شیمی کاربردی

مقدمه:   تیتانیم خالص فلزی درخشنده و به رنگ سفید است. دارای مقاومت بالا در برابر خوردگی می باشد. این عنصر که در هوا می سوزد تنها عنصری است که در نیتروژن هم می سوزد. تیتانیم در برابر اسید هیپوکلریک و اسید سولفوریک رقیق و بیشتر اسیدهای آلی و گاز کلرو محلولهای کلری مقاوم است.
تیتانیم طبیعی از بمباران مواد رادیواکتیو با دوترونها حاصل می شود. این تشعشعات رادیو اکتیوی بیشتر پوزیترونها و اشعه های گاما با قدرت بالا هستند. فلز تیتانیم از نظر فیزیولوژی بی اثر است. تیتانیم می تواند در دمای برافروختگی با اکسیژن و در دمای 550 درجه سانتیگراد با کلر ترکیب شود. زمانی که دی اکسید تیتانیم خالص است سطح آن بسیار براق می شود و حتی میتواند بیشتر از الماس خاصیت انعکاس نور دارد.

         تیتانیم طبیعی شامل 5 ایزوتوپ است که جرم اتمی آن از 46 تا 50 در تغییر است. همه این عناصر پایدار هستند. هشت ایوتوپ دیگر این عنصر ناپایدار هستند.
مهمترین آلیاژهای عنصر تیتانیم با آلومینیم ، مولیبدن، منگنز، آهن و دیگر فلزات است.
ترکیبات تیتانیم به علت سبکی وزن و مقاومت بالا در برابر تغییردما ، بیشتر برای ساخت هواپیماها و گلوله ها به کار می رود. تیتانیم فلزی است که مثل فولاد سخت و محکم است اما 45 % از فولاد سبکتر است.
این عنصر دارای مقاومت بالا است به همین دلیل برای استفاده درآب دریا و برای پروانه هواپیما و کشتی، بادبانها و قطعات یدکی کشتیها استفاده می شود. این عنصر به صورت مصنوعی ساخته می شود و زمانی که مصنوعی باشد برای استفاده جواهرات مورد استفاده قرار می گیرد. درخشش یاقوت کبود و یاقوت سرخ به علت وجود اکسید تیتانیم در ترکیب آنها می باشد.

اطلاعات اولیه:  تیتانیم عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی دارای نشان Ti و عدد اتمی 22 است. تیتانیم که عنصری است نرم ، سبک ، نقره‌ای براق ، درخشان و فلز انتقالی مقاوم در برابر فرسایش ، در آلیاژهای محکم و سبک و رنگدانه‌های سفید کاربرد دارد. این عنصر در مواد معدنی متعددی وجود دارد، ولی منابع اصلی آن ، روتیل و ایلمنیت هستند.

تاریخچه:  تیتانیم ( واژه لاتین Titans ، اولین فرزند پسر Gaia ) در سال 1791 در انگلستان توسط "William Gregor" که متوجه وجود عنصرجدیدی در ایلمنیت شده بود، کشف شد. این عنصر چند سال بعد توسط "Heinrich Klaproth" شیمیدان آلمانی در کانی روتیل دوباره کشف گردید. در سال 1795، Klaproth این عنصر جدید را بر اساس Titan در اساطیر یونان نامگذاری نمود.

"Matthew A. Hunter" در سال 1910 بوسیله حرارت دادن TiCl₄ با سدیم در بمب فولادی در دمای 800-700 درجه سانتی‌گراد برای اولین بار تیتانیم فلزی خالص ( 9/99% ) تهیه کرد. فلز تیتانیم تا سال 1946 خارج از آزمایشگاه کاربردی نداشت. در این سال ، "William Justin Kroll" اثبات نمود که می‌توان تیتانیم را بوسیله کاهش تتراکلرید تیتانیم با منیزیم بصورت تجاری تولید کرد؛ ( این روش امروزه همچنان مورد استفاده است ).

