Titan

Wikipedia

Titan hay titani là một nguyên tố hóa học, một kim loại, có ký hiệu là Ti và số thứ tự trong bảng tuần hoàn là 22.

Titan là một kim loại chuyển tiếp với màu trắng bạc. Titan được dùng trong các hợp kim cứng và nhẹ (đặc biệt là với sắt và nhôm). Hợp chất phổ biến nhất của nó, ôxít titan, được dùng làm chất nhuộm trắng. Chất có chứa titan được gọi là titaniferous.

Nguyên tố này có mặt trong nhiều khoáng vật với nguồn chính là rutil và ilmenit, được phân bố rộng khắp trên Trái Đất. Có hai dạng thù hình và năm đồng vị tự nhiên của nguyên tố này: Ti-46 đến Ti-50, với Ti-48 là phổ biến nhất (73,8%). Một trong những tính chất quan trọng nhất của titan là nó cứng như thép nhưng chỉ nặng bằng 60% thép. Tính chất vật lý và hóa học của titan tương tự như Zirconi.

Đặc điểm

• Vật lý

Titan là kim loại nhẹ, cứng, bề mặt bóng láng, chống ăn mòn tốt (giống như platin). Nó có thể chống ăn mòn kể cả với axít, khí clo và với các dung dịch muối thông thường.

Ở trạng thái tinh khiết, titan có thể được kéo sợi dễ dàng (nhất là trong môi trường không có ôxy), dễ gia công. Nhiệt độ nóng chảy của titan tương đối cao nên nó được dùng làm kim loại chịu nhiệt. Titan cứng như thép nhưng nhẹ hơn 40%, và nó nặng gấp rưỡi nhôm nhưng cứng gấp sáu lần. Những đặc tính này của titan giúp nó chịu đựng được sự mỏi kim loại.

Là nguyên tố kim loại, titan được xem là có tỉ số tỷ trọng-độ bền cao. Nó là kim loại bền có tỉ trọng thấp, khá dẻo (đặc biệt trong môi trường không có ôxy),[4] lustrous, and metallic-white in color.[5] Điểm nóng chảy tương đối cao (trên 1.650 °C hay 3.000 °F) nên nó rất hữu ích trong vật liệu chịu lửa và độ dẫn điện và dẫn nhiệt tương đối thấp.

Titan thương mại (tinh khiết 99,2%) có độ bền kéo khoảng 434 MPa tương đương hợp kim thép cấp thấp, nhưng mật độ thấp hơn. Titan có mật độ lớn hơn nhôm 60%, nhưng bền gấp đôi so với loại hợp kim nhôm thường được sử dụng là hợp kim nhôm 6061. Các hơp kim titan (như Beta C) có độ bền kéo hơn 1400 MPa (200000 psi). Tuy nhiên, titan giảm độ bền khi nung trên 430 °C (806 °F).

Kim loại này tạo một lớp ôxít bảo vệ bên ngoài (nên nó có thể chống ăn mòn) trong không khí ở nhiệt độ cao nhưng ở nhiệt độ phòng nó chống lại sự xỉn màu. Kim loại này khi được đốt ở 610 °C hoặc cao hơn trong không khí sẽ tạo thành titan điôxít, và nó cũng là một trong những kim loại có thể cháy trong khí nitơ tinh khiết (nó cháy ở 800 °C và tạo thành titan nitrit). Titan cũng không bị tan trong axít sulfuric và dung dịch axít clohyđric, cũng như khí clo, nước clo và hầu hết axít hữu cơ. Nó cũng thuận từ (ít hấp dẫn bởi nam châm) và ít dẫn điện và dẫn nhiệt.

Thực nghiệm cho thấy titan tự nhiên trở nên có tính phóng xạ sau khi bắn đơteri, phát ra chủ yếu hạt positron và tia gamma. Khi nóng đỏ, nó có thể kết hợp với ôxy, và khi đạt tới 550 °C nó có thể kết hợp với clo. Nó có thể phản ứng với các halogen và hấp thụ hyđrô.

