Proprietatile titanului

Proprietatile titanului

Structura electronica a titanului ca metal de tranzitie

In sistemul periodic al elementelor,titanul apartine grupei a IV a impreuna cu zirconiul,hafniul si thoriul cu care are multe proprietati asemanatoare.In jurul nucleului graviteaza 22 de electroni pe primele patru straturi electronice ,cu dustributia: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s².

Desi se completeaza substratul 4s,substratul interior 3d ramane cu un deficit de electroni si acesta deoarece valoarea energiei electronilor s din substratul al IV lea este mai mica decat a electronilor d din stratul al III lea.Din acest punct de vedere este mai avantajoasa situarea electronilor in substratul 4s si apoi completarea orbitalilor si in substratul mai interior 3d.Avand un substrat interior incomplet si avand electroni pe substrat exterior titanul este un metal de tranzitie.

Existenta substraturilor electronice incomplete specifice metalele de tranzitie explica in cazul titanului:

-paramagnetismul;

-existenta unor trepte diferite de valenta;

-temperatura de topire ridicata;

-existenta modificatiilor alotropice;

-combinarea cu C si N cu formare de compusi stabili durificatori;

Influenta structurii electronice asupra interactiunii dintre titan si elementele din sistemul periodic

Din punct de vedere al configuratiei elecrtonice de valenta,elementele chimice din sistemul periodic pot fi impartite in trei clase:

Elementele din grupele IA,IIA,AB,IIB cu electroni de valenta in stratul s;

Elementele din grupele de tranzitie (IIIA,VIIIA,IB,IIB) si din grupa pamanturilor rare cu electroni de valenta in straturile d,s si f,d,s cu straturi inferioare d si f incomplete;

Elementele din grupele IIIB si VIIIA cu electroni de valenta in straturile exterioare s si p.

Atomii de titan cu structura electronica s² d² prezinta trasaturi caracteristice la interactiunea cu fiecare din cele trei grupe de elemente.

Cu exceptia beriliului,elementele din grupele IA si IIA avand stratul exterior s,cu o mare varietate de raze atomice sunt incapabile sa reactioneze cu titanul.Ele nu formeaza nici solutii solide nici compusi.Toate metalele din grupele tranzitionale cu stratul exterior sd cand interactioneaza cu titanul sunt capabile sa formeze mai ales solutii solide,dar si compusi,cu o probabilitate mai mica.In acest caz cu cat un element este mai departe de titan in sistemul periodic cu atat mai mica este solubilitatea in titan si mai mare numarul de compusi formati cu acesta.

Conform celor prezentate din punct de vedere al modului cum interactioneaza cu titanul elementele din sistemul periodic pot fi impartite in patru grupe:

I.elemente care formeaza solutii solide continue;

II.elemente care formeaza solutii solide cu solubilitate limitata si compusi cu legatura chimica metalica;

III.elemente care formeaza compusi cu legatura chimica ionica;

IV.elemente care nu interactioneaza cu titanul;

Luand in consideratie particularitatile interactiunii dintre elementele chimice si cele doua modificatii ale titanului α si β,cele mai importante diagrame de echilibru binare ale titanului pot fi clasificate in:

a) diagrame de echilibru ce caracterizeaza interactiunile care conduc la formarea de solutii solide continue cu Tiα si Tiβ,diagrame ale caror componenti au modificatii izomorfe cu titanul;

b) diagrame de echilibru cu sisteme de aliaje in care elementele de aliere formeaza cu Tiβ,solutii solide continue la temperaturi ridicate cum sunt Ti-Nb,Ti-Ta,Ti-Mo;

c) diagrame de echilibru caracterizate prin solubilitate limitata a componentilor,in Tiα si Tiβ,cu transformari eutectice sau eutectoide si formarea de compusi in timpul cristalizarii ca in cazul Ti-Cr,Ti-U,dar si cu Be,Fe,Co,Ni,Pd;

d) diagrame de echilibru corespunzatoare sistemelor binare care sunt caracterizate prin solutii solide cu solubilitate limitata a componentilor cu Tiα si Tiβ,dar care difera de al III lea tip de diagrama prin reactii peritectice,in timpul cristalizarii si reactii peritectoide in stare solida.

Proprietatile fizice ale titanului

Titanul prezinta o serie de proprietati fizice superioare celor ale otelurilor sau aliajelor de aluminiu.

