Propiedades físicas y químicas del titanio
El titanio es un metal de transición de color blanco plateado con una densidad de tan solo 4,54 g/cm³, que es aproximadamente un 40 % más ligero que el hierro, pero tiene una resistencia comparable a la del acero. Esta propiedad de ligereza y alta resistencia hace que el titanio se utilice ampliamente en todos los ámbitos de la vida. Entonces, ¿cuáles son las propiedades físicas y químicas del titanio?
1. Estructura atómica del titanio.
En primer lugar, echemos un vistazo a la estructura atómica del titanio. El titanio se encuentra en el grupo IVB de la tabla periódica, con un número atómico de 22. El núcleo consta de 22 protones y 20-32 neutrones, y la estructura electrónica extranuclear está organizada como 1S22S22P63S23D24S2. El radio del núcleo es de 5x10-13 cm. Estas estructuras atómicas únicas le dan al titanio propiedades físicas y químicas únicas.
2. Propiedades físicas del titanio
La densidad del titanio es de 4,516 g/cm3 (2,9 grados), el punto de fusión es de 1668±4 grados, el calor latente de fusión es de 3,817 kcal/g de átomo, el punto de ebullición es de 326±20 grados, el calor latente de vaporización es de 102,13,5 kcal/g de átomo, la temperatura crítica es de 4350 grados y la presión crítica es de 1130 atmósferas. La conductividad térmica y eléctrica del titanio son deficientes, similares o ligeramente inferiores a las del acero inoxidable. El titanio tiene superconductividad y la temperatura crítica superconductora del titanio puro es de 0,4 K. A 25 grados, la capacidad térmica del titanio es de 0,126 cal/g átomo·grado, la entalpía térmica es de 1149 cal/g átomo y la entropía es de 7,33 cal/g átomo·grado. El titanio metálico es una sustancia paramagnética con una permeabilidad magnética de 1,00004.
El titanio tiene plasticidad. El alargamiento del titanio de alta pureza puede alcanzar el 50-60% y la contracción de la sección transversal puede alcanzar el 70-80%, pero su resistencia es baja y no es adecuado para materiales estructurales. La presencia de impurezas en el titanio tiene una gran influencia en sus propiedades mecánicas, especialmente 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 apropiado de impurezas y agregando elementos de aleación.
3. Propiedades químicas del titanio
El titanio puede reaccionar con muchos elementos y compuestos a temperaturas más altas. Los distintos elementos se pueden dividir en cuatro categorías según sus diferentes reacciones con el titanio:
Categoría 1: Los halógenos y los elementos del grupo del oxígeno forman compuestos iónicos y covalentes con el titanio;
Categoría 2: Los elementos de transición, hidrógeno, berilio, grupo boro, grupo carbono y elementos del grupo nitrógeno forman compuestos intermetálicos y soluciones sólidas limitadas con titanio;
Categoría 3: Los elementos circonio, hafnio, grupo del vanadio, grupo del cromo y escandio forman soluciones sólidas ilimitadas con el titanio;
Categoría 4: Los gases inertes, metales alcalinos, metales alcalinotérreos, elementos de tierras raras (excepto escandio), actinio, torio, etc. no reaccionan con el titanio o básicamente no reaccionan.
4. Reacción con compuestos:
HF y fluoruro
El gas fluoruro de hidrógeno reacciona con el titanio para formar TiF4 cuando se calienta, y la fórmula de reacción es (1); el líquido de fluoruro de hidrógeno no acuoso puede formar una película densa de tetrafluoruro de titanio en la superficie del titanio, lo que puede evitar que el HF penetre en el interior del titanio. El ácido fluorhídrico es el fundente más fuerte para el titanio. Incluso el ácido fluorhídrico con una concentración del 1% puede reaccionar violentamente con el titanio; los fluoruros anhidros y sus soluciones acuosas no reaccionan con el titanio a bajas temperaturas, y solo los fluoruros fundidos reaccionan significativamente con el titanio a altas temperaturas.
Ti+4HF=TiF4+2H2+135,0 kcal (1) 2Ti+6HF=2TiF4+3H2
HCl y cloruros
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 grados para formar TiCl4, ver fórmula (3); ácido clorhídrico con una concentración de<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)
Ácido sulfúrico y sulfuro de hidrógeno
Después de que el titanio reacciona con ácido sulfúrico diluido<5%, a protective oxide film is formed on the titanium surface, which can protect titanium from further corrosion by dilute acid. However, sulfuric acid >El 5% tiene una reacción significativa con el titanio. A temperatura ambiente, aproximadamente el 40% de ácido sulfúrico tiene la tasa de corrosión más rápida en el titanio. Cuando la concentración es mayor del 40% y alcanza el 60%, la tasa de corrosión se ralentiza y alcanza la más rápida al 80%. El ácido diluido calentado o el ácido sulfúrico concentrado al 50% pueden reaccionar con el titanio para formar sulfato de titanio, consulte la fórmula (5), (6). El ácido sulfúrico concentrado calentado puede ser reducido por el titanio para formar SO2, consulte la fórmula (7). A temperatura ambiente, el titanio reacciona con sulfuro de hidrógeno para formar una película protectora en su superficie, que puede evitar 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 precipitar hidrógeno, como se muestra en la fórmula (8). El titanio en polvo comienza a reaccionar con sulfuro de hidrógeno a 600 grados para formar sulfuro de titanio. A 900 grados, el producto de reacción es principalmente TiS, y a 1200 grados, es 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)
Ácido nítrico y agua regia
El titanio denso y liso tiene buena estabilidad al ácido nítrico, porque el ácido nítrico puede formar rápidamente una película de óxido fuerte sobre la superficie del titanio, pero la superficie rugosa, especialmente el titanio esponjoso o el titanio en polvo, puede reaccionar con ácido nítrico diluido a baja temperatura y caliente, consulte la fórmula (9), (10), y el ácido nítrico concentrado por encima de los 70 grados también puede reaccionar con el titanio, consulte la fórmula (11); a temperatura ambiente, el titanio no reacciona con el agua regia. A alta temperatura, 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 estrechamente relacionadas con la temperatura, su forma existente y su pureza. El titanio metálico denso es bastante estable en la naturaleza, pero el titanio en polvo puede provocar una combustión espontánea en el aire. La presencia de impurezas en el titanio afecta significativamente la resistencia física, química, mecánica y a la corrosión del titanio. En particular, algunas impurezas intersticiales pueden distorsionar la red de titanio y afectar a varias propiedades del titanio. A temperatura ambiente, la actividad química del titanio es muy pequeña y puede reaccionar con algunas sustancias como el ácido fluorhídrico, pero la actividad del titanio aumenta rápidamente cuando aumenta la temperatura, especialmente a altas temperaturas, el titanio puede reaccionar violentamente con muchas sustancias. El proceso de fundición del titanio generalmente se lleva a cabo a una temperatura alta de más de 800 grados, por lo que debe operarse al vacío o bajo la protección de una atmósfera inerte.
