le titane C'est un métal de transition représenté par le symbole chimique Ti. C'est le deuxième métal à apparaître du bloc ré du tableau périodique, juste après le scandium. Son numéro atomique est 22, et il se produit dans la nature comme de nombreux isotopes et radio-isotopes, dont le 48Tu es le plus abondant de tous.
Sa couleur est gris argenté, et ses pièces sont recouvertes d'une couche protectrice d'oxyde qui fait du titane un métal très résistant à la corrosion. Si cette couche est jaunâtre, il s'agit de nitrure de titane (TiN), qui est un composé qui se forme lorsque ce métal brûle en présence d'azote, une propriété unique et distinguée.
En plus de ce qui précède, il est très résistant aux chocs mécaniques bien qu'il soit plus léger que l'acier. C'est pourquoi il est connu comme le métal le plus résistant de tous, et son nom même est synonyme de force. Il possède également une résistance et une légèreté, deux caractéristiques qui en font un matériau de choix pour la construction aéronautique..
De même, et non moins important, le titane est un métal biocompatible agréable au toucher, c'est pourquoi il est utilisé en joaillerie pour fabriquer des bagues; et en biomédecine, comme les implants orthopédiques et dentaires, capables de s'intégrer dans les tissus osseux.
Cependant, ses utilisations les plus connues résident dans le TiOdeux, comme pigment, additif, revêtement et photocatalyseur.
C'est le neuvième élément le plus abondant sur Terre et le septième dans les métaux. Malgré cela, son coût est élevé en raison des difficultés à surmonter pour l'extraire de ses minéraux, parmi lesquels le rutile, l'anatase, l'ilménite et la pérovskite. De toutes les méthodes de production, le procédé Kroll est le plus utilisé dans le monde.
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Le titane a été identifié pour la première fois dans le minéral ilménite dans la vallée de Manaccan (Royaume-Uni), par le pasteur et minéralogiste amateur William Gregor, en 1791. Il a pu identifier qu'il contenait un oxyde de fer, car ses sables se sont déplacés sous l'influence de un aimant; mais il a également signalé qu'il y avait un autre oxyde d'un métal inconnu, qu'il a appelé "manacanite".
Malheureusement, bien qu'il se soit tourné vers la Royal Geological Society de Cornwall et ailleurs, ses contributions n'ont pas fait sensation pour ne pas être un homme de science reconnu..
Quatre ans plus tard, en 1795, le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth a reconnu indépendamment le même métal; mais dans le minerai de rutile à Boinik, actuellement en Slovaquie.
Il y a ceux qui prétendent qu'il a nommé ce nouveau métal `` titane '' inspiré par sa ténacité en ressemblant aux Titans. D'autres prétendent que cela était davantage dû à la neutralité des personnages mythologiques eux-mêmes. Ainsi, le titane est né en tant qu'élément chimique et Klaproth a plus tard pu conclure qu'il s'agissait de la même manacanite de l'ilménite minérale..
Depuis lors, des tentatives ont commencé pour l'isoler de ces minéraux; mais la plupart d'entre eux ont échoué, car le titane est devenu contaminé par l'oxygène ou l'azote, ou a formé un carbure qu'il était impossible de réduire. Il a fallu près d'un siècle (1887) à Lars Nilson et Otto Pettersson pour préparer un échantillon d'une pureté de 95%..
Puis, en 1896, Henry Moissan réussit à obtenir un échantillon d'une pureté allant jusqu'à 98%, grâce à l'action réductrice du sodium métallique. Cependant, ces titanes impurs étaient fragiles par l'action des atomes d'oxygène et d'azote, il était donc nécessaire de concevoir un procédé pour les garder hors du mélange réactionnel..
Et avec cette approche est né le processus Hunter en 1910, conçu par Matthew A. Hunter en collaboration avec la General Electric de l'Institut polytechnique de Rensselaer..
