História, estrutura, propriedades, reações de titânio

Ele titânio É um metal de transição que é representado pelo símbolo químico TI. É o segundo metal a aparecer no bloco d da tabela periódica, logo após o Scandio. Seu número atômico é 22 e é apresentado na natureza como muitos isótopos e radioisótopos, dos quais o ⁴⁸Você é o mais abundante de todos.

Sua cor é cinza prateada e suas peças são cobertas por uma camada de óxido protetor que torna o titânio um metal muito resistente à corrosão. Se essa camada é amarelada, é o titânio nitruro (TIN), que é um composto que se forma quando esse metal queima na presença de nitrogênio, propriedade única e distinta.

Anéis de titânio. Fonte: pxhere.

Além do que já foi mencionado, é extremamente resistente a impactos mecânicos, apesar de ser mais leve que o aço. É por isso que é conhecido como o metal mais forte de todos, e seu único nome é sinônimo de força. Ele também tem resistência e leveza, duas características que o tornam um material desejável para fabricação de aeronaves.

Além disso, e não menos importante, o titânio é um metal biocompatível e agradável de tocar, por isso é usado em jóias para a elaboração de anéis; e na biomedicina, como implantes ortopédicos e dentários, capazes de integrar -se aos tecidos ósseos.

No entanto, seus usos mais conhecidos residem no tio₂, como pigmento, aditivo, revestimento e fotocatização.

É o nono elemento mais abundante da Terra e o sétimo dentro de metais. Apesar disso, seu custo é alto devido às dificuldades que devem ser superadas para extrair de seus minerais, entre os quais Rutilo, Anatase, Ilmenite e Perovskita. De todos os métodos de produção, o processo Kroll é o mais usado em todo o mundo.

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História

Descoberta

O titânio foi pela primeira vez identificado no mineral de ilmenita no vale de Manaccan (Reino Unido), pelos fãs William Gregor, lá em 1791. Ele foi capaz de identificar que continha um óxido de ferro, já que suas areias se moviam pela influência de um ímã; Mas ele também relatou que havia outro óxido de metal desconhecido, que ele chamou de "Manacanita".

Infelizmente, embora a Royal Geological Society of Cornwall tenha ido para a Royal Geological and outras mídias, suas contribuições não levantaram um rebuliço por não ser um homem reconhecido de ciência.

Quatro anos depois, em 1795, o químico alemão Martin Heinrich Klaproth reconheceu independentemente o mesmo metal; Mas no Mineral Rutilo em Bainik, a Eslováquia atualmente.

Há quem afirma que ele nomeou 'titanio' para este novo metal inspirado em sua dureza em semelhança com os titãs. Outros garantem que a neutralidade dos mesmos caracteres mitológicos se devesse mais. Assim, o titânio nasceu como um elemento químico e Klaproth poderia concluir que era o mesmo manacanita do mineral ilmenita.

Isolamento

Desde então, as tentativas de isolá -lo de tais minerais começaram; Mas a maioria deles era infrutífera, já que o titânio estava contaminado com oxigênio ou nitrogênio, ou formou um carboneto impossível de reduzir. Eles tiveram que passar quase um século (1887) para que Lars Nilson e Otto Pettersson pudessem preparar uma amostra com 95% de pureza.

Então, em 1896, Henry Moissan conseguiu obter uma amostra com até 98% de pureza, graças à ação redutora do sódio metálico. No entanto, esses titanianos impuros foram quebradiços pela ação dos átomos de oxigênio e nitrogênio, por isso era necessário projetar um processo para mantê -los fora da mistura de reação.

E com essa abordagem, o processo de Hunter originou -se em 1910, criado por Mateus para. Caçador em colaboração com a General Electric no Renselaer Polytechnic Institute.

Vinte anos depois, em Luxemburgo, William J. Kroll criou outro método usando cálcio e magnésio. Atualmente, o processo de Kroll continua sendo um dos principais métodos para produzir titânio metálico em escalas comerciais e industriais.

A partir deste ponto, a história do titânio segue o curso de suas ligas em aplicações para a indústria aeroespacial e militar.

