티타늄 : 역사, 구조, 특성, 반응, 용도 - 화학 - 2025

티탄 화학 티 기호로 표시되는 전이 금속이다. 주기율표의 d 블록에서 스칸듐 직후에 나타나는 두 번째 금속입니다. 그것의 원자 번호는 22이며 자연에서 많은 동위 원소와 방사성 동위 원소로 발생하며 그중 ⁴⁸ Ti가 가장 풍부합니다.

색상은 은회색이며 부품은 산화 보호 층으로 덮여있어 티타늄을 부식에 매우 강한 금속으로 만듭니다. 이 층이 황색을 띠면 티타늄 질화물 (TiN)이며, 이는이 금속이 질소의 존재 하에서 연소 될 때 형성되는 화합물로 독특하고 고유 한 특성입니다.

티타늄 반지. 출처 : Pxhere.

이미 언급 한 것 외에도 강철보다 가벼우면서도 기계적 충격에 강합니다. 그렇기 때문에 가장 강력한 금속으로 알려져 있으며 그 이름은 힘과 동의어입니다. 또한 강도와 가벼움, 두 가지 특성이있어 항공기 제조에 바람직한 소재입니다.

마찬가지로 티타늄은 촉감이 좋은 생체 적합성 금속이므로 보석류에서 반지를 만드는 데 사용됩니다. 그리고 뼈 조직에 통합 할 수있는 정형 외과 및 치과 임플란트와 같은 생물 의학에서.

그러나 가장 잘 알려진 용도 는 안료, 첨가제, 코팅 및 광촉매로서 TiO ₂ 에 있습니다.

그것은 지구상에서 아홉 번째로 가장 풍부한 원소이며 금속에서는 일곱 번째입니다. 그럼에도 불구하고 루틸, 아나타제, 일메 나이트 및 페 로브 스카이 트 등 광물에서 추출하기 위해 극복해야하는 어려움으로 인해 비용이 높습니다. 모든 생산 방법 중에서 Kroll Process는 전 세계적으로 가장 널리 사용됩니다.

역사

발견

티타늄은 1791 년에 목사이자 아마추어 광물학자인 William Gregor에 의해 영국 마나 칸 계곡의 일메 나이트 광물에서 처음으로 확인되었습니다. 자석의 영향; 그러나 그는 또한 그가 "마나카 나이트"라고 부르는 알려지지 않은 금속의 또 다른 산화물이 있다고보고했다.

안타깝게도 그는 왕립 지질 학회 (Royal Geological Society of Cornwall) 및 기타 매체를 찾았지만, 그의 공헌은 인정받는 과학 인이 아니라는 점에 큰 영향을 미치지 않았습니다.

4 년 후인 1795 년 독일의 화학자 인 Martin Heinrich Klaproth는 독립적으로 동일한 금속을 인정했습니다. 그러나 현재 슬로바키아 인 Boinik의 금홍석 광석에서.

일부에서는 타이탄과 닮은 강인함에서 영감을 받아이 새로운 금속을 '티타늄'이라고 명명했습니다. 다른 사람들은 그것이 신화 적 인물 자체의 중립성 때문이라고 주장합니다. 따라서 티타늄은 화학 원소로 태어 났고 Klaproth는 나중에 그것이 광물 일메 나이트와 동일한 마나카 나이트라는 결론을 내릴 수있었습니다.

격리

그 이후로 그러한 광물로부터 그것을 분리하려는 시도가 시작되었습니다. 그러나 티타늄이 산소 나 질소로 오염되었거나 환원이 불가능한 탄화물을 형성했기 때문에 대부분은 실패했습니다. Lars Nilson과 Otto Pettersson이 95 % 순수한 샘플을 준비하는 데 거의 1 세기 (1887)가 걸렸습니다.

