Propiedades químicas del titanio

El titanio reacciona con muchos elementos y compuestos a temperaturas más altas. Varios elementos se pueden dividir en cuatro categorías según sus diferentes reacciones con el titanio:

Categoría 1: los halógenos y los elementos del grupo oxígeno forman compuestos de enlace iónico y valeroso con el titanio.

La segunda categoría; : elementos de transición, hidrógeno, berilio, boro, carbono, nitrógeno y titanio para formar compuestos intermetálicos y soluciones sólidas finitas;

La tercera categoría: circonio, hafnio, vanadio, cromo, elementos de escandio forman una solución sólida infinita con titanio;

Categoría 4: Gases inertes, metales alcalinos, metales alcalinotérreos, elementos de tierras raras (excepto escandio), actinio, torio, etc. No reacciona o apenas reacciona con el titanio. Compuestos con fluoruro de hidrógeno y fluoruro. El gas fluoruro de hidrógeno reacciona con el titanio y se calienta para generar TiF4. La fórmula de reacción es Ti 4HF = TiF4 2H2 135,0 kcal. Lata líquida de fluoruro de hidrógeno anhidro. se genera en la superficie del titanio. Una densa película de tetrafluoruro de titanio evita que el fluoruro de hidrógeno penetre en el titanio. El ácido fluorhídrico es el disolvente más fuerte del titanio. Incluso el ácido fluorhídrico con una concentración de 1 reaccionará violentamente con el titanio:

2Ti 6HF=2TiF3 3H2

El fluoruro anhidro y su solución acuosa no reaccionarán con el titanio a bajas temperaturas. Reacción, solo El fluoruro fundido a altas temperaturas reaccionará significativamente con el titanio. El cloruro de hidrógeno y el gas cloruro de hidrógeno pueden corroer el titanio metálico. El cloruro de hidrógeno seco reacciona con el titanio a >300 °C para generar TiCl4:

Ti 4HCl = TiCl4 2H2 94,75 kcal

Ácido clorhídrico con una concentración de <5 No reacciona con el titanio a temperatura ambiente. El ácido clorhídrico al 20% se alterna con el titanio a temperatura ambiente para formar TiCl3 de color púrpura:

2Ti 6HCl=2TiCl3 3H2

Cuando. la temperatura aumenta, incluso si incluso el ácido clorhídrico diluido corroerá el titanio. Varios cloruros anhidros y sus soluciones acuosas, como magnesio, manganeso, hierro, níquel, cobre, zinc, mercurio, estaño, calcio, sodio, bario y iones NH4, no reaccionan con el titanio, y el titanio tiene buena estabilidad en estos cloruros. El ácido sulfúrico y el sulfuro de hidrógeno de titanio reaccionan significativamente con el ácido sulfúrico al 5%. A temperatura ambiente, el ácido sulfúrico a aproximadamente el 40% corroe el titanio más rápido cuando la concentración es superior al 40%, la velocidad de corrosión se ralentiza cuando alcanza el 60%. y alcanza el máximo al 80% rápidamente. El ácido diluido calentado o el ácido sulfúrico concentrado al 50% pueden reaccionar con el titanio para producir sulfato de titanio:

Ti H2SO4=TiSO4 H2

2Ti 3H2SO4=Ti2(SO4)3 3H2

El titanio puede reducir el ácido sulfúrico concentrado calentado para generar SO2:

2Ti 6H2SO4=Ti2(SO4)3 3SO2 6H2O 202 kcal

El titanio reacciona con el sulfuro de hidrógeno a temperatura ambiente , y en su superficie se formará una película protectora para evitar una mayor reacción entre el sulfuro de hidrógeno y el titanio. Esto se debe a que el ácido nítrico puede formar rápidamente una película de óxido sólido en la superficie del titanio, y la superficie es rugosa, especialmente el titanio esponjoso o el titanio en polvo, que puede reaccionar con ácido nítrico diluido en caliente secundario:

3Ti 4HNO3 4H2O=3H4TiO4 4NO

3Ti 4HNO3 H2O=3H2TiO3 4NO

El ácido nítrico concentrado por encima de 70°C también puede reaccionar con el titanio:

Titanio 8HNO3=Titanio ( NO3) 4 4NO2 4H2O

A temperatura ambiente, el titanio no reacciona con el agua regia. A temperaturas más altas, el titanio reacciona con el agua regia para formar TiCl2. Ti 8HNO3=Ti(NO3)4 4NO2 4H2O (11) En resumen, las propiedades del titanio están muy relacionadas con la temperatura, su forma de existencia y su pureza. El titanio metálico denso es bastante estable por naturaleza, pero el titanio en polvo puede provocar una combustión espontánea en el aire. La presencia de impurezas en el titanio puede afectar gravemente las propiedades físicas y químicas, las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión del titanio. En particular, algunas impurezas intersticiales distorsionarán la red de titanio y afectarán diversas propiedades del titanio.

El titanio tiene muy poca actividad química a temperatura ambiente y puede reaccionar con algunas sustancias como el ácido fluorhídrico. Sin embargo, cuando la temperatura aumenta, la actividad del titanio aumenta rápidamente. Especialmente a altas temperaturas, el titanio puede reaccionar violentamente con muchas sustancias. El proceso de fundición del titanio generalmente se lleva a cabo a altas temperaturas superiores a los 800°C, por lo que debe operarse bajo la protección de un vacío o una atmósfera inerte. Propiedades físicas del metal titanio El metal titanio (Ti) es un metal gris. El número atómico es 22 y la masa atómica relativa es 47,87. Los electrones fuera del núcleo están dispuestos en las subcapas 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 3d2 4S2. La actividad del metal es inestable en el magnesio y el aluminio, por lo que solo puede existir en forma de compuestos en la naturaleza. Los compuestos comunes de titanio incluyen ilmenita (FeTiO3), rutilo (TiO2), etc. El titanio es muy abundante en la corteza terrestre y ocupa el noveno lugar con 5600 ppm, lo que se traduce en 0,56 como porcentaje. La densidad del titanio puro es 4,54 × 103 kg/m3, el volumen molar es 10,54 cm3/mol y su dureza es pobre. La dureza de Mohs es sólo de aproximadamente 4, por lo que su ductilidad es buena. El titanio tiene buena estabilidad térmica, con un punto de fusión de 1660 ± 10 °C y un punto de ebullición de 3287 °C. Propiedades químicas del metal titanio El metal titanio tiene propiedades reductoras extremadamente fuertes en ambientes de alta temperatura. Puede combinarse químicamente con oxígeno, carbono, nitrógeno y muchos otros elementos, y también puede precipitar oxígeno de algunos óxidos metálicos (como el óxido de aluminio). A temperatura ambiente, el titanio y el oxígeno se combinan para formar una película de óxido muy fina y densa que no reacciona con el ácido nítrico, el ácido sulfúrico diluido, el ácido clorhídrico diluido y el agua regia (el rey de los ácidos) a temperatura ambiente. Reacciona con ácido fluorhídrico, ácido clorhídrico concentrado y ácido sulfúrico concentrado. El elemento titanio fue descubierto en 1789. En 1908, Noruega y Estados Unidos comenzaron a utilizar el método del ácido sulfúrico para producir dióxido de titanio. En 1910, se utilizó por primera vez el método del sodio para producir esponja de titanio en el laboratorio. , DuPont en los Estados Unidos utilizó el método del magnesio para producir una esponja de titanio de 10.000 toneladas. Esto marcó el comienzo de la producción industrial de esponja de titanio, es decir, titanio.

La industria del titanio en China comenzó en la década de 1950. En 1954, el Instituto de Investigación de Metales No Ferrosos de Beijing inició una investigación sobre el proceso de preparación de la esponja de titanio. En 1956, el país incluyó el titanio como metal estratégico en el plan de desarrollo de 12 años. En 1958, se llevó a cabo la prueba de industrialización de la esponja de titanio. en la planta de aluminio de Fushun, estableciendo el primer taller de producción de esponja de titanio de mi país y la primera planta de procesamiento de placas y tiras de titanio de mi país en Shenyang. El primer taller de prueba de producción de materiales de procesamiento de placas y tiras de titanio de China.

