تيتانيوم

(تم التحويل من التيتانيوم)
22 سكانديومتيتانيومفانديوم
-

Ti

Zr
Ti-TableImage.png
صفات عامة
الإسم, الرقم, الرمز تيتانيوم, Ti, 22
سلاسل كيميائية فلزات انتقالية
المجموعة, الدورة, المستوى الفرعي d , 4 , 4
المظهر معدني فضي
Ti,22.jpg
كتلة ذرية 47.867(1) g/mol
شكل إلكتروني [Ar] 3d2 4s2
عدد الإلكترونات لكل مستوى 2, 8, 10, 2
خواص فيزيائية
الحالة صلب
كثافة عندح.غ. 4.506 ج/سم³
كثافة السائل عند m.p. 4.11 ج/سم³
نقطة الإنصهار 1941 ك
1668 م °
3034 ف °
نقطة الغليان 3560 ك
3287 م °
5949 ف °
حرارة الإنصهار kJ/mol 14.15
حرارة التبخر kJ/mol 425
السعة الحرارية (25 25.060 C (م) ° ( J/(mol·K
ضغط البخار
P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
at T/K 1982 2171 (2403) 2692 3064 3558
الخواص الذرية
البنية البللورية سداسي
حالة التأكسد 2, 3, 4
(اوكسيد متردد)
سالبية كهربية 1.54 (مقياس باولنج)
طاقة التأين
(المزيد)
1st: 658.8 kJ/mol
2nd: 1309.8 kJ/mol
3rd: 2652.5 kJ/mol
نصف قطر ذري 140 pm
نصف قطر ذري (حسابيا) 176 pm
نصف القطر التساهمي 136 pm
متفرقة
الترتيب المغناطيسي ???
مقاومة كهربية 20 °C 0.420 µΩ·m
توصيل حراري (300 K ك ) 21.9
(W/(m·K)
تمدد حراري (25 °C) 8.6 µm/(m·K)
سرعة الصوت (قضيب رفيع) (ح.غ.) 5090 م/ث
معامل يونج 116 GPa
معامل القص 44 GPa
معاير الحجم 110 GPa
نسبة بواسون 0.32
صلابة موس 6.0
رقم فيكرز للصلادة 970 MPa
رقم برينل للصلادة 716 MPa
رقم التسجيل 7440-32-6
النظائر المهمة
المقالة الرئيسية: نظائر التيتانيوم
نظ ت.ط. عمر النصف طر.إ. طا.إ.MeV ن.إ.
44Ti syn 63 y ε - 44Sc
γ 0.07D, 0.08D -
46Ti 8.0% Ti يكون ثابت وله 24 نيوترون
47Ti 7.3% Ti يكون ثابت وله 25 نيوترون
48Ti 73.8% Ti يكون ثابت وله 26 نيوترون
49Ti 5.5% Ti يكون ثابت وله 27 نيوترون
50Ti 5.4% Ti يكون ثابت وله 28 نيوترون
المراجع

تيتانيوم هو عنصر كيميائي في الجدول الدوري ورمزه Ti ووزنه الذري 22. فلز انتقالي خفيف الوزن، قوي، ذو لمعان ومقاوم للصدأ (بما فيه ماء البحر والكلور)، ولونه معدني أبيض فضي.

ويستخدم التيتانيوم في السبائك القوية خفيفة الوزن (وخصوصاً مع الحديد والألومنيوم) وأكثر مركباته شيوعاً هي ثاني أكسيد التيتانيوم، والذي يستعمل في الصبغات البيضاء. ومن استخدامات تلك الصبغات البيضاء: سائل تصحيح الطباعة الأبيض Correction fluid والبويات البيضاء. ويستخدم كذلك في معجون الأسنان، علامات الطريق البيضاء، وفي الألعاب النارية البيضاء اللون.