Vingt ans plus tard, au Luxembourg, William J. Kroll a imaginé une autre méthode utilisant le calcium et le magnésium. Aujourd'hui, le procédé Kroll reste l'une des principales méthodes de production de titane métallique à l'échelle commerciale et industrielle..
Dès lors, l'histoire du titane suit le cours de ses alliages dans des applications pour les industries aérospatiale et militaire..
Le titane pur peut cristalliser avec deux structures: une hexagonale compacte (hcp), appelée phase α, et une cubique centrée sur le corps (bcc), appelée phase β. Il s'agit donc d'un métal dimorphe, capable de subir des transitions allotropiques (ou de phase) entre les structures hcp et bcc..
La phase α est la plus stable à température et pression ambiantes, les atomes de Ti étant entourés de douze voisins. Lorsque la température est augmentée à 882 ° C, le cristal hexagonal devient cubique, moins dense, ce qui est cohérent avec les vibrations atomiques plus élevées causées par la chaleur..
Lorsque la température augmente, la phase α s'oppose à une plus grande résistance thermique; c'est-à-dire que sa chaleur spécifique augmente également, il faut donc de plus en plus de chaleur pour atteindre 882 ° C.
Et si au lieu d'augmenter la température, la pression le fait? Ensuite, vous obtenez des cristaux Bcc déformés.
Dans ces cristaux métalliques, les électrons de valence des orbitales 3d et 4s interviennent dans la liaison qui joint les atomes de Ti, selon la configuration électronique:
[Ar] 3ddeux 4 sdeux
Il a à peine quatre électrons à partager avec ses voisins, ce qui donne des bandes 3d presque vides, et par conséquent, le titane n'est pas aussi bon conducteur d'électricité ou de chaleur que les autres métaux..
Plus important encore que ce qui a été dit concernant la structure cristalline du titane, c'est que les deux phases, α et β, peuvent former leurs propres alliages. Ceux-ci peuvent être constitués d'alliages purs α ou β, ou de mélanges des deux dans des proportions différentes (α + β).
De même, la taille de leurs grains cristallins respectifs influence les propriétés finales desdits alliages de titane, ainsi que la composition massique et les relations des additifs ajoutés (autres quelques métaux ou atomes de N, O, C ou H)..
Les additifs exercent une influence significative sur les alliages de titane car ils peuvent stabiliser certaines des deux phases spécifiques. Par exemple: Al, O, Ga, Zr, Sn et N sont des additifs qui stabilisent la phase α (cristaux de hcp plus denses); et Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe et autres, sont des additifs qui stabilisent la phase β (cristaux CCB moins denses).
L'étude de tous ces alliages de titane, leurs structures, composition, propriétés et applications, font l'objet de travaux métallurgiques qui reposent sur la cristallographie.
Selon la configuration électronique, le titane aurait besoin de huit électrons pour remplir complètement les orbitales 3D. Ceci ne peut être réalisé dans aucun de ses composés, et il gagne tout au plus jusqu'à deux électrons; c'est-à-dire qu'il peut acquérir des nombres d'oxydation négatifs: -2 (3d4) et -1 (3d3).
La raison est due à l'électronégativité du titane et que, en plus, c'est un métal, donc il a une plus grande tendance à avoir des indices d'oxydation positifs; comme +1 (3ddeux4 s1), +2 (3ddeux4 s0), +3 (3d14 s0) et +4 (3d04 s0).
Notez comment les électrons des orbitales 3d et 4s partent lorsque l'existence des cations Ti est supposée+, Toideux+ et ainsi de suite.
Le nombre d'oxydation +4 (Ti4+) est le plus représentatif de tous car il correspond à celui du titane dans son oxyde: TiOdeux (Toi4+OU ALORSdeuxdeux-).
Métal gris argenté.
47,867 g / mol.
1668 ° C Ce point de fusion relativement élevé en fait un métal réfractaire..
3287 ° C.
1200 ° C pour le métal pur et 250 ° C pour la poudre finement divisée.
Le titane est un métal ductile s'il manque d'oxygène.
