Eðlis- og efnafræðilegir eiginleikar títan

Títan er silfurhvítur umbreytingarmálmur með eðlismassa aðeins 4,54g/cm³, sem er um 40% léttari en járn, en hefur sambærilegan styrk og stál. Þessi létti og sterki eiginleiki gerir títan mikið notað í öllum stéttum þjóðfélagsins. Svo, hverjir eru eðlisfræðilegir og efnafræðilegir eiginleikar títan?

1. Atómbygging títan
Fyrst skulum við kíkja á atómbyggingu títan. Títan er staðsett í hópi IVB lotukerfisins, með lotunúmerið 22. Kjarninn samanstendur af 22 róteindum og 20-32 nifteindum og utankjarna rafeindabyggingunni er raðað sem 1S22S22P63S23D24S2. Kjarnaradíus er 5x10-13 cm. Þessar einstöku atómbyggingar gefa títan einstaka eðlis- og efnafræðilega eiginleika.

2. Eðliseiginleikar títan
Eðlismassi títans er 4.506-4.516 g/cm3 (20 gráður), bræðslumarkið er 1668±4 gráður, duldi bráðnunarhitinn er 3.7-5. 0 kcal/g atóm, suðumarkið er 3260±20 gráður, duldi uppgufunarhitinn er 102.5-112.5 kcal/g atóm, mikilvæga hitastigið er 4350 gráður , og mikilvægur þrýstingur er 1130 andrúmsloft. Varmaleiðni og rafleiðni títan er léleg, svipuð eða aðeins lægri en ryðfríu stáli. Títan hefur ofurleiðni og ofurleiðandi mikilvægi hitastig hreins títans er 0.38-0.4K. Við 25 gráður er hitageta títans 0,126 cal/g atóm·gráður, varmaþráðurinn er 1149 cal/g atóm og óreiðun er 7,33 cal/g atóm·gráður. Títan úr málmi er parasegulfræðilegt efni með segulgegndræpi upp á 1,00004.
Títan hefur mýkt. Lenging títans með mikla hreinleika getur náð 50-60% og þversniðsrýrnun getur náð 70-80%, en styrkur þess er lítill og það hentar ekki fyrir byggingarefni. Tilvist óhreininda í títan hefur mikil áhrif á vélræna eiginleika þess, sérstaklega millivefsóhreinindi (súrefni, köfnunarefni, kolefni) geta aukið styrk títans verulega og dregið verulega úr mýkt þess. Góðir vélrænir eiginleikar títan sem byggingarefnis eru náð með því að hafa strangt eftirlit með viðeigandi óhreinindainnihaldi og bæta við málmblöndur.

3. Efnafræðilegir eiginleikar títan
Títan getur hvarfast við mörg frumefni og efnasambönd við hærra hitastig. Hægt er að skipta ýmsum frumefnum í fjóra flokka eftir mismunandi viðbrögðum þeirra við títan:
Flokkur 1: Halógen og súrefnishópar mynda samgild og jónuð efnasambönd með títan;
Flokkur 2: Umbreytingarefni, vetni, beryllíum, bórhópur, kolefnishópur og köfnunarefnishópur mynda millimálmsambönd og takmarkaðar fastar lausnir með títan;
Flokkur 3: Sirkon, hafníum, vanadíum hópur, króm hópur, skandín frumefni mynda ótakmarkaðar fastar lausnir með títan;
Flokkur 4: Óvirkar lofttegundir, alkalímálmar, jarðalkalímálmar, sjaldgæf jarðefni (nema skandíum), aktíníum, tóríum o.s.frv. hvarfast ekki við títan eða hvarfast í grundvallaratriðum ekki.