En las décadas de 1960 y 1970, bajo la planificación unificada del país, se construyeron más de 10 unidades de producción de esponjas de titanio, representadas por la fábrica de titanio Zunyi. En 1967, se construyó la primera unidad de producción de esponjas de titanio de mi país; establecida en la Fábrica de Procesamiento de Cobre de Luoyang, tiene el primer taller de prueba de producción de material de procesamiento de varillas y tubos de titanio y el segundo taller de prueba de producción de placas y tiras de titanio, y es el principal responsable de las tareas de producción de prueba y desarrollo del primer submarino nuclear de mi país. primer destructor de misiles guiados y materiales de titanio para la aviación. La tarea de producción de prueba y desarrollo de materiales de titanio para la aviación no se realizó hasta que se completó y puso en funcionamiento la planta de procesamiento de metales no ferrosos de Baoji en 1972, y la planta de procesamiento de cobre de Luoyang se entregó al Instituto de Investigación de No ferrosos de Beijing. división del Ministerio de Metalurgia, ya no era responsable de la producción de prueba y el desarrollo de materiales de titanio, el Instituto de Investigación No Ferroso de Beijing, el Instituto de Investigación de Aluminio y Magnesio de Shenyang, la Fábrica de Aluminio Fushun, la Fábrica de Procesamiento de Metales No Ferrosos de Shenyang, la Fábrica de Procesamiento de Aleaciones Ligeras del Noreste, Fábrica de procesamiento de cobre de Luoyang y otras unidades. Principalmente sobre la base de estas unidades, la Fábrica de Procesamiento de Metales No Ferrosos de Baoji y el Instituto de Investigación de Metales Preciosos de Baoji recibieron asistencia en la construcción. A partir de entonces, según la clasificación de la industria, la Fábrica de Procesamiento de Metales No Ferrosos de Baoji y el Instituto de Investigación de Metales Preciosos de Baoji fueron los principales responsables de la producción. y desarrollo de la mayoría de los materiales de procesamiento de titanio nacionales. Al mismo tiempo, China se ha convertido en el cuarto país con un sistema industrial completo de titanio, después de Estados Unidos, la ex Unión Soviética y Japón.

Alrededor de 1980, la producción de esponjas de titanio de mi país alcanzó las 2.800 toneladas. Sin embargo, debido a la falta de comprensión de la mayoría de la gente sobre el titanio, el alto precio de los materiales de titanio también ha limitado la aplicación del titanio procesado. Los materiales son solo alrededor de 200 toneladas, la industria del titanio de mi país está en problemas.

Bajo esta circunstancia, iniciado por el camarada Fang Yi, entonces Viceprimer Ministro del Consejo de Estado, y apoyado por los camaradas Zhu Rongji y Yuan Baohua, en julio de 1982 se creó el Grupo Líder Nacional Interministerial de Aplicaciones del Titanio para coordinar el desarrollo de la industria del titanio. , promoviendo así el 20 Desde la década de 1980 hasta principios de la de 1990, la producción y venta de esponjas de titanio y materiales de procesamiento de titanio en mi país estaban en auge, y la industria del titanio se encontraba en una buena situación de desarrollo rápido y estable.

En resumen, la industria del titanio de mi país ha experimentado tres períodos de desarrollo: el período pionero en los años 50, el período de construcción en los años 1960 y 1970, y el período de desarrollo inicial en los años 1980 y 1990. Al entrar en el nuevo siglo, gracias al rápido y sostenido desarrollo de la economía nacional, la industria del titanio de China también ha entrado en un período de rápido crecimiento.

El titanio se utiliza a menudo en la industria química debido a su resistencia a la corrosión. En el pasado, todas las piezas que contenían ácido nítrico caliente en los reactores químicos estaban hechas de acero inoxidable. El acero inoxidable también teme al fuerte agente corrosivo: el ácido nítrico caliente, por lo que piezas como ésta deben sustituirse cada seis meses. Aunque el coste de fabricar estas piezas de titanio es más caro que el de las piezas de acero inoxidable, se pueden utilizar de forma continua durante cinco años y son mucho más rentables.

En electroquímica, el titanio es un metal de válvula unidireccional con un potencial muy negativo que generalmente lo hace inútil como ánodo de descomposición.

