دانشچی پورتال جامع تحقیق و مقاله، مطالب علمی و هنری ، وبگردی و…
همه چیز درباره عنصر تیتانیم (Ti)
تیتانیم، (به انگلیسی: Titanium) با علامت اختصاری Ti و عدد اتمی 22، عنصری از جدول تناوبی در دسته فلزات واسطه است که در ادامه بیشتر با آن آشنا می شوید. با دانشچی همراه باشید.
تیتانیم 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.
شناسنامه تیتانیم
عدد اتمی: 22
جرم اتمی: 47.867
نقطه ذوب: C°1660
نقطه جوش: C°3287
شعاع اتمی: Å 2.0
ظرفیت: 2
رنگ: سفید نقره ای
حالت استاندارد: جامد
نام گروه: 4
انرژی یونیزاسیون: Kj/mol 6.82
شکل الکترونی: 1s22s2p63s23 p63d24s2
شعاع یونی: Å 0.605
الکترونگاتیوی: 1.54
حالت اکسیداسیون: 4
دانسیته: 1.55
تاریخچه تیتانیم
عنصر تیتانیم (واژه لاتین Titans، اولین فرزند پسر Gaia) در سال 1791 در انگلستان توسط “William Gregor” که متوجه وجود عنصر جدیدی 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).
پیدایش تیتانیم
فلز تیتانیم در طبیعت بصورت ترکیب با سایر عناصر وجود دارد و این عنصر، نهمین عنصر فراوان در پوسته زمین محسوب میشود (06/0% کل جرم) و در بیشتر سنگهای آذرین و رسوبات آنها یافت میشود. بیشتر در مواد معدنی brookite ,ilmenite ,leucoxene ,perovskite ,rutile ،anatase و sphene وجود داشته و نیز در سنگ معدن آهن و titanates دیده میشود.
از میان این مواد معدنی فقط ilmenite ،leucoxene و rutile از نظر اقتصادی اهمیت دارند. چون تیتانیم بهراحتی در دماهای زیاد با اکسیژن و کربن واکنش میکند، تهیه فلز تیتانیم خالص مشکل است. منابع مهم تیتانیم در استرالیا، اسکاندیناوی، آمریکای شمالی و مالزی قرار دارند.
این فلز در شهاب سنگ ها یافت شده و حضور آن در خورشید و ستارگان نیز شناسایی شده است. سنگهایی که در ماموریت آپولو 17 از ماه آورده شدهاند، حاوی 1/12% TiO2 هستند. بعلاوه تیتانیم در خاکستر ذغال سنگ، گیاهان و حتی بدن انسان یافت شده است.
کاربرد تیتانیم
عمده ترین مصرف تیتانیوم در صنایع به دو صورت فلزی و دی اکسید تیتانیوم است. شکل فلزی آن به دلیل مشکلات تهیه و خالص سازی مصرف چندانی ندارد، اما در عوض مصرف اکسید آن بصورت TiO2 در صنعت کاربرد بسیار گسترده ای دارد: به طوری که 90 درصد از صنایع اولیه مصرف کننده اکسید تیتانیوم هستند.
امروزه فلز تیتانیوم به عنوان یک فلز استراتژیک در موتور و ساختمان داخلی هواپیما موشک ها، جت ها، ماشین های نساجی وسایل شیمیایی وسایل جراحی وسایل نمک زدایی وسایل ارتوپدی، وسایل غذاسازی هدفهای لوله های اشعه ایکس، وسایل ساینده، تجهیزات حمل و نقل صنایع شیمیایی، واحدهای مولد برق، صنایع آلیاژی، ساخت زیردریایی ها، کارخانه های ساخت مواد شیمیایی، دستگاههای خنک کننده نیروگاه های اتمی و حرارتی و ده ها مورد دیگر کاربرد دارد.
مصرف عمده دی اکسید تیتانیوم در صنایع رنگ سازی به عنوان رنگ دانه می باشد و همچنین این ماده در صنایع سرامیک، پلاستیک، کاغذ و الکترونیک کاربرد دارد. مصرف این ماده در کشورهای پیشرفته تقریباً 10 برابر کشورهای در حال توسعه می باشد.
مصارف عمده:
فلز تیتانیم در محیط های فرسایشی بسیار مقاوم می باشد. تیتانیوم خالص و یا آلیاژهای آن با ناخالصی کم در کارخانه های سولفور زدایی مشتقات نفتی در تجهیزات مربوط به چاه های نفت و در اتصالات مورد نیاز و همچنین در موارد پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد. از طرفی هم اکنون ورق های فولادی یا پوشش تیتانیوم تولید شده که به علت خاصیت ضد فرسایشی کاربرد وسیعی در صنعت نفت و در مراحل سولفورزدایی مشتقات نفتی در پالایشگاه ها پیدا کرده اند.
دیگر مصرف عمده این فلز در صنعت هواپیما سازی است. امروزه در ایران علاوه بر صنایع هوایی و نظامی رویکردی خاص به این فلز در صنایع شیمیایی به خصوص در صنایع پتروشیمی دیده می شود. این به نوبه خود باعث ایجاد مجال مناسبی جهت کار بر روی این فلز و تهیه روشهای استاندارد تولید تجهیزات تیتانیمی در ایران می گردد.
