Fysiske og kjemiske egenskaper av titan

Titan er et sølvhvitt overgangsmetall med en tetthet på bare 4,54 g/cm³, som er omtrent 40 % lettere enn jern, men har en styrke som kan sammenlignes med stål. Denne lette og høystyrke egenskapen gjør titan mye brukt i alle samfunnslag. Så, hva er de fysiske og kjemiske egenskapene til titan?

1. Atomstruktur av titan
Først, la oss ta en titt på atomstrukturen til titan. Titan befinner seg i gruppe IVB i det periodiske system, med et atomnummer på 22. Kjernen består av 22 protoner og 20-32 nøytroner, og den ekstranukleære elektronstrukturen er arrangert som 1S22S22P63S23D24S2. Kjerneradius er 5x10-13 cm. Disse unike atomstrukturene gir titan unike fysiske og kjemiske egenskaper.

2. Fysiske egenskaper av titan
Tettheten til titan er 4.506-4.516 g/cm3 (20 grader), smeltepunktet er 1668±4 grader, den latente smeltevarmen er 3.7-5. 0 kcal/g atom, kokepunktet er 3260±20 grader, den latente fordampningsvarmen er 102.5-112,5 kcal/g atom, den kritiske temperaturen er 4350 grader , og det kritiske trykket er 1130 atmosfærer. Den termiske ledningsevnen og den elektriske ledningsevnen til titan er dårlig, lik eller litt lavere enn rustfritt stål. Titan har superledning, og den superledende kritiske temperaturen for rent titan er 0.38-0.4K. Ved 25 grader er varmekapasiteten til titan 0,126 cal/g atom·grader, den termiske entalpien er 1149 cal/g atom, og entropien er 7,33 cal/g atom·grader. Metallisk titan er et paramagnetisk stoff med en magnetisk permeabilitet på 1,00004.
Titan har plastisitet. Forlengelsen av titan med høy renhet kan nå 50-60 %, og tverrsnittskrympingen kan nå 70-80 %, men styrken er lav og den er ikke egnet for konstruksjonsmaterialer. Tilstedeværelsen av urenheter i titan har stor innflytelse på dets mekaniske egenskaper, spesielt interstitielle urenheter (oksygen, nitrogen, karbon) kan i stor grad øke styrken til titan og redusere plastisiteten betydelig. De gode mekaniske egenskapene til titan som et strukturelt materiale oppnås ved streng kontroll av passende urenhetsinnhold og tilsetning av legeringselementer.

3. Kjemiske egenskaper av titan
Titan kan reagere med mange grunnstoffer og forbindelser ved høyere temperaturer. Ulike grunnstoffer kan deles inn i fire kategorier i henhold til deres forskjellige reaksjoner med titan:
Kategori 1: Halogener og oksygengruppeelementer danner kovalente og ioniske forbindelser med titan;
Kategori 2: Overgangselementer, hydrogen, beryllium, borgruppe, karbongruppe og nitrogengruppeelementer danner intermetalliske forbindelser og begrensede faste løsninger med titan;
Kategori 3: Zirkonium, hafnium, vanadiumgruppe, kromgruppe, skandiumelementer danner ubegrensede faste løsninger med titan;
Kategori 4: Inerte gasser, alkalimetaller, jordalkalimetaller, sjeldne jordartsmetaller (unntatt scandium), aktinium, thorium osv. reagerer ikke med titan eller reagerer i utgangspunktet ikke.

4. Reaksjon med forbindelser:
HF og fluor
Hydrogenfluoridgass reagerer med titan for å danne TiF4 ved oppvarming, og reaksjonsformelen er (1); ikke-vandig hydrogenfluoridvæske kan danne en tett titantetrafluoridfilm på overflaten av titan, som kan hindre HF i å trenge inn i det indre av titan. Flussyre er den sterkeste flussen for titan. Selv flussyre med en konsentrasjon på 1 % kan reagere voldsomt med titan; vannfrie fluorider og deres vandige løsninger reagerer ikke med titan ved lave temperaturer, og bare smeltede fluorider reagerer signifikant med titan ved høye temperaturer.
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.0 kcal (1) 2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2

HCl og klorider
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 grader for å danne TiCl4, se formel (3); saltsyre med en konsentrasjon på<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)

Svovelsyre og hydrogensulfid
Etter titan reagerer med fortynnet svovelsyre<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 % har en signifikant reaksjon med titan. Ved romtemperatur har omtrent 40 % svovelsyre den raskeste korrosjonshastigheten på titan. Når konsentrasjonen er større enn 40 % og når 60 %, reduseres korrosjonshastigheten og når den raskeste med 80 %. Oppvarmet fortynnet syre eller 50 % konsentrert svovelsyre kan reagere med titan for å danne titansulfat, se formel (5), (6). Oppvarmet konsentrert svovelsyre kan reduseres med titan for å danne SO2, se formel (7). Ved romtemperatur reagerer titan med hydrogensulfid for å danne en beskyttende film på overflaten, som kan forhindre ytterligere reaksjon mellom hydrogensulfid og titan. Imidlertid, ved høye temperaturer, reagerer hydrogensulfid med titan for å utfelle hydrogen, som vist i formel (8). Pulverisert titan begynner å reagere med hydrogensulfid ved 600 grader for å danne titansulfid. Ved 900 grader er reaksjonsproduktet hovedsakelig TiS, og ved 1200 grader er det 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)

Salpetersyre og aqua regia
Tett og glatt titan har god stabilitet overfor salpetersyre, fordi salpetersyre raskt kan danne en sterk oksidfilm på titanoverflaten, men den ru overflaten, spesielt svamptitan eller pulvertitan, kan reagere med lav og varm fortynnet salpetersyre, se formel (9), (10) og konsentrert salpetersyre over 70 grader kan også reagere med titan, se formel (11); ved romtemperatur reagerer ikke titan med kongevann. Ved høy temperatur kan titan reagere med aqua regia og danne TiCl2.
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO (10)
Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)

Oppsummert er egenskapene til titan nært knyttet til temperatur, dens eksisterende form og renhet. Tett metall titan er ganske stabil i naturen, men pulverisert titan kan forårsake spontan forbrenning i luften. Tilstedeværelsen av urenheter i titan påvirker den fysiske, kjemiske, mekaniske og korrosjonsmotstanden til titan betydelig. Spesielt noen interstitielle urenheter kan forvrenge titangitteret og påvirke ulike egenskaper til titan. Ved romtemperatur er den kjemiske aktiviteten til titan svært liten og kan reagere med noen få stoffer som flussyre, men aktiviteten til titan øker raskt når temperaturen øker, spesielt ved høye temperaturer kan titan reagere voldsomt med mange stoffer. Smelteprosessen av titan utføres vanligvis ved en høy temperatur på mer enn 800 grader, så den må drives i et vakuum eller under beskyttelse av en inert atmosfære.