Przeczytaj
Właściwości fizyczne tytanu
Barwa czystego tytanu jest srebrzysta i błyszcząca. Właściwości tytanu zależą od temperatury, w której jest badany, oraz od stopnia zanieczyszczenia metalu.
Tytan występuje w dwóch odmianach alotropowych – niskotemperaturowej alfa (alfa) i wysokotemperaturowej beta (beta). W temperaturze 882°C następuje przemiana niskotemperaturowej odmiany w odmianę wysokotemperaturową – trwałą do temperatury topnienia tytanu (1689°C). Tytan jest lekkim metalem, a jego gęstość wynosi (w temperaturze 25°C).
Metal ten charakteryzuje się następującymi właściwościami mechanicznymi:
przy wysokiej czystości jest ciągliwy;
posiada dużą wytrzymałość mechaniczną – najwyższy stosunek wytrzymałości mechanicznej do jego ciężaru spośród biomateriałów metalowych;
posiada wysoką twardość, ale niższą od hartowanej stali;
posiada niski moduł sprężystości Youngamoduł sprężystości Younga.
Inne właściwości fizyczne (magnetyczne, termiczne i elektryczne), którymi charakteryzuje się tytan, to:
niskie przewodnictwo elektryczne i cieplne – ma mały współczynnik przewodności cieplnej (lambda), który zmienia się nieznacznie w zależności od zmiany temperatury;
charakteryzuje się dużą rezystywnościąrezystywnością właściwą – opór właściwy tytanu wynosi i jest czterokrotnie większy od rezystywności żelaza;
w temperaturach normalnych nie wykazuje właściwości magnetycznych.
Właściwości chemiczne tytanu
Aktywność chemiczna tytanu rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Jest odporny na działanie rozcieńczonych kwasów: siarkowego(VI), solnego oraz większości kwasów organicznych, chloru, siarczków, siarczanów(VI), chlorków, amoniaku, siarkowodoru, nadtlenku wodoru, zasad oraz wody morskiej. Tytan roztwarza się w stężonych kwasach. Wykazuje wysokie powinowactwo do tlenu, wodoru, azotu, węgla i siarki, nawet w temperaturze pokojowej.
Tytan wykazuje doskonałą odporność na korozję miejscową oraz chemiczną (porównywalną do platyny) – jest odporny na działanie większości gazów, kwasu azotowego(V), ciekłego chloru i wodnych roztworów chlorków. Ulega jednak korozji w roztworach silnych kwasów i zasad. Korozję tytanu powoduje m.in. działanie kwasu chlorowodorowego i siarkowego(VI), szczególnie w podwyższonych temperaturach, kwasu fluorowodorowego i fluorków, kwasów redukujących (szczawiowy i mrówkowy) oraz stopionych soli.
Tytan wykazuje odporność na degradację elektrochemicznądegradację elektrochemiczną.
Właściwości biologiczne
Rzadko występują oddziaływania alergiczne na ten pierwiastek. Jest on także biozgodnybiozgodny z żywymi tkankami.
Właściwości a zastosowania
Duża odporność tytanu na korozję i jego dobra biokompatybilność są w rzeczywistości wynikiem podatności na działanie tlenu. Silne powinowactwo tytanu do tlenu powoduje, że tytan w temperaturze pokojowej zarówno w wodzie, jak i na powietrzu samorzutnie pokrywa się bowiem trwałą i szczelną warstwą tlenków, składającą się z: , (rutyl) i . Warstwa ta jest nie tylko odporna na korozję, ale także, będąc w kontakcie z tkankami, jest nierozpuszczalna w środowisku płynów ustrojowych. Nie dochodzi zatem do uwalniania z tytanu jonów, które mogłyby wchodzić w reakcję z molekułami żywych tkanek organizmu, co sprawia, że tytan jest materiałem stosowanym w wykonawstwie implantów zębowych oraz kostnych.
