Sifat fizikal dan kimia titanium

Titanium ialah logam peralihan berwarna putih keperakan dengan ketumpatan hanya 4.54g/cm³, iaitu kira-kira 40% lebih ringan daripada besi, tetapi mempunyai kekuatan yang setanding dengan keluli. Sifat ringan dan berkekuatan tinggi ini menjadikan titanium digunakan secara meluas dalam semua lapisan masyarakat. Jadi, apakah sifat fizikal dan kimia titanium?

1. Struktur atom titanium
Pertama, mari kita lihat struktur atom titanium. Titanium terletak dalam Kumpulan IVB jadual berkala, dengan nombor atom 22. Nukleus terdiri daripada 22 proton dan 20-32 neutron, dan struktur elektron luar nuklear disusun sebagai 1S22S22P63S23D24S2. Jejari nukleus ialah 5x{11}} cm. Struktur atom unik ini memberikan sifat fizikal dan kimia unik titanium.

2. Sifat fizikal titanium
Ketumpatan titanium ialah 4.506-4.516 g/cm3 (20 darjah ), takat lebur ialah 1668±4 darjah, haba pendam lebur ialah 3.7-5. 0 atom kcal/g, takat didih ialah 3260±20 darjah, haba pendam pengewapan ialah 102.5-112.5 kcal/g atom, suhu kritikal ialah 4350 darjah , dan tekanan kritikal ialah 1130 atmosfera. Kekonduksian haba dan kekonduksian elektrik titanium adalah lemah, sama atau lebih rendah sedikit daripada keluli tahan karat. Titanium mempunyai superkonduktiviti dan suhu kritikal superkonduktif titanium tulen ialah 0.38-0.4K. Pada 25 darjah, kapasiti haba titanium ialah 0.126 kal/g atom·darjah, entalpi haba ialah 1149 kal/g atom, dan entropi ialah 7.33 kal/g atom·darjah. Titanium logam ialah bahan paramagnet dengan kebolehtelapan magnetik 1.00004.
Titanium mempunyai keplastikan. Pemanjangan titanium ketulenan tinggi boleh mencapai 50-60%, dan pengecutan keratan rentas boleh mencapai 70-80%, tetapi kekuatannya rendah dan ia tidak sesuai untuk bahan struktur. Kehadiran bendasing dalam titanium mempunyai pengaruh yang besar terhadap sifat mekanikalnya, terutamanya kekotoran celahan (oksigen, nitrogen, karbon) boleh meningkatkan kekuatan titanium dengan ketara dan mengurangkan keplastikannya dengan ketara. Sifat mekanikal yang baik bagi titanium sebagai bahan struktur dicapai dengan mengawal ketat kandungan kekotoran yang sesuai dan menambah unsur mengaloi.

3. Sifat kimia titanium
Titanium boleh bertindak balas dengan banyak unsur dan sebatian pada suhu yang lebih tinggi. Pelbagai unsur boleh dibahagikan kepada empat kategori mengikut tindak balas yang berbeza dengan titanium:
Kategori 1: Unsur kumpulan halogen dan oksigen membentuk sebatian kovalen dan ionik dengan titanium;
Kategori 2: Unsur peralihan, hidrogen, berilium, kumpulan boron, kumpulan karbon dan unsur kumpulan nitrogen membentuk sebatian antara logam dan larutan pepejal terhad dengan titanium;
Kategori 3: Zirkonium, hafnium, kumpulan vanadium, kumpulan kromium, unsur skandium membentuk larutan pepejal tanpa had dengan titanium;
Kategori 4: Gas lengai, logam alkali, logam alkali tanah, unsur nadir bumi (kecuali skandium), aktinium, torium, dsb. tidak bertindak balas dengan titanium atau pada dasarnya tidak bertindak balas.