Conform datelor din literatura de specialitate si din studiul variatiei cu temperatura a proprietatilor fizice ale titanului pot fi detaliate urmatoarele aspecte legate de proprietatile fizice:

a)     Rezistivitatea electrica a titanului la temperatura camerei este de 20 de ori mai mare ca a aluminiului si ceva mai scazuta ca a otelului inoxidabil (18-8) (=48,10^-6Ωcm),iar la peste 200^oC,rezistivitatea titanului o depaseste pe cea a otelului inox.

b)     Rezistivitatea este sensibila la continutul de impuritati solubile,datorita imprastierii electronilor de conductie,prin distribuirea intamplatoare a atomilor straini.

La temperaturi de pana la 400^oC,rezistivitatea titanului creste puternic,liniar cu temperatura.La temperaturi mai ridicate,viteza de modificare a rezistivitatii incepe sa scada si la temperaturi de pana la 882^oC,are o valoare neobisnuit de joasa.

Deci,la temperaturi mai mari de 450^oC,comportarea titanului este diferita de cea observata la cele mai multe metale.

c)     Scaderea rezistivitatii este cu atat mai accentuata cu cat gradul de impurificare al titanului este mai mare (mai ales datorita oxigenului).

d)     Susceptibilitatea magnetica a titanului si aliajelor sale este scazuta.La 20^oC titanul este paramagnetic si are o susceptibilitate magnetica specifica 3,2.10^-6/g.

e)     Temperatura de topire a titanului (1668^oC) permite utilizarea acestuia la temperaturi ridicate de serviciu.Reactivitatea titanului la temperaturi inalte poate fi diminuata prin tratamente termice de suprafata.

Oxigenul,azotul,carbonul duc la cresterea temperaturii de topire,iar elementele metalice dizolvate in titan produc scaderea temperaturii de topire.

Densitatea titanului este de 4,505 g/cm³.

Prezenta oxigenului in titan va duce la cresterea densitati.Densitatea titanului la 900^oC este 4,32 g/cm³,temperatura la care titanul este impurificat cu alte elemente chimice.

Caracteristicile mecanice si de plasticitate ale titanului in conditii criogenice si de temperaturi inalte

Pentru titanul nealiat avand drept impuritati : C=0,1%; H=0,013%; O=0,3%; N=0,07%; Fe=0,3%,iar caracteristicile mecanice R_m49-63 daN/cm²; R_p0,2=35 daN/cm²; A₅18%. La temperaturi inalte rezistenta scade cu cresterea temperaturii ramanand totusi la un nivel rezonabil de ridicat pana la 300^oC.In plus rezistenta mare la fluaj face posibila utilizarea titanului la mijloace de propulsie care lucreaza pana la temperaturi de 550^oC.

Titanul are caracteristici mecanice corespunzatoare la temperaturi scazute,cand plasticitatea se micsoreaza foarte putin,iar rezistenta creste.La temperaturi joase nu se observa fragilitatea.

Rezistenta la coroziune a titanului

Pe langa proprietatile fizice si mecanice superioare,atat titanul cat si aliajele de titan se caracterizeaza printr-o buna rezistenta la coroziune in multe medii chimice datorita formarii unei pelicule superficiale de oxid protectoare.

Titanul este un metal foarte oxidabil datorita valorii mici a potentialului de electrod la echilibru (-1,63%) pentru reactia Ti=Ti²⁺+2e^-.

Acest potential plaseaza titanul intre Mg(-2,73 V pentru Mg/Mg²⁺) si Zn(-0,763 V) si aproape de Al(-1,66V).

Privind rezistenta la coroziune a aliajelor de titan se constata urmatoarele:

a)     Stabilitate perfecta fata de mediile cu caracter oxidant sau neutre (medii organice,clor sau solutii apoase,apa de mare).

b)     Stabilitate limitata sau nula fata de mediile neoxidante (HCl) sau foarte oxidante (acid nitric oxidat la cald,sub presiune H₂SO₄,medii alcaline concentrate calde,cu PH scazut).

c)     Stabilitate nula fata de ionii de fluor in solutie apoasa de HF.

d)     Titanul si aliajele de titan produc coroziune de contact cu Al,aliaje de Al,aliaje de Mg,aliaje de Zn.

Prezenta ionilor cu mase grele (Fe³⁺,Cu²⁺) imprima un comportament oxidant,sporindu-se rezitenta la coroziune a titanului si aliajelor de titan la contact cu acizii neoxidanti.