خواص اتمی وفیزیکی      

خصوصیات :

 تیتانیم ، عنصر فلزی است که به سبب مقاومت زیاد خود در برابر فرسودگی ( تقریبا" به مقاومت پلاتینیم ) و استحکامی که نسبت به وزن خود دارد، معروف است. فلزی است سبک ، محکم ، قابل ساخت آسان با جرم حجمی پایین 40% ( هم‌چگال با فولاد ) که به شکل خالص کاملا" چکش خوار ، آسان برای کار ، براق و به رنگ نقره‌ای درخشان می‌باشد. نقطه ذوب نسبتا" زیاد این عنصر ، آنرا به یک فلز دیر گداز مفید تبدیل کرده است.

تالیم به سختی فولاد اما 45% سبکتر از آن است و با اینکه 60% سنگین‌تر از آلومینیوم می‌باشد، دو برابر محکم‌تر از آن است. این خصوصیات ، تیتانیم را در برابر انواع معمولی فرسودگی بسیار مقاوم می‌کند. این فلز در معرض هوا یک لایه اکسید بی‌اثری را تولید می‌کند، اما اگر در محیطهای بدون اکسیژن قرار گیرد، انعطاف‌پذیر است.

این فلز که اگر در هوا گرم شود، شروع به سوختن می‌کند، تنها عنصری است که می‌تواند در گاز نیتروژن خالص بسوزد. تیتانیم در مقابل اسید سولفوریک رقیق ، اسید هیدروکلریک ، گاز کلر ، محلولهای کلرید و بیشتر اسیدهای آلی مقاوم است.

تجربیات نشان داده است که تیتانیم بعد از بمباران با دوترون ، بسیار رادیواکتیو شده و عمدتا" ارسال پوزیترون و اشعه‌های نیرومند گاما می‌کند. این عنصر دارای دو گونه است؛ شکل آلفا چهار ضلعی که در دمای 880 درجه سانتی‌گراد به‌آرامی به شکل بتا مکعبی تغییر می‌کند. اگر در اثر حرارت سرخ شود، با اکسیژن ترکیب شده و در حرارت 550 درجه سانتی‌گراد با کلر ترکیب می‌گردد.

کاربردها:                                                                                               

• تقریبا" 95% تیتانیم به شکل دی‌اکسید تیتانیم       ( TiO₂) مصرف می‌شود که رنگدانه سفید ثابتی است با قدرت پوشش خوب در رنگها ، کاغذ و پلاستیکها. رنگهایی که با دی‌اکسید تیتانیم ساخته می‌شوند، منعکس‌کننده‌های بسیار خوب پرتو مادون قرمز هستند و بنابراین منجمان ، بطور گسترده ای از آن استفاده می‌کنند.
• آلیاژهای تیتانیم به علت استحکام ، سبکی ، مقاومت بسیار زیاد در برابر فرسودگی و توانایی تحمل حرارتهای بسیار زیاد در هواپیما و موشک مورد استفاده قرار می‌گیرند، اگرچه کاربردهای آن در محصولات مصرفی مثل چوب گلف ، دوچرخه و کامپیوترهای laptop نیز در حال رواج است. تیتانیم بیشتر با آلومینیوم ، آهن ، منگنز ، مولیبدنم و مواد دیگر آلیاژ می‌سازد.
• به‌علت مقاومت زیاد آن در برابر آب دریا ، از آن برای ساخت میله‌های پروانه و وسایل کشتی استفاده می‌شود.
• برای ساخت سنگ جواهرهای مصنوعی ظریف بکار می‌رود.
• مایع بی‌رنگ تتراکلرید تیتانیم ( TiCl₄ ) برایiridize شیشه مورد استفاده قرار می‌گیرد و چون در هوای مرطوب شدیدا" تولید بخار می‌کند، برای ایجاد پرده دود ( جهت استتار ) نیز کاربرد دارد.
• علاوه بر اینکه دی‌اکسید تیتانیم ، رنگدانه بسیار مهمی است، چون خودش توانایی محافظت از پوست را دارد، در کرمهای ضد آفتاب بکار برده می‌شود.
• چون این فلز از نظر فیزیولوژیکی بی‌اثر محسوب می‌شود، در پیوندهای جایگزینی مفصل مثل لگن مورد استفاده است.
• به‌علت بی‌اثری و رنگهای جذاب ، استفاده از آن بعنوان زیورآلات بدن رایج شده است.

·       یکی از کاربردهای بالقوه تیتانیم ، در کارخانه‌های آب‌شیرین‌کن است.

