pierwiastek chemiczny tytanu

Prezentacja na temat: "pierwiastek chemiczny tytanu"— Zapis prezentacji:

1 pierwiastek chemiczny tytanu
22TI pierwiastek chemiczny tytanu Ania Mikiewicz 1C

2 Informacja Tytan (Ti, łac. titanium) – pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych w układzie okresowym o liczbie atomowej 22. Jest lekki, posiada wysoką wytrzymałość mechaniczną, odporny na korozję (w tym również wody morskiej i chloru), metal o szarawym kolorze. Tytan jest dodawany jako dodatek stopowy do żelaza, aluminium, wanadu, molibdenu i innych. Stopy tytanu są wykorzystywane w przemyśle lotniczym (silniki odrzutowe, promy kosmiczne), militarnym, procesach metalurgicznych, motoryzacyjnym, medycznym (protezy dentystyczne, ortopedyczne klamry), sportów ekstremalnych i innych. Został odkryty w Wielkiej Brytanii przez Williama Gregora w Nazwę pochodzącą od bóstw z mitologii greckiej zawdzięcza Martinowi Heinrichowi Klaprothowi. Występuje w skorupie ziemskiej w ilościach rzędu 0,61%, w postaci minerałów: ilmenitu, rutylu i tytanitu, które są szeroko rozpowszechnione na całej Ziemi. Metaliczny tytan otrzymujemy przez przerób rud w procesie Krolla. Jego najbardziej rozpowszechniony związek – dwutlenek tytanu znajduje zastosowanie w produkcji białych pigmentów. Inne związki zawierające tytan to czterochlorek tytanu używany do zasłon dymnych oraz jako katalizator i trójchlorek tytanu, który znajduje zastosowanie jako katalizator w produkcji polipropylenu. Dwie najbardziej użyteczne własności tytanu to jego odporność na korozję oraz najwyższy stosunek wytrzymałości mechanicznej do jego ciężaru. Znane są dwie odmiany alotropowe pierwiastka. Posiada pięć trwałych izotopów o masach atomowych od 46 do 50. Właściwości fizykochemiczne tytanu są podobne do cyrkonu.

3 Historia Tytan został odkryty w Kornwalii w Wielkiej Brytanii w 1791 przez pastora i geologa amatora Williama Gregora. Zauważył on obecność nowego pierwiastka w ilmenicie – czarnym piasku, który znalazł w strumieniu nieopodal swojej parafii. Piasek ten był przyciągany przez magnes. Dokładniejsza jego analiza wykazała obecność dwóch substancji: tlenku żelaza (wyjaśniając przyciąganie magnesem) oraz 45,25% białego metalicznego tlenku, którego nie mógł zidentyfikować. Gregor, zdając sobie sprawę, że niezidentyfikowany tlenek zawierał metal, który nie pasował do właściwości jakiegokolwiek znanego pierwiastka, poinformował o swoim odkryciu Królewskie Towarzystwo Geologiczne w Kornwalii i niemieckie czasopismo naukowe Annalen Crell. Tlenek tytanu został odnaleziony niezależnie od Gregora w 1795 przez niemieckiego chemika Martina Heinricha Klaprotha w rutylu na Węgrzech. Klaproth stwierdził, że ruda zawiera nowy pierwiastek i postanowił nazwać go tytanem zaczerpując nazwę z mitologii greckiej. Po usłyszeniu o odkryciu Gregora nowej substancji, nabył jej próbki i potwierdził odkrycie tytanu. Przez wiele lat próbowano otrzymać czysty tytan, jednak nie udawało się tego dokonać zwyczajnymi sposobami poprzez ogrzewanie tlenku w obecności węgla, ponieważ tworzył się węglik tytanu zamiast spodziewanej redukcji tlenku do metalu. Dopiero w 1910 Matthew A. Hunter otrzymał czysty (99,9%) metaliczny tytan poprzez ogrzewanie TiCl4 z sodem w bombie stalowej w temperaturze °C. Do 1946 tytan nie był używany nigdzie poza laboratorium, dopóki William Justin Kroll nie opracował opłacalnego sposobu otrzymywania metalicznego tytanu poprzez redukcje czterochlorku tytanu magnezem. Technologia ta została nazwana procesem Krolla. Pomimo badań nad tańszym i wydajniejszym sposobem otrzymywania tytanu, proces Krolla jest do dzisiaj używany do komercyjnego pozyskiwania metalu. Tytan otrzymany w procesie Krolla Tytan o bardzo wysokiej czystości został otrzymany przez Anton Eduard van Arkela i Jan Hendrik de Boera w procesie jodkowym w 1925. Rafinację tytanu prowadzi się w próżni w zamkniętym reaktorze. Pary jodu reagują z technicznym tytanem tworząc czterojodek tytanu, który następnie ulega rozkładowi na ogrzanym oporowo cienkim drucie wolframowym, pogrubiając go w miarę trwania procesu. W latach 50. i 60. XX w. Związek Radziecki zapoczątkował wykorzystywanie tytanu do celów militarnych (m.in. w okrętach podwodnych K-278 Komsomolec i projektu 705). We wczesnych latach 50. XX w. tytan był szeroko stosowany w lotnictwie wojskowym, szczególnie w odrzutowcach o wysokich parametrach silnika zaczynając od F100 Super Sabre i Lockheed A-12. W Stanach Zjednoczonych Departament Obrony zdał sobie sprawę ze strategicznego znaczenia tytanu i rozpoczął magazynowanie tego metalu przez całą zimną wojnę. W 2006 Agencja Obrony Stanów Zjednoczonych przyznała 5,7 mln $ konsorcjum dwóch spółek, aby opracowały nowy proces otrzymywania tytanu sproszkowanego.

