Il titanio È un metallo di transizione rappresentato dal simbolo chimico Ti. È il secondo metallo che appare dal blocco d della tavola periodica, subito dopo lo scandio. Il suo numero atomico è 22, e si trova in natura come molti isotopi e radioisotopi, di cui il 48Sei il più abbondante di tutti.
Il suo colore è grigio argento e le sue parti sono ricoperte da uno strato protettivo di ossido che rende il titanio un metallo molto resistente alla corrosione. Se questo strato è giallastro, è nitruro di titanio (TiN), che è un composto che si forma quando questo metallo brucia in presenza di azoto, una proprietà unica e distinta.
Oltre a quanto sopra, è altamente resistente agli urti meccanici nonostante sia più leggero dell'acciaio. Ecco perché è conosciuto come il metallo più forte di tutti e il suo stesso nome è sinonimo di forza. Ha anche resistenza e leggerezza, due caratteristiche che lo rendono un materiale desiderabile per la produzione di aeromobili..
Allo stesso modo, e non meno importante, il titanio è un metallo biocompatibile piacevole al tatto, motivo per cui viene utilizzato in gioielleria per realizzare anelli; e nella biomedicina, come gli impianti ortopedici e dentali, in grado di integrarsi nei tessuti ossei.
Tuttavia, i suoi usi più noti risiedono in TiODue, come pigmento, additivo, rivestimento e fotocatalizzatore.
È il nono elemento più abbondante sulla Terra e il settimo tra i metalli. Nonostante ciò, il suo costo è elevato a causa delle difficoltà che bisogna superare per estrarlo dai suoi minerali, tra cui rutilo, anatasio, ilmenite e perovskite. Di tutti i metodi di produzione, il processo Kroll è il più utilizzato al mondo.
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Il titanio fu identificato per la prima volta nel minerale di ilmenite nella Valle di Manaccan (Regno Unito), dal pastore e mineralogista dilettante William Gregor, nel 1791. Riuscì a identificare che conteneva un ossido di ferro, poiché le sue sabbie si muovevano per l'influenza di un magnete; ma ha anche riferito che c'era un altro ossido di un metallo sconosciuto, che ha chiamato "manacanite".
Sfortunatamente, anche se si è rivolto alla Royal Geological Society of Cornwall e altrove, i suoi contributi non hanno suscitato scalpore per non essere un uomo di scienza riconosciuto..
Quattro anni dopo, nel 1795, il chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth riconobbe indipendentemente lo stesso metallo; ma nel minerale rutilo di Boinik, attualmente in Slovacchia.
C'è chi sostiene che abbia chiamato questo nuovo metallo "titanio" ispirato alla sua robustezza in somiglianza con i Titani. Altri sostengono che fosse dovuto più alla neutralità degli stessi personaggi mitologici. Così, il titanio è nato come elemento chimico e Klaproth è stato successivamente in grado di concludere che era la stessa manacanite del minerale ilmenite.
Da allora, sono iniziati i tentativi di isolarlo da tali minerali; ma la maggior parte di loro non ebbero successo, poiché il titanio si contaminò con ossigeno o azoto, o formò un carburo che era impossibile ridurre. Lars Nilson e Otto Pettersson impiegarono quasi un secolo (1887) per preparare un campione con il 95% di purezza..
Poi, nel 1896, Henry Moissan riuscì ad ottenere un campione con una purezza fino al 98%, grazie all'azione riducente del sodio metallico. Tuttavia, questi titani impuri erano fragili per l'azione degli atomi di ossigeno e azoto, quindi era necessario progettare un processo per tenerli lontani dalla miscela di reazione..
E con questo approccio ha avuto origine il Processo Hunter nel 1910, ideato da Matthew A. Hunter in collaborazione con la General Electric del Rensselaer Polytechnic Institute..
Vent'anni dopo, in Lussemburgo, William J. Kroll ideò un altro metodo che utilizzava calcio e magnesio. Oggi, il processo Kroll rimane uno dei metodi principali per la produzione di titanio metallico su scala commerciale e industriale..