تولید

        فلز تیتانیم بصورت تجاری بوسیله کاهش TiCl₄ با منیزیم تولید می‌شود. این فرآیند را William Justin Kroll در سال 1946 ابداع کرد. این فرآیند گروهی ، گران و پیچیده است، اما ممکن است فرآیند جدیدتری که روش "FFC-Cambridge" نامیده می‌شود، جایگزین روش قدیمی گردد. در این روش از ماده خام پودر دی‌اکسید تیتانیم ( که شکل تصفیا شده روتیل است ) برای تولید نهایی که جریان مداومی از تیتانیم مذاب است استفاده می‌شود. از این محصول بلافاصله در ساخت آلیاژهای تجاری بهره می‌برند.

امید است با استفاده از روش FFC-Cambridge مقدار بیشتری تیتانیم و با هزینه ای کمتر برای صنعت هوافضا و بازار کالاهای زینتی تهیه شود و شاهد استفاده از این فلز در محصولاتی که در حال حاضر از آلومینیم و انواع خاص فولاد استفاده می‌کنند، باشیم.

ترکیبات

اگرچه فلز تیتانیم به‌علت هزینه زیاد استخراج نسبتا" متداول نیست، دی‌اکسید تیتانیم ارزان ، به مقدار زیاد موجود و دارای کاربرد وسیعی به‌عنوان رنگدانه سفید در صنعت رنگسازی ، پلاستیک و سیمان ساختمان می‌باشد. پودرTio₂ از نظر شیمیایی بی‌اثر است، در نور آفتاب رنگ خود را حفظ می‌کند و بسیار مات است. این خصوصیت باعث می‌شود تا مواد شیمیایی خاکستری یا قهوه‌ای که بیشتر پلاستیکهای خانگی را تشکیل می‌دهند، به رنگ سفید خالص درخشانی تبدیل کند. دی‌اکسید تیتانیم خالص دارای ضریب شکست بسیار بالا و تجزیه نوری بیشتر از الماس است. یاقوت کبود ستاره‌ای و یاقوت قرمز درخشندگی خود را از دی‌اکسید تیتانیوم موجود در خود می‌‌گیرند.

ایزوتوپ ها

تیتانیم بطور طبیعی دارای 5 ایزوتوپ پایدار تیتانیم 46 ، تیتانیم47 ، تیتانیم48 ، تیتانیم49 و تیتانیم50 است که فراوانترین آنها تیتانیم 48 ( فراوانی طبیعی 8/73% ) می‌باشد. 11 رادیوایزوتوپ هم برای این عنصر شناسایی شده است که پایدارترین آنها تیتانیم 44 بانیمه عمر 63 سال ، تیتا نیم 45 با نیمه عمر 184,8 دقیقه ، تیتانیم 51 با نیمه عمر 5,76 دقیقه و تیتانیم 52 با نیمه عمر 1,7 دقیقه هستند.
سایر ایزوتوپهای رادیواکتیو ، نیمه عمری کمتر از 33 ثانیه دارند که نیمه عمر اکثر آنها کمتر از نیم ثانیه می‌باشد. ایزوتوپهای تیتانیم از نظر وزن اتمی بین amu 99,39 (تیتانیم 40) و amu 966,57 (تیتانیم 58) قرار دارند. حالت فروپاشی اولیه قبل از فراوانترین ایزوتوپ (تیتانیم 48) جذب الکترون و حالت اولیه پس از آن ارسال بتا می‌باشد. محصول فروپاشی اولیه قبل از تیتانیم 48 ایزوتوپهای عنصر 21 ( اسکاندیم ) و محصول اولیه پس از آن ایزوتوپهای عنصر 23 ( وانادیم ) می‌باشد.

هشدارها

پودر فلز تیتانیم خطر جدی آتش‌زایی دارد، اما نمکهای

آنرا در بیشتر موارد نسبتا"بی‌ضرر به حساب می‌آورند.

 اما ترکیبات با کلر را مثل TiCl₃ و TiCl₄ باید خورنده در

نظر گرفت. تیتانیم به تجمع در بافتهایی از بدن که

دارای سیلیکا است، تمایل دارد؛ اما این عنصر هیچگونه

 نقش بیولوژیکی شناخته شده ای در انسان ندارد.