Fyzikální a chemické vlastnosti titanu

Titan je stříbřitě bílý přechodový kov s hustotou pouze 4,54 g/cm³, který je asi o 40 % lehčí než železo, ale má pevnost srovnatelnou s ocelí. Díky této lehké a vysoce pevné vlastnosti je titan široce používán ve všech oblastech života. Jaké jsou tedy fyzikální a chemické vlastnosti titanu?

1. Atomová struktura titanu
Nejprve se podívejme na atomovou strukturu titanu. Titan se nachází ve skupině IVB periodické tabulky s atomovým číslem 22. Jádro se skládá z 22 protonů a 20-32 neutronů a mimojaderná elektronová struktura je uspořádána jako 1S22S22P63S23D24S2. Poloměr jádra je 5x10-13 cm. Tyto jedinečné atomové struktury dávají titanu jedinečné fyzikální a chemické vlastnosti.

2. Fyzikální vlastnosti titanu
Hustota titanu je 4.506-4,516 g/cm3 (20 stupně), bod tání je 1668±4 stupně, latentní teplo tání je 3.7-5. 0 kcal/g atom, bod varu je 3260±20 stupňů, latentní teplo vypařování je 102.5-112,5 kcal/g atom, kritická teplota je 4350 stupňů a kritický tlak je 1130 atmosfér. Tepelná vodivost a elektrická vodivost titanu jsou špatné, podobné nebo mírně nižší než u nerezové oceli. Titan má supravodivost a supravodivá kritická teplota čistého titanu je 0.38-0,4K. Při 25 stupních je tepelná kapacita titanu 0,126 cal/g atom·stupně, tepelná entalpie je 1149 cal/g atom a entropie je 7,33 cal/g atom·stupně. Kovový titan je paramagnetická látka s magnetickou permeabilitou 1,00004.
Titan má plasticitu. Tažnost vysoce čistého titanu může dosáhnout 50-60 % a smrštění v průřezu může dosáhnout 70-80 %, ale jeho pevnost je nízká a není vhodný pro konstrukční materiály. Přítomnost nečistot v titanu má velký vliv na jeho mechanické vlastnosti, zejména intersticiální nečistoty (kyslík, dusík, uhlík) mohou značně zvýšit pevnost titanu a výrazně snížit jeho plasticitu. Dobré mechanické vlastnosti titanu jako konstrukčního materiálu se dosahují přísnou kontrolou vhodného obsahu nečistot a přidáváním legujících prvků.

3. Chemické vlastnosti titanu
Titan může reagovat s mnoha prvky a sloučeninami při vyšších teplotách. Různé prvky lze rozdělit do čtyř kategorií podle jejich různých reakcí s titanem:
Kategorie 1: Halogeny a prvky kyslíkových skupin tvoří kovalentní a iontové sloučeniny s titanem;
Kategorie 2: Přechodné prvky, vodík, berylium, skupina boru, uhlíková skupina a prvky dusíkové skupiny tvoří s titanem intermetalické sloučeniny a omezené pevné roztoky;
Kategorie 3: Zirkonium, hafnium, skupina vanadu, skupina chrómu, prvky skandia tvoří neomezené pevné roztoky s titanem;
Kategorie 4: Inertní plyny, alkalické kovy, kovy alkalických zemin, prvky vzácných zemin (kromě skandia), aktinium, thorium atd. s titanem nereagují nebo v podstatě nereagují.

4. Reakce se sloučeninami:
HF a fluorid
Plynný fluorovodík reaguje s titanem za vzniku TiF4 při zahřívání a reakční vzorec je (1); nevodná kapalina fluorovodíku může na povrchu titanu vytvořit hustý film tetrafluoridu titanu, který může zabránit pronikání HF do vnitřku titanu. Kyselina fluorovodíková je nejsilnější tavidlo pro titan. I kyselina fluorovodíková o koncentraci 1 % může prudce reagovat s titanem; bezvodé fluoridy a jejich vodné roztoky nereagují s titanem při nízkých teplotách a pouze roztavené fluoridy výrazně reagují s titanem při vysokých teplotách.
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.{5}} kcal (1) 2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2

HCl a chloridy
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 stupňů za vzniku TiCl4, viz vzorec (3); kyselina chlorovodíková o koncentraci<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＋94,75 kcal (3)2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2 (4)

Kyselina sírová a sirovodík
Poté, co titan reaguje se zředěnou kyselinou sírovou<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 % výrazně reaguje s titanem. Při pokojové teplotě má asi 40% kyselina sírová nejrychlejší korozní rychlost na titanu. Když je koncentrace vyšší než 40 % a dosáhne 60 %, rychlost koroze se zpomalí a dosáhne nejvyšší hodnoty 80 %. Zahřátá zředěná kyselina nebo 50% koncentrovaná kyselina sírová může reagovat s titanem za vzniku síranu titaničitého, viz vzorec (5), (6). Zahřátá koncentrovaná kyselina sírová může být redukována titanem za vzniku SO2, viz vzorec (7). Při pokojové teplotě titan reaguje se sirovodíkem za vzniku ochranného filmu na jeho povrchu, který může zabránit další reakci mezi sirovodíkem a titanem. Při vysokých teplotách však sirovodík reaguje s titanem a vysráží vodík, jak ukazuje vzorec (8). Práškový titan začíná reagovat se sirovodíkem při 600 stupních za vzniku sulfidu titanu. Při 900 stupních je reakčním produktem hlavně TiS a při 1200 stupních je to 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)

Kyselina dusičná a aqua regia
Hustý a hladký titan má dobrou stabilitu vůči kyselině dusičné, protože kyselina dusičná může rychle vytvořit silný oxidový film na povrchu titanu, ale drsný povrch, zejména houbový titan nebo práškový titan, může reagovat s nízkou a horkou zředěnou kyselinou dusičnou, viz vzorec (9), (10) a koncentrovaná kyselina dusičná nad 70 stupňů mohou také reagovat s titanem, viz vzorec (11); při pokojové teplotě titan nereaguje s aqua regia. Při vysoké teplotě může titan reagovat s aqua regia za vzniku TiCl2.
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO (10)
Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)

Stručně řečeno, vlastnosti titanu úzce souvisí s teplotou, jeho stávající formou a čistotou. Hustý kovový titan je v přírodě poměrně stabilní, ale práškový titan může způsobit samovznícení ve vzduchu. Přítomnost nečistot v titanu výrazně ovlivňuje fyzikální, chemickou, mechanickou a korozní odolnost titanu. Zejména některé intersticiální nečistoty mohou narušit titanovou mřížku a ovlivnit různé vlastnosti titanu. Při pokojové teplotě je chemická aktivita titanu velmi malá a může reagovat s několika látkami, jako je kyselina fluorovodíková, ale aktivita titanu se rychle zvyšuje, když se teplota zvyšuje, zejména při vysokých teplotách může titan prudce reagovat s mnoha látkami. Proces tavení titanu se obecně provádí při vysoké teplotě vyšší než 800 stupňů, takže musí být provozován ve vakuu nebo pod ochranou inertní atmosféry.