คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของไททาเนียม

ไททาเนียมเป็นโลหะทรานซิชันสีขาวเงินที่มีความหนาแน่นเพียง 4.54 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งเบากว่าเหล็กประมาณ 40% แต่มีความแข็งแรงเทียบเท่ากับเหล็ก คุณสมบัติที่เบาและมีความแข็งแรงสูงนี้ทำให้ไททาเนียมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในทุกสาขาอาชีพ แล้วคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของไททาเนียมคืออะไร?

1.โครงสร้างอะตอมของไททาเนียม
ก่อนอื่นมาดูโครงสร้างอะตอมของไททาเนียมกันก่อน ไททาเนียมอยู่ในกลุ่ม IVB ของตารางธาตุ โดยมีเลขอะตอม 22 นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอน 22 ตัวและนิวตรอน 20-32 ตัว และโครงสร้างอิเล็กตรอนนอกนิวเคลียสเรียงตัวเป็น 1S22S22P63S23D24S2 รัศมีนิวเคลียสคือ 5x10-13 ซม. โครงสร้างอะตอมที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัวเหล่านี้ทำให้ไททาเนียมมีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่เป็นเอกลักษณ์

2.คุณสมบัติทางกายภาพของไททาเนียม
ความหนาแน่นของไททาเนียมคือ 4.506-4.516 g/cm3 (20 องศา) จุดหลอมเหลวคือ 1,668±4 องศา ความร้อนแฝงของการหลอมเหลวคือ 3.7-5.0 กิโลแคลอรีต่อกรัมอะตอม จุดเดือดคือ 3260±20 องศา ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอคือ 102.5-112.5 กิโลแคลอรีต่อกรัมอะตอม อุณหภูมิวิกฤตคือ 4,350 องศา และความดันวิกฤตคือ 1,130 บรรยากาศ การนำความร้อนและการนำไฟฟ้าของไททาเนียมไม่ดี คล้ายหรือต่ำกว่าสแตนเลสเล็กน้อย ไททาเนียมมีคุณสมบัติเป็นตัวนำยิ่งยวด และอุณหภูมิวิกฤตของไททาเนียมบริสุทธิ์ที่เป็นตัวนำยิ่งยวดคือ 0.38-0.4K ที่อุณหภูมิ 25 องศา ความจุความร้อนของไททาเนียมคือ 0.126 แคลอรีต่อกรัมอะตอม·องศา เอนทัลปีความร้อนคือ 1149 แคลอรีต่อกรัมอะตอม และเอนโทรปีคือ 7.33 แคลอรีต่อกรัมอะตอม·องศา ไททาเนียมโลหะเป็นสารพาราแมกเนติกที่มีค่าการซึมผ่านแม่เหล็ก 1.00004
ไททาเนียมมีคุณสมบัติทางพลาสติก การยืดตัวของไททาเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงสามารถไปถึง 50-60% และการหดตัวตามหน้าตัดสามารถไปถึง 70-80% แต่ความแข็งแรงของไททาเนียมนั้นต่ำและไม่เหมาะสำหรับวัสดุโครงสร้าง การมีสิ่งเจือปนในไททาเนียมมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติเชิงกลของไททาเนียม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสิ่งเจือปนในช่องว่างระหว่างไททาเนียม (ออกซิเจน ไนโตรเจน คาร์บอน) สามารถเพิ่มความแข็งแรงของไททาเนียมได้อย่างมากและลดความเป็นพลาสติกของไททาเนียมได้อย่างมาก คุณสมบัติเชิงกลที่ดีของไททาเนียมในฐานะวัสดุโครงสร้างนั้นทำได้โดยการควบคุมปริมาณสิ่งเจือปนที่เหมาะสมอย่างเคร่งครัดและการเติมธาตุโลหะผสม

