Priodweddau ffisegol a chemegol titaniwm

Mae titaniwm yn fetel trosiannol arian-gwyn gyda dwysedd o 4.54g / cm³ yn unig, sydd tua 40% yn ysgafnach na haearn, ond mae ganddo gryfder tebyg i gryfder dur. Mae'r eiddo ysgafn a chryfder uchel hwn yn gwneud titaniwm yn cael ei ddefnyddio'n helaeth ym mhob cefndir. Felly, beth yw priodweddau ffisegol a chemegol titaniwm?

1. Strwythur atomig titaniwm
Yn gyntaf, gadewch i ni edrych ar strwythur atomig titaniwm. Mae titaniwm wedi'i leoli yng Ngrŵp IVB y tabl cyfnodol, gyda rhif atomig o 22. Mae'r niwclews yn cynnwys 22 proton a 20-32 niwtronau, ac mae'r strwythur electronau all-niwclear wedi'i drefnu fel 1S22S22P63S23D24S2. Radiws y cnewyllyn yw 5x10-13 cm. Mae'r strwythurau atomig unigryw hyn yn rhoi priodweddau ffisegol a chemegol unigryw i ditaniwm.

2. Priodweddau ffisegol titaniwm
Dwysedd titaniwm yw 4.506-4.516 g/cm3 (20 gradd ), y pwynt toddi yw 1668±4 gradd, gwres cudd y toddi yw 3.7-5. 0 kcal/g atom, y berwbwynt yw 3260±20 gradd , gwres cudd anweddiad yw 102.5-112.5 kcal/g atom, y tymheredd critigol yw 4350 gradd , a'r gwasgedd critigol yw 1130 o atmosfferau. Mae dargludedd thermol a dargludedd trydanol titaniwm yn wael, yn debyg i neu ychydig yn is na dur di-staen. Mae gan ditaniwm uwchddargludedd, a thymheredd critigol uwchddargludol titaniwm pur yw 0.38-0.4K. Ar 25 gradd, cynhwysedd gwres titaniwm yw 0.126 cal/g atom·grad, yr enthalpi thermol yw 1149 cal/g atom, a'r entropi yw 7.33 cal/g atom·grad. Mae titaniwm metelaidd yn sylwedd paramagnetig gyda athreiddedd magnetig o 1.00004.
Mae gan ditaniwm blastigrwydd. Gall elongation titaniwm purdeb uchel gyrraedd 50-60%, a gall y crebachu trawsdoriadol gyrraedd 70-80%, ond mae ei gryfder yn isel ac nid yw'n addas ar gyfer deunyddiau strwythurol. Mae presenoldeb amhureddau mewn titaniwm yn cael dylanwad mawr ar ei briodweddau mecanyddol, yn enwedig gall amhureddau interstitial (ocsigen, nitrogen, carbon) gynyddu cryfder titaniwm yn fawr a lleihau ei blastigrwydd yn sylweddol. Cyflawnir priodweddau mecanyddol da titaniwm fel deunydd strwythurol trwy reoli'r cynnwys amhuredd priodol yn llym ac ychwanegu elfennau aloi.

3. Priodweddau cemegol titaniwm
Gall titaniwm adweithio â llawer o elfennau a chyfansoddion ar dymheredd uwch. Gellir rhannu gwahanol elfennau yn bedwar categori yn ôl eu gwahanol adweithiau â thitaniwm:
Categori 1: Mae elfennau grŵp halogenau ac ocsigen yn ffurfio cyfansoddion cofalent ac ïonig â thitaniwm;
Categori 2: Mae elfennau trosiannol, hydrogen, berylliwm, grŵp boron, grŵp carbon a grŵp nitrogen yn ffurfio cyfansoddion rhyngfetelaidd a hydoddiannau solet cyfyngedig â thitaniwm;
Categori 3: Mae Zirconium, hafnium, grŵp vanadium, grŵp cromiwm, elfennau sgandiwm yn ffurfio datrysiadau solet diderfyn gyda thitaniwm;
Categori 4: Nid yw nwyon anadweithiol, metelau alcali, metelau daear alcalïaidd, elfennau daear prin (ac eithrio scandium), actinium, thoriwm, ac ati yn adweithio â thitaniwm neu yn y bôn nid ydynt yn adweithio.

