Titanyum

Titanium, ₂₂Ti

Titanium
Telaffuz	/tᵻˈteɪniəm, taɪ-/ ​(ti-TAY-nee-əm-,_-ty-)
Görünüm	gümüşi gri-beyaz metalik
Standart atom ağırlığı Ar, std(Ti)	7001478670000000000♠47.867(1)
Periyodik tablodaki Titanium
– ↑ Ti ↓ Zr skandiyum ← titanium → vanadyum
Atom numarası (Z)	22
Grup	4. grup
Period	periyot 4
Blok	d-blok
Element kategorisi	Geçiş metali
Elektron konfigürasyonu	[Ar] 3d2 4s2
Kabuk başına elektron	2, 8, 10, 2
Fiziksel özellikler
STP de Faz	katı
Erime noktası	1941 K ​(1668 °C, ​3034 °F)
Kaynama noktası	3560 K ​(3287 °C, ​5949 °F)
Yoğunluk (r.t. yakın)	4.506 g/cm3
sıvı olduğunda ( m.p.)	4.11 g/cm3
Isı entalpisi	14.15 kJ/mol
Buharlaştırma ısı	425 kJ/mol
Molar ısı kapasitesi	25.060 J/(mol·K)
Buhar basıncı P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 1982 2171 (2403) 2692 3064 3558
Atom özellikleri
Oksidasyon durumları	−2, −1, 0, +1, +2, +3, +4 (bir amfoterik oksit)
Elektronegatiflik	Pauling ölçeği: 1.54
İyonlaşma enerjisi	1.: 658.8 kJ/mol 2.: 1309.8 kJ/mol 3.: 2652.5 kJ/mol (daha fazlası)
Atom yarıçapı	deneysel: 147 pm
Kovalent yarıçapı	160±8 pm
titanium spektral çizgileri
Diğer özellikler
Kristal yapı	​yakın altıgen paketleme (hcp)
Sesin hızı klay çubuk	5090 m/s (r.t.)
Termal Genleşme	8.6 µm/(m·K) (25 °C)
Termal iletkenlik	21.9 W/(m·K)
Elektriksel direnç	420 nΩ·m (20 °C)
Manyetik sıralama	paramanyetik
Manyetik alınganlık	+153.0·10−6 cm3/mol (293 K)
Young modülü	116 GPa
Kayma modülü	44 GPa
Bulk modülü	110 GPa
Poisson oranı	0.32
Mohs sertliği	6.0
Vickers sertliği	830–3420 MPa
Brinell sertliği	716–2770 MPa
CAS Numarası	7440-32-6
Tarihçe
Keşfeden	William Gregor (1791)
İlk izolasyon	Jöns Jakob Berzelius (1825)
Adlandıran	Martin Heinrich Klaproth (1795)
titanium ana izotopları
İzo­top Bol­luk Half-life (t1/2) Bozunma modu Boz­unma 44Ti syn 63 y ε 44Sc γ – 46Ti 8.25% kararlı 47Ti 7.44% kararlı 48Ti 73.72% kararlı 49Ti 5.41% kararlı 50Ti 5.18% kararlı

Titanyum, sembolü Ti ve atom numarası 22 olan kimyasal bir elementtir. Gümüş rengi, düşük yoğunluğu ve yüksek mukavemeti olan parlak geçiş bir metaldir. Titanyum, deniz suyunda, aqua regia ve klorda korozyona karşı dayanıklıdır.

Titanyum, 1791 yılında William Gregor tarafından Büyük Britanya'nın Cornwall kentinde keşfedildi ve Yunan mitolojisinin Titanlarından sonra Martin Heinrich Klaproth tarafından adlandırıldı. Element, Dünya'nın kabuğuna ve litosferine yaygın olarak dağılmış, esas olarak rutil ve ilmenit olan bir dizi mineral birikintisinde oluşur; hemen hemen tüm canlılarda, su kütlelerinde, kayalarda ve topraklarda bulunur. Metal, Kroll ve Hunter işlemleri ile ana mineral cevherlerinden çıkarılır. En yaygın bileşik olan titanyum dioksit, popüler bir fotokatalisttir ve beyaz pigmentlerin üretiminde kullanılır. Diğer bileşikler arasında duman perdeleri ve katalizörlerin bir bileşeni olan titanyum tetraklorür (TiCl₄); ve polipropilen üretiminde katalizör olarak kullanılan titanyum triklorür (TiCl₃)dür.