3.คุณสมบัติทางเคมีของไททาเนียม
ไททาเนียมสามารถทำปฏิกิริยากับธาตุและสารประกอบหลายชนิดได้ที่อุณหภูมิที่สูงขึ้น ธาตุต่างๆ สามารถแบ่งออกได้เป็น 4 ประเภทตามปฏิกิริยาที่แตกต่างกันกับไททาเนียม:
หมวดที่ 1: ธาตุฮาโลเจนและกลุ่มออกซิเจนสร้างสารประกอบโคเวเลนต์และไอออนิกกับไททาเนียม
หมวดที่ 2: ธาตุทรานสิชัน ได้แก่ ไฮโดรเจน เบริลเลียม กลุ่มโบรอน กลุ่มคาร์บอน และกลุ่มไนโตรเจน ก่อตัวเป็นสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกและสารละลายของแข็งจำกัดด้วยไททาเนียม
หมวดที่ 3: ธาตุเซอร์โคเนียม แฮฟเนียม กลุ่มวาเนเดียม กลุ่มโครเมียม สแกนเดียม ก่อตัวเป็นสารละลายของแข็งที่ไม่จำกัดร่วมกับไททาเนียม
หมวดที่ 4: ก๊าซเฉื่อย โลหะอัลคาไล โลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ ธาตุหายาก (ยกเว้นสแกนเดียม) แอกทิเนียม ทอเรียม ฯลฯ ไม่ทำปฏิกิริยากับไททาเนียม หรือโดยพื้นฐานแล้วไม่ทำปฏิกิริยา

4. ปฏิกิริยากับสารประกอบ:
HF และฟลูออไรด์
ก๊าซไฮโดรเจนฟลูออไรด์ทำปฏิกิริยากับไททาเนียมเพื่อสร้าง TiF4 เมื่อได้รับความร้อน และมีสูตรปฏิกิริยาคือ (1) ของเหลวไฮโดรเจนฟลูออไรด์ที่ไม่ใช่น้ำสามารถสร้างฟิล์มไททาเนียมเทตระฟลูออไรด์หนาแน่นบนพื้นผิวของไททาเนียม ซึ่งสามารถป้องกันไม่ให้ HF แทรกซึมเข้าไปในส่วนภายในของไททาเนียมได้ กรดไฮโดรฟลูออริกเป็นฟลักซ์ที่แรงที่สุดสำหรับไททาเนียม แม้แต่กรดไฮโดรฟลูออริกที่มีความเข้มข้น 1% ก็สามารถทำปฏิกิริยากับไททาเนียมอย่างรุนแรงได้ ฟลูออไรด์ที่ปราศจากน้ำและสารละลายในน้ำของฟลูออไรด์จะไม่ทำปฏิกิริยากับไททาเนียมที่อุณหภูมิต่ำ และมีเพียงฟลูออไรด์ที่หลอมละลายเท่านั้นที่ทำปฏิกิริยากับไททาเนียมอย่างมีนัยสำคัญที่อุณหภูมิสูง
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.0 กิโลแคลอรี (1) 2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2

HCl และคลอไรด์
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 องศาเพื่อสร้าง TiCl4 ดูสูตร (3) กรดไฮโดรคลอริกที่มีความเข้มข้นของ<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 กิโลแคลอรี (3)2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2 (4)