La mayor desventaja del titanio es que es difícil de refinar. La razón principal es que el titanio se une químicamente muy fuertemente con el oxígeno, el carbono, el nitrógeno y muchos otros elementos a altas temperaturas. Por lo tanto, ya sea en fundición o fundición, hay que tener cuidado para evitar que estos elementos "ataquen" al titanio. Al fundir titanio, por supuesto, está estrictamente prohibido permitir que el aire y el agua se acerquen entre sí, e incluso el uso de crisoles de alúmina comúnmente utilizados en metalurgia está prohibido porque el titanio absorberá el oxígeno de la alúmina. El titanio se refina combinando magnesio con tetracloruro de titanio en un gas inerte (helio o argón).

La capacidad del titanio para unirse a altas temperaturas se puede utilizar en la fabricación de acero porque el nitrógeno se disuelve fácilmente en el acero y cuando el lingote de acero se enfría, se formarán burbujas en el lingote de acero, lo que afecta la calidad del acero. Por lo tanto, los fabricantes de acero añaden titanio metálico al acero para combinarlo con nitrógeno y formar nitruro de titanio, una escoria que flota en la superficie del acero, lo que hace que el lingote de acero sea más puro.

Cuando vuelan aviones supersónicos, la temperatura de las alas puede alcanzar los 500 grados centígrados. Si se utiliza una aleación de aluminio relativamente resistente al calor para fabricar las alas, no podrá soportarlas cuando alcance los doscientos o trescientos grados. Se debe utilizar un material que sea ligero, resistente y resistente al calor para reemplazarlo. La aleación de aluminio y el titanio pueden cumplir con estos requisitos. El titanio también puede resistir la prueba de más de 100 grados bajo cero. A esta baja temperatura, el titanio todavía tiene buena tenacidad sin volverse quebradizo.

El titanio y el circonio tienen una gran capacidad para absorber aire, por lo que pueden extraerlo y crear un vacío. Por ejemplo, una bomba de vacío hecha de titanio puede bombear aire en partes por billón. El óxido de titanio es dióxido de titanio, el TiO2 natural es rutilo, el TiO2 puro es un polvo blanco como la nieve, el mejor pigmento blanco, comúnmente conocido como dióxido de titanio, es blanco cuando hace frío y amarillo claro cuando hace calor. En el pasado, el objetivo principal de la extracción de mineral de titanio era obtener dióxido de titanio. El dióxido de titanio tiene una fuerte adherencia, no es propenso a cambios químicos y siempre es blanco como la nieve. Es la mejor pintura blanca. Tiene un alto índice de refracción, un fuerte poder colorante, un gran poder cubriente y propiedades químicas estables. Otras pinturas blancas, como el ZnO blanco de zinc y el 2PbCO3-Pb(OH)2 blanco de plomo, no tienen estas excelentes propiedades del dióxido de titanio. Lo que es especialmente valioso es que el dióxido de titanio no es tóxico. Tiene un alto punto de fusión y puede usarse para fabricar vidrio refractario, vidriados, esmaltes, arcilla, recipientes de laboratorio resistentes a altas temperaturas, etc.

El dióxido de titanio es la cosa más blanca del mundo. 1 gramo de dióxido de titanio puede pintar una superficie de más de 450 centímetros cuadrados de color blanco como la nieve. Su blancura es cinco veces mayor que la del pigmento blanco comúnmente utilizado, blanco de zinc y bario, por lo que es el mejor pigmento para preparar pintura blanca. Cada año se utilizan más de cientos de miles de toneladas de dióxido de titanio como pigmentos en todo el mundo. Agregar dióxido de titanio al papel puede hacer que el papel sea blanco y opaco, y el efecto es 10 veces mayor que el de otras sustancias. Por lo tanto, se debe agregar dióxido de titanio al papel para billetes y al papel artístico. Además, para diluir el color del plástico y hacer que el rayón sea suave y brillante, a veces se añade dióxido de titanio. En la industria del caucho, el dióxido de titanio también se utiliza como relleno de caucho blanco.

El tetracloruro de titanio es muy interesante. Es un líquido incoloro en condiciones normales (punto de fusión -25°C, punto de ebullición 136,4°C). Tiene un olor acre y emite una gran cantidad de agua. aire húmedo. Humo blanco: después de hidrolizarse, se convierte en hidrogel de dióxido de titanio blanco. En agua se hidroliza fuertemente a metatitanato de titanio H?TiO?. En el ejército, la gente ha utilizado el temperamento peculiar del tetracloruro de titanio como agente de humo artificial. Especialmente en el océano y el vapor de agua, una vez que se libera tetracloruro de titanio, el humo es como una Gran Muralla blanca que bloquea la vista del enemigo. En la agricultura, la gente utiliza tetracloruro de titanio para evitar la congelación.