Titanyum, havacılık için güçlü, hafif alaşımlar üretmek için demir, alüminyum, vanadyum ve molibden ile alaşımlanabilir (jet motorları, füzeler, ve uzay aracı), askeri, endüstriyel süreçler (kimyasallar ve petrokimyasallar, tuzdan arındırma tesisleri, kağıt hamuru ve kağıt), otomotiv, tarım (çiftçilik), tıbbi protezler, ortopedik implantlar, diş ve endodontik aletler ve dosyalar, dental implantlar, spor malzemeleri, mücevherler, cep telefonları ve diğer uygulamalarda kullanılır.

Metalin en kullanışlı iki özelliği, herhangi bir metalik elementin en yüksek olan korozyon direnci ve güç-yoğunluk oranıdır. Alaşımsız durumunda titanyum bazı çelikler kadar güçlüdür, ancak daha az yoğundur. Bu elementin ⁴⁶Ti ila sup>50Ti arasında iki allotropik formu ve doğal olarak oluşan beş izotopu vardır, ⁴⁸Ti en bol olanıdır (%73.8). Aynı sayıda değerlik elektronuna sahip olmalarına ve periyodik tabloda aynı grupta olmalarına rağmen, titanyum ve zirkonyum birçok kimyasal ve fiziksel özellikte farklılık gösterir.

Özellikleri

Fiziksel özellikler

Metal olarak titanyum, yüksek mukavemet / ağırlık oranı ile tanınır. Düşük yoğunluklu (özellikle oksijensiz bir ortamda), parlak ve metalik-beyaz renkli güçlü bir metaldir. Nispeten yüksek erime noktası (1.650° C veya 3.000° F'den fazla), refrakter metal olarak faydalı olmasını sağlar. Paramanyetiktir ve diğer metallere kıyasla oldukça düşük elektriksel ve termal iletkenliğe sahiptir. Titanyum, 0,49 K kritik sıcaklığının altına soğutulduğunda süperiletkenlik gösterir.

Ticari olarak saf (%99.2 saf) titanyum kaliteleri, yaygın, düşük dereceli çelik alaşımlarınınkine eşit, yaklaşık 434 MPa (63.000 psi) nihai gerilme mukavemetine sahiptir, ancak daha az yoğundur. Titanyum alüminyumdan %60 daha yoğundur, ancak en yaygın kullanılan 6061-T6 alüminyum alaşımından iki kat daha güçlüdür. Bazı titanyum alaşımları (örneğin, Beta C) 1.400 MPa'nın (200.000 psi) üzerinde gerilme mukavemetlerine ulaşır. Bununla birlikte, titanyum 430° C'nin (806° F) üzerine ısıtıldığında mukavemetini kaybeder.

Titanyum bazı ısıl işlem görmüş çelikler kadar sert değildir; manyetik değildir ve zayıf bir ısı ve elektrik iletkenidir. İşleme önlemleri gerektirir, çünkü keskin aletler ve uygun soğutma yöntemleri kullanılmadıkça malzeme parlayabilir. Çelik yapılar gibi titanyumdan yapılanlar da bazı uygulamalarda uzun ömürlülüğü garanti eden bir yorgunluk sınırına sahiptir.

Metal, 882° C'de (1.620° F) cisim merkezli bir kübik (kafes) β formuna dönüşen altıgen bir α formunun dimorfik bir allotropudur. Α formunun özgül ısısı, bu geçiş sıcaklığına ısıtıldığında dramatik bir şekilde artar, ancak daha sonra sıcaklıktan bağımsız olarak β formu için oldukça sabit kalır.