التيتانيوم عنصر كيميائي رمزه Ti. وهو فلز خفيف الوزن لونه رمادي فضي. وعدده الذرّي 22، ووزنه الذرّي 47,867. تقع كثافة التيتانيوم بين كثافة الألومنيوم وكثافة الفولاذ الذي لا يصدأ، وينصهر عند 1667°م (+10°م) ويغلي عند 3287°م. يقاوم التيتانيوم التآكل أو الصدأ الناتج عن مياه البحر أو هواء البحر مثله في ذلك مثل البلاتين. وفي هذه الخاصية يفوق الفولاذ الذي لا يصدأ. ولا تؤثر الحموض أو القلويات عالية التآكل على التيتانيوم. وهو فلز قابل للطرق، وله معدل قوة ـ وزن أعلى من الفولاذ. وجميع هذه الصفات تجعل منه فلزًا ذا أهمية كبرى.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الاستخدامات

كان أول استخدام تجاري للتيتانيوم هو استخدامه في شكل أكسيد بديلاً للرصاص الأبيض في الدهانات. يتم إنتاج ثاني أكسيد التيتانيوم أو التيتانيوم المخلوط بالأكسجين كلون صبغي أبيض ذي قوة عالية لتغطية الأسطح أثناء الدهان. كما يُستخدم ثاني أكسيد التيتانيوم في صناعة أغطية الأرضيات والورق والبلاستيك وطلاء الصيني والمطاط وقضبان اللِّحام. أما تيتانات الباريوم، وهو مركب من الباريوم والتيتانيوم، فيمكن استخدامه كبديل للبلورات في أجهزة التلفاز والرادار والميكرفونات وأجهزة التسجيل. وتُصنع جواهر التيتانيا من بلورات أكسيد التيتانيوم. وعند قطعها وصقلها، فإن التيتانيا تصبح أكثر لمعانًا من الماس؛ وإن كانت ليست في صلابته. وقد تم استخدام ثالث كلوريد التيتانيوم أو التيتانيوم الممزوج بالكلور في عمل الستائر الدخانية وكنقطة بدء لصناعة المعادن.

ويعمل فلز التيتانيوم كعنصر سبك مهم. تستخدم القوات المسلحة كميات هائلة من التيتانيوم في الطائرات والمحركات النفاثة لأنها قوية وخفيفة. وهو يستطيع كذلك مقاومة درجات الحرارة حتى درجة 427°م و التي تجعل منه فلزًا مفيدًا في أنواع متعددة من الآليات. وبسبب خصائصه العالية، فإن للتيتانيوم عدداً من الاستخدامات المحتملة مثل الألواح المدرعة للسفن وريش التربينة البخارية، والأجهزة الجراحية والأدوات. وسوف تستخدم صناعة النقل كميات هائلة من التيتانيوم في الحافلات وقطارات السكك الحديدية والسيارات، إذا خُفِّض سعر التيتانيوم بحيث ينافس سعر الفولاذ الذي لا يصدأ.


مناطق وجود الخام

تأتي مرتبة التيتانيوم كتاسع عنصر وفير. ولكن صعوبة استخراج الفلز تجعله مرتفع التكلفة. فلم يحدث مطلقًا أن وجد التيتانيوم في حالة نقية. فهو يوجد في الإيلمنيت أو الروتايل. ويمكن أن يوجد كذلك في المجنيتيت التيتانومي، والتيتنايت والحديد. انظر : الإيلمنيت؛ الروتايل؛ التيتانومي، الخام.

من الدول الرئيسية المنتجة للتيتانيوم أستراليا والصين والهند وكندا وجنوب إفريقيا وماليزيا والنرويج والولايات المتحدة الأمريكية. ويوجد في كل من أوكرانيا وروسيا كذلك كميات كبيرة من رواسب التيتانيوم، إلا أن أرقام الإنتاج غير متوافرة.

ويعد التيتانيوم أول عناصر المعادن الانتقالية، ويتمتع بالتشكيل الإلكتروني Ar]3d24S2]. وللتيتانيوم خمسة نظائر طبيعية كتلها الذرية محصورة بين (46) و(50) كما أن له ثلاثة نظائر اصطناعية كتلها الذرية (43 و44 و45).

التيتانيوم من العناصر الواسعة الانتشار في الطبيعة، ويأتي في المرتبة الرابعة بعد الألمنيوم والحديد والمغنيزيوم إذ تبلغ نسبته في القشرة الأرضية

نحو 0.63% وزناً.

