¿Cuáles son las propiedades físicas y químicas del metal titanio?
Propiedades físicas
La densidad del titanio es de 4,506-4,516 g/centímetro cúbico (20°C), que es superior a la del aluminio e inferior a la del hierro, el cobre y el níquel. Pero la resistencia específica ocupa el primer lugar entre los metales, 3 veces mayor que la del acero inoxidable y 1,3 veces mayor que la de la aleación de aluminio. El punto de fusión es 1668±4°C, el calor latente de fusión es 3,7-5,0 kcal/g átomo, el punto de ebullición es 3260±20°C, el calor latente de vaporización es 102,5-112,5 kcal/g átomo, el punto crítico La temperatura es de 4350°C y la presión crítica es de 1130 atmósferas. La conductividad térmica y la conductividad eléctrica del titanio son pobres, similares o ligeramente inferiores a las del acero inoxidable. El titanio tiene superconductividad y la temperatura crítica superconductora del titanio puro es de 0,38 a 0,4 K. A 25 °C, la capacidad calorífica del titanio es de 0,126 cal/grado de átomo gramo, la entalpía térmica es de 1149 cal/grado de átomo gramo y la entropía es de 7,33 cal/grado de átomo gramo. El metal de titanio es un material paramagnético con. una permeabilidad magnética de 1,00004. El titanio tiene plasticidad. El alargamiento del titanio de alta pureza puede alcanzar 50-60 y la contracción del área puede alcanzar 70-80. Sin embargo, su resistencia es baja y no es adecuado para su uso como material estructural. La presencia de impurezas en el titanio tiene un gran impacto en sus propiedades mecánicas. En particular, las impurezas intersticiales (oxígeno, nitrógeno, carbono) pueden aumentar en gran medida la resistencia del titanio y reducir significativamente su plasticidad. Las buenas propiedades mecánicas del titanio como material estructural se logran controlando estrictamente el contenido de impurezas apropiado y agregando elementos de aleación.
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El titanio puede reaccionar 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 elementos de la familia de halógenos y oxígeno forman compuestos de enlace iónico y valeroso con el titanio; Categoría 2: elementos de transición, hidrógeno, berilio, boro, carbono y nitrógeno; compuestos intermetálicos y soluciones sólidas finitas con titanio; categoría 3: circonio, hafnio, vanadio, cromo, elementos de escandio que forman soluciones sólidas infinitas con titanio; categoría 4: gases inertes, metales alcalinos, metales alcalinotérreos, elementos de tierras raras (excepto escandio); actinio, torio, etc. no reaccionan con el titanio o básicamente no reaccionan. El gas fluoruro de hidrógeno reacciona con el compuesto HF y fluoruro para producir TiF4 cuando se calienta, y la fórmula de reacción es (1); el líquido de fluoruro de hidrógeno sin agua puede generar una película densa de tetrafluoruro de titanio en la superficie del titanio, lo que puede evitar que el HF se sumerja; Interior de titanio. El ácido fluorhídrico es el disolvente más fuerte del titanio. Incluso el ácido fluorhídrico con una concentración de 1 puede reaccionar violentamente con el titanio; consulte la fórmula (2); el fluoruro anhidro y su solución acuosa no reaccionan con el titanio a bajas temperaturas, pero solo el fluoruro fundido a altas temperaturas reacciona significativamente con el titanio. Ti 4HF=TiF4 2H2 135,0 kcal (1) 2Ti 6HF=2TiF3 3H2 (2) HCl y cloruro El gas cloruro de hidrógeno puede corroer el titanio metálico. El cloruro de hidrógeno seco reacciona con el titanio a >300 °C para generar TiCl4; consulte la fórmula (3); El ácido clorhídrico con una concentración de lt; 5 no reacciona con el titanio a temperatura ambiente, y el ácido clorhídrico con una concentración de 20 reaccionará con el titanio a temperatura ambiente para formar TiCl3 púrpura, consulte la fórmula (4); Incluso el ácido clorhídrico diluido corroerá el titanio. Varios cloruros anhidros, como los iones de magnesio, manganeso, hierro, níquel, cobre, zinc, mercurio, estaño, calcio, sodio, bario y NH4 y sus soluciones acuosas, no reaccionan con el titanio en estos cloruros. Tiene muy buena estabilidad. Ti 4HCl=TiCl4 2H2 94,75 kcal(3)2Ti 6HCl=TiCl3 3H2(4) El ácido sulfúrico y el sulfuro de hidrógeno de titanio tienen reacciones obvias con ácido sulfúrico al 5%. A temperatura normal, aproximadamente el 40% de ácido sulfúrico corroe el titanio más rápido. es mayor que 40, la velocidad de corrosión se ralentiza cuando llega a 60 y alcanza la velocidad más rápida cuando llega a 80. El ácido diluido calentado o el ácido sulfúrico concentrado al 50 % pueden reaccionar con el titanio para generar sulfato de titanio; consulte las fórmulas (5) y (6). El titanio puede reducir el ácido sulfúrico concentrado calentado para generar SO2; consulte la fórmula (7). El titanio reacciona con el sulfuro de hidrógeno a temperatura ambiente, formando una película protectora en su superficie que evita una mayor reacción entre el sulfuro de hidrógeno y el titanio. Sin embargo, a altas temperaturas, el sulfuro de hidrógeno reacciona con el titanio para producir hidrógeno, como se muestra en la fórmula (8). El titanio en polvo comienza a reaccionar con el sulfuro de hidrógeno a 600 °C para formar sulfuro de titanio. El producto de la reacción es principalmente TiS a 900 °C. y Ti2S3 a 1200°C.