Kimyasal özellikleri

Alüminyum ve magnezyum gibi titanyum metali ve alaşımları da havaya maruz kaldığında hemen oksitlenir. Titanyum, havada 1.200° C'de (2.190° F) ve saf oksijende 610° C'de (1.130° F) oksijenle kolayca reaksiyona girerek titanyum dioksit oluşturur. Bununla birlikte, dökme metali daha fazla oksidasyondan koruyan pasif bir oksit kaplama oluşturduğundan, ortam sıcaklıklarında su ve hava ile reaksiyona girmesi yavaştır. İlk oluştuğunda, bu koruyucu tabaka sadece 1-2 nm kalınlığındadır, ancak yavaş yavaş büyümeye devam eder; dört yılda 25 nm kalınlığa ulaşır.

Atmosferik pasivasyon titanyumun neredeyse platinle eşdeğer olduğu korozyona karşı mükemmel direnç sağlar. Titanyum, seyreltik sülfürik ve hidroklorik asitler, klorür çözeltileri ve çoğu organik asit saldırısına dayanabilir. Bununla birlikte, titanyum konsantre asitlerle korozyona uğrar. Negatif redoks potansiyeli ile belirtildiği gibi, titanyum termodinamik olarak erime noktasından daha düşük sıcaklıklarda normal atmosferde yanan çok reaktif bir metaldir. Erime sadece inert bir atmosferde veya vakumda mümkündür. 550° C'de (1,022° F) klor ile birleşir. Aynı zamanda diğer halojenlerle reaksiyona girer ve hidrojeni emer.

Bulunuşu

Titanyum, Dünya'nın kabuğunda dokuzuncu en bol elementtir (kütlece %0,63) ve yedinci en bol metaldir. Çoğu magmatik kayaçta, onlardan türetilen tortularda, canlılarda ve doğal su kütlelerinde oksit olarak bulunur. Birleşik Devletler Jeolojik Araştırmaları tarafından analiz edilen 801 tip magmatik kayaçtan 784'ü titanyum içeriyordu. Topraktaki oranı yaklaşık %0.5 ila 1.5'tir.

Yaygın titanyum içeren mineraller anataz, brookit, ilmenit, perovskit, rutil ve titanittir (sfen). Akaogiite, titanyum dioksitten oluşan son derece nadir bir mineraldir. Bu minerallerden sadece rutil ve ilmenit ekonomik öneme sahiptir, ancak yüksek konsantrasyonlarda bile bulmak zordur. 2011'de bu minerallerin yaklaşık 6.0 ve 0.7 milyon tonu çıkarıldı. Batı Avustralya, Kanada, Çin, Hindistan, Mozambik, Yeni Zelanda, Norveç, Sierra Leone, Güney Afrika ve Ukrayna'da önemli titanyum taşıyan ilmenit yatakları bulunmaktadır. 2011 yılında, çoğunlukla Çin (60.000 ton), Japonya (56.000 ton), Rusya (40.000 ton), Amerika Birleşik Devletleri (32.000 ton) ve Kazakistan'da (20.700 ton) yaklaşık 186.000 ton titanyum metal süngeri üretildi. Toplam titanyum rezervinin 600 milyon tonu aştığı tahmin edilmektedir.

Titanyum konsantrasyonu okyanusta yaklaşık 4 pikomolardır. 100° C'de, sudaki titanyum konsantrasyonunun pH 7'de 10⁻⁷ M'den az olduğu tahmin edilmektedir. Sulu çözeltideki titanyum türlerinin kimliği, düşük çözünürlüğü ve hassas spektroskopik yöntemlerin eksikliği nedeniyle bilinmemektedir, ancak sadece 4+ oksidasyon durumu havada stabildir. Nadir organizmaların yüksek konsantrasyonlarda titanyum biriktirdiği bilinmesine rağmen, biyolojik bir rol için kanıt yoktur.