اكتُشِف التيتانيوم من فلزه المعروف باسم إلِمينيت Elminite عام (1790) من قبل العالم الإنكليزي وليم غريغور William Gregor كما اكتشف من فلزه المعروف باسم روتيل Rutile عام (1794) من قبل العالم الألماني كلابروث Klaproth وسُمي من قبل هذا الأخير بالتيتانيوم تيمناً بأبناء التيتان (أبناء الأرض) في الأساطير اليونانية.

يعد الإلمينيت FeTiO3 والروتيل TiO2 من أهم فلزات التيتانيوم، وهما منتشران في الولايات المتحدة الأمريكية وكندا والهند وأسترالية والنرويج وغيرها من الدول، وتنحصر أهمية هذه الفلزات في تحضير معدن التيتانيوم وأكسيده وخلائط التيتانيوم مع الحديد.

الاكتشاف والصناعة

اكتشف الإنجليزي وليام گريگور التيتانيوم عام 1791م. وأطلق عليه اسمه الألماني مارتن كلاپروث عام 1795م. ومع ذلك لم يبدأ استخدام طرق تنقيته للإنتاج بكميات كبيرة قبل ثلاثينيات القرن العشرين، وهي الطريقة التي أعدها وليام كرول من لكسمبرج. وأنتجت شركة دو بنت الفلز تجاريًا للمرة الأولى عام 1948م. وفي الوقت الحاضر لا زال الإنتاج منخفضًا بسبب صعوبة وتكلفة فصل التيتانيوم عن الخام الذي يوجد به. وتُصنِّع الولايات المتحدة الأمريكية معظم الفلز المكرّر. وتنتج اليابان وبريطانيا كذلك التيتانيوم. وما زالت الأبحاث جارية لزيادة توريده وتقليل تكلفته.

التحضير

طريقة تحضير التيتانيوم حديثة العهد، فهي لذلك تعاني صعوبات جمة تكمن في فصله عن فلزاته، ويتم تحضيره على نطاق ضيق وفي عدد محدود من الدول؛ ولا يمكن الاعتماد على الطريقة التقليدية بإرجاع ثاني أكسيد التيتانيوم بالكربون لتعذر الحصول عليه نقياً من جهة وبسبب تشكل كربيد التيتانيوم من جهة أخرى.

تتبع الولايات المتحدة في تحضير التيتانيوم الطريقة المشتقة من طريقة كرول Kroll المكتشفة عام (1932) والتي طُبقت بصورة فعلية بدءاً من عام (1950)، وأساس هذه الطريقة إرجاع رباعي كلوريد التيتانيوم TiCl4 بمعدن ذي صفة إرجاعية قوية وبالحرارة، وللحصول على رباعي كلوريد التيتانيوم يجب إمرار غاز الكلور على أكسيد التيتانيوم TiO2 المسخن مع الكربون لدرجة 900 ْس في وعاء خاص ثم تكثيف رباعي كلوريد التيتانيوم المتشكل وتنقيته:

1386-3.jpg

يُرجع رباعي الكلوريد الناتج بعد ذلك بمعدن المغنيزيوم المصهور في الدرجة 800 ْس في مفاعل من الفولاذ الطري وتحت الضغط الجوي وبوجود الأرغون أو الهليوم، إذ إن التيتانيوم شره جداً للأكسجين في شروط كهذه:

1386-1.jpg

وينبغي استخراج كلوريد المغنزيوم المصهور من المفاعل عندما يستهلك 60% تقريباً من معدن المغنيزيوم لكي يسمح لبخار كلوريد التيتانيوم بمواصلة التأثير في المغنيزيوم حتى تصبح نسبة المغنيزيوم المتفاعل 85%؛ ويجب أخذ الحيطة والحذر في التفاعل السابق ومنع حدوث أي تفاعل لاحق يؤدي لاختفاء التيتانيوم وفق التفاعلات الآتية:

يمكن إخراج الجزء الصلب من المفاعل بعد التبريد بتكسيره ميكانيكياً، ويستخرج المغنزيوم وكلوريده بعملية غسل للقطع المكسرة بحمض ممدد، كما يمكن عزل المغنزيوم وكلوريده عن التيتانيوم في المفاعل بالتقطير في الخلاء.