سایر مصارف عمده تیتانیوم را می توان به صورت زیر خلاصه نمود: ساخت کاربید تیتانیوم، سرامیک، در فرآیندهای شیمیایی و الکتروشیمیایی، ساخت ورقه های فلزی و باز یافت آنها صنعت نفت، سولفورزدایی گاز مایع، نمک زدایی آب (تصفیه آب) ساخت پمپ های مکش آب از دریا، ساختمان سازی، پزشکی (قطعات تعویض در بدن دندان ها)، صنایع اتومبیل سازی، ساخت انباره های مخصوص برای نگهداری از موادی نظیر ضایعات اتمی و غیره، الیاف تقویت کننده برای استفاده در ترکیبات فلزی، رباط های صنعتی، جواهر سازی، ساخت انواع آلیاژها، ذخیره سازی انرژی، بالا بردن قابلیت هدایت حرارتی آلیاژها، پرکننده ی سنگ های جواهرات مصنوعی و نرم افزار.
کاربرد آلیاژهای تیتانیوم
آلیاژهای تیتانیوم در بدنه هواپیماهای جنگی، سفینه های فضایی موشک ها موتور هواپیماها، ادوات رزمی، توربین های گازی، دوچرخه و کامپیوترهای Laptop، مورد استفاده قرار می گیرند. تیتانیوم اغلب با آلومینیوم، آهن، منگنز و فلزات دیگر تشکیل آلیاژ می دهد.
آلیاژ ایلمنیت این فلز در تهیه اکسید تیتانیوم که در صنایع رنگ سازی کاغذسازی و پلاستیک به عنوان ماده رنگی براق کردن سطح فلزات، لعاب، لاستیک سازی، شیشه فایبر گلاس، سرامیک الکتروسرامیک و… مصرف می شود، کاربرد دارد.
تنها در حدود 5% تولید سالانه جهانی تیتانیوم صرف تولید فلز تیتانیوم شده و 95% باقیمانده در تولید ماده رنگی دی اکسید تیتانیوم مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده به واسطه رنگ سفید درخشندگی عالی بی اثر (خنثی بودن) و مقاومت سایشی و حرارتی بالای آن درجه دیر گدازی بالا و توان زیاد در توزیع و انتشار یکنواخت در ترکیبات دیگر به عنوان عمده ترین ماده اولیه رنگ سفید در صنایع رنگ سازی کاغذ سازی پلاستیک، لاستیک و… شناخته می شود.
مصارف دارویی و آرایشی تیتانیم
دی اکسید تیتان برای التیام سوزش های پوستی مورد استفاده قرار می گیرد و منعکس کننده اشعه ماوراء بنفش خورشید است و بدین جهت در ساختن کرم ها و لوسیون های ضد آفتاب (ضد سوختگی) استفاده می شود. از پودر در اکسید تیتان در ساخت قاب کپسول های دارویی و پوشش قرص ها نیز استفاده می شود.
عنصر تیتانیم ماده ای غیر سمی است و حتی در مقادیر زیاد، سمی محسوب نمی شود. همچنین این ماده هیچ نقشی در سیستم طبیعی بدن انسان ایفا نمی کند. بطور تخمینی روزانه ۸/۰ میلی گرم تیتانیم وارد بدن انسان می شود. اگرچه تقریبا بدون جذب شدن، از بدن دفع می شود.
مصرف سالیانه عنصر تیتانیوم و ترکیبات آن 105 تا 106 تن می باشد. تقریباً 95% تیتان به فرم اکسید تیتان TiO4 مصرف می شود و یک رنگدانه دایمی و به شدت سفید رنگ با قدرت پوششی خوب در رنگ ها کاغذ و پلاستیک است. رنگ ها با وجود اکسید تیتانیوم یک باز تابنده بسیار عالی اشعه مادون قرمز را می سازد و بنابراین به طور گسترده ای توسط اختر شناسان مورد استفاده قرار می گیرد. از آنجایی که این فلز مقاومت بالا وزن سبک مقاومت غیرعادی در برابر خوردگی و توانایی ایستادگی در برابر دماهای بالا می باشد. بخاطر مقاومت بالا در آب دریا این فلز برای ساخت شفت ها (محور) ملخ هواپیما و پروانه کشتی استفاده می شود.
ویژگی های تیتانیم
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، محلول های 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.
ایزوتوپ های تیتانیم
تیتانیم بطور طبیعی دارای 5 ایزوتوپ پایدار تیتانیم 46، تیتانیم 47، تیتانیم 48، تیتانیم 49 و تیتانیم 50 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، تیتانیم 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 ایزوتوپ های 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 درباره تیتانیم
پودر فلز تیتانیم خطر جدی آتشزایی دارد، اما نمکهای آن را 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.
تاثیرات تیتانیم بر محیط زیست
تصور می شود که نمک های تیتانیوم اغلب نسبتاً بی ضرر هستند. اما مواد مرکب کلرین تیتانیوم مانند TiCL4 و TiCL3 باید خورنده باشند. تیتانیوم تمایل به تجمع بیولوژیکی در بافتهایی دارد که حاوی سیلیس هستند که نباید در اعمال بیولوژیکی انسان نشان داده شود.
درصد مواد رادیواکتیو در کانه های تیتانیوم دار که می تواند طی فرآوری متمرکز شده و سرطان زا باشند مسئله زیست محیطی تیتانیوم است. در صد مجاز مواد رادیو اکتیو در کانی های تیتانیوم توسط دولت های محلی و ایالتی قانون گذاری می شود. درباره تولید دی اکسید تیتانیوم دفع مواد زائد به ویژه سولفات های آهنی و اسید زائد در فرآیند سولفاته از دیگر مسائل زیست محیطی تولید تیتانیوم است.
درباره عنصر پلاتین بیشتر بخوانیدعنصر تیتانیم _ دانشچی