그런 다음 1896 년에 Henry Moissan은 금속 나트륨의 환원 작용 덕분에 순도가 최대 98 % 인 샘플을 얻을 수있었습니다. 그러나 이러한 불순한 티타늄은 산소와 질소 원자의 작용에 의해 부서지기 쉽기 때문에 반응 혼합물에 들어 가지 않도록 공정을 설계해야했습니다.

그리고이 접근 방식으로 1910 년에 Matthew A. Hunter가 Rensselaer Polytechnic Institute의 General Electric과 공동으로 고안 한 Hunter Process가 시작되었습니다.

20 년 후 룩셈부르크에서 William J. Kroll은 칼슘과 마그네슘을 사용하는 또 다른 방법을 고안했습니다. 오늘날 Kroll 공정은 상업 및 산업 규모로 금속 티타늄을 생산하는 선도적 인 방법 중 하나로 남아 있습니다.

이 시점부터 티타늄의 역사는 항공 우주 및 군사 산업에 적용되는 합금의 과정을 따릅니다.

구조 및 전자 구성

순수 티타늄은 α 상이라고하는 소형 육각형 (hcp)과 β 상이라고하는 체심 입방체 (bcc)의 두 가지 구조로 결정화 될 수 있습니다. 따라서, 그것은 hcp와 bcc 구조 사이에서 동 소성 (또는 위상) 전이를 겪을 수있는 이형 금속입니다.

α상은 주변 온도와 압력에서 가장 안정적이며 Ti 원자는 12 개의 이웃으로 둘러싸여 있습니다. 온도가 882 ° C로 증가하면 육각형 결정이 입방체가되고 밀도가 낮아 열로 인한 더 높은 원자 진동과 일치합니다.

온도가 증가함에 따라 α상은 더 큰 열 저항에 반대합니다. 즉, 비열도 증가하여 882 ° C에 도달하는 데 점점 더 많은 열이 필요합니다.

온도를 높이는 대신 압력을 높이면 어떨까요? 그러면 왜곡 된 숨은 참조 결정이 나타납니다.

링크

이러한 금속 결정에서 3d 및 4s 오비탈의 원자가 전자는 전자 구성에 따라 Ti 원자를 연결하는 결합에 개입합니다.

3d ² 4s ²

이웃과 공유 할 전자가 4 개뿐이므로 거의 빈 3D 밴드가 생성되므로 티타늄은 다른 금속만큼 전기 또는 열 전도체가 아닙니다.

합금

티타늄의 결정 구조에 대해 말한 것보다 훨씬 더 중요한 것은 α와 β의 두 상이 자체 합금을 형성 할 수 있다는 것입니다. 이들은 순수한 α 또는 β 합금 또는 서로 다른 비율 (α + β)의 두 혼합물로 구성 될 수 있습니다.

마찬가지로, 각각의 결정 입자의 크기는 상기 티타늄 합금의 최종 특성뿐만 아니라 질량 조성과 첨가 된 첨가제의 관계 (몇 가지 다른 금속 또는 N, O, C 또는 H의 원자)에 영향을 미칩니다.

첨가제는 두 가지 특정 단계 중 일부를 안정화 할 수 있기 때문에 티타늄 합금에 중요한 영향을 미칩니다. 예 : Al, O, Ga, Zr, Sn 및 N은 α 상을 안정화시키는 첨가제입니다 (고밀도 hcp 결정). Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe 등은 β 상을 안정화시키는 첨가제입니다 (덜 조밀 한 bcc 결정).

이러한 모든 티타늄 합금, 구조, 구성, 특성 및 응용에 대한 연구는 결정학에 의존하는 야금 작업의 대상입니다.

산화 번호

전자 구성에 따르면 티타늄은 3D 궤도를 완전히 채우려면 8 개의 전자가 필요합니다. 이것은 어떤 화합물에서도 달성 할 수 없으며 최대 2 개의 전자를 얻습니다. 즉, 음의 산화수를 획득 할 수 있습니다 : -2 (3d ⁴ ) 및 -1 (3d ³ ).