Estrutura e configuração eletrônica

O titânio puro pode cristalizar com duas estruturas: um hexagonal compacto (HCP), chamado de fase α, e um cúbico centrado no corpo (BCC), chamado de fase β β β. Assim, é um metal dimórfico, capaz de sofrer transições alotrópicas (ou de fase) entre as estruturas HCP e BCC.

A fase α é a mais estável em ambientes de temperatura e pressão, com seus átomos cercados por doze vizinhos. Quando a temperatura aumenta para 882 ° C, o vidro hexagonal é transformado em um cúbico e menos denso, que concorda com o mais alto produto de vibrações atômicas do calor.

À medida que a temperatura aumenta, a fase α se opõe à maior resistência térmica; Ou seja, seu calor específico também aumenta, por isso é cada vez mais calor atingir 882 ° C.

E se, em vez de aumentar a temperatura, a pressão? Então os cristais BCC distorcidos são obtidos.

Link

Nestes cristais de metal, eles intervêm no link que se une aos átomos de seus elétrons de valência dos orbitais 3D e 4S, de acordo com a configuração eletrônica:

Pode atendê -lo: hidróxido de ferro (ii): estrutura, propriedades, usos

[AR] 3D² 4s²

Ele mal tem que compartilhar quatro elétrons com seus vizinhos, que originam bandas quase vazias e, portanto, o titânio não é tão bom condutor de eletricidade ou calor como outros metais.

Ligas

Ainda mais importante do que o que é comentado sobre a estrutura cristalina do titânio, é que ambas as fases, α e β, podem formar suas próprias ligas. Estes podem consistir em ligas α ou β puras ou misturas de ambos em diferentes proporções (α + β).

Da mesma forma, o tamanho de seus respectivos grãos cristalinos influencia as propriedades finais de tais ligas de titânio, bem como a composição de massa e as relações dos aditivos agregados (outros metais ou átomos de N, O, C ou H).

Os aditivos exercem uma influência significativa nas ligas de titânio porque podem estabilizar algumas das duas fases específicas. Por exemplo: Al, O, GA, ZR, SN e N são aditivos que estabilizam os α (cristais mais densos HCP); e Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fé e outros são aditivos que estabilizam a fase β (cristais menos densos do BCC).

O estudo de todas essas ligas de titânio, suas estruturas, composição, propriedades e aplicações, está sujeito a obras metalúrgicas que repousam em cristalografia.

Números de oxidação

De acordo com a configuração eletrônica, o titânio precisaria de oito elétrons para preencher completamente os orbitais 3D. Isso não pode obtê -lo em nenhum de seus compostos, e Máxima consegue ganhar até dois elétrons; isto é, você pode adquirir números de oxidação negativa: -2 (3D⁴) e -1 (3d³).

O motivo é devido à eletronegatividade do titânio e que, além disso, é um metal, por isso tem uma tendência maior de ter números de oxidação positiva; como +1 (3d²4s¹), +2 (3d²4s⁰), +3 (3d¹4s⁰) e +4 (3d⁰4s⁰).

Observe como os elétrons do orbital 3D e 4S⁺, Você²⁺ e assim por diante.

O número de oxidação +4 (Ti⁴⁺) é o mais representativo de tudo porque corresponde ao titânio em seu óxido: tio₂ (Você⁴⁺QUALQUER₂^2-).

Propriedades

Aparência física

Metal prateado acinzentado.

Massa molar

47, 867 g/mol.

Ponto de fusão

1668 ° C. Este ponto de fusão relativamente alto é feito por um metal refratário.

Ponto de ebulição

3287 ° C.

Temperatura de auto -dirigir

1200 ° C para metal puro e 250 ° C para poeira finamente dividida.

Ductilidade

O titânio é um metal dúctil se não tiver oxigênio.

Densidade

4.506 g/ml. E em seu ponto de fusão, 4,11 g/ml.

Calor de fusão

14.15 KJ/mol.

Calor de vaporização

425 kJ/mol.

Capacidade de calor molar

25060 J/mol · k.

Eletro-negatividade

1.54 na escala Pauling.

Energias de ionização

Primeiro: 658,8 kJ/mol.

Segundo: 1309,8 kJ/mol.

Terceiro: 2652,5 kJ/mol.

Dureza mohs

6.0.