Da questo momento in poi, la storia del titanio segue il corso delle sue leghe nelle applicazioni per l'industria aerospaziale e militare..
Il titanio puro può cristallizzare con due strutture: una esagonale compatta (hcp), chiamata fase α, e una cubica centrata sul corpo (bcc), chiamata fase β. Quindi, è un metallo dimorfico, in grado di subire transizioni allotropiche (o di fase) tra le strutture hcp e bcc..
La fase α è la più stabile a temperatura e pressione ambiente, con gli atomi di Ti circondati da dodici vicini. Quando la temperatura viene portata a 882 ° C, il cristallo esagonale diventa cubico, meno denso, il che è coerente con le maggiori vibrazioni atomiche causate dal calore..
All'aumentare della temperatura, la fase α si oppone a una maggiore resistenza termica; cioè, aumenta anche il suo calore specifico, quindi è necessario sempre più calore per raggiungere 882 ° C.
E se invece di aumentare la temperatura, la pressione lo facesse? Quindi ottieni cristalli bcc distorti.
In questi cristalli metallici, gli elettroni di valenza degli orbitali 3d e 4s intervengono nel legame che unisce gli atomi di Ti, secondo la configurazione elettronica:
[Ar] 3dDue 4sDue
Ha a malapena quattro elettroni da condividere con i suoi vicini, risultando in bande 3d quasi vuote, e quindi il titanio non è un buon conduttore di elettricità o calore come altri metalli..
Ancora più importante di quanto detto sulla struttura cristallina del titanio, è che entrambe le fasi, α e β, possono formare le proprie leghe. Questi possono essere costituiti da leghe α o β pure o miscele di entrambe in proporzioni diverse (α + β).
Allo stesso modo, la dimensione dei rispettivi grani cristallini influenza le proprietà finali di dette leghe di titanio, nonché la composizione in massa e le relazioni degli additivi aggiunti (altri pochi metalli o atomi di N, O, C o H)..
Gli additivi esercitano un'influenza significativa sulle leghe di titanio perché possono stabilizzare alcune delle due fasi specifiche. Ad esempio: Al, O, Ga, Zr, Sn e N sono additivi che stabilizzano la fase α (cristalli di hcp più densi); e Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe e altri sono additivi che stabilizzano la fase β (cristalli bcc meno densi).
Lo studio di tutte queste leghe di titanio, della loro struttura, composizione, proprietà e applicazioni, sono oggetto di lavori metallurgici che si affidano alla cristallografia.
Secondo la configurazione elettronica, il titanio avrebbe bisogno di otto elettroni per riempire completamente gli orbitali 3d. Ciò non può essere ottenuto in nessuno dei suoi composti e al massimo guadagna fino a due elettroni; cioè può acquisire numeri di ossidazione negativi: -2 (3d4) e -1 (3d3).
Il motivo è dovuto all'elettronegatività del titanio e che, inoltre, è un metallo, quindi ha una maggiore tendenza ad avere numeri di ossidazione positivi; come +1 (3dDue4s1), +2 (3dDue4s0), +3 (3d14s0) e +4 (3d04s0).
Nota come gli elettroni degli orbitali 3d e 4s se ne vanno quando si presume l'esistenza dei cationi Ti+, voiDue+ e così via.
Il numero di ossidazione +4 (Ti4+) è il più rappresentativo di tutti perché corrisponde a quello del titanio nel suo ossido: TiODue (Voi4+ODueDue-).
Metallo grigio argento.
47,867 g / mol.
1668 ° C. Questo punto di fusione relativamente alto lo rende un metallo refrattario..
3287 ° C.
1200 ° C per il metallo puro e 250 ° C per la polvere finemente suddivisa.
Il titanio è un metallo duttile se manca di ossigeno.
4,506 g / mL. E al suo punto di fusione, 4,11 g / mL.
14,15 kJ / mol.
425 kJ / mol.
25060 J / mol K.
1.54 della scala Pauling.
Primo: 658,8 kJ / mol.
Secondo: 1309,8 kJ / mol.
Terzo: 2652,5 kJ / mol.
6.0.