그 이유는 티타늄의 전기 음성도 때문이며 또한 금속이기 때문에 양의 산화수를 갖는 경향이 더 큽니다. +1 (3d ² 4s ¹ ), +2 (3d ² 4s ⁰ ), +3 (3d ¹ 4s ⁰ ) 및 +4 (3d ⁰ 4s ⁰ ).

양이온 Ti ⁺ , Ti ^{2 +} 등 의 존재가 가정 될 때 3d와 4s 궤도의 전자가 어떻게 떠나고 있는지 주목하십시오 .

산화수 +4 (Ti ⁴⁺ )는 산화물에서 티타늄 의 산화수 인 TiO ₂ (Ti ⁴⁺ O ₂ ^2- )에 해당하기 때문에 가장 대표적입니다 .

속성

외모

칙칙한 은색 금속.

몰 질량

47.867g / mol.

녹는 점

1668 ° C 이 비교적 높은 융점으로 인해 내화성 금속이됩니다.

비점

3287 ° C

자연 발화 온도

순수한 금속의 경우 1200 ° C, 미분 분말의 경우 250 ° C.

연성

티타늄은 산소가 부족하면 연성 금속입니다.

밀도

4.506g / mL. 그리고 녹는 점에서 4.11g / mL.

융합 열

14.15 kJ / 몰.

기화열

425 kJ / 몰.

몰 열용량

25060 J / mol · K.

전기 음성도

폴링 척도에서 1.54.

이온화 에너지

첫째 : 658.8 kJ / mol.

둘째 : 1309.8 kJ / mol.

셋째 : 2652.5 kJ / mol.

모스 경도

6.0.

명명법

산화 수 중 +2, +3 및 +4는 티타늄 화합물을 명명 할 때 전통적인 명명법에서 언급되기 때문에 가장 일반적입니다. 그렇지 않으면 주식 및 체계적인 명명법의 규칙이 동일하게 유지됩니다.

예를 들어, 티타늄 의 가장 잘 알려진 화합물 인 TiO ₂ 와 TiCl _4를 생각해보십시오 .

TiO ₂ 에서 티타늄 의 산화수는 +4이므로 가장 큰 (또는 양수) 이름은 접미사 -ico로 끝나야합니다. 따라서 그 이름은 전통적인 명명법에 따라 산화 티타늄입니다. 재고 명명법에 따른 티타늄 (IV) 산화물; 및 체계적인 명명법에 따른 이산화 티타늄.

그리고 TiCl _{4의 경우} 더 직접적으로 진행할 것입니다.

명명법 : 이름

-전통 : 티타늄 염화물

ᆞ 재고 : 염화 티타늄 (IV)

-계통 : 사염화 티타늄

영어에서는이 화합물을 종종 '간질'이라고합니다.

각 티타늄 화합물은 명명 규칙을 벗어난 고유 이름을 가질 수도 있으며 해당 분야의 전문 용어에 따라 달라집니다.

찾아서 생산하는 곳

Titaniferous 미네랄

티타늄 함량이 가장 높은 광물 중 하나 인 루틸 쿼츠. 출처 : Didier Descouens

티타늄은 지구상에서 7 번째로 가장 풍부한 금속이고 지각에서 9 번째로 풍부한 금속이지만 자연에서는 순수한 금속이 아니라 미네랄 산화물의 다른 원소와 결합되어 있습니다. 티 타니 페 러스 미네랄로 더 잘 알려져 있습니다.

따라서 그것을 얻기 위해서는 이러한 미네랄을 원료로 사용해야합니다. 그들 중 일부는 다음과 같습니다.

-Titanite 또는 sphene (CaTiSiO ₅ ), 철 및 알루미늄 불순물이 결정을 녹색으로 바꿉니다 .

-브루 카이트 ( Orthorhombic TiO ₂ ).

-Rutile, TiO ₂ 의 가장 안정적인 다 형체이며 광물 anatase 및 brookite가 그 뒤를 잇습니다.

-일메 나이트 (FeTiO ₃ ).