Titanyum meteoritlerde bulunur ve Güneş'te ve 3.200° C (5.790° F) yüzey sıcaklığına sahip M tipi yıldızlarda (en soğuk tip) tespit edilmiştir. Apollo 17 görevi sırasında Ay'dan geri getirilen kayalar %12.1 TiO₂'den oluşur. Ayrıca kömür külü, bitkiler ve hatta insan vücudunda bulunur. Doğal titanyum (saf metalik) çok nadirdir.

izotopları

Doğal olarak oluşan titanyum beş kararlı izotoptan oluşur: ⁴⁶Ti, ⁴⁷Ti, ⁴⁸Ti, ⁴⁹Ti ve ⁵⁰Ti, ⁴⁸Ti en bol olanıdır (%73.8 doğal bolluk). En kararlı olanları ⁴⁴Ti olan ve 63 yıllık yarı ömrüne sahip en az 21 radyoizotop karakterize edilmiştir; ⁴⁵Ti, 184.8 dakika; ⁵¹Ti, 5.76 dakika; ve ⁵²Ti, 1.7 dakika. Diğer tüm radyoaktif izotopların yarılanma ömrü 33 saniyeden azdır, çoğunluğu yarım saniyeden azdır.

Titanyum izotopları atom ağırlığı 39.002 u (³⁹Ti) ila 63.999 u (⁶⁴Ti) arasında değişmektedir. ⁴⁶Ti'den daha hafif izotoplar için birincil bozunma modu, positron emisyonudur (elektron yakalama işlemine maruz kalan ⁴⁴Ti hariç), skandiyum izotoplarına ve ⁵⁰Ti'den ağır izotoplar için birincil mod, beta emisyonudur ve vanadyum izotoplarına yol açar.

Bileşikler

+4 oksidasyon durumu titanyum kimyasına hakimdir, ancak +3 oksidasyon durumundaki bileşikler de yaygındır. Genellikle titanyum komplekslerinde oktahedral koordinasyon geometrisini benimser, ancak tetrahedral TiCl₄ dikkate değer bir istisnadır. Yüksek oksidasyon durumu nedeniyle, titanyum (IV) bileşikleri yüksek derecede kovalent bağ sergiler. Diğer geçiş metallerinin çoğundan farklı olarak, basit aquo Ti (IV) kompleksleri bilinmemektedir.

Oksitler, sülfitler ve alkoksitler

En önemli oksit, üç önemli polimorfda bulunan Ti0₂'dir; anataz, brookit ve rutil. Bunların hepsi beyaz diyamanyetik katılardır, ancak mineral örnekleri karanlık görünebilir (rutil'e bakınız). Ti'nin diğer Ti merkezlerine bağlanan altı oksit ligandla çevrili olduğu polimerik yapıları benimserler.

Titanatlar terimi genellikle baryum titanat (BaTiO₃) ile temsil edilen titanyum (IV) bileşiklerini ifade eder. Perovskit bir yapıya sahip olan bu malzeme piezoelektrik özellikler sergiler ve ses ile elektriğin birbirine dönüştürülmesinde bir dönüştürücü olarak kullanılır. Birçok mineral titanattır, ör. ilmenit (FeTiO₃). Yıldız safirleri ve yakutlar yıldızlıklarını (yıldız oluşturan parlaklık) titanyum dioksit katışkılarının varlığından alırlar.

Çeşitli indirgenmiş titanyum oksitleri (suboksitler) bilinmektedir, özellikle atmosferik plazma püskürtmesi ile elde edilen titanyum dioksitin stokiyometreleri azalır. Ti (IV) -Ti (III) türü olarak tanımlanan Ti₃O₅, TiO2'nin yüksek sıcaklıklarda hidrojen ile indirgenmesiyle üretilen mor bir yarıiletkentir ve yüzeylerin titanyum dioksit ile buharla kaplanması gerektiğinde endüstriyel olarak kullanılır: saf TiO, oysa Ti0₂ bir oksit karışımı olarak buharlaşır ve değişken kırılma indeksine sahip kaplamalar biriktirir. Ayrıca korindon yapısı ile Ti₂O₃ ve kaya tuzu yapısı ile TiO, çoğu zaman tonsiyometrik olmayan da bilinir.