Dei numeri di ossidazione, +2, +3 e +4 sono i più comuni e quelli a cui si fa riferimento nella nomenclatura tradizionale quando si nominano i composti di titanio. Altrimenti, le regole dello stock e le nomenclature sistematiche rimangono le stesse.
Ad esempio, considera TiODue e il TiCl4, due dei composti più noti del titanio.
Lo si è già detto in TiODue il numero di ossidazione del titanio è +4 e quindi, essendo il più grande (o positivo), il nome deve terminare con il suffisso -ico. Quindi, il suo nome è ossido titanico, secondo la nomenclatura tradizionale; ossido di titanio (IV), secondo la nomenclatura stock; e biossido di titanio, secondo la nomenclatura sistematica.
E per TiCl4 procederemo in modo più diretto:
Nomenclatura: nome
-Tradizionale: cloruro titanico
-Stock: cloruro di titanio (IV)
-Sistematica: tetracloruro di titanio
In inglese questo composto è spesso indicato come "solletico".
Ogni composto di titanio può anche avere nomi propri al di fuori delle regole di denominazione e dipenderà dal gergo tecnico del campo in questione..
Il titanio, sebbene sia il settimo metallo più abbondante sulla Terra e il nono più abbondante nella crosta terrestre, non si trova in natura come un metallo puro ma in combinazione con altri elementi negli ossidi minerali; meglio conosciuti come minerali titaniferi.
Pertanto, per ottenerlo, è necessario utilizzare questi minerali come materia prima. Alcuni di loro sono:
-Titanite o sfene (CaTiSiO5), con impurità di ferro e alluminio che ne fanno diventare verdi i cristalli.
-Brookite (TiODue ortorombica).
-Rutilo, il polimorfo più stabile di TiODue, seguito dai minerali anatasio e brookite.
-Ilmenita (FeTiO3).
-Perovskite (CaTiO3)
-Leucoxene (miscela eterogenea di anatasio, rutilo e perovskite).
Si noti che sono menzionati diversi minerali titaniferi, anche se ce ne sono altri. Tuttavia, non tutti sono ugualmente abbondanti e, allo stesso modo, possono presentare impurità difficili da rimuovere e che mettono a rischio le proprietà del titanio metallico finale..
Questo è il motivo per cui lo sfene e la perovskite vengono solitamente utilizzati per la produzione di titanio, poiché il loro contenuto di calcio e silicio è difficile da rimuovere dalla miscela di reazione..
Di tutti questi minerali, il rutilo e ilmenite sono i più utilizzati commercialmente e industrialmente a causa del loro alto contenuto di TiODue; cioè sono ricchi di titanio.
Selezione di uno qualsiasi dei minerali come materia prima, TiODue in loro deve essere ridotto. Per fare ciò, i minerali, insieme al carbone, vengono riscaldati a fuoco vivo in un reattore a letto fluido a 1000 ° C. Lì, il TiODue reagisce con il cloro gassoso secondo la seguente equazione chimica:
ZioDue(s) + C (s) + 2ClDue(g) => TiCl4(l) + CODue(g)
Il TiCl4 È un liquido incolore impuro, poiché a quella temperatura si scioglie insieme ad altri cloruri metallici (ferro, vanadio, magnesio, zirconio e silicio) originati dalle impurità presenti nei minerali. Pertanto, il TiCl4 quindi viene purificato mediante distillazione frazionata e precipitazione.
TiCl già purificato4, specie più facile da ridurre, viene versato in un contenitore di acciaio inox a cui viene applicato il vuoto, per eliminare ossigeno e azoto, e viene riempito con argon per garantire un'atmosfera inerte che non intacchi il titanio prodotto. Nel processo viene aggiunto magnesio, che reagisce a 800 ° C secondo la seguente equazione chimica:
TiCl4(l) + 2Mg (l) => Ti (s) + 2MgClDue(l)
Il titanio precipita come un solido spugnoso, che viene sottoposto a trattamenti per purificarlo e dargli forme solide migliori, oppure viene utilizzato direttamente per la fabbricazione di minerali di titanio.