Các miếng titan trong lọ thủy tinh

Bột titan

Đồng hồ đeo tay mạ titan

Máy bay Airbus A380 dùng hợp kim của titan làm vỏ và động cơ

Bảo tàng Guggenheim ở Bilbao, Tây Ban Nha được bao bọc bởi các tấm titan

• Xuất hiện trong tự nhiên

Titan kim loại không tìm thấy ở dạng tự do nhưng nó là nguyên tố phổ biến thứ 9 trên vỏ Trái Đất (chiếm 0,63% khối lượng), nó xuất hiện trong hầu hết đá lửa và đá trầm tích. Trong 801 loại đá mácma được phân tích thì có đến 784 loại là chứa titan. Tỷ lệ của nó trong đất khoảng 0,5 đến 1,5%. Nó cũng được phân bố rộng khắp và hiện diện chủ yếu trong khoáng vật anatas, brookit, ilmenit, perovskit, rutil, titanit (hay còn gọi là sphen), cũng như trong nhiều quặng sắt. Trong các loại khoáng vật này, chỉ có ilmenit và rutil có giá trị kinh tế quan trọng, nhưng rất khó tìm với mức độ tập trung cao, theo thứ tự là 6,0 và 0,7 triệu tấn được khai thác trong năm 2011. Các mỏ ilmenit chứa titan đáng kể phân bố ổ tây Úc, Trung Quốc, Ấn Độ, Mozambique, New Zealand, Na Uy, Ukraine và Nam Phi. Khoảng 186.000 tấn titan kim loại được sản xuất năm 2011, chủ yếu ở Trung Quốc (60.000 tấn), Nhật Bản (56.000 tấn), Nga (40,000 tấn), Hoa Kỳ (32.000 tấn) và Kazakhstan (20.700 tấn). Tổng trữ lượng titan ước tính hơn 600 triệu tấn.

Nồng độ Ti khoảng 4 picomolar trong đại dương. Ở 100 °C, nồng độ titan trong nước nước tính khoảng dưới 10−7 M với pH 7. Việc xác định loại titan trong dung dịch vẫn còn chưa sáng tỏ do tính tan của nó thấp và thiếu các phương pháp quang phổ hiển vi nhạy cảm để xác định, mặc dù chỉ trạng thái ôxy hóa 4+ là ổn định tỏng không khí. Không có bằng chứng về vai trò sinh học của titan, mặc hiếm sinh vật được biết là có tích tụ nồng độ cao.

Kim loại này được tìm thấy trong thiên thạch và cũng đã được tìm thấy trong Mặt Trời và trong các ngôi sao loại M, là các sao lạnh nhất với nhiệt độ bề mặt 3.200 °C (5.790 °F). Đá từ Mặt Trăng do tàu vũ trụ Apollo 17 mang về chứa 12,1% TiO2. Titan cũng được tìm thấy trong tro than, cây và cả trong cơ thể con người.

• Đồng vị

Trong tự nhiên, titan có 5 đồng vị bền: Ti-46, Ti-47, Ti-48, Ti-49 và Ti-50 với Ti-48 là phổ biến nhất (chiếm 73,8%). 11 đồng vị phóng xạ được nhận biết với Ti-44 là bền nhất với chu kỳ bán rã là 63 năm, Ti-45 với chu kỳ bán rã là 184,8 phút, Ti-51 với chu kỳ bán rã 5,76 phút, và Ti-52 với chu kỳ bán rã 1,7 phút. Tất cả đồng vị phóng xạ còn lại có chu kỳ bán rã dưới 33 giây và có loại ít hơn ½ giây.

Các đồng vị của titan có phân tử lượng 39,99 đơn vị (amu) (Ti-40) tới 57,966 amu (Ti-58).