4. Tindak balas dengan sebatian:
HF dan fluorida
Gas hidrogen fluorida bertindak balas dengan titanium untuk membentuk TiF4 apabila dipanaskan, dan formula tindak balas ialah (1); cecair hidrogen fluorida bukan akueus boleh membentuk filem tetrafluorida titanium padat pada permukaan titanium, yang boleh menghalang HF daripada menembusi bahagian dalam titanium. Asid hidrofluorik adalah fluks terkuat untuk titanium. Malah asid hidrofluorik dengan kepekatan 1% boleh bertindak balas dengan kuat dengan titanium; fluorida kontang dan larutan berairnya tidak bertindak balas dengan titanium pada suhu rendah, dan hanya fluorida cair bertindak balas dengan ketara dengan titanium pada suhu tinggi.
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.0 kcal (1) 2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2

HCl dan klorida
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 darjah untuk membentuk TiCl4, lihat formula (3); asid hidroklorik dengan kepekatan<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＋94.75kcal (3)2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2 (4)

Asid sulfurik dan hidrogen sulfida
Selepas titanium bertindak balas dengan asid sulfurik cair<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% mempunyai tindak balas yang ketara dengan titanium. Pada suhu bilik, kira-kira 40% asid sulfurik mempunyai kadar kakisan terpantas pada titanium. Apabila kepekatan lebih daripada 40% dan mencapai 60%, kadar kakisan menjadi perlahan dan mencapai paling cepat pada 80%. Asid cair yang dipanaskan atau asid sulfurik pekat 50% boleh bertindak balas dengan titanium untuk membentuk titanium sulfat, lihat formula (5), (6). Asid sulfurik pekat yang dipanaskan boleh dikurangkan oleh titanium untuk membentuk SO2, lihat formula (7). Pada suhu bilik, titanium bertindak balas dengan hidrogen sulfida untuk membentuk filem pelindung pada permukaannya, yang boleh menghalang tindak balas selanjutnya antara hidrogen sulfida dan titanium. Walau bagaimanapun, pada suhu tinggi, hidrogen sulfida bertindak balas dengan titanium untuk mendakan hidrogen, seperti yang ditunjukkan dalam formula (8). Serbuk titanium mula bertindak balas dengan hidrogen sulfida pada 600 darjah untuk membentuk titanium sulfida. Pada 900 darjah, produk tindak balas terutamanya TiS, dan pada 1200 darjah, ia adalah 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)

Asid nitrik dan aqua regia
Titanium padat dan licin mempunyai kestabilan yang baik kepada asid nitrik, kerana asid nitrik dengan cepat boleh membentuk filem oksida yang kuat pada permukaan titanium, tetapi permukaan kasar, terutamanya span titanium atau serbuk titanium, boleh bertindak balas dengan asid nitrik cair rendah dan panas, lihat formula (9), (10), dan asid nitrik pekat melebihi 70 darjah juga boleh bertindak balas dengan titanium, lihat formula (11); pada suhu bilik, titanium tidak bertindak balas dengan aqua regia. Pada suhu tinggi, titanium boleh bertindak balas dengan aqua regia untuk membentuk TiCl2.
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO (10)
Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)

Secara ringkasnya, sifat titanium berkait rapat dengan suhu, bentuk sedia ada dan ketulenannya. Titanium logam padat bersifat agak stabil, tetapi titanium serbuk boleh menyebabkan pembakaran spontan di udara. Kehadiran kekotoran dalam titanium dengan ketara menjejaskan rintangan fizikal, kimia, mekanikal dan kakisan titanium. Khususnya, beberapa kekotoran celahan boleh memesongkan kekisi titanium dan menjejaskan pelbagai sifat titanium. Pada suhu bilik, aktiviti kimia titanium adalah sangat kecil dan boleh bertindak balas dengan beberapa bahan seperti asid hidrofluorik, tetapi aktiviti titanium meningkat dengan cepat apabila suhu meningkat, terutamanya pada suhu tinggi, titanium boleh bertindak balas dengan kuat dengan banyak bahan. Proses peleburan titanium secara amnya dijalankan pada suhu tinggi lebih daripada 800 darjah, jadi ia mesti dikendalikan dalam vakum atau di bawah perlindungan suasana lengai.