Istotnym kryterium przydatności tytanu, jako biomateriału, z którego wykonany jest implant, jest niski moduł sprężystości w porównaniu z innymi biomateriałami metalicznymi. Wysoki moduł Younga jest niekorzystny, gdyż im bardziej odbiega on od modułu sprężystości kości, tym bardziej zmienia naturalny rozkład naprężeń w tkance kostnej. W celu uniknięcia przeciążenia i zniszczenia implantu czy obluzowania kości wokół wszczepu, należy dobierać sztywność implantu do sztywności kości. Takie kryterium spełnia tytan i jego stopy.
Minerały tytanu
Minerały tytanu można podzielić na pięć grup:
Grupa rutylu to tlenki tytanu(IV) (), np. rutyl, anataz i brukit.
Złożone tlenki tytanu o różnej zawartości żelaza(II), manganu(II) czy glinu należą do grupy ilmenitu (np. ilmenit, ).
Minerały, w których występuje wapń, to grupa perowskitu (np. perowskit, ).
Kolejną grupą jest grupa pirochloru, która charakteryzuje się najbardziej złożoną budową (np. pirochlor).
Ostatnia grupa to grupa tytanitu (grupa tytanokrzemianów), do której zaliczane są krzemiany tytanu i wapnia (np. sfen, ).
Otrzymywanie tytanu
Do najważniejszych metod otrzymywania tytanu metalicznego zalicza się:
redukcja chlorku tytanu(IV) magnezem;
redukcja chlorku tytanu(IV) sodem;
redukcja tlenku tytanu(IV) magnezem, glinem bądź wapnem;
metody elektrolityczne;
metalurgia proszków.
Po raz pierwszy czystą postać tytanu udało się otrzymać Matthewowi Hunterowi w 1910 r. po ogrzaniu z sodem w temp. 700–800°C.
Najczęściej jednak stosowaną w przemyśle metodą jest redukcja chlorku tytanu(IV) ciekłym magnezem, którą przeprowadza się w temperaturze 850‑900°C.
W tym procesie metaliczny tytan pozyskiwany jest w kilku etapach:
Otrzymywanie chlorku tytanu(IV) - ogrzewa sie minerały, takie jak rutyl i ilmenit (lub ich mieszaniny) z węglem oraz chlorem w temperaturze 1200 K:
Reakcja par chlorku tytanu(IV) z ciekłym magnezem:
Słownik
oporność właściwa, opór właściwy; wielkość charakteryzująca materiały pod względem przewodnictwa elektrycznego; jednostką rezystywności w układzie SI jest om⋅metr (omega·m)
stan materiału polegający na zerowej rezystancji, jest osiągany przez niektóre materiały w niskiej temperaturze
współczynnik sprężystości; iloraz wartości naprężenia do odkształcenia sprężystego, spowodowanego przez to naprężenie; jednostka to MPa
zdolność pierwiastków do wchodzenia ze sobą w reakcje
cecha substancji lub materiału, warunkująca jego prawidłowe działanie w żywym organizmie; materiał o dużej biozgodności powinien charakteryzować się następującymi cechami: brak toksyczności, brak wpływu na układ odpornościowy organizmu, niewywoływanie hemolizy
korozja elektrochemiczna; korozja metali spowodowana procesami elektrochemicznymi, zachodząca wskutek występowania różnych potencjałów na powierzchni korodującego obiektu znajdującego się w środowisku elektrolitu; w takiej sytuacji powstają ogniwa korozyjne, w których fragmenty powierzchni metalu o niższym potencjale są anodami – zachodzi na nich utlenianie metalu, przechodzącego do roztworu; na katodach ogniw korozyjnych zachodzą reakcje redukcji tak zwanego depolaryzatora, którym jest często cząsteczkowy tlen z powietrza (depolaryzacja tlenowa) lub jony wodoru (depolaryzacja wodorowa) ulegające redukcji do wodoru gazowego
Bibliografia
Bielański A., Podstawy Chemii nieorganicznej, t. 1‑2, Warszawa 2010.
Kaczyński J., Czaplicki A., Chemia ogólna, Warszawa 1974.
Litwin M., Styka‑Wlazło Sz., Szymońska J., To jest chemia 1, Warszawa 2013.
Melechow R., Tubielewicz K., Błaszczyk W., Tytan i jego stopy : gatunki, właściwości, zastosowanie, technologia obróbki, degradacja, Częstochowa 2004.