4,506 g / ml. Et à son point de fusion, 4,11 g / mL.
14,15 kJ / mol.
425 kJ / mol.
25060 J / mol K.
1,54 sur l'échelle de Pauling.
Premièrement: 658,8 kJ / mol.
Deuxième: 1309,8 kJ / mol.
Troisième: 2652,5 kJ / mol.
6,0.
Parmi les nombres d'oxydation, +2, +3 et +4 sont les plus courants, et ceux mentionnés dans la nomenclature traditionnelle lors de la dénomination des composés de titane. Sinon, les règles du stock et les nomenclatures systématiques restent les mêmes.
Par exemple, considérons TiOdeux et le TiCl4, deux des composés de titane les plus connus.
On a déjà dit que dans TiOdeux le nombre d'oxydation du titane est +4 et donc, étant le plus grand (ou positif), le nom doit se terminer par le suffixe -ico. Ainsi, son nom est oxyde de titane, selon la nomenclature traditionnelle; oxyde de titane (IV), selon la nomenclature de base; et le dioxyde de titane, selon la nomenclature systématique.
Et pour le TiCl4 nous procéderons de manière plus directe:
Nomenclature: nom
-Traditionnel: chlorure titanique
-Crosse: chlorure de titane (IV)
-Systématique: tétrachlorure de titane
En anglais, ce composé est souvent appelé `` Tickle ''.
Chaque composé de titane peut même avoir des noms propres en dehors des règles de dénomination, et dépendra du jargon technique du domaine en question..
Le titane, bien qu'il soit le septième métal le plus abondant sur Terre et le neuvième le plus abondant dans la croûte terrestre, ne se trouve pas dans la nature en tant que métal pur mais en combinaison avec d'autres éléments dans les oxydes minéraux; mieux connu sous le nom de minéraux titanifères.
Ainsi, pour l'obtenir, il est nécessaire d'utiliser ces minéraux comme matière première. Certains d'entre eux sont:
-Titanite ou sphène (CaTiSiO5), avec des impuretés de fer et d'aluminium qui transforment leurs cristaux en vert.
-Brookite (TiOdeux orthorhombique).
-Rutile, le polymorphe le plus stable du TiOdeux, suivi des minéraux anatase et brookite.
-Ilmenita (FeTiO3).
-Pérovskite (CaTiO3)
-Leucoxène (mélange hétérogène d'anatase, de rutile et de pérovskite).
A noter que plusieurs minéraux titanifères sont mentionnés, même s'il y en a d'autres. Cependant, tous ne sont pas également abondants et, de même, ils peuvent présenter des impuretés difficiles à éliminer et qui mettent en péril les propriétés du titane métallique final..
C'est pourquoi le sphène et la pérovskite sont généralement utilisés pour la production de titane, car leur teneur en calcium et en silicium est difficile à éliminer du mélange réactionnel..
De tous ces minéraux, le rutile et l'ilménite sont les plus utilisés commercialement et industriellement en raison de leur forte teneur en TiOdeux; c'est-à-dire qu'ils sont riches en titane.
Sélection de l'un des minéraux comme matière première, TiOdeux en eux, il doit être réduit. Pour ce faire, les minéraux, ainsi que le charbon, sont chauffés à chaud dans un réacteur à lit fluidisé à 1000 ° C. Là, le TiOdeux réagit avec le chlore gazeux selon l'équation chimique suivante:
L'oncledeux(s) + C (s) + 2Cldeux(g) => TiCl4(l) + COdeux(g)
Le TiCl4 C'est un liquide incolore impur, car à cette température, il est dissous avec d'autres chlorures métalliques (fer, vanadium, magnésium, zirconium et silicium) provenant des impuretés présentes dans les minéraux. Par conséquent, le TiCl4 puis il est purifié par distillation fractionnée et précipitation.