Ti H2SO4=TiSO4 H2(5) 2Ti 3H2SO4=Ti2(SO4)3 3H2(6) 2Ti 6H2SO4=Ti2(SO4)3 3SO2 6H2O 202 kcal (7) Ti H2S=TiS H2 70 kcal (8) Ácido nítrico y agua rey El titanio denso con una superficie lisa tiene buena estabilidad al ácido nítrico. Esto se debe a que el ácido nítrico puede formar rápidamente una fuerte película de óxido en la superficie del titanio. Sin embargo, las superficies rugosas, especialmente el titanio esponjoso o el titanio en polvo, pueden reaccionar con el agua y el calor. -El titanio resistente reacciona con el ácido nítrico diluido, consulte las fórmulas (9) y (10). El ácido nítrico concentrado por encima de 70 °C también puede reaccionar con el titanio, consulte la fórmula (11). Cuando la temperatura es alta, el titanio puede reaccionar con el agua regia para formar TiCl2. 3Ti 4HNO3 4H2O=3H4TiO4 4NO (9)3Ti 4HNO3 H2O=3H2TiO3 4NO (10) Ti 8HNO3=Ti(NO3)4 4NO2 4H2O (11) En resumen, las propiedades del titanio están extremadamente relacionadas con la temperatura, su forma de existencia y relación de 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 afecta significativamente las propiedades físicas, químicas, mecánicas y la resistencia a la corrosión del titanio. En particular, algunas impurezas intersticiales pueden distorsionar la red de titanio y afectar 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 al vacío o bajo la protección de 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. La disposición de los electrones fuera del núcleo en la subcapa es 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 3d2 4S2. La actividad del metal es entre magnesio y aluminio y no es estable a temperatura ambiente, por lo que solo existe en estado químico en la naturaleza. Los compuestos comunes de titanio incluyen ilmenita (FeTiO3), rutilo (TiO2), etc. El titanio tiene un alto contenido en la corteza terrestre, ocupando el noveno lugar con 5600 ppm, que es 0,56 cuando se convierte en porcentaje. El titanio puro tiene una densidad de 4,54 × 103 kg/m3, un volumen molar de 10,54 cm3/mol y una dureza deficiente. La dureza de Mohs es sólo de aproximadamente 4, por lo que tiene buena ductilidad. El titanio tiene buena estabilidad térmica, con un punto de fusión de 1660±10 ℃ y un punto de ebullición de 3287 ℃. Propiedades químicas del metal titanio: El metal titanio tiene una capacidad reductora extremadamente fuerte en ambientes de alta temperatura. Puede combinarse con oxígeno, carbono, nitrógeno y muchos otros elementos, y también puede capturar oxígeno de algunos óxidos metálicos (como el óxido de aluminio). A temperatura ambiente, el titanio se combina con el oxígeno para formar una película de óxido extremadamente delgada y densa. Esta película de óxido no reacciona con la mayoría de los ácidos y bases fuertes a temperatura ambiente, incluido el agua regia, el rey de los ácidos. Solo reacciona con ácido fluorhídrico, ácido clorhídrico concentrado caliente y ácido sulfúrico concentrado, por lo que el titanio presenta resistencia a la corrosión. Historia del desarrollo: El titanio fue descubierto en 1789. En 1908, Noruega y Estados Unidos comenzaron a producir dióxido de titanio utilizando el método del ácido sulfúrico. En 1910, la esponja de titanio se produjo por primera vez en el laboratorio utilizando el método del sodio. Estados Unidos utilizó el método del magnesio para producir dióxido de titanio en toneladas. Esponja de titanio. Esto marca 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 comenzó a realizar investigaciones 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 realizó una prueba industrial de la esponja de titanio. se llevó a cabo en la planta de aluminio de Fushun, y se estableció la primera esponja de titanio de China, un taller de producción de esponjas de titanio, y el primer taller de prueba de producción de materiales de procesamiento de titanio de China se estableció en la fábrica de procesamiento de metales no ferrosos de Shenyang. 