4 Właściwości Fizyczne i Chemiczne

5 Fizyczne Pierwiastek metaliczny, tytan, jest znany z jego wysokiej wytrzymałości mechanicznej w stosunku do niskiego ciężaru. Jest stosunkowo lekki (gęstość 4507 kg/m³), o dużej wytrzymałości mechanicznej, przy wysokiej czystości jest ciągliwy (zwłaszcza w atmosferze redukcyjnej). Charakteryzuje się wysoką temperaturą topnienia: 1649 °C. Jest błyszczący, posiada biały, metaliczny kolor. Handlowy tytan o czystości 99,2% posiada wytrzymałość na rozciąganie 434 MPa, porównywalną z rozciągalnością stopów stali, jednak jest lżejszy od nich o 45%. Tytan jest cięższy od aluminium o 60%, ale charakteryzuje się ponad dwukrotnie większą wytrzymałością mechaniczną niż najpopularniejszy stop Al: 6061-T6. Pewne stopy tytanu (np.: Beta C) posiadają wytrzymałość na rozciąganie ponad 1380 MPa (spada ona przy podgrzaniu powyżej temperatury 430 °C). Posiada wysoką twardość (jednak nie tak wysoką jak niektóre hartowane stale), trudno się obrabia mechanicznie. Metal posiada dwie odmiany alotropowe: Ti-α – krystalizujący w układzie heksagonalnym do temperatury 882 °C; powyżej tej temperatury występuje Ti-β – krystalizujący w układzie regularnym przestrzennie centrowanym. Pojemność cieplna Ti-α gwałtownie wzrasta wraz z podgrzewaniem, po przekroczeniu temperatury 882 °C i przemianie w Ti-β pojemność cieplna kształtuje się na stałym poziomie.

6 Chemiczne Wykres Pourbaix dla tytanu w wodzie.
Najbardziej znana właściwość chemiczna tytanu to jego doskonała odporność na korozję; prawie taka sama jak platyny, jest także odporny na działanie rozcieńczonych kwasów np. siarkowego, solnego i większości kwasów organicznych, chloru gazowego oraz roztworów zasadowych, czy morskiej wody. Czysty tytan roztwarzają stężone kwasy. Jest jednym z nielicznych pierwiastków, które gwałtownie reagują z czystym azotem. Reakcja przebiega powyżej temperatury 800 °C, z wytworzeniem azotku tytanu. Jest paramagnetykiem oraz wykazuje stosunkowo niską przewodność elektryczną i cieplną.Wykres Pourbaix dla tytanu ukazuje bardzo wysoką reaktywność termodynamiczną przy niskiej aktywności z wodą i tlenem. Na skutek kontaktu tytanu z tlenem na jego powierzchni tworzy się pasywacyjna warstwa tlenku tytanu o grubości ok. 2 nm (po czterech latach osiąga grubość 25 nm). Warstwa ta dodatkowo zwiększa odporność na korozję. Eksperymenty wykazały znaczną promieniotwórczość wzbudzoną tytanu na skutek zbombardowania jego jąder deuteronami. Produktami tej reakcji są pozytony i twarde promieniowanie gamma.