Nomenclatura

Dos números de oxidação, os +2, +3 e +4 são os mais comuns e os referidos na nomenclatura tradicional ao nomear compostos de titânio. Pelo resto, as regras de nomenclaturas de ações e sistemáticos permanecem os mesmos.

Por exemplo, considere o tio₂ e o ticl₄, dois dos compostos mais conhecidos do titânio.

Já se disse que no tio₂ O número de oxidação do titânio é +4 e, portanto, sendo o maior (ou positivo), o nome deve terminar com o sufixo -ico. Assim, seu nome é o óxido titânico, de acordo com a nomenclatura tradicional; óxido de titânio (IV), de acordo com a nomenclatura de ações; e dióxido de titânio, de acordo com a nomenclatura sistemática.

E para o Ticl₄ Vai prosseguir mais diretamente:

Nomenclatura: nome

-Tradicional: Cloreto Titanico

-Estoque: cloreto de titânio (IV)

-Sistemático: tetracloreto de titânio

Em inglês, eles geralmente se referem a este complexo como 'cócegas'.

Cada composto de titânio pode até ter nomes adequados fora das regras de nomenclatura e dependerá do jargão técnico do campo em questão.

Onde está e produção

Minerais titaníferos

Rutilo Quartz, um dos minerais com o maior teor de titânio. Fonte: Didier Descuens [CC BY-SA 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0)]

O titânio, mesmo que seja o sétimo mais abundante da terra, e o nono na crosta terrestre, não é encontrado na natureza como metal puro, mas em combinação com outros elementos nos óxidos minerais; mais conhecido como minerais titaníferos.

Assim, para obtê -lo, é necessário usar esses minerais como matéria -prima. Alguns deles são:

-Titanita ou Spheny (Catisio₅), com impurezas de ferro e alumínio que giram seus cristais de cores verdes.

-Brookita (tio₂ Ortorrombic).

-Rutilo, polimorfo mais estável do tio₂, Seguido por Minerais Anatasa e Brookita.

-Ilmenita (Fetio₃).

-Perovskita (Catio₃)

-Leucoxeno (mistura heterogênea de anatase, rutilo e perovskita).

Observe que existem vários minerais titaníferos mencionados, mesmo que haja outros. No entanto, nem todos são os mesmos que abundantes e, da mesma forma, eles podem apresentar impurezas difíceis de eliminar e que colocam em risco as propriedades do titânio final de metal.

Pode atendê -lo: Holmio

É por isso que o Sphen ou Perovskita são geralmente usados ​​para a produção de titânio, uma vez que seu teor de cálcio e silício é difícil de eliminar da mistura de reação.

De todos esses minerais, o rutilo e a ilmenita são os mais utilizados comercialmente e industrialmente por seu alto teor de tio₂; isto é, eles são ricos em titânio.

Processo Kroll

Selecionou qualquer um dos minerais como matéria -prima, o tio₂ Neles deve ser reduzido. Para fazer isso, os minerais, juntamente com o carvão, aquecem até o vermelho ao vivo em um reator de leito fluidizado de 1000 ° C. Lá, o tio₂ Reage com cloro gasoso de acordo com a seguinte equação química:

Tio₂(s) + c (s) + 2cl₂(g) => ticl₄(L) +CO₂(g)

O ticl₄ É um líquido incolado, pois nessa temperatura é dissolvido junto com outros cloretos metálicos (de ferro, vanádio, magnésio, zircônio e silício) se originou das impurezas presentes nos minerais. Portanto, o ticl₄ Em seguida, é purificado por destilação e precipitação fracionárias.

Já purificou o ticl₄, Uma espécie fácil de reduzir é derramada em um recipiente de aço inoxidável ao qual é aplicado vazio, para eliminar oxigênio e nitrogênio e é preenchido com argônio para garantir uma atmosfera inerte que não afeta o titânio produzido. No processo, é adicionado magnésio, que reage a 800 ° C de acordo com a seguinte equação química:

Ticl₄(l) + 2mg (l) => ti (s) + 2mgcl₂(EU)

O titânio precipita como um sólido esponjoso, que passa por tratamentos para purificá -lo e conferir melhores formas sólidas, ou é diretamente destinado à fabricação de minerais de titânio.