قد يكون الإرجاع بالصوديوم المصهور من أكثر الطرق استعمالاً للحصول على التيتانيوم:

ويمكن الحصول على التيتانيوم النقي جداً بتفكيك رباعي يوديد التيتانيوم على سلك مسخن وبمعزل عن الهواء.

خواصه الفيزيائية والكيميائية

التيتانيوم معدن رمادي اللون، لماع، يخضع لتحول تآصلي allotropique في الدرجة 880 ْس تقريباً إذ يمر من الطور a ذي البنية السداسية المكتنزة إلى الطور b ذي البنية المكعبة المركزية. ينصهر بدرجة 1668 ْس تقريباً ويغلي بدرجة 3260 ْس، ويشبه بخواصه السيليسيوم. وهو أخف من الحديد (كثافته 3.34) وأكثر قساوة من الألمنيوم وأكثر مقاومة للتآكل من البلاتين، ويمتاز بصغر تمدده الحراري وبمقاومته الميكانيكية العالية. وهو معدن قابل للطرق وللسحب، ويمكن مقارنة خواصه الميكانيكية الصناعية مع خواص الفولاذ وإن كان التعامل مع التيتانيوم صعباً بسبب امتصاصه الآزوت والأكسجين.

استعماله

يستعمل في صناعة الطائرات ذات السرعات الكبيرة وفي صناعة السفن والصواريخ ومحركات الاحتراق الداخلي، ويستخدم في مختبرات البحث العلمي والصناعات الكيماوية نظراً لمقاومته الكبيرة للتآكل من قبل الكلور وحمض الكروم.

ومع أن التيتانيوم يقاوم معظم المؤثرات الكيمياوية (باستثناء حمض فلور الماء) إلا أنه يبدي ألفة تجاه الهدروجين والهالوجينات والآزوت والأكسجين والكربون والكبريت بارتفاع درجة الحرارة.

مركباته

يكون التيتانيوم في معظم مركباته رباعي التكافؤ، أما مركباته التي يكون فيها ثنائي أو ثلاثي التكافؤ فإنها تتأكسد بسرعة بالهواء ومع ذلك يمكن للتيتانيوم الثلاثي أن يوجد في المحاليل المائية بشكل شاردة معقدة TiH2(O)6]+3] بنفسجية اللون. ومن مركبات التيتانيوم الثلاثي التكافؤ ثلاثي كلوريد التيتانيوم TiCl3 الذي يحضّر بإرجاع كلوريد التيتانيوم بالهدروجين وبدرجة حرارة تراوح بين 500 ْس-1200 ْس، ومن مركبات التيتانيوم الثلاثي التكافؤ أيضاً Ti2O3 ذو اللون البنفسجي. وتجدر الإشارة إلى وجود عدد قليل من مركبات التيتانيوم الثنائي التكافؤ إلا أن الشاردة Ti+2 لا توجد حرة في المحلول نظراً لسرعة تأكسدها بالماء وتحولها إلى Ti+4. أما مركبات التيتانيوم التي يكون فيها التيتانيوم رباعي التكافؤ فأهمها ثنائي أكسيد التيتانيوم TiO2 الذي يتشكل من أكسدة معدن التيتانيوم بشروط خاصة وبوجود أكسجين الهواء.

أما الطريقة الصناعية لتحضير ثنائي أكسيد التيتانيوم فمبنية على تأثير حمض الكبريت في الإلمينيت بدرجة حرارة 150 ْس ـ 200 ْس مما يؤدي لتكون كبريتيات التيتانيوم TiOSO4 التي تتحلمه بدروها فتتحول إلى هيدروكسيد التيتانيوم الذي يُحوَّل بدوره بالحرارة إلى ثنائي أكسيد التيتانيوم.

يعد ثنائي أكسيد التيتانيوم من الأكاسيد المذبذبة وإن كانت صفته الحمضية هي الغالبة نسبياً؛ وهو مسحوق أبيض ينحل في الأسس القوية مكوناً التيتانات المماثلة للسيليكات؛ وهو ينصهر بدرجة 1600 ْس ويصفرُّ بالتسخين.

يستعمل ثنائي أكسيد التيتانيوم صباغاً أبيض للطلاء (الدهان)، ويباع تجارياً باسم أبيض التيتانيوم، وله قدرة على تغطية السطوح تفوق سبع مرات قدرة أكسيد التوتياء، ويستعمل كذلك لتحضير بعض أنوع الخزف ceramique الكهربائي نظراً لأنه عازل جيد.