El tetracloruro de titanio es un cristal de color púrpura y su solución acuosa se puede utilizar como agente reductor. El Ti3 es más reducible que el Sn2.

El cristal de titanato de bario tiene esta característica: cuando cambia de forma bajo presión, generará corriente eléctrica y volverá a cambiar de forma después de ser energizado. Por lo tanto, la gente pone titanato de bario en ondas ultrasónicas y, cuando se presiona, genera una corriente eléctrica. La fuerza de las ondas ultrasónicas se puede medir por el tamaño de la corriente eléctrica que genera. Por el contrario, si lo atraviesa una corriente de alta frecuencia, puede generar ondas ultrasónicas. El titanato de bario se utiliza en casi todos los instrumentos de ultrasonido. Además, el titanato de bario tiene muchos otros usos. Por ejemplo, los trabajadores del ferrocarril lo colocan debajo de las vías para medir la presión cuando pasan los trenes; los médicos lo utilizan para fabricar registradores de pulso. El detector submarino hecho de titanato de bario es un ojo submarino agudo que no sólo puede ver peces, sino también arrecifes submarinos, icebergs y submarinos enemigos.

Fundir titanio implica pasos complejos. Convierta la ilmenita en tetracloruro de titanio, luego colóquela en un tanque de acero inoxidable sellado, llénelo con gas argón y haga reaccionar con el magnesio metálico para obtener "titanio esponjoso". Esta "esponja de titanio" porosa no se puede utilizar directamente y se debe fundir hasta obtener un líquido en un horno antes de poder convertirla en lingotes de titanio. ¡Pero hacer un horno así no es fácil! Además de tener que bombear el aire en el horno, lo que es aún más problemático es que es imposible encontrar un crisol que contenga líquido de titanio, porque generalmente los materiales refractarios contienen óxidos y el líquido de titanio eliminará el oxígeno. Más tarde, la gente finalmente inventó un horno eléctrico de "crisol de cobre refrigerado por agua". Sólo la parte central de este horno eléctrico está caliente y las partes restantes están frías. Después de que el titanio se funde en el horno, fluye hacia la pared del crisol de cobre enfriado por agua e inmediatamente se condensa en un lingote. Con este método se pueden producir bloques de titanio que pesan varias toneladas, pero el coste es imaginable. En 1791, el químico británico Gregor R W (1762-1817) descubrió el titanio mientras estudiaba la ilmenita y el rutilo. Cuatro años más tarde, en 1795, el químico alemán Klaproth M H (1743-1817) también descubrió el titanio mientras analizaba el rutilo rojo procedente de Hungría. Abogó por nombrar el nuevo elemento "titanio" en honor al uranio (descubierto por Klapprot en 1789), citando el nombre del Titanic en la mitología griega. En chino, según la transliteración, su nombre es titanio.

El titanio descubierto por Gregor y Klapprous en aquel momento era dióxido de titanio en polvo, no titanio metálico. Debido a que el óxido de titanio es extremadamente estable y el titanio metálico puede reaccionar directamente violentamente con oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, carbono, etc., es difícil producir titanio elemental. No fue hasta 1910 que el químico estadounidense Hunter M A produjo por primera vez titanio metálico con una pureza de 99,9. Tiene brillo metálico y dureza. La densidad es de 4,5 g/cm3. Punto de fusión 1660 ± 10 ℃. Punto de ebullición 3287 ℃. La energía de ionización es de 6,82 eV. Las principales características del titanio son la baja densidad, la alta resistencia mecánica y la facilidad de procesamiento. La plasticidad del titanio depende principalmente de su pureza. Cuanto mayor sea la pureza, más fuerte será la plasticidad. El titanio tiene buena resistencia a la corrosión y no se ve afectado por la atmósfera ni el agua de mar. A temperatura normal, el ácido clorhídrico inferior a 7, el ácido sulfúrico inferior a 5, el ácido nítrico, el agua regia o la solución alcalina diluida no lo corroerán; solo el ácido fluorhídrico, el ácido clorhídrico concentrado, el ácido sulfúrico concentrado, etc. .