Reações

Com o ar

O titânio tem alta resistência à corrosão devido a uma camada de tio₂ que protege o interior do metal de oxidação. No entanto, quando a temperatura sobe acima de 400 ° C, um pedaço fino de metal começa a queimar completamente para formar uma mistura de tio₂ e lata:

Ti (s)+ o₂(g) => tio₂(S)

2ti (s)+ n₂(g) => lata (s)

Ambos os gases, ou₂ e n₂, Logicamente eles estão no ar. Essas duas reações ocorrem rapidamente quando o titânio é aquecido ao vermelho vivo. E se é como uma poeira finamente dividida, a reação é ainda mais vigorosa, então o titânio neste estado sólido é muito inflamável.

Com ácidos e bases

Esta camada de tio₂-Tin não apenas protege o titânio do correor, mas também do ataque de ácidos e bases, por isso não é fácil de dissolver metal.

Para conseguir isso, os ácidos altamente concentrados precisam ser usados ​​e ferver para ferver, obtendo um produto de solução roxa dos complexos aquosos do titânio; Por exemplo, [Ti (Oh₂)₆]⁺³.

No entanto, existe um ácido que pode dissolvê -lo sem muitas complicações: ácido fluorérico:

2ti (s)+ 12hf (aq) 2 [TIF₆]^3-(aq)+ 3h₂(g)+ 6h⁺(aq)

Com halogênios

O titânio pode reagir diretamente com halogênios para formar os respectivos halogenuros. Por exemplo, sua reação com iodo é a seguinte:

Ti (s)+ 2i₂(s) => tii₄(S)

Da mesma forma, ocorre com fluoreto, cloro e bromo, onde uma chama intensa é formada.

Com oxidantes fortes

Quando o titânio é finamente dividido, não é apenas propenso a inflamação, mas também para reagir vigorosamente com fortes agentes oxidantes à menor fonte de calor.

Parte dessas reações é usada para pirotecnia, uma vez que faíscas brancas brilhantes são geradas. Por exemplo, ele reage com o perclorato de amônio de acordo com a equação química:

2ti (s) + 2NH₄Clo₄(s) => 2tio₂(s) + n₂(g) + cl₂(g) + 4h₂O (G)

Riscos

Titânio de metal

O pó de titânio é um sólido altamente inflamável. Fonte: w. Oelen [CC BY-SA 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0)]

O próprio titânio metálico não representa nenhum risco à saúde daqueles que trabalham com ele. É um sólido inofensivo; A menos que seja moído como um pó de partícula fino. Essa poeira branca pode ser perigosa devido à sua alta inflamabilidade, mencionada na seção de reações.

Quando o titânio é fundamental, sua reação com oxigênio e nitrogênio é mais rápida e vigorosa, além de fazer fronteira mesmo explosivamente. É por isso que representa um risco terrível de incêndio, se for armazenado, é alcançado pelas chamas.

Ao queimar, o fogo só pode ser desligado com grafite ou cloreto de sódio; Nunca com água, pelo menos para esses casos.

Da mesma forma, seu contato com halogênios deve ser evitado a todo custo; isto é, com algum vazamento gasoso de flúor ou cloro, ou interagir com o líquido avermelhado ou cristais voláteis de bromo ou iodo. Se isso acontecer, o titânio é incendiado. Os agentes oxidantes fortes também não devem entrar em contato: Permanganatos, cloro, percloratos, nitratos, etc.

Do resto, seus lingotes ou ligas não podem representar mais riscos do que os de golpes físicos, pois não são muito bons fatores de calor ou eletricidade e são agradáveis ​​para tocar.

Nanopartículas

Se o sólido finamente dividido for inflamável, ainda mais o constituído por nanopartículas de titânio deve ser. No entanto, o ponto central deste sub -seção é devido às nanopartículas de Tio₂, que foram usados ​​em sinfinas de aplicação em que merecem sua cor branca; Como doces e doces.

Pode servir a você: hidrólise: o que é e exemplos de reações

Embora não se saiba como é sua absorção, distribuição, excreção ou toxicidade no corpo, eles declararam ser tóxicos em estudos em ratos. Por exemplo, eles demonstraram que gera enfisema e vermelhidão em seus pulmões, bem como outros distúrbios respiratórios em seus desenvolvimentos.