-페 로브 스카이 트 (CaTiO ₃ )

-류 콕센 (아나타제, 루틸 및 페 로브 스카이 트의 이종 혼합물).

언급 된 몇 가지 티 타니 페 러스 광물이 있지만 다른 광물도 있습니다. 그러나 이들 모두가 똑같이 풍부하지는 않으며 마찬가지로 제거하기 어렵고 최종 금속 티타늄의 특성을 위태롭게하는 불순물을 포함 할 수 있습니다.

이것이 칼슘과 실리콘 함량이 반응 혼합물에서 제거하기 어렵 기 때문에 스펜과 페 로브 스카이 트가 티타늄 생산에 자주 사용되는 이유입니다.

이 모든 광물 중에서 금홍석과 일메 나이트는 TiO ₂ 함량이 높기 때문에 상업적으로나 산업적으로 가장 많이 사용됩니다 . 즉, 티타늄이 풍부합니다.

Kroll 프로세스

미네랄 중 하나를 원료로 선택하면 그 안의 TiO ₂ 를 줄여야합니다. 이를 위해 석탄과 함께 미네랄은 1000 ° C의 유동층 반응기에서 뜨겁게 가열됩니다. 거기에서 TiO ₂ 는 다음 화학 방정식에 따라 염소 가스와 반응합니다.

TiO ₂ (s) + C (s) + 2Cl ₂ (g) => TiCl ₄ (l) + CO ₂ (g)

TiCl ₄ 는 불순한 무색 액체입니다. 그 온도에서 미네랄에 존재하는 불순물에서 비롯된 다른 금속 염화물 (철, 바나듐, 마그네슘, 지르코늄 및 실리콘)과 함께 용해되기 때문입니다. 따라서 TiCl _4는 분별 증류 및 침전에 의해 정제됩니다.

정제가 완료되면 환원하기 쉬운 종인 TiCl _4를 스테인리스 강 용기에 부어 진공을 적용하여 산소와 질소를 제거하고 아르곤으로 채워 티타늄에 영향을주지 않는 불활성 분위기를 보장합니다. 생산. 마그네슘은 다음 화학 방정식에 따라 800 ° C에서 반응하는 공정에 추가됩니다.

TiCl ₄ (l) + 2Mg (l) => Ti (s) + 2MgCl ₂ (l)

티타늄은 해면질 고체로 침전되어 정제 처리를 거쳐 더 나은 고체 형태를 얻거나 티타늄 광물 제조에 직접 사용됩니다.

반응

공기와 함께

티타늄은 금속 내부를 산화로부터 보호하는 TiO ₂ 층으로 인해 부식에 대한 저항성이 높습니다 . 그러나 온도가 400 ° C 이상으로 상승하면 얇은 금속 조각이 완전히 연소되어 TiO ₂ 와 TiN 의 혼합물을 형성하기 시작합니다 .

Ti (s) + O ₂ (g) => TiO ₂ (s)

2Ti (s) + N ₂ (g) => TiN (s)

두 가스, O ₂ 와 N ₂ 는 논리적으로 공기 중에 있습니다. 이 두 반응은 티타늄이 뜨거워지면 빠르게 발생합니다. 그리고 미분 분말로 발견되면 반응이 더욱 강해져이 고체 상태의 티타늄은 가연성이 높습니다.

산과 염기로

이 TiO ₂ -TiN 층은 티타늄을 부식으로부터 보호 할뿐만 아니라 산과 염기의 공격으로부터도 보호하므로 용해하기 쉬운 금속이 아닙니다.

이를 위해 고농축 산을 사용하고 끓여서 끓여서 티타늄의 수성 복합체의 생성물 인 자주색 용액을 얻어야합니다. 예 : ⁺³ .