Lịch sử

Titan được lấy từ tên thần Titan, các con của Gaia và Uranus. Titan được phát hiện ra ở Anh bởi William Gregor vào năm 1791. Ông nhận thấy sự hiện diện của nguyên tố mới trong khoáng vật ilmenit (FeTiO3), và đặt tên nó là menachit. Cùng khoảng thời gian đó, Franz Joseph Muller cũng tạo ra một chất tương tự, nhưng không thể xác định nó. Nguyên tố được phát hiện lại một cách độc lập nhiều năm sau bởi nhà hóa học người Đức Martin Heinrich Klaproth trong quặng rutil. Klaproth xác nhận nó là nguyên tố mới vào năm 1795 và đặt tên cho nó là Titan.

Kim loại này luôn khó tách ra được từ các quặng của nó. Titan kim loại tinh khiết (99,9%) được tách ra lần đầu vào năm 1910 bởi Matthew A. Hunter bằng cách nung TiCl4 với natri trong bom thép ở 700–800 °C bằng quy trình Hunter. Titan kim loại chưa được dùng bên ngoài phòng thí nghiệm cho đến năm 1946 khi William Justin Kroll chứng minh là titan có thể sản xuất thương mại bằng cách khử titan têtraclo với magiê bằng quy trình Kroll và phương pháp này vẫn còn dùng đến ngày nay.

Trong thập niên 1950–1960, Liên Xô mua hết titan trên thị trường thế giới như là một chiến thuật của Chiến tranh Lạnh nhằm ngăn cản quân đội Mỹ sử dụng nó. Mặc dầu vậy, Mỹ cũng có được một lượng lớn titan khi các công ty châu Âu mở mặt trận cho tình báo Mỹ mua nó.

Sản xuất

Các quy trình sản xuất titan hiện hay được sử dụng:

    Quy trình Kroll được phát triển vào năm 1946
    Quy trình FFC Cambridge
    Quy trình van Arkel deBoer sản xuất lượng nhỏ titan với độ tinh khiết rất cao

Titan điôxit được sản xuất thương mại bằng nghiền quặng và trộn với kali cacbonat và dung dịch axít flohyđric. Kết quả thu được kali florotitanat (K2TiF6). Nó được tách ra với nước nóng và thủy phân với axit photphoric

Hợp kim titan thông dụng thường được sản xuất bằng phương pháp khử. Thí dụ: cuprotitanium (rutil và đồng bị khử), ferrocacbon titanium (ilmenit khử với than cốc trong lò nung điện), và manganotitanium (rutil với mangan hoặc mangan ôxít bị khử).

Hợp chất

Số ôxi hóa +4 chiếm đa số trong các hợp chất của titan, nhưng số ôxi hóa +3 cũng khá phổ biến. Vì có số ôxi hóa cao, nhiều hợp chất của titan có mức độ cộng hóa trị cao.

Mặc dù titan là kim loại khá hiếm, vì giá thành sản xuất cao, nhưng titan điôxít (còn gọi là titan(IV), titan trắng, hay titania) lại rẻ, không độc, có sẵn nhiều, và được dùng rộng rãi làm thuốc nhuộm trắng trong sơn, men, sơn mài, nhựa và xi măng xây dựng. Bột TiO2 là chất trơ về mặt hóa học, chống mờ trước ánh sáng mặt trời, chắn sáng tốt: nó là thành phần chính của nhựa gia dụng có màu từ trắng tới nâu, xám. Trong tự nhiên hợp chất này được tìm thấy trong các khoáng chất anatas, brookit và rutil.

Sơn được sản xuất từ titan điôxit chịu đựng tốt trong nhiều nhiệt độ, và có khả năng tự làm sạch, và chịu được điều kiện môi trường biển. Titan điôxit có độ khúc xạ cao và độ tán sắc lớn hơn kim cương.

Ứng dựng

Khoảng 95% lượng titan được dùng ở dạng titan điôxít (TiO2), một thuốc nhuộm trắng trong sơn, giấy, kem đánh răng và nhựa. Sơn được làm từ titan điôxít phản chiếu tốt bức xạ hồng ngoại nên được dùng rộng rãi trong ngành thiên văn học và các loại sơn bên ngoài. Nó cũng được dùng trong xi măng, đá quý và giấy.