Por extrapolação dos ratos para nós, conclui -se que as nanopartículas respiratórias de Tio₂ Afeta nossos pulmões. Eles também podem alterar a região do hipocampo cerebral. Além disso, o International Cancer Research Center não os governa como possíveis substâncias carcinogênicas.

Formulários

Pigmento e aditivo

Falar sobre usos de titânio é referir -se ao de seu composto de dióxido de titânio. O tio₂ De fato, ele cobre cerca de 95% de todas as aplicações relativas a este metal. As razões: sua cor branca é insolúvel e também não é tóxica (sem mencionar as nanopartículas puras).

É por isso que geralmente é usado como pigmento ou aditivo em todos os produtos que precisam de coloração branca; como creme dental, medicamentos, doces, papéis, jóias, pinturas, plásticos, etc.

Revestimentos

O tio₂ Também pode ser usado para criar filmes que cobrem qualquer superfície, como vidro ou ferramentas cirúrgicas.

Ao ter esses revestimentos, a água não pode umedecê -los e desliza sobre eles, como a chuva faria em carros de carros. As ferramentas com esses revestimentos podem matar bactérias absorvendo a radiação UV.

A urina dos cães ou a borracha de mascar não podia olhar para os asfaltados ou cimentos pela ação do tio₂, o que facilitaria sua remoção subsequente.

Bloqueador solar

Uncle2 é um dos componentes ativos dos bloqueadores do sol. Fonte: Pixabay.

E terminar em relação ao tio₂, É uma fotocatalização, capaz de originar radicais orgânicos que, no entanto, são neutralizados por filmes de sílica ou alumina em bloqueadores do sol. Sua cor branca já mostra claramente que você deve ter esse óxido de titânio.

Indústria aeroespacial

As ligas de titânio são usadas para a fabricação de grandes aviões ou navios de velas. Fonte: pxhere.

O titânio é um metal com considerável resistência e dureza em relação à sua baixa densidade. Isso é feito por um substituto de aço para todas as aplicações em que são projetadas altas velocidades ou aeronaves em grande escala, como o plano A380 da imagem superior.

É por isso que esse metal tem muitos usos na indústria aeroespacial, pois resiste a oxidações, é leve, forte e suas ligas podem ser melhoradas com aditivos exatos.

Esporte

Não apenas na indústria aeroespacial, o titânio e suas ligas têm destaque, mas também na indústria esportiva. Isso ocorre porque muitos de seus utensílios precisam ser leves para que seus portadores, jogadores ou atletas possam manipulá -los sem se sentir muito pesado.

Alguns desses itens são: bicicletas, bastões de golfe ou hóquei, capacetes de futebol americano, tênis ou raquetes de bádminton, espadas de dedos, patins de gelo, patins de esqui, entre outros.

Além disso, embora em um grau muito menor devido ao seu alto custo, titânio e ligas em carros luxuosos e esportivos foram usados.

Pirotecnia

O titânio terrestre pode ser misturado com, por exemplo, KCLO₄, e servir como um fogo artificial; De fato, eles fazem aqueles que os elaboram em shows de pirotecnianos.

Medicamento

Titanium e suas ligas são materiais de metal por excelência em aplicações biomédicas. Eles são biocompatíveis, inertes, fortes, difíceis de oxidar, não tóxicos, e se integram perfeitamente aos ossos.

Isso os torna muito úteis para implantes ortopédicos e dentários, para articulações artificiais de quadris e joelhos, como parafusos para consertar fraturas, para marcapassos ou corações artificiais.

Biológico

O papel biológico do titânio é incerto e, embora se saiba que ele pode se acumular em algumas plantas e beneficiar o crescimento de certas culturas agrícolas (como tomates), os mecanismos onde eles intervêm são desconhecidos.

Dizem que ele promove a formação de carboidratos, enzimas e clorofilas. Eles conjentam que isso se deve a uma resposta dos organismos vegetais para se defender com baixas concentrações biodisponíveis de titânio, pois são prejudiciais a eles. No entanto, o assunto ainda está no escuro.

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