TiCl déjà purifié4, espèce plus facile à réduire, il est versé dans un récipient en acier inoxydable auquel est appliqué un vide, pour éliminer l'oxygène et l'azote, et il est rempli d'argon pour assurer une atmosphère inerte qui n'affecte pas le titane produit. Le magnésium est ajouté dans le processus, qui réagit à 800 ° C selon l'équation chimique suivante:
TiCl4(l) + 2Mg (l) => Ti (s) + 2MgCldeux(l)
Le titane précipite sous forme de solide spongieux, qui est soumis à des traitements pour le purifier et lui donner de meilleures formes solides, ou est utilisé directement pour la fabrication de minéraux de titane.
Le titane a une haute résistance à la corrosion grâce à une couche de TiOdeux qui protège l'intérieur du métal de l'oxydation. Cependant, lorsque la température s'élève au-dessus de 400 ° C, un mince morceau de métal commence à brûler complètement pour former un mélange de TiO.deux et TiN:
Ti (s) + Odeux(g) => TiOdeux(s)
2Ti (s) + Ndeux(g) => TiN (s)
Les deux gaz, OUdeux et ndeux, logiquement, ils sont dans l'air. Ces deux réactions se produisent rapidement une fois que le titane est chauffé au rouge. Et s'il se présente sous forme de poudre finement divisée, la réaction est encore plus vigoureuse, c'est pourquoi le titane à cet état solide est hautement inflammable..
Cette couche de TiOdeux-Le TiN protège non seulement le titane de la corrosion, mais également de l'attaque des acides et des bases, ce n'est donc pas un métal facile à dissoudre.
Pour y parvenir, des acides hautement concentrés doivent être utilisés et bouillis à ébullition, obtenant une solution de couleur pourpre résultant des complexes aqueux de titane; par exemple, [Ti (OHdeux)6]+3.
Cependant, il existe un acide qui peut le dissoudre sans trop de complications: l'acide fluorhydrique:
2Ti (s) + 12HF (aq) 2 [TiF6]3-(aq) + 3Hdeux(g) + 6H+(aq)
Le titane peut réagir directement avec les halogènes pour former les halogénures respectifs. Par exemple, votre réaction à l'iode est la suivante:
Ti (s) + 2Ideux(s) => TiI4(s)
De la même manière, cela se produit avec le fluor, le chlore et le brome, où une flamme intense se forme.
Lorsque le titane est finement divisé, il est non seulement sujet à l'inflammation, mais aussi à réagir vigoureusement avec des agents oxydants puissants à la moindre source de chaleur..
Une partie de ces réactions est utilisée pour la pyrotechnie, car des étincelles blanches brillantes sont générées. Par exemple, il réagit avec le perchlorate d'ammonium selon l'équation chimique:
2Ti (s) + 2NH4ClO4(s) => 2TiOdeux(s) + Ndeux(g) + Cldeux(g) + 4HdeuxO (g)
Le titane métallique en lui-même ne pose aucun risque pour la santé de ceux qui travaillent avec. C'est un solide inoffensif; À moins qu'il ne soit broyé sous forme de poudre à fines particules. Cette poudre blanche peut être dangereuse en raison de sa grande inflammabilité, mentionnée dans la section réactions..
Lorsque le titane est broyé, sa réaction avec l'oxygène et l'azote est plus rapide et plus vigoureuse, et il peut même brûler de manière explosive. C'est pourquoi il représente un risque d'incendie terrible s'il est touché par des flammes à l'endroit où il est stocké..
Lors de la combustion, le feu ne peut être éteint qu'avec du graphite ou du chlorure de sodium; jamais avec de l'eau, du moins pour ces cas.
De même, leur contact avec les halogènes doit être évité à tout prix; c'est-à-dire avec toute fuite gazeuse de fluor ou de chlore, ou interagissant avec le liquide rougeâtre de brome ou les cristaux volatils d'iode. Si cela se produit, le titane prend feu. Il ne doit pas non plus entrer en contact avec des agents oxydants puissants: permanganates, chlorates, perchlorates, nitrates, etc..