7 Występowanie Tytan zawsze występuje w rudach innych pierwiastków. Jest dziewiąty pod względem występowania na Ziemi (0,63%) i siódmy jako metal. Najczęściej występuje w skałach magmowych oraz skałach osadowych. Na przykład na 801 skał przebadanych przez United States Geological Survey, tytan zawarty był w 784 . Jego udział w ziemiach wynosi w przybliżeniu 0,5-1,5%. Jest szeroko rozpowszechniony, występuje głównie pod postacią minerałów: anatazytu, brukitu, ilmenitu, perowskitu, rutylu, tytanitu (sfen) oraz w wielu rudach żelaza. Z powyższych minerałów tylko ilmenit i rutyl mają znaczenie ekonomiczne (pod warunkiem eksploatacji rudy o odpowiednio wysokiej zawartości tytanu). Znaczące złoża tytanu (ilmenitu) znajdują się w zachodniej Australii, Kanadzie, Nowej Zelandii, Norwegii i Ukrainie. Duże ilości rutylu są eksploatowane w Ameryce Północnej i Republice Południowej Afryki. Roczna produkcja wynosi ton metalu i 4,3 milionów ton dwutlenku tytanu. Całkowite zasoby tytanu na Ziemi szacuje się na ponad 600 milionów ton.Tytan jest zawarty w meteorytach, jego obecność zauważono na Słońcu i gwiazdach typu M (najchłodniejszy typ gwiazd o temperaturze powierzchni około 3200 °C). Skały dostarczone przez Apollo 17 z Księżyca zawierają 12,1% tytanu.

8 Występowanie- tabela Producent Cały Świat 4221,0 100 Tysiące ton
%całości Australia 1291,0 30,6 Republika Południowej Afryki 850,0 20,1 Kanada 767,0 18,2 Norwegia 382,9 9,1 Ukraina 357,0 8,5 Pozostałe państwa 573,1 13,5 Cały Świat 4221,0 100

9 Produkcja Otrzymywanie metalicznego tytanu zachodzi w pięciu głównych etapach: przeróbka rud tytanu; otrzymywanie czterochlorku tytanu TiCl4; proces Krolla – redukcja TiCl4 magnezem; oczyszczanie tytanu – proces jodkowy; topienie tytanu. Ponieważ tytan reaguje z tlenem przy wysokich temperaturach (610 °C), nie może być otrzymywany przez redukcję dwutlenku tytanu. Dlatego do celów handlowych stosuje się kosztowny proces Krolla (stosunkowo wysoka wartość rynkowa tytanu jest spowodowana głównie zastosowaniem w tym procesie innego drogiego metalu – magnezu)[15]. Przemysłowa produkcja czterochlorku tytanu polega na chlorowaniu przy jednoczesnej redukcji zbrykietowanego z węglem surowca tytanowego (rutylu lub ilmenitu) w szybowym piecu elektrycznym. Reakcje zachodzące podczas procesu Krolla: 2TiFeO3 + 7Cl2 + 6C (900 °C) → 2TiCl4 + 2FeCl3 + 6CO TiCl4 + 2Mg (1100 °C) → 2MgCl2 + Ti Techniczny tytan otrzymany w procesie Krolla powinien być rafinowany. Zasada procesu pozwalającego na otrzymanie czystego tytanu polega na rozkładzie termicznym czterojodku tytanu. TiI4 → Ti + 2I2 W wysokich temperaturach (około 1400 °C) i przy określonym ciśnieniu reakcja ta przebiega w kierunku dysocjacji czterojodku tytanu, natomiast niskie temperatury sprzyjają jego tworzeniu. Zaletą tego procesu jest otrzymanie czystego tytanu nie zawierającego domieszek (tlen, azot, węgiel) obniżających jego własności mechaniczne. Proces topienia tytanu stanowi poważny problem. Trudności sprawiają wysoka temperatura topienia tytanu (1668 °C) i jego duża aktywność chemiczna w tej temperaturze. Dodatkową niedogodność stanowi fakt, że stopiony tytan reaguje niemal ze wszystkimi materiałami ogniotrwałymi. Jedynie dwutlenek toru, rekrystalizowany tlenek wapnia i grafit są odporne na jego działanie. Topienie tytanu odbywa się w piecach łukowych, indukcyjnych, plazmowych oraz elektronowych. Te ostatnie wydają się najbardziej perspektywiczne.

