RCm87LIqgkIZr

Ilustracja przedstawia podsumowanie informacji na temat tytanu. Symbol – Ti; Liczba atomowa – 22. Średnia liczba masowa – 47,867. Najczęściej spotykane stopnie utlenienia – plus dwa, plus trzy, plus cztery. Temperatura topnienia wyrażona w Kelwinach – 1942,15. temperatura wrzenia wyrażona w Kelwinach – 3603,15. Gęstość w g/ml w temperaturze 25 stopni Celsjusza – 4,50. Stan skupienia w warunkach normalnych – ciało stałe. Konfiguracja elektronowa podpowłokowa skrócona (zawierająca rdzeń gazu szlachetnego) w stanie podstawowym - $[\mathrm{A}\mathrm{r}]3d^{2}4s^2$.

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 (αalfa) i wysokotemperaturowej beta (βbeta). 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 $\mathrm{4,5} \frac{\mathrm{g}}{{\mathrm{cm}}^3}$ (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 sprężystościmoduł sprężystości Younga.

Inne właściwości fizyczne (magnetyczne, termiczne i elektryczne), którymi charakteryzuje się tytan, to:

• niskie przewodnictwo elektryczne i cieplne – ma mały współczynnik przewodności cieplnej (λlambda), który zmienia się nieznacznie w zależności od zmiany temperatury;

• charakteryzuje się dużą rezystywnościąrezystywnośćrezystywnością właściwą – opór właściwy tytanu wynosi $425·{10}^{-9} \mathrm{\Omega }·\mathrm{m}$ i jest czterokrotnie większy od rezystywności żelaza;

• w temperaturach normalnych nie wykazuje właściwości magnetycznych.

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 elektrochemicznądegradacja elektrochemicznadegradację elektrochemiczną.

Rzadko występują oddziaływania alergiczne na ten pierwiastek. Jest on także biozgodnybiozgodnośćbiozgodny z żywymi tkankami.

RSIGGhbpKeezN

Ilustracja przedstawia zdjęcie rentgenowskie protezy założonej na kość.

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: $\mathrm{TiO}$, ${\text{TiO}}_2$ (rutyl) i ${\text{Ti}}_2{\text{O}}_3$. 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.

R361MQNO5FRN5

Ilustracja przedstawia implant zębowy, a obok leży podłużne narzędzie dentystyczne - specjalna śruba do implantów.

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 można podzielić na pięć grup:

1. Grupa rutylu to tlenki tytanu(IV) (${\text{TiO}}_2$), np. rutyl, anataz i brukit.

2. Złożone tlenki tytanu o różnej zawartości żelaza(II), manganu(II) czy glinu należą do grupy ilmenitu (np. ilmenit, ${\text{FeTiO}}_3$).

3. Minerały, w których występuje wapń, to grupa perowskitu (np. perowskit, ${\text{CaTiO}}_3$).

4. Kolejną grupą jest grupa pirochloru, która charakteryzuje się najbardziej złożoną budową (np. pirochlor).

5. Ostatnia grupa to grupa tytanitu (grupa tytanokrzemianów), do której zaliczane są krzemiany tytanu i wapnia (np. sfen, ${\text{CaTi(SO}}_4\text{)O}$).

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.

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

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.