Il titanio ha un'elevata resistenza alla corrosione grazie a uno strato di TiODue che protegge l'interno del metallo dall'ossidazione. Tuttavia, quando la temperatura supera i 400 ° C, un sottile pezzo di metallo inizia a bruciare completamente per formare una miscela di TiO.Due e TiN:
Ti (s) + ODue(g) => TiODue(S)
2Ti (s) + NDue(g) => TiN (s)
Entrambi i gas, ORDue e nDue, logicamente sono nell'aria. Queste due reazioni si verificano rapidamente una volta che il titanio si è surriscaldato. E se si trova come una polvere finemente suddivisa, la reazione è ancora più vigorosa, motivo per cui il titanio in questo stato solido è altamente infiammabile..
Questo strato di TiODue-Il TiN non solo protegge il titanio dalla corrosione, ma anche dall'attacco di acidi e basi, quindi non è un metallo facile da sciogliere.
Per ottenere ciò, è necessario utilizzare acidi altamente concentrati e portarli a ebollizione, ottenendo una soluzione color porpora risultante dai complessi acquosi del titanio; ad esempio, [Ti (OHDue)6]+3.
Tuttavia, esiste un acido che può dissolverlo senza molte complicazioni: acido fluoridrico:
2Ti (s) + 12HF (aq) 2 [TiF6]3-(aq) + 3HDue(g) + 6H+(aq)
Il titanio può reagire direttamente con gli alogeni per formare i rispettivi alogenuri. Ad esempio, la tua reazione allo iodio è la seguente:
Ti (s) + 2IDue(s) => TiI4(S)
In modo simile accade con fluoro, cloro e bromo, dove si forma una fiamma intensa.
Quando il titanio è finemente suddiviso, non solo è soggetto ad accensione, ma anche a reagire vigorosamente con forti agenti ossidanti alla minima fonte di calore..
Parte di queste reazioni viene utilizzata per la pirotecnica, poiché vengono generate scintille bianche luminose. Ad esempio, reagisce con il perclorato di ammonio secondo l'equazione chimica:
2Ti (s) + 2NH4ClO4(s) => 2TiODue(s) + NDue(g) + ClDue(g) + 4HDueO (g)
Il titanio metallico di per sé non rappresenta alcun rischio per la salute di coloro che ci lavorano. È un solido innocuo; A meno che non sia macinato come una polvere di particelle fini. Questa polvere bianca può essere pericolosa a causa della sua elevata infiammabilità, menzionata nella sezione reazioni..
Quando il titanio è macinato, la sua reazione con l'ossigeno e l'azoto è più veloce e più vigorosa e può persino bruciare in modo esplosivo. Ecco perché rappresenta un terribile rischio di incendio se dove è immagazzinato viene colpito dalle fiamme..
Durante la combustione, il fuoco può essere spento solo con grafite o cloruro di sodio; mai con l'acqua, almeno per questi casi.
Allo stesso modo, il loro contatto con gli alogeni dovrebbe essere evitato a tutti i costi; cioè con qualsiasi fuoriuscita gassosa di fluoro o cloro, o che interagisce con il liquido rossastro del bromo o con i cristalli volatili di iodio. Se questo accade, il titanio prende fuoco. Né deve entrare in contatto con agenti ossidanti forti: permanganati, clorati, perclorati, nitrati, ecc..
In caso contrario, i suoi lingotti o leghe non possono rappresentare rischi maggiori dei colpi fisici, poiché non sono ottimi conduttori di calore o elettricità e sono piacevoli al tatto..
Se il solido finemente suddiviso è infiammabile, lo deve essere ancora di più quello costituito da nanoparticelle di titanio. Tuttavia, il focus di questa sottosezione è dovuto alle nanoparticelle di TiODue, che sono stati utilizzati in infinite applicazioni dove meritano il loro colore bianco; come dolci e caramelle.
Sebbene il loro assorbimento, distribuzione, escrezione o tossicità nel corpo non sia noto, è stato dimostrato che sono tossici negli studi sui topi. Ad esempio, hanno dimostrato che genera enfisema e arrossamento nei polmoni, così come altri disturbi respiratori nel loro sviluppo.