ومن مركبات التيتانيوم الرباعي التكافؤ رباعي كلوريد التيتانيوم ويعد في مركبات التيتانيوم المهمة، لأنه يعد الأساس في تحضير معظم مركبات التيتانيوم، وهو سائل يتحلمه بسرعة في الماء (على غرار رباعي كلوريد القصدير):

أما كربيد التيتانيوم فيعد في المركبات الصناعية المهمة إذ إنه مقاوم للحرارة، ويدخل في كثير من الخلائط المستعملة لصنع أدوات القطع السريع للمعادن.

ويشكل التيتانيوم مع الحديد خلائط يطلق عليها اسم فيروتيتانيوم حيث يقوم التيتانيوم بتحسين الصفات الميكانيكية للفولاذ لأنه يمتص الأكسجين والآزوت من الفولاذ فيحول بذلك دون تأكسده من جهة، ويمنع تشكل الفقاعات من جهة أخرى، وبالتالي يحول دون تشكل الفجوات الناجمة عن امتصاص الآزوت.

ويدخل التيتانيوم أيضاً في تركيب كثير من الخلائط المعدنية كخليطة الألمنيوم والقصدير والتيتانيوم المستعملة في صنع بعض المَرْكبات الفضائية. [1]

الاستخدامات

الأصباغ والاضافات والطلاءات

Watch glass on a black surface with a small portion of white powder
ثاني أكسيد التيتانيوم هو أكثر مركبات التيتانيوم استخداماً على الإطلاق

About 95% of titanium ore extracted from the Earth is destined for refinement into titanium dioxide (TiO 2), an intensely white permanent pigment used in paints, paper, toothpaste, and plastics.[2] It is also used in cement, in gemstones, as an optical opacifier in paper,[3] and a strengthening agent in graphite composite fishing rods and golf clubs.

المستهلك والمعمار

Titanium metal is used in automotive applications, particularly in automobile or motorcycle racing, where weight reduction is critical while maintaining high strength and rigidity.[4] The metal is generally too expensive to make it marketable to the general consumer market, other than high-end products, particularly for the racing/performance market. Late model Corvettes have been available with titanium exhausts.[5]

 Outside view of a several storey building with smooth irregular undulating walls. The largest part is coated with grey metal or made from glass
The Guggenheim Museum Bilbao is sheathed in titanium panels.

Titanium is used in many sporting goods: tennis rackets, golf clubs, lacrosse stick shafts; cricket, hockey, lacrosse, and football helmet grills; and bicycle frames and components. Although not a mainstream material for bicycle production, titanium bikes have been used by race teams and adventure cyclists.[6] Titanium alloys are also used in spectacle frames.[7]

الطبية

Grayscale x-ray image of a human skull. This left lateral cephalametric radiograph shows a profile of the human skull. The maxilla and some crowned teeth make up most of the image. Above that four faint nail like structures are visible.
A fracture of the eye socket was repaired by stabilizing the fractured bones with small titanium plates and screws.


محاذير

The dark green dentated elliptic leafs of a nettle
Nettle contains up to 80 parts per million of titanium.

الهامش

  1. ^ عبد المجيد البلخي. "التيتانيوم". الموسوعة العربية. 
  2. ^ United States Geological Survey (2006-12-21). "USGS Minerals Information: Titanium". Retrieved 2006-12-29. 
  3. ^ Smook, Gary A. (2002). Handbook for Pulp & Paper Technologists (3rd edition). Angus Wilde Publications. p. 223. ISBN 0-9694628-5-9. 
  4. ^ خطأ لوا في وحدة:Citation/CS1 على السطر 3565: bad argument #1 to 'pairs' (table expected, got nil).
  5. ^ National Corvette Museum (2006). "Titanium Exhausts". Retrieved 2006-12-26. 
  6. ^ Davis, Joseph R. (1998). Metals Handbook. ASM International. p. 584. ISBN 0871706547. 
  7. ^ Donachie, Matthew J. (2000). Titanium: A Technical Guide. ASM International. pp. 11, 255. ISBN 0871706865. 

وصلات خارجية