กรดซัลฟิวริกและไฮโดรเจนซัลไฟด์
หลังจากไททาเนียมทำปฏิกิริยากับกรดซัลฟิวริกเจือจาง<5%, a protective oxide film is formed on the titanium surface, which can protect titanium from further corrosion by dilute acid. However, sulfuric acid >กรดซัลฟิวริก 5% มีปฏิกิริยากับไททาเนียมอย่างมีนัยสำคัญ ที่อุณหภูมิห้อง กรดซัลฟิวริกประมาณ 40% มีอัตราการกัดกร่อนไททาเนียมเร็วที่สุด เมื่อความเข้มข้นมากกว่า 40% และถึง 60% อัตราการกัดกร่อนจะช้าลงและถึง 80% เร็วที่สุด กรดเจือจางที่ได้รับความร้อนหรือกรดซัลฟิวริกเข้มข้น 50% สามารถทำปฏิกิริยากับไททาเนียมเพื่อสร้างไททาเนียมซัลเฟต ดูสูตร (5), (6) กรดซัลฟิวริกเข้มข้นที่ได้รับความร้อนสามารถทำให้ไททาเนียมรีดิวซ์เพื่อสร้าง SO2 ดูสูตร (7) ที่อุณหภูมิห้อง ไททาเนียมทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนซัลไฟด์เพื่อสร้างฟิล์มป้องกันบนพื้นผิว ซึ่งสามารถป้องกันปฏิกิริยาเพิ่มเติมระหว่างไฮโดรเจนซัลไฟด์และไททาเนียมได้ อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิสูง ไฮโดรเจนซัลไฟด์จะทำปฏิกิริยากับไททาเนียมเพื่อตกตะกอนไฮโดรเจน ดังที่แสดงในสูตร (8) ไททาเนียมผงเริ่มทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่ 600 องศาเพื่อสร้างไททาเนียมซัลไฟด์ ที่อุณหภูมิ 900 องศา ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาส่วนใหญ่จะเป็น TiS และที่อุณหภูมิ 1200 องศา จะเป็น Ti2S3
Ti＋H2SO4＝TiSO4＋H2 (5) 2Ti＋3H2SO4＝Ti2(SO4)3＋H2 (6)
2Ti＋6H2SO4＝Ti2(SO4)3＋3SO2＋6H2O＋202 กิโลแคลอรี (7)Ti＋H2S＝TiS＋H2＋70 กิโลแคลอรี (8)

กรดไนตริกและกรดกัดทอง
ไททาเนียมที่มีความหนาแน่นและเรียบจะมีเสถียรภาพที่ดีต่อกรดไนตริก เนื่องจากกรดไนตริกสามารถสร้างฟิล์มออกไซด์ที่แข็งแรงบนพื้นผิวไททาเนียมได้อย่างรวดเร็ว แต่พื้นผิวที่ขรุขระ โดยเฉพาะไททาเนียมแบบฟองน้ำหรือไททาเนียมแบบผง สามารถทำปฏิกิริยากับกรดไนตริกเจือจางที่ร้อนและต่ำได้ ดูสูตร (9), (10) และกรดไนตริกเข้มข้นที่อุณหภูมิสูงกว่า 70 องศาก็สามารถทำปฏิกิริยากับไททาเนียมได้เช่นกัน ดูสูตร (11) ที่อุณหภูมิห้อง ไททาเนียมจะไม่ทำปฏิกิริยากับกรดกัดกร่อน เมื่ออุณหภูมิสูง ไททาเนียมสามารถทำปฏิกิริยากับกรดกัดกร่อนเพื่อสร้าง TiCl2
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO (10)
Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)

โดยสรุป คุณสมบัติของไททาเนียมนั้นมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับอุณหภูมิ รูปร่างที่มีอยู่ และความบริสุทธิ์ ไททาเนียมโลหะหนาแน่นค่อนข้างเสถียรในธรรมชาติ แต่ไททาเนียมที่บดเป็นผงสามารถทำให้เกิดการเผาไหม้ในอากาศได้เอง การมีสิ่งเจือปนในไททาเนียมส่งผลกระทบอย่างมากต่อความต้านทานทางกายภาพ เคมี กล และการกัดกร่อนของไททาเนียม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สิ่งเจือปนในเนื้อเยื่อบางชนิดสามารถบิดเบือนโครงตาข่ายไททาเนียมและส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติต่างๆ ของไททาเนียมได้ ที่อุณหภูมิห้อง กิจกรรมทางเคมีของไททาเนียมมีขนาดเล็กมาก และอาจทำปฏิกิริยากับสารบางชนิด เช่น กรดไฮโดรฟลูออริก แต่เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น กิจกรรมของไททาเนียมจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูง ไททาเนียมอาจทำปฏิกิริยาอย่างรุนแรงกับสารหลายชนิด กระบวนการหลอมไททาเนียมโดยทั่วไปจะดำเนินการที่อุณหภูมิสูงมากกว่า 800 องศา ดังนั้นจึงต้องทำงานในสุญญากาศหรือภายใต้การปกป้องของบรรยากาศเฉื่อย