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 Zunyi Titanium Factory y varias unidades de procesamiento de materiales de titanio representadas por Baoji Nonferrous Metal Processing Plant. Al mismo tiempo, se construyeron una investigación científica. Se ha formado la fuerza representada por el Instituto de Investigación de Metales No Ferrosos de Beijing, convirtiéndose 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 conocimiento de la mayoría de la gente en ese momento sobre el metal de titanio, el alto precio de los materiales de titanio también limitó la producción de materiales procesados con titanio. Sólo alrededor de 200 toneladas, y la industria del titanio de mi país cayó en una crisis. En estas circunstancias, 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 un grupo líder nacional interministerial para la promoción de aplicaciones de titanio para coordinar el desarrollo del titanio. industria y promoción 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 estuvieron en auge, y la industria del titanio se desarrolló rápida y constantemente. En resumen, la industria del titanio de mi país ha pasado aproximadamente por tres períodos de desarrollo: el período pionero en los años cincuenta, el período de construcción en los años sesenta y setenta, y el período de desarrollo inicial en los años ochenta y noventa. En el nuevo siglo, gracias al rápido y sostenido desarrollo de la economía nacional, la industria del titanio de mi país también ha entrado en un período de rápido crecimiento. El titanio es resistente a la corrosión, por lo que se utiliza a menudo en la industria química. En el pasado, las partes de los reactores químicos que contenían ácido nítrico caliente estaban fabricadas de acero inoxidable. El acero inoxidable también teme al fuerte agente corrosivo: el ácido nítrico caliente. Cada seis meses, todas estas piezas deben reemplazarse. Ahora, aunque el costo de usar titanio para fabricar estas piezas es más caro que el de las piezas de acero inoxidable, se puede usar de forma continua durante cinco años, lo que es mucho más rentable. En electroquímica, el titanio es un metal de válvula unidireccional con un potencial muy negativo y, por lo general, es imposible utilizar titanio como ánodo para la descomposición. La mayor desventaja del titanio es que es difícil de refinar. Principalmente porque el titanio tiene una gran capacidad para combinarse a altas temperaturas y puede combinarse con oxígeno, carbono, nitrógeno y muchos otros elementos. Por lo tanto, la gente tiene cuidado de evitar que estos elementos "ataquen" al titanio durante la fundición o fundición. Al fundir titanio, por supuesto, está estrictamente prohibido acercarse al aire y al agua, e incluso está prohibido el uso de crisoles de alúmina comúnmente utilizados en metalurgia, porque el titanio robará oxígeno de la alúmina. Hoy en día, la gente utiliza tetracloruro de magnesio y titanio para interactuar en un gas inerte: helio o argón para refinar el titanio. La gente aprovecha la gran capacidad del titanio para combinarse a altas temperaturas. Al fabricar acero, el nitrógeno se disuelve fácilmente en el acero fundido. Cuando el lingote de acero se enfría, se forman burbujas en el lingote de acero, lo que afecta la calidad del acero. Por lo tanto, los trabajadores siderúrgicos añaden titanio metálico al acero fundido, lo que hace que se combine con nitrógeno y se convierta en escoria-nitruro de titanio, que flota en la superficie del acero fundido, haciendo que el lingote de acero sea relativamente puro. Cuando un avión supersónico vuela, la temperatura de sus alas puede alcanzar los 500°C. Si se utiliza una aleación de aluminio relativamente resistente al calor para fabricar las alas, no podrá soportar temperaturas entre 100 y 200 grados Celsius. Se debe utilizar un material ligero, resistente y resistente a altas temperaturas para reemplazar la aleación de aluminio. , y el titanio puede cumplir 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 y no se vuelve quebradizo. La fuerte absorción de aire por parte del titanio y el circonio se puede utilizar para eliminar el aire y crear un vacío. Por ejemplo, utilizando