4. Ymateb gyda chyfansoddion:
HF a fflworid
Mae nwy fflworid hydrogen yn adweithio â thitaniwm i ffurfio TiF4 pan gaiff ei gynhesu, a'r fformiwla adwaith yw (1); gall hylif hydrogen fflworid nad yw'n ddyfrllyd ffurfio ffilm tetrafluorid titaniwm trwchus ar wyneb titaniwm, a all atal HF rhag treiddio i mewn i du mewn titaniwm. Asid hydrofluorig yw'r fflwcs cryfaf ar gyfer titaniwm. Gall hyd yn oed asid hydrofluorig â chrynodiad o 1% adweithio'n dreisgar â thitaniwm; nid yw fflworidau anhydrus a'u hydoddiannau dyfrllyd yn adweithio â thitaniwm ar dymheredd isel, a dim ond fflworidau tawdd sy'n adweithio'n sylweddol â thitaniwm ar dymheredd uchel.
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.0 kcal (1) 2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2

HCl a chloridau
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 gradd i ffurfio TiCl4, gweler fformiwla (3); asid hydroclorig gyda chrynodiad o<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＋94.75kcal (3)2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2 (4)

Asid sylffwrig a hydrogen sylffid
Ar ôl titaniwm yn adweithio ag asid sylffwrig gwanedig<5%, a protective oxide film is formed on the titanium surface, which can protect titanium from further corrosion by dilute acid. However, sulfuric acid >Mae gan 5% adwaith sylweddol â thitaniwm. Ar dymheredd ystafell, tua 40% o asid sylffwrig sydd â'r gyfradd cyrydiad gyflymaf ar ditaniwm. Pan fydd y crynodiad yn fwy na 40% ac yn cyrraedd 60%, mae'r gyfradd cyrydiad yn arafu ac yn cyrraedd y cyflymaf ar 80%. Gall asid gwanedig wedi'i gynhesu neu asid sylffwrig crynodedig 50% adweithio â thitaniwm i ffurfio sylffad titaniwm, gweler fformiwla (5), (6). Gellir lleihau asid sylffwrig crynodedig wedi'i gynhesu gan ditaniwm i ffurfio SO2, gweler fformiwla (7). Ar dymheredd ystafell, mae titaniwm yn adweithio â hydrogen sylffid i ffurfio ffilm amddiffynnol ar ei wyneb, a all atal adwaith pellach rhwng hydrogen sylffid a thitaniwm. Fodd bynnag, ar dymheredd uchel, mae hydrogen sylffid yn adweithio â thitaniwm i waddodi hydrogen, fel y dangosir yn fformiwla (8). Mae titaniwm powdr yn dechrau adweithio â hydrogen sylffid ar 600 gradd i ffurfio sylffid titaniwm. Ar 900 gradd, TiS yw'r cynnyrch adwaith yn bennaf, ac ar 1200 gradd, Ti2S3 ydyw.
Ti＋H2SO4＝TiSO4＋H2 (5)2Ti＋3H2SO4＝Ti2(SO4)3＋H2 (6)
2Ti＋6H2SO4＝Ti2(SO4)3＋3SO2＋6H2O＋202 kcal (7)Ti＋H2S＝TiS＋H2＋70kcal (8)

Asid nitrig ac aqua regia
Mae gan ditaniwm trwchus a llyfn sefydlogrwydd da i asid nitrig, oherwydd gall asid nitrig ffurfio ffilm ocsid cryf yn gyflym ar yr wyneb titaniwm, ond gall yr arwyneb garw, yn enwedig titaniwm sbwng neu bowdr titaniwm, adweithio ag asid nitrig gwanedig isel a phoeth, gweler y fformiwla (9), (10), a gall asid nitrig crynodedig uwch na 70 gradd hefyd adweithio â thitaniwm, gweler fformiwla (11); ar dymheredd ystafell, nid yw titaniwm yn adweithio ag aqua regia. Ar dymheredd uchel, gall titaniwm adweithio ag aqua regia i ffurfio TiCl2.
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO (10)
Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)

I grynhoi, mae priodweddau titaniwm yn perthyn yn agos i dymheredd, ei ffurf bresennol a phurdeb. Mae titaniwm metel trwchus yn eithaf sefydlog ei natur, ond gall titaniwm powdrog achosi hylosgiad digymell yn yr awyr. Mae presenoldeb amhureddau mewn titaniwm yn effeithio'n sylweddol ar ymwrthedd ffisegol, cemegol, mecanyddol a cyrydiad titaniwm. Yn benodol, gall rhai amhureddau interstitial ystumio'r dellt titaniwm ac effeithio ar briodweddau amrywiol titaniwm. Ar dymheredd ystafell, mae gweithgaredd cemegol titaniwm yn fach iawn a gall adweithio ag ychydig o sylweddau fel asid hydrofluorig, ond mae gweithgaredd titaniwm yn cynyddu'n gyflym pan fydd y tymheredd yn cynyddu, yn enwedig ar dymheredd uchel, gall titaniwm ymateb yn dreisgar â llawer o sylweddau. Yn gyffredinol, cynhelir proses fwyndoddi titaniwm ar dymheredd uchel o fwy na 800 gradd, felly mae'n rhaid ei weithredu mewn gwactod neu o dan amddiffyniad awyrgylch anadweithiol.