TiCl₄'ün alkollerle reaksiyona sokulmasıyla hazırlanan titanyum (IV) alkoksitler, su ile reaksiyonda dioksite dönüşen renksiz bileşiklerdir. Sol-jel işlemi yoluyla katı Ti0₂ biriktirmek için endüstriyel olarak faydalıdırlar. Titanyum izopropoksit, kiral organik bileşiklerin Sharpless epoksidasyon yoluyla sentezinde kullanılır.

Titanyum çeşitli sülfürler oluşturur, ancak sadece TiS₂ önemli ilgi çekmiştir. Katmanlı bir yapı benimser ve lityum pillerin geliştirilmesinde katot olarak kullanılmıştır. Ti (IV) bir "sert katyon" olduğu için, titanyum sülfürleri kararsızdır ve hidrojen sülfit salınımı ile okside hidrolize olma eğilimindedir.

Nitrürler ve karbürler

Titanyum nitrür (TiN), refrakter geçiş metali nitrürleri ailesinin bir üyesidir ve aşağıdakileri içeren her iki kovalent bileşiğe benzer özellikler gösterir; termodinamik kararlılık, aşırı sertlik, termal / elektrik iletkenliği ve yüksek bir erime noktası. TiN, safir ve karborunduma (Mohs Ölçeğinde 9.0) eşdeğer bir sertliğe sahiptir ve genellikle matkap uçları gibi kesme aletlerini kaplamak için kullanılır. Aynı zamanda altın renkli dekoratif kaplama ve yarı iletken imalatında bir bariyer metali olarak kullanılır. Aynı zamanda çok zor olan titanyum karbür, kesici takımlarda ve kaplamalarda bulunur.

Halidler

Titanyum tetraklorür (titanyum (IV) klorür, TiCl₄), havada beyaz bulutların muhteşem emisyonu ile hidrolize olan renksiz bir uçucu sıvıdır (ticari örnekler sarımsıdır). Kroll işlemi ile TiCl₄, örneğin beyaz boyada kullanılmak üzere titanyum cevherlerinin titanyum dioksite dönüştürülmesinde üretilir. Organik kimyada Lewis asidi olarak, örneğin Mukaiyama aldol yoğunlaşmasında yaygın olarak kullanılır. Van Arkel işleminde, yüksek saflıkta titanyum metal üretiminde titanyum tetraiyodid (TiI₄) üretilir.

Titanyum (III) ve titanyum (II) de kararlı klorürler oluşturur. Dikkate değer bir örnek, poliolefinlerin üretimi için bir katalizör (bakınız Ziegler-Natta katalizörü) ve organik kimyada bir indirgeyici madde olarak kullanılan titanyum (III) klorürdür (TiCl₃).

Organometalik kompleksler

Titanyum bileşiklerinin polimerizasyon katalizörü olarak önemli rolü nedeniyle, Ti-C bağları olan bileşikler yoğun bir şekilde incelenmiştir. En yaygın organotitanyum kompleksi, titanosen diklorür (((C₅H₅)₂TiCl₂) 'dir. İlgili bileşikler arasında Tebbe reaktifi ve Petasis reaktifi bulunur. Titanyum karbonil kompleksleri oluşturur, örn. (C₅H₅)₂Ti(CO)₂.

Antikanser terapi çalışmaları

Platin bazlı kemoterapinin başarısının ardından, titanyum (IV) kompleksleri kanser tedavisi için test edilecek ilk platin olmayan bileşikler arasındaydı. Titanyum bileşiklerinin avantajı, yüksek etkinliklerinde ve düşük toksisitelerinde yatmaktadır. Biyolojik ortamlarda hidroliz güvenli ve inert titanyum dioksite yol açar. Bu avantajlara rağmen, ilk aday bileşikler klinik çalışmalarda başarısız olmuştur. Daha fazla gelişme, potansiyel olarak etkili, seçici ve stabil titanyum bazlı ilaçların yaratılmasına neden oldu. Hareket tarzları henüz tam olarak anlaşılamamıştır.