10 Związki Chemiczne Tytan w związkach chemicznych występuje na +4 stopniu utlenienia. Wiertło pokryte azotkiem tytanu Dwutlenek tytanu (TiO2) jest najpopularniejszym związkiem tytanu. Znajduje on bardzo szerokie zastosowanie: przemysł metalurgiczny – do produkcji elektrod, stopów, radioelementów ceramicznych; przemysł barw i lakierów – bardzo dobra intensywność kolorów ; przemysł papierniczy – wysoka jakość białego papieru; przemysł włókien szklanych – zastosowanie dzięki nietoksyczności, małej reaktywności chemicznej; przemysł wyrobów gumowych – do produkcji naturalnego i sztucznego kauczuku. przemysł spożywczy – barwnik, oznaczony jako E171 Azotek tytanu (TiN) nanosi się na narzędzia tnące, formujące i ślizgowe. Warstwa TiN o grubości od 0,5 do kilku mikrometrów daje wzrost twardości powierzchniowej do 2400 HV. Czas pracy narzędzi ulega znacznemu wydłużeniu (do kilkunastu razy). Natryskiwane plazmowo powłoki z TiN nanoszone są na elementy robocze łopatek turbin, silników i narzędzi skrawających. Czterochlorek tytanu (TiCl4) jest bezbarwną cieczą, używaną w procesie produkcji dwutlenku tytanu do farb lub redukowany magnezem bezpośrednio do tytanu. Tytan tworzy również trójchlorek tytanu TiCl3, który jest używany jak czynnik redukcyjny. Węglik tytanu (TiC) ma szereg unikalnych własności, tj. wysoką twardość (ok. 90 HRC), niski współczynnik tarcia, wysoką temperaturę topienia, dobrą odporność korozyjną i cieplną (zachowuje własności skrawalne do ok °C). Stosowany jest w przemyśle narzędziowym, kosmicznym i energetyce atomowej. Węglik tytanu znalazł też zastosowanie w kompozytach diamentowo- węglikowych przeznaczonych na ostrza skrawające.Tytaniany cechuje wysoka przenikalność elektryczna. Metatytaniany wapnia (CaTiO3) i magnezu (MgTiO3) znalazły zastosowanie w ceramice kondensatorowej. Tytanian baru (BaTiO3) ma właściwości piezoelektryczne i ferroelekryczne. Stosowany jest w urządzeniach ultradźwiękowych, mikrofonach i urządzeniach do zapalania gazu w kuchenkach. Tytanian strontu (SrTiO3) stosowany jest do produkcji szkła o dużym współczynniku załamania światła: do wyrobu soczewek, pryzmatów i biżuterii. Tytanian sodowy (Na2TiO3) wchodzi w skład mas do pokrywania prętów spawalniczych.

11 Izotypy Występujący w przyrodzie tytan posiada pięć stabilnych
izotopów: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti oraz 50Ti i 48Ti, które stanowią 73,8% wszystkich izotopów. Jedenaście znanych izotopów charakteryzuje promieniotwórczość. Najbardziej stabilnym z radioaktywnych izotopów jest 44Ti o okresie połowicznego rozpadu wynoszącym 63 lata, dalej 45Ti o czasie rozpadu 184,8 minut, 51Ti z czasem połowicznego rozpadu wynoszącym 5,76 minut, oraz 52Ti o czasie 1,7 minuty. Czas połowicznego rozpadu pozostałych izotopów jest krótszy niż 33 sekundy, a dla większości czas ten jest krótszy niż 0,5 sekundy. Izotopy tytanu mają masę atomową od 39,99 (40Ti) do 57,966 u (58Ti) .

12 O TYTANIE ze strony Biologicznej
Ciekawostka O TYTANIE ze strony Biologicznej

13 Znaczenie Biologiczne

14 Informacje Tytan jest nietoksyczny nawet w dużych dawkach i nie ma żadnego wpływu na organizm ludzki. Szacuje się, że każdego dnia człowiek spożywa 0,8 mg tytanu, ale większość nie jest przyswajana przez organizm. Ma tendencje do akumulacji w tkankach zawierających krzemionkę. Większość roślin zawiera około 1 ppm tytanu, natomiast skrzyp i pokrzywa może zawierać nawet do 80 ppm.Tytan pod postacią proszku lub wiórów może ulec zapaleniu, a rozpylony w powietrzu grozi wybuchem. Woda i dwutlenek węgla są nieefektywne w przypadku palenia się tytanu; jedynie skuteczne w takim przypadku są suche materiały przeciwpożarowe (klasa D materiałów przeciwpożarowych). Tytan może zapalić się kiedy świeża, nieutleniona powierzchnia pozostanie w kontakcie z ciekłym tlenem. Do zapalenia może dojść przy uderzeniu twardym przedmiotem lub przy odkształceniu mechanicznym po powstaniu pęknięcia. Takie zachowanie tytanu powoduje ograniczenie dla jego stosowania z ciekłym tlenem (np. w przemyśle lotniczym i kosmonautycznym). Większość soli tytanu jest nieszkodliwych, ale jego związki z chlorem, takie jak: TiCl2, TiCl3 i TiCl4 posiadają niebezpieczne własności. Dwuchlorek pod postacią czarnych kryształów ulega samozapaleniu, natomiast czterochlorek jest lotnym dymiącym się płynem. Wszystkie chlorki tytanu są żrące.

15 Obrazki

16

17

18