4. Hvarf við efnasambönd:
HF og flúoríð
Vetnisflúoríðgas hvarfast við títan og myndar TiF4 þegar það er hitað og hvarfformúlan er (1); vatnslaus vetnisflúorvökvi getur myndað þétta títantetraflúoríð filmu á yfirborði títan, sem getur komið í veg fyrir að HF komist inn í títanið. Flúorsýra er sterkasta flæðið fyrir títan. Jafnvel flúorsýra með styrkleika 1% getur brugðist kröftuglega við títan; vatnsfrí flúoríð og vatnslausnir þeirra hvarfast ekki við títan við lágt hitastig og aðeins bráðið flúoríð hvarfast verulega við títan við háan hita.
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.0 kkal (1) 2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2

HCl og klóríð
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 gráður til að mynda TiCl4, sjá formúlu (3); saltsýra með styrk upp á<5% does not react with titanium at room temperature, and 20% hydrochloric acid reacts with titanium at room temperature to form purple TiCl3, see formula (4); when the temperature rises, even dilute hydrochloric acid can corrode titanium. Various anhydrous chlorides, such as magnesium, manganese, iron, nickel, copper, zinc, mercury, tin, calcium, sodium, barium and NH4 ions and their aqueous solutions, do not react with titanium. Titanium has good stability in these chlorides.
Ti＋4HCl＝TiCl4＋2H2＋94.75kcal (3)2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2 (4)

Brennisteinssýra og brennisteinsvetni
Eftir að títan hvarfast við þynnta brennisteinssýru<5%, a protective oxide film is formed on the titanium surface, which can protect titanium from further corrosion by dilute acid. However, sulfuric acid >5% hefur veruleg viðbrögð við títan. Við stofuhita hefur um 40% brennisteinssýra hraðasta tæringarhraða á títan. Þegar styrkurinn er meiri en 40% og nær 60%, hægir á tæringarhraðanum og nær hraðast í 80%. Hituð þynnt sýra eða 50% óblandaðri brennisteinssýra getur hvarfast við títan og myndað títansúlfat, sjá formúlu (5), (6). Hitaða óblandaða brennisteinssýru má minnka með títan til að mynda SO2, sjá formúlu (7). Við stofuhita hvarfast títan við brennisteinsvetni til að mynda hlífðarfilmu á yfirborði þess, sem getur komið í veg fyrir frekari viðbrögð milli brennisteinsvetnis og títan. Hins vegar, við háan hita, hvarfast brennisteinsvetni við títan til að fella út vetni, eins og sýnt er í formúlu (8). Títan í duftformi byrjar að hvarfast við brennisteinsvetni við 600 gráður til að mynda títansúlfíð. Við 900 gráður er hvarfefnið aðallega TiS og við 1200 gráður er það Ti2S3.
Ti＋H2SO4＝TiSO4＋H2 (5) 2Ti＋3H2SO4＝Ti2(SO4)3＋H2 (6)
2Ti＋6H2SO4＝Ti2(SO4)3＋3SO2＋6H2O＋202 kcal (7)Ti＋H2S＝TiS＋H2＋70 kcal (8)

Saltpéturssýra og vatnsvatn
Þétt og slétt títan hefur góðan stöðugleika við saltpéturssýru, vegna þess að saltpéturssýra getur fljótt myndað sterka oxíðfilmu á títan yfirborðinu, en gróft yfirborð, sérstaklega svamptítan eða títanduft, getur hvarfast við lága og heita þynnta saltpéturssýru, sjá formúlu (9), (10) og óblandaðri saltpéturssýra yfir 70 gráður geta einnig hvarfast við títan, sjá formúlu (11); við stofuhita hvarfast títan ekki við vatnsvatn. Við háan hita getur títan hvarfast við vatnsvatn og myndað TiCl2.
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO (10)
Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)

Í stuttu máli eru eiginleikar títans nátengdir hitastigi, núverandi formi og hreinleika. Þétt málmtítan er nokkuð stöðugt í eðli sínu, en títan í duftformi getur valdið sjálfsbrennslu í loftinu. Tilvist óhreininda í títan hefur veruleg áhrif á líkamlegt, efnafræðilegt, vélrænt og tæringarþol títan. Einkum geta sum millivefsóhreinindi skekkt títan grindurnar og haft áhrif á ýmsa eiginleika títan. Við stofuhita er efnavirkni títans mjög lítil og getur hvarfast við fá efni eins og flúorsýru, en virkni títans eykst hratt þegar hitastigið hækkar, sérstaklega við háan hita, títan getur brugðist kröftuglega við mörg efni. Bræðsluferlið títan fer almennt fram við háan hita sem er meira en 800 gráður, þannig að það verður að starfa í lofttæmi eða undir vernd óvirks andrúmslofts.