Rezistenta la actiunea acizilor

Titanul are o rezistenta mare la actiunea acizilor oxidanti,indiferent de concentratie si temperatura.

Fata de acizii neoxidanti,titanul este rezistent numai la temperaturi si concentratii ridicate.

Rezistenta la coroziune in alcali

Titanul are o buna rezistenta la coroziune in solutii alcaline precum soda caustica,hidroxizii de bariu si magneziu,chiar la temperaturi si concentratii ridicate.Doar o solutie concentrata de KOH adus la fierbere duce la o coroziune puternica.

Coroziune galvanica

Coroziunea galvanica are loc atunci cand diferite metale iau contact intr-un electrolit.In acest caz metalele cu un potential electric mai scazut (de obicei metalul de baza)se poate coroda.Protectia catodica previne acest tip de coroziune.

Reactia cu gaze

Titanul are o mare afinitate fata de O₂ si N₂ cu care si reactioneaza pentru a produce oxizi si nitrati stabili.

Desi titanul nu rezista la actiunea clorului gazos uscat,este totusi rezitent,atunci cand clorul prezinta un continut de minimum 0,5% apa.

Titanul absoarbe hidrogen din hidruri,o cantitate insemnata de hidrogen ducand la fragilizare.

Rezistenta la coroziune fisurata

Prin alierea titanului cu 0,05 Pd,creste rezistenta la coroziune fisuranta.

Titanul are deasemenea o buna rezistenta la coroziune in apa fierbinte sau in aburi.

Utilizarea titanului

Titanul si aliajele sale pe baza proprietatilor de rezistenta la fluaj,la coroziune,rezistenta specifica mare contribuie la cresterea duratei de serviciu si la scaderea greutatii produselor.

a)     domeniul de utilizare cel mai solicitat la titan si aliajele sale este industria aeronautica.Pentru constructia aeronavelor titanul se utilizeaza in toata gama de produse.Tablele si benzile sunt utilizate pentru panourile de invelis la aeronave,precum si sub forma de structuri stratificate.Barele sunt utilizate pentru buloane si nituri,tevile ca elemente de rigidizare,inclusiv la trenul de aterizare.titanul nealiat si aliajele de titan se utilizeaza si la discuri de compresor,izolatii termice,pompe hidraulice etc.

b)     Industria automobilelor foloseste titanul pentru valve,arcuri.

c)     In transporturi feroviare pentru componente ale motoarelor locomotivelor se folosesc aliaje de titan.

d)     Industria alimentara utilizeaza titanul pentru schimbatoare de caldura pentru fermentatie.

e)     Dintre aplicatiile din mecanica sunt de mentionat culbutoare,rotoare pentru pompe centrifuge.

f)      In aplicatiile militare,titanul si aliajele sale sunt folosite pentru blindaje si turelele vehiculelor blindate usoare,lansatoare de mortiere,casti.

g)     Darorita timpului scurt de injumatatire si sectiuni eficace de absortie a neutronilor mai mare ca a zirconiului,titanul se utilizeaza la componente pentru reactoare nucleare,tevi pentru condensatoare.

h)     Comportarea deosebita a titanului la contactul cu tesuturile vii,greutatea specifica medie recomandata titanului si aliajelor sale pentru confectionarea de implanturi chirurgicale,pivoti dentari,executia instrumentelor pentru laboratoare medicale.

i)      Rezistenta la actiunea clorurilor,HNO₃,sulfuri,acizi organici au facut din titan un material ideal pentru constructia recipientelor si reactoarelor chimice.

j)      Titanul fiind rezistent la actiunea apei de mare,se utilizeaza in constructii navale,la submarine,batiscafe,instalatii de radiolocatie care lucreaza in atmosfera marina.

k)     Rafinariile de petrol,platformele marine petroliere utilizeaza titanul sub forma de tevi de foraj,tubulatura pentru schimbatoare de caldura,duze,pentru instalatii de prevenire a eruptiilor.

l)      Pentru aplicatii decorative,pe suprafata titanului pot fi produse prin anodizare selectiva,o gama larga de culori.De aici rezulta si intrebuintarea la realizarea de bijuterii,sculpturi.

m)   Pentru cresterea proprietatilor mecanice si chimice,titanul se utilizeaza ca element de aliere in oteluri si unele aliaje neferoase.