Sinon, ses lingots ou alliages ne peuvent pas représenter plus de risques que les coups physiques, car ils ne sont pas de très bons conducteurs de chaleur ou d'électricité et sont agréables au toucher..
Si le solide finement divisé est inflammable, il doit l'être encore plus que constitué de nanoparticules de titane. Cependant, l'objectif de cette sous-section est dû aux nanoparticules de TiOdeux, qui ont été utilisés dans des applications sans fin où ils méritent leur couleur blanche; comme des bonbons et des bonbons.
Bien que leur absorption, leur distribution, leur excrétion ou leur toxicité dans l'organisme ne soient pas connues, elles se sont révélées toxiques dans des études sur des souris. Par exemple, ils ont montré qu'il génère de l'emphysème et des rougeurs dans leurs poumons, ainsi que d'autres troubles respiratoires dans leur développement..
Par extrapolation des souris à nous, il est conclu que la respiration de nanoparticules de TiOdeux cela affecte nos poumons. Ils peuvent également modifier la région de l'hippocampe du cerveau. En outre, le Centre international de recherche sur le cancer ne les exclut pas en tant que cancérogènes possibles..
Parler des utilisations du titane fait nécessairement référence à son composé de dioxyde de titane. L'oncledeux en fait il couvre environ 95% de toutes les applications concernant ce métal. Les raisons: sa couleur blanche, il est insoluble, et il est également non toxique (sans parler des nanoparticules pures).
C'est pourquoi il est généralement utilisé comme pigment ou additif dans tous les produits qui nécessitent des colorations blanches; comme le dentifrice, les médicaments, les bonbons, les papiers, les pierres précieuses, les peintures, les plastiques, etc..
L'oncledeux peut également être utilisé pour créer des films pour revêtir n'importe quelle surface, telle que du verre ou des outils chirurgicaux.
En ayant ces revêtements, l'eau ne peut pas les mouiller et coule sur eux, comme la pluie le ferait sur les pare-brise de voiture. Les outils dotés de ces revêtements pourraient tuer les bactéries en absorbant les rayons UV.
L'urine du chien ou la gomme à mâcher ne peuvent pas se fixer sur l'asphalte ou le ciment en raison de l'action du TiOdeux, ce qui faciliterait son retrait ultérieur.
Et enfin en ce qui concerne TiOdeux, c'est un photocatalyseur, capable de générer des radicaux organiques qui, cependant, sont neutralisés par des films de silice ou d'alumine dans un écran solaire. Sa couleur blanche indique déjà clairement qu'il doit avoir cet oxyde de titane.
Le titane est un métal d'une résistance et d'une dureté considérables par rapport à sa faible densité. Cela en fait un substitut à l'acier pour toutes les applications où des vitesses élevées sont nécessaires, ou des avions de grande envergure sont conçus, tels que l'avion A380 dans l'image ci-dessus..
C'est pourquoi ce métal a de nombreuses utilisations dans l'industrie aérospatiale, car il résiste à l'oxydation, il est léger, solide et ses alliages peuvent être améliorés avec les additifs exacts..
Le titane et ses alliages occupent une place centrale non seulement dans l'industrie aérospatiale, mais également dans l'industrie du sport. En effet, bon nombre de leurs ustensiles doivent être légers pour que leurs porteurs, joueurs ou athlètes, puissent les manipuler sans se sentir trop lourds..
Certains de ces articles sont: vélos, bâtons de golf ou de hockey, casques de football, raquettes de tennis ou de badminton, épées d'escrime, patins à glace, skis, entre autres..
De même, bien que dans une bien moindre mesure en raison de son coût élevé, le titane et ses alliages ont été utilisés dans les voitures de luxe et de sport..
Le titane moulu peut être mélangé avec, par exemple, du KClO4, et servir de feu d'artifice; qui, en fait, sont fabriqués par ceux qui les fabriquent dans des spectacles pyrotechniques.
Le titane et ses alliