برای بسیاری از ما، تیتانیوم به معنای فلزی با کیفیت بالا است که برای ساخت فضاپیمای ناسا و سایر فناوری‌های پیشرفته استفاده می‌شود. تنها از نام آن سرنخی به دست می‌آوریم، زیرا تایتان‌ها را به یاد می‌آورد، غول‌های مهیبی که قبل از خدایان المپ بودند.
تیتانیوم مانند فولاد قوی است اما چگالی آن بسیار کمتر است. بنابراین به عنوان یک عامل آلیاژی با بسیاری از فلزات از جمله آلومینیوم، مولیبدن و آهن اهمیت پیدا می‌کند. این آلیاژها عمدتاً در هواپیماها، فضاپیماها و موشک‌ها به دلیل چگالی کم و توانایی مقاومت در برابر دماهای شدید مورد استفاده قرار می‌گیرند. آن‌ها همچنین در چوب گلف، لپ‌تاپ، دوچرخه و عصا نیز استفاده می‌شوند.
تیتانیوم یک فلز عجیب است که دارای ترکیبی منحصر به فرد از خواص مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی است. تیتانیوم دارای قیمت نسبتاً بالایی است و برای ساخت این فلز به ابزار خاصی نیاز است. این مقاله برخی از اصول اولیه در مورد تیتانیوم را ارائه می‌دهد، مزایای آن را نسبت به سایر فلزات برجسته می‌کند و کاربردهای رایج را مورد بحث قرار می‌دهد.
فهرست مطالب
تیتانیوم چیست؟
تیتانیوم (Ti) عنصر شماره 22 جدول تناوبی و یک فلز خاکستری نقره‌ای از گروه 4 (IVb) جدول تناوبی است که به طور طبیعی روی زمین یافت می‌شود و وزن اتمی آن 47.90 است. تیتانیوم یک فلز با ساختاری سبک وزن، با استحکام بالا و خوردگی کم است و به شکل آلیاژی برای قطعات هواپیماهای پرسرعت استفاده می‌شود. ترکیبی از تیتانیوم و اکسیژن (سال 1791) توسط شیمیدان و کانیشناس انگلیسی ویلیام گرگور (William Gregor) کشف شد و به‌طور مستقل (سال 1795) توسط شیمیدان آلمانی مارتین هاینریش کلاپروت (Martin Heinrich Klaproth) دوباره کشف شد.
تیتانیوم نهمین عنصر فراوان روی زمین است که به طور معمول از مواد معدنی مختلف در پوسته زمین مانند ایلمنیت، اسفن و روتیل استخراج می‌شود. با این حال، تا اواخر قرن 18 توسط جامعه علمی کشف نشد. علاوه بر این، تا قرن بیستم، استفاده از آن برای مقاصد صنعتی آغاز نشد. خود این عنصر به شکل روتیل و ایلمنیت در ماسه ساحل یافت می‌شود. امروزه روتیل به طور کلی در استرالیا و آفریقای جنوبی استخراج می‌شود.
مشخصات عنصر تیتانیوم عبارت است از:
| عدد اتمی | 22 |
| وزن اتمی | 47.867 |
| نقطه ذوب (سانتی‌گراد) | 1,660 |
| نقطه جوش (سانتی‌گراد) | 3,287 |
| تراکم | 4.5 g/cm3 (20 °C) |
| حالت‌های اکسیداسیون | +2, +3, +4 |
| ساختار الکترونی | [Ar]3d24s2 |
آیا تیتانیوم را می‌توان فلز گرانبها نامید؟ تیتانیوم نه فلزی گرانبها و نه کمیاب است، اما در میان فلزات صنعتی به گرانی بسیار معروف است. قیمت فلزات رنگی این چهارمین عنصر فلزی فراوان و نهمین عنصر فراوان از همه عناصر در پوسته زمین است.
نقش تیتانیوم بر سلامتی
تیتانیوم هیچ نقش بیولوژیکی شناخته شده‌ای ندارد. غیر سمی است ولی گرد و غبار دی اکسید تیتانیوم ریز مشکوک به سرطان زا بودن است.
تاریخچه تیتانیوم
اولین ماده معدنی تیتانیوم، یک ماسه سیاه به نام مناکانیت، در سال 1791 توسط کشیش ویلیام گرگور در کورنوال کشف شد. او آن را تجزیه و تحلیل کرد و استنباط کرد که از اکسیدهای آهن و یک فلز ناشناخته تشکیل شده است و آن را به انجمن زمین شناسی سلطنتی کورنوال گزارش داد.
در سال 1795، دانشمند آلمانی مارتین هاینریش کلاپروت از برلین، سنگ معدن قرمز معروف به Schörl از مجارستان را بررسی کرد. این یک شکل از روتیل (TiO2) است و کلاپروت متوجه شد که اکسید عنصری است که قبلاً ناشناخته است و او آن را تیتانیوم نامید. وقتی از کشف گرگور به او خبر دادند، مناکانیت را بررسی کرد و تأیید کرد که آن نیز حاوی تیتانیوم است.
در سال 1910 بود که M. A. Hunter که برای جنرال الکتریک در ایالات متحده کار می‌کرد، فلز تیتانیوم خالص را با حرارت دادن تتراکلرید تیتانیوم و فلز سدیم ساخت.
ترکیب تیتانیوم چیست؟
از آنجایی که تیتانیوم عنصری در جدول تناوبی است و به خودی خود یک آلیاژ نیست، تقریباً می‌توان تیتانیوم 100 درصد خالص را پیدا کرد. با این حال، اغلب با عناصر دیگر آلیاژ می‌شود تا خواص فیزیکی و شیمیایی آن را بیشتر کند. به این آلیاژهای مختلف “گرید” می‌گویند. حدود 50 گرید تیتانیوم برای خرید موجود است که چندین گرید آن بسیار محبوب‌تر از سایرین هستند. گریدهای 1، 2، 3 و 4 همگی تقریباً تیتانیوم خالص هستند. گرید 5، یکی از پرکاربردترین گریدهای تیتانیوم، دارای مقادیر قابل توجهی آلومینیوم و وانادیوم در آرایش خود است (هر کدام بیش از 3 درصد).
دو نمونه از مقاوم‌ترین گریدهای تیتانیوم در برابر خوردگی، درجه 7 و درجه 11 هستند. آن‌ها تیتانیوم «تقریباً خالص» هستند، با افزودن پالادیوم (<0.5٪) مقاومت در برابر خوردگی فوق‌العاده‌ای به آن‌ها داده می‌شود.
همان‌طور که گفتیم درجات زیادی از تیتانیوم وجود دارد. اینها فقط تعدادی از محبوب ترین‌ها هستند.
تیتانیوم به طور گسترده‌ای در زمین توزیع شده است و 0.44 درصد از پوسته زمین را تشکیل می‌دهد. این فلز عملاً در تمام سنگ‌ها، ماسه، رس و سایر خاک‌ها ترکیب شده است. همچنین در گیاهان و جانوران، آب‌های طبیعی و لایروبی‌های اعماق دریاها و شهاب سنگ‌ها و ستاره‌ها وجود دارد. دو کانی تجاری اصلی آن، ایلمنیت و روتیل هستند.
خواص تیتانیوم چیست؟
تیتانیوم در درجه اول برای دو ویژگی شناخته شده است:
- مقاومت در برابر خوردگی
- نسبت قدرت به چگالی
تیتانیوم در مقاومت در برابر خوردگی عالی است زیرا مولکول‌های اکسیژن با تیتانیوم ترکیب می‌شوند و اکسیدهای تیتانیوم را تشکیل می‌دهند. این لایه اکسید تیتانیوم، غیرفعال و کاملاً مقاوم است، به این معنی که مانند زنگ زدگی روی فولاد پوسته پوسته نمی‌شود و می‌تواند در برابر حملات شیمیایی موادی مانند ترکیبات کلر مقاومت کند.
اگرچه در دمای اتاق تیتانیوم در برابر کدر شدن مقاوم است، اما در دمای بالا با اکسیژن موجود در هوا واکنش می‌دهد. این هیچ ضرری برای خواص تیتانیوم در حین آهنگری یا ساخت آلیاژهای آن ندارد. تیتانیوم همچنین دارای نسبت استحکام به وزن و استحکام به چگالی بالایی است، به این معنی که نسبت به سبکی که دارد بسیار قوی است. برخی از گریدهای تیتانیوم، مانند گرید 5، دارای استحکام کششی بسیار بالاتری نسبت به فولادهای نرم با کمی بیش از نیمی از چگالی هستند.
تهیه تیتانیوم خالص به دلیل واکنش پذیری آن دشوار است. تیتانیوم را نمی‌توان با روش متداول احیای اکسید با کربن به دست آورد زیرا یک کاربید بسیار پایدار به آسانی تولید می‌شود و علاوه بر این، فلز در دماهای بالا نسبت به اکسیژن و نیتروژن کاملاً واکنش نشان می‌دهد. بنابراین، فرآیندهای خاصی ابداع شده است که پس از سال 1950، تیتانیوم را از کنجکاوی آزمایشگاهی به یک فلز ساختاری تجاری مهم تبدیل کرد.
در فرآیند کرول، یکی از سنگ‌های معدنی، مانند ایلمنیت (FeTiO3) یا روتیل (TiO2)، در حرارت قرمز با کربن و کلر پردازش می‌شود تا تتراکلرید تیتانیوم، TiCl4 تولید شود، که برای از بین بردن ناخالصی‌هایی مانند کلرید آهن به صورت جزئی تقطیر می‌شود. سپس TiCl4 با منیزیم مذاب در حدود 800 درجه سانتی‌گراد (1500 درجه فارنهایت) در اتمسفر آرگون احیا می‌شود و تیتانیوم فلزی به صورت توده اسفنجی تولید می‌شود که می‌توان اضافی منیزیم و کلرید منیزیم را با تبخیر در حدود 1000 درجه سانتی‌گراد از آن خارج کرد. سپس اسفنج ممکن است در فضایی از آرگون یا هلیوم در یک قوس الکتریکی ذوب شده و به شکل شمش ریخته شود. در مقیاس آزمایشگاهی، تیتانیوم بسیار خالص را می‌توان با تبخیر تترایدید، به شکل بسیار خالص و تجزیه آن بر روی یک سیم داغ در خلاء ساخت.
تیتانیوم خالص انعطاف پذیر است و می‌توان آن را تا درخشندگی بالایی جلا داد. این فلز رسانایی الکتریکی و حرارتی بسیار کمی دارد و پارامغناطیس است (کشش ضعیفی به یک آهنربا). دو ساختار کریستالی وجود دارد: زیر 883 درجه سانتی‌گراد (1621 درجه فارنهایت) و بالاتر از 883 درجه سانتی‌گراد. تیتانیوم طبیعی از پنج ایزوتوپ پایدار تشکیل شده است:
- تیتانیوم-46 (8.0 درصد)
- تیتانیوم-47 (7.3 درصد)
- تیتانیوم-48 (73.8 درصد)
- تیتانیوم-49 (5.5 درصد)
- تیتانیوم-50 (5.4 درصد)
تیتانیوم توسط اسیدهای معدنی در دمای اتاق یا قلیایی‌های آبی داغ مورد حمله قرار نمی‌گیرد. در اسید هیدروکلریک داغ حل می‌شود و گونه‌های تیتانیوم را در حالت اکسیداسیون +3 می‌دهد و اسید نیتریک داغ آن را به یک اکسید آبدار تبدیل می‌کند که در اسید یا باز، نامحلول است. بهترین حلال برای فلز اسید هیدروفلوئوریک یا اسیدهای دیگری است که یون‌های فلوراید به آن‌ها اضافه شده است. چنین محیط‌هایی به دلیل تشکیل کمپلکس‌های فلوئورو، تیتانیوم را حل کرده و در محلول نگه می‌دارند.
تیتانیوم به طور مستقیم با بسیاری از نافلزات مانند هیدروژن، هالوژن، نیتروژن، کربن، بور، سیلیکون و گوگرد در دماهای بالا ترکیب می‌شود. نیترید حاصل (TiN)، کاربید (TiC) و بوریدها (TiB و TiB2) ترکیبات بینابینی هستند که بسیار پایدار، سخت و نسوز هستند.
کاربرد تیتانیوم
یکی از رایج‌ترین کاربردهای تیتانیوم در صنعت هوافضا است. مقدار زیاد استحکام و چگالی نسبتاً کم آن، این فلز را به دلیل نگرانی‌های مربوط به کارایی سوخت، به فلزی مطلوب برای استفاده در هواپیماها و موشک‌ها تبدیل می‌کند.
صنعت دریایی حوزه دیگری است که اغلب به تیتانیوم متکی است. این به دلیل مقاومت در برابر خوردگی آن است، به ویژه در محیط‌های آب شور که خوردگی ناشی از کلر یک نگرانی است.
مقاومت شیمیایی فوق العاده آن نیز به همین دلیل است که از آن در کارخانه‌های فرآوری شیمیایی استفاده می‌شود. بسیاری از دستگاه‌های پزشکی نیز به دلیل استحکام و مقاومت در برابر خوردگی از تیتانیوم استفاده می‌کنند. اگرچه تیتانیوم به اندازه طلا یا نقره محبوب نیست، گاهی اوقات از تیتانیوم در انواع جواهرات نیز استفاده می‌شود.
با توجه به زیست سازگاری تیتانیوم، این فلز نیز به طور گسترده‌ای در بدن انسان استفاده می‌شود. از جمله ایمپلنت‌های لگن و زانو، موارد ضربان ساز، ایمپلنت‌های دندانی، و صفحات جمجمه و صورت.
خصوصیات دیگری که تیتانیوم را به “فلز منتخب” تبدیل می‌کند، ظاهر منحصر به فرد آن است، غیر مغناطیسی است، توانایی حفظ استحکام در دماهای بالا را دارد و نقطه ذوب نسبتاً بالایی دارد. علاوه بر نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت در برابر خوردگی در بسیاری از محیط های اکسید کننده از جمله آب شور و زیست سازگاری شامل مدول الاستیسیته پایین آن است که به آن انعطاف پذیری و رسانایی حرارتی خوبی می‌دهد.
تولید و ساخت تیتانیوم
برای تولید این فلز، روتیل (rutile) با کک (coke) یا قطران (tar) ترکیب می‌شود و گاز کلر و سپس حرارت ایجاد شده و تتراکلرید تیتانیوم (TiCl 4) ایجاد می‌شود. سپس TiCl 4 از طریق یک فرآیند شیمیایی به یک محصول “اسفنجی” تبدیل می‌شود که سپس به شکل شمش ذوب می‌شود. تیتانیوم یا توسط فرآیند ذوب مجدد قوس خلاء (VAR) یا با استفاده از یک فرآیند کوره اجاق سرد ذوب می‌شود. اگر درجه تیتانیوم ذوب شده از نوع “آلیاژی” باشد، عوامل آلیاژی در طول فرآیند فشرده سازی اضافه می‌شوند. سپس شمش با استفاده از تجهیزات استاندارد فلزکاری به اشکال مختلف محصول آسیاب پردازش می‌شود.
قیمت فلز تیتانیوم
مشکل این فلز این است که با وجود این واقعیت که هفتمین فلز فراوان و نهمین عنصر فراوان است، گران قیمت است. در زیر قیمت تاریخی تیتانیوم در هر تن متریک در طی سال‌های مختلف آمده است.
| سال | قیمت | تغییر |
| 2018 | $4,800 | 14% |
| 2017 | $4,150 | 1% |
| 2016 | $4,100 | 27%- |
| 2015 | $5,200 | 17%- |
| 2014 | $6,100 | 11%- |
| 2013 | $6,750 | 24%- |
| 2012 | $8,380 | 11% |
| 2011 | $7,460 | 4% |
| 2010 | $7,190 | 13%- |
واکنش پذیری تیتانیوم
تیتانیوم یک فلز واکنش‌پذیر است و تمایل زیادی به واکنش با عناصر دیگر دارد. مهم‌ترین ویژگی‌های واکنش‌پذیری تیتانیوم عبارتند از:
– تیتانیوم به راحتی با اکسیژن واکنش داده و اکسید تیتانیوم (TiO2) تولید می‌کند. این اکسید به صورت یک لایه محافظ روی سطح تیتانیوم قرار می‌گیرد.
– تیتانیوم در دمای اتاق با هالوژن‌ها مثل کلر، برم و ید واکنش داده و ترکیبات کووالانسی می‌سازد.
– تیتانیوم به راحتی توسط اسیدهای معدنی مثل HCl و H2SO4 حل می‌شود و ترکیبات محلول تیتانیوم تولید می‌کند.
– تیتانیوم در دماهای بالا با نیتروژن، هیدروژن، کربن و سیلیسیم واکنش می‌دهد و ترکیباتی مانند نیترید تیتانیوم و سیلیسید تیتانیوم تشکیل می‌دهد.
– تیتانیوم در مجاورت بازهای قوی مانند سدیم هیدروکسید به شدت واکنش نشان داده و گاز هیدروژن آزاد می‌کند.
بنابراین تیتانیوم یکی از واکنش‌پذیرترین فلزات در جدول تناوبی است و تمایل زیادی به تشکیل پیوندهای شیمیایی دارد.
واکنش تیتانیم کلرید با منیزیم
واکنش تیتانیم کلرید (TiCl4) با منیزیم (Mg) به صورت زیر است:
TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2
در این واکنش:
- تیتانیم کلرید که یک ترکیب کووالانسی است با منیزیم واکنش می‌دهد.
- منیزیم به عنوان فلز واکنش‌پذیرتر عمل کرده و کلرهای تیتانیم کلرید را جذب می‌کند.
- در نتیجه عنصر تیتانیم آزاد شده و ترکیب منیزیم کلرید تولید می‌شود.
- نسبت واکنش‌دهنده‌ها بر اساس ضرایب استوکیومتری است، به ازای هر مولکول TiCl4، دو مولکول Mg مورد نیاز است.
- این یک واکنش جایگزینی است که طی آن عنصر منیزیم به جای کلر در ترکیب تیتانیم کلرید قرار می‌گیرد.
در مجموع، منیزیم واکنش‌پذیرتر از تیتانیم بوده و با جایگزینی عنصر کلر، تیتانیم خالص تولید می‌کند.
مقایسه واکنش پذیری تیتانیم و آهن
تیتانیم و آهن هر دو فلز هستند، اما واکنش‌پذیری آن‌ها با هم متفاوت است:
– تیتانیم یک فلز واکنش‌پذیر است و تمایل دارد با عناصر دیگر واکنش دهد.
– آهن واکنش‌پذیری کمتری نسبت به تیتانیم دارد و راحت اکسید نمی‌شود.
– تیتانیم در مقایسه با آهن الکترون‌دوست‌تر است و الکترون‌های ظرفیت خود را راحت‌تر از دست می‌دهد.
– تیتانیم در اثر واکنش با اکسیژن هوا به راحتی اکسید شده و لایه اکسید تیتانیم ایجاد می‌کند. آهن به کندی اکسید می‌شود.
– تیتانیم با اسیدها واکنش‌پذیری بالایی دارد، در حالی که آهن واکنش‌پذیری کمتری نشان می‌دهد.
– تیتانیم حتی در دمای اتاق با هالوژن‌ها مانند کلر واکنش می‌دهد، در حالی که آهن نیاز به دمای بالاتری دارد.
بنابراین به طور کلی می‌توان گفت تیتانیم نسبت به آهن واکنش‌پذیری بیشتری دارد.
جمع‌بندی
تیتانیوم به عنوان یک عامل آلیاژی با اکثر فلزات و برخی نافلزات مهم است. برخی از این آلیاژها استحکام کششی بسیار بالاتری نسبت به خود تیتانیوم دارند. تیتانیوم در بسیاری از محیط‌ها به دلیل تشکیل یک لایه اکسید غیرفعال، مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی دارد. با وجود قرار گرفتن در معرض آب دریا برای بیش از سه سال، هیچ خوردگی قابل توجهی از فلز رخ نمی‌دهد. تیتانیوم از نظر سخت و نسوز به سایر فلزات واسطه مانند آهن و نیکل شباهت دارد. ترکیبی از استحکام بالا، چگالی کم و مقاومت عالی در برابر خوردگی آن را برای بسیاری از بخش‌های صنعتی مانند هواپیما، فضاپیما، موشک و کشتی‌ها مفید می‌کند. همچنین در دستگاه‌های مصنوعی استفاده می‌شود، زیرا با بافت گوشتی و استخوان واکنش نشان نمی‌دهد. تیتانیوم همچنین به عنوان یک اکسید کننده در فولاد و به عنوان یک افزودنی آلیاژی در بسیاری از فولادها برای کاهش اندازه دانه، در فولاد ضد زنگ برای کاهش محتوای کربن، در آلومینیوم برای پالایش اندازه دانه و در مس برای سخت شدن استفاده شده است.
پرسش و پاسخ
تیتانیوم در چه سالی و توسط چه کسی کشف شد؟
تیتانیوم در سال 1791 توسط شیمیدان و کانیشناس انگلیسی ویلیام گرگور کشف شد.
نام تیتانیوم از کجا اقتباس شده است؟
نام تیتانیوم از تیتانها، پسران الهه زمین در اساطیر یونان گرفته شده است.
مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 31 تیر 1402