그러나 많은 합병증없이 그것을 녹일 수있는 산이 있습니다 : 불산 :

2Ti (s) + 12HF (aq) 2 ^3- (aq) + 3H ₂ (g) + 6H ⁺ (aq)

할로겐 사용

티타늄은 할로겐과 직접 반응하여 각각의 할로겐화물을 형성 할 수 있습니다. 예를 들어, 요오드에 대한 반응은 다음과 같습니다.

Ti (s) + 2I ₂ (s) => TiI ₄ (s)

불소, 염소 및 브롬과 마찬가지로 강렬한 불꽃이 형성됩니다.

강력한 산화제 사용

티타늄이 미세하게 분리되면 점화되기 쉬울뿐만 아니라 아주 작은 열원에서도 강한 산화제와 격렬하게 반응합니다.

밝은 흰색 스파크가 발생하기 때문에 이러한 반응의 일부는 불꽃 놀이에 사용됩니다. 예를 들어, 화학 방정식에 따라 과염소산 암모늄과 반응합니다.

2Ti (s) + 2NH ₄ ClO ₄ (s) => 2TiO ₂ (s) + N ₂ (g) + Cl ₂ (g) + 4H ₂ O (g)

위험

메탈릭 티타늄

티타늄 분말은 인화성이 높은 고체입니다. 출처 : W. Oelen

금속 티타늄은 그 자체로 작업하는 사람들의 건강에 어떠한 위험도 나타내지 않습니다. 무해한 고체입니다. 미세한 입자 분말로 분쇄하지 않는 한. 이 백색 분말은 반응 섹션에 언급 된 높은 가연성으로 인해 위험 할 수 있습니다.

티타늄이 분쇄되면 산소 및 질소와의 반응이 더 빠르고 격렬 해지며 폭발적으로 연소 될 수도 있습니다. 그것이 저장 장소가 화염에 맞으면 끔찍한 화재 위험을 나타내는 이유입니다.

태울 때 흑연이나 염화나트륨으로 만 불을 끌 수 있습니다. 적어도 이러한 경우에는 물을 사용하지 마십시오.

마찬가지로 할로겐과의 접촉은 어떤 대가를 치르더라도 피해야합니다. 즉, 불소 또는 염소의 가스 누출 또는 브롬 또는 휘발성 요오드 결정의 붉은 액체와 상호 작용합니다. 이 경우 티타늄에 불이 붙습니다. 과망간산 염, 염소산염, 과염소산 염, 질산염 등과 같은 강력한 산화제와 접촉해서는 안됩니다.

그렇지 않으면 잉곳이나 합금은 열이나 전기의 전도체가 좋지 않고 만져도 쾌적하기 때문에 물리적 타격보다 더 많은 위험을 나타낼 수 없습니다.

나노 입자

미세하게 분리 된 고체가 가연성이라면 티타늄 나노 입자로 구성되어야합니다. 그러나이 하위 섹션의 중심점은 TiO ₂ 나노 입자로 인한 것입니다. TiO ₂ 나노 입자 는 흰색을 사용할 자격이있는 끝없는 응용 분야에 사용되었습니다. 과자와 사탕 처럼요

체내의 흡수, 분포, 배설 또는 독성은 알려지지 않았지만 쥐에 대한 연구에서 독성이있는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 그들은 폐에 폐기종과 발적을 유발하고 발달 과정에서 다른 호흡기 질환을 유발한다는 것을 보여주었습니다.

생쥐에서 우리에게 외삽하여 TiO ₂ 나노 입자를 호흡하면 폐에 영향을 미친다 는 결론을 내 렸습니다 . 또한 뇌의 해마 영역을 변경할 수 있습니다. 또한 국제 암 연구 기관은 가능한 발암 물질로 배제하지 않습니다.

응용

안료 및 첨가제

티타늄의 용도에 대해 이야기하는 것은 반드시 그것의 복합 이산화 티타늄의 용도를 언급하는 것입니다. 실제로 TiO ₂ 는이 금속과 관련된 모든 응용 분야의 약 95 %를 차지합니다. 그 이유는 흰색이고 불용성이며 무독성입니다 (순수 나노 입자는 말할 것도 없습니다).

