloro. Mesmo cloro úmido apresenta um risco de incêndio quando as condições meteorológicas extremas causar ressecamento inesperado.

O titânio pode pegar fogo quando uma superfície fresca, não oxidado entra em contacto com o oxigénio líquido . De metal fresca pode ser exposta quando a superfície oxidada é atingido ou riscada com um disco objecto, ou quando a tensão mecânica provoca uma fissura. Isto constitui uma limitação para o seu uso em sistemas de oxigénio líquido, tais como aqueles na indústria aeroespacial. Devido impurezas de tubos de titânio pode causar incêndios quando exposta ao oxigénio, o titânio é proibida em sistemas de respiração de oxigénio gasosas. Tubos de aço é utilizado para sistemas de alta pressão (3000 psi) e tubos de alumínio para sistemas de baixa pressão.

Veja também

Referências

Bibliografia

links externos