una bomba de vacío hecha de titanio, el aire se puede bombear a sólo una parte por diez billones. El óxido de titanio, dióxido de titanio, es un polvo blanco como la nieve y el mejor pigmento blanco, comúnmente conocido como blanco de titanio. En el pasado, la gente extraía mineral de titanio principalmente para obtener dióxido de titanio. El blanco de titanio tiene una fuerte adherencia, no es propenso a cambios químicos y siempre es blanco. Lo que es especialmente valioso es que el dióxido de titanio no es tóxico. Tiene un alto punto de fusión y se utiliza para fabricar vidrio refractario, vidriados, esmaltes, arcilla, recipientes experimentales resistentes a altas temperaturas, etc. El dióxido de titanio es la cosa más blanca del mundo. 1 gramo de dióxido de titanio puede pintar un área de más de 450 centímetros cuadrados de color blanco como la nieve. Es 5 veces más blanco que el pigmento blanco comúnmente utilizado: el blanco de bario y zinc, por lo que es el mejor pigmento para preparar pintura blanca. La cantidad de dióxido de titanio que se utiliza como pigmento en el mundo alcanza los cientos de miles de toneladas al año. Se puede agregar dióxido de titanio al papel para hacerlo blanco y opaco. 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 aclarar el color del plástico y suavizar el brillo del rayón, a veces se añade dióxido de titanio. En la industria del caucho, el dióxido de titanio también se utiliza como relleno para el caucho blanco. El tetracloruro de titanio es un líquido interesante. Tiene un olor acre y emite humo blanco en el aire húmedo. Se hidroliza y se convierte en un hidrogel de dióxido de titanio. En el ejército, la gente utiliza el extraño temperamento del tetracloruro de titanio como aerosol artificial.
Especialmente en el océano, hay mucho vapor de agua. Una vez que se libera tetracloruro de titanio, el humo espeso es como una Gran Muralla blanca que bloquea la vista del enemigo. En la agricultura, la gente utiliza tetrafluoruro de titanio para prevenir las heladas. El cristal de titanato de bario tiene esta característica: cuando cambia de forma bajo presión, generará corriente eléctrica y volverá a cambiar de forma cuando se le aplique electricidad. Por lo tanto, la gente pone titanato de bario en ondas ultrasónicas y, cuando se presiona, genera corriente eléctrica. La fuerza de las ondas ultrasónicas se puede medir por el tamaño de la corriente eléctrica que genera. Por el contrario, al pasar corriente de alta frecuencia a través de él, se pueden generar ondas ultrasónicas. Hoy en día, el titanato de bario se utiliza en casi todos los instrumentos ultrasónicos. Además, el titanato de bario tiene muchos usos. Por ejemplo: los trabajadores del ferrocarril lo pusieron debajo de los rieles para medir la presión cuando pasaba un tren; los médicos lo usaron para hacer un registrador de pulso. El detector submarino de titanato de bario es un ojo submarino agudo que no sólo puede detectar bancos de peces, sino también arrecifes submarinos, icebergs, submarinos enemigos, etc. Al fundir titanio se requieren pasos complejos. Convierta la ilmenita en tetracloruro de titanio, 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. Deben fundirse hasta convertirse en líquido en un horno eléctrico antes de poder convertirlos en lingotes de titanio. ¡Pero hacer una estufa eléctrica así no es fácil! Además del hecho de que el aire en el horno eléctrico debe bombearse limpio, lo que es aún más problemático es que es imposible encontrar un crisol que contenga titanio líquido, porque generalmente los materiales refractarios contienen óxidos y el oxígeno que contienen será absorbido. lejos por el titanio líquido. 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 el resto está frío. Después de que el titanio se funde en el horno eléctrico, fluye hacia la pared del crisol de cobre enfriado por agua e inmediatamente se condensa en lingotes de titanio. Con este método ya se pueden producir bloques de titanio que pesan varias toneladas, pero su coste es imaginable.