그렇기 때문에 일반적으로 흰색 착색이 필요한 모든 제품에서 안료 또는 첨가제로 사용됩니다. 치약, 의약품, 사탕, 종이, 보석, 페인트, 플라스틱 등

코팅

TiO ₂ 는 또한 유리 또는 수술 도구와 같은 모든 표면을 코팅하는 필름을 만드는 데 사용할 수 있습니다.

이러한 코팅을함으로써 자동차 앞 유리에 비가 내리는 것처럼 물이 그들을 적시 지 못하고 흘러 내립니다. 이러한 코팅이있는 도구는 자외선을 흡수하여 박테리아를 죽일 수 있습니다.

개 소변이나 껌은 TiO ₂ 의 작용으로 아스팔트 나 시멘트에 고정 될 수 없었으며 , 이는 후속 제거를 용이하게합니다.

선 스크린

TiO2는 자외선 차단제의 활성 성분 중 하나입니다. 출처 : Pixabay.

마지막으로 TiO ₂ 는 광촉매로 유기 라디칼을 생성 할 수 있지만 자외선 차단제에서 실리카 또는 알루미나 필름에 의해 중화됩니다. 흰색은 이미이 산화 티타늄이 있어야 함을 분명히 나타냅니다.

항공 우주 산업

티타늄 합금은 대형 비행기 나 빠른 선박을 만드는 데 사용됩니다. 출처 : Pxhere.

티타늄은 저밀도에 비해 상당한 강도와 경도를 가진 금속입니다. 따라서 위 이미지의 A380 항공기와 같이 고속이 요구되는 모든 응용 분야 또는 대형 날개 길이 항공기가 설계되는 모든 응용 분야에서 강철을 대체 할 수 있습니다.

그렇기 때문에이 금속은 산화에 강하고 가볍고 강하며 정확한 첨가제로 합금을 개선 할 수 있기 때문에 항공 우주 산업에서 많은 용도로 사용됩니다.

스포츠

항공 우주 산업뿐만 아니라 티타늄과 그 합금은 스포츠 산업에서도 중심이됩니다. 이는 착용자, 선수 또는 운동 선수가 너무 무거워지지 않고 취급 할 수 있도록 많은 식기가 가벼워 야하기 때문입니다.

이러한 품목 중 일부는 자전거, 골프 또는 하키 스틱, 축구 헬멧, 테니스 또는 배드민턴 라켓, 펜싱 칼, 아이스 스케이트, 스키 등입니다.

또한 높은 비용으로 인해 훨씬 ​​적은 수준이지만 티타늄과 그 합금은 럭셔리 및 스포츠카에 사용되었습니다.

불꽃 쏘아 올리기

연마 된 티타늄은 예를 들어 KClO ₄ 와 혼합되어 불꽃 놀이 역할을 할 수 있습니다 . 사실, 불꽃 쇼에서 그들을 만드는 사람들은 그렇게합니다.

약

티타늄과 그 합금은 생체 의학 분야에서 탁월한 금속 재료입니다. 생체 적합성, 불활성, 강하고 산화하기 어렵고 무독성이며 뼈와 완벽하게 통합됩니다.

이것은 정형 외과 및 치과 임플란트, 인공 고관절 및 무릎 관절, 골절 고정 나사, 심박 조율기 또는 인공 심장에 매우 유용합니다.

생물학적

티타늄의 생물학적 역할은 확실하지 않으며 일부 식물에 축적되어 특정 농작물 (예 : 토마토)의 성장에 도움이되는 것으로 알려져 있지만 개입하는 메커니즘은 알려져 있지 않습니다.

탄수화물, 효소 및 엽록소의 형성을 촉진한다고합니다. 그들은 티타늄의 생체 이용률이 낮은 농도에 대해 스스로를 방어하는 것이 식물 유기체의 반응 때문이라고 추측합니다. 그러나 문제는 여전히 어둠 속에 있습니다.

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