Per estrapolazione dai topi a noi, si conclude che la respirazione di nanoparticelle di TiODue colpisce i nostri polmoni. Possono anche alterare la regione dell'ippocampo del cervello. Inoltre, l'Agenzia internazionale per la ricerca sul cancro non li esclude come possibili agenti cancerogeni..
Parlare degli usi del titanio si riferisce necessariamente al suo composto biossido di titanio. Lo zioDue infatti copre circa il 95% di tutte le applicazioni riguardanti questo metallo. I motivi: il suo colore bianco, è insolubile, ed è anche atossico (per non parlare delle nanoparticelle pure).
Ecco perché viene solitamente utilizzato come pigmento o additivo in tutti quei prodotti che richiedono colorazioni bianche; come dentifricio, medicinali, caramelle, carta, gemme, vernici, plastica, ecc..
Lo zioDue può anche essere utilizzato per creare pellicole per rivestire qualsiasi superficie, come vetro o strumenti chirurgici.
Avendo questi rivestimenti, l'acqua non può bagnarli e scorre su di essi, come farebbe la pioggia sui parabrezza delle auto. Gli strumenti con questi rivestimenti potrebbero uccidere i batteri assorbendo i raggi UV.
L'urina del cane o la gomma da masticare non possono fissarsi su asfalto o cemento a causa dell'azione del TiODue, che ne faciliterebbe la successiva rimozione.
E infine per quanto riguarda TiODue, è un fotocatalizzatore, in grado di originare radicali organici che, però, vengono neutralizzati da film di silice o allumina nelle creme solari. Il suo colore bianco indica già chiaramente che deve avere questo ossido di titanio.
Il titanio è un metallo dotato di notevole resistenza e durezza in relazione alla sua bassa densità. Questo lo rende un sostituto dell'acciaio per tutte quelle applicazioni in cui sono necessarie velocità elevate o sono progettati aeromobili con apertura alare di grandi dimensioni, come l'aereo A380 nell'immagine sopra..
Ecco perché questo metallo ha molti usi nell'industria aerospaziale, poiché resiste all'ossidazione, è leggero, forte e le sue leghe possono essere migliorate con gli additivi esatti..
Non solo nell'industria aerospaziale il titanio e le sue leghe sono al centro dell'attenzione, ma anche nell'industria sportiva. Questo perché molti dei loro utensili devono essere leggeri in modo che chi li indossa, giocatori o atleti, possano maneggiarli senza sentirsi troppo pesanti..
Alcuni di questi articoli sono: biciclette, bastoni da golf o da hockey, caschi da calcio, racchette da tennis o da badminton, spade da scherma, pattini da ghiaccio, sci, tra gli altri..
Allo stesso modo, sebbene in misura molto minore a causa del suo costo elevato, il titanio e le sue leghe sono stati utilizzati nelle auto di lusso e sportive..
Il titanio macinato può essere miscelato, ad esempio, con KClO4, e fungere da fuoco d'artificio; che, appunto, sono fatte da chi le fa negli spettacoli pirotecnici.
Il titanio e le sue leghe sono i materiali metallici per eccellenza nelle applicazioni biomedicali. Sono biocompatibili, inerti, resistenti, difficili da ossidare, non tossici e si integrano perfettamente con le ossa.
Questo li rende molto utili per impianti ortopedici e dentali, per articolazioni artificiali dell'anca e del ginocchio, come viti per riparare fratture, per pacemaker o cuori artificiali..
Il ruolo biologico del titanio è incerto e, sebbene sia noto che può accumularsi in alcune piante e favorire la crescita di alcune colture agricole (come il pomodoro), i meccanismi in cui interviene sono sconosciuti..
Si dice che promuova la formazione di carboidrati, enzimi e clorofille. Si ipotizza che sia dovuto ad una risposta degli organismi vegetali difendersi dalle basse concentrazioni biodisponibili di titanio, poiché per loro dannosi. Tuttavia, la questione è ancora nell'oscurità.
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