Vì có khả năng kéo dãn tốt (kể cả khi nhiệt độ cao), nhẹ, chống ăn mòn tốt, và khả năng chịu đựng nhiệt độ rất cao, hợp kim titan được dùng chủ yếu trong hàng không, xe bọc thép, tàu hải quân, tàu vũ trụ và tên lửa,áo chống đạn loại mà lính Mỹ được trang bị ởIraq. Nó được dùng trong hợp kim thép để giảm kích thước và chống ôxi hóa; nhưng trong thép không gỉ nó dùng để giảm lượng cácbon. Titan thường được luyện với nhôm, vanađi, đồng (để cứng thêm), sắt, mangan, môlípđen và với nhiều kim loại khác.
Máy bay Airbus A380 dùng hợp kim của titan làm vỏ và động cơ

Hợp kim với vanađi được dùng làm vỏ máy bay, vỏ chịu nhiệt, càng đáp, và ống dẫn hơi nước. Báo cáo của Titanium Metals Corporation năm 2004 ước đoán lượng titan trong hàng không hiện đại là 58, 43 và 18 tấn cho máy bay Boeing 777, 747 và 737; còn đối với máy bay Airbus là 24, 17 và 12 tấn cho các loại A340, A330 và A320. Nói chung, các loại càng mới thì dùng càng nhiều và các loại thân rộng dùng nhiều nhất. Với các loại máy bay hiện đại nhất, Boeing 787 có thể dùng 91 tấn, và Airbus A380 dùng 77 tấn. Động cơ dùng khoảng 10-11 tấn titan.

Nhiều sản phẩm khác cũng dùng titan để chế tạo như gậy đánh golf, xe đạp, dụng cụ thí nghiệm, nhẫn cưới và máy tính xách tay.

Các công dụng khác:

    Do chống ăn mòn tốt với nước biển, titan được dùng làm chân vịt và nơi trao đổi nhiệt trong các máy lọc nước mặn.
    Dùng để sản xuất các loại đá quý mềm nhân tạo.
    Titan tetraclo (TiCl4), dung dịch không màu, được dùng làm kính ngũ sắc; nó cũng tạo khói khi gặp không khí ẩm nên được dùng làm chất tạo khói.
    Titan điôxít (TiO2) cũng được dùng làm thuốc chống nắng.
    Do được xem như trơ về mặt sinh học, nó được dùng làm các khớp giả, các dụng cụ y tế và các ống dẫn trong chế biến thực phẩm.
    Hợp kim titan được dùng làm gọng kính. Loại gọng này khá đắt tiền, nhưng nó rất bền. Cả hai loại hợp kim bình thường và hợp kim nhớ vị trí (tiếng Anh shape memory alloy) đều được sử dụng để chế tạo.

Bảo tàng Guggenheim ở Bilbao, Tây Ban Nha được bao bọc bởi các tấm titan

Titan đôi khi cũng được dùng để xây dựng các công trình. Tượng đài cao 45 m của Yuri Gagarin ở Moskva được làm từ titan. Bảo tàng Guggenheim và thư viện Cerritos là những công trình đầu tiên ở châu Âu và Bắc Mỹ được bao bọc bởi các tấm titan.

Thận trọng

Khi ở dạng bột kim loại, titan có nguy cơ cháy cao, và khi nung nóng trong không khí thì có nguy cơ nổ. Phương pháp chữa cháy bằng nước và cacbon điôxit không hiệu quả đối với vụ cháy do titan. Cát, đất, hoặc bột đặc biệt mới có thể dập tắt. Muối của titan thường được xem như vô hại trừ các loại muối clorua, như TiCl3 và TiCl4, nó được xem như chất ăn mòn. Titan cũng có khuynh hướng tích lũy sinh học trong các mô chứa silic điôxit nhưng chưa có vai trò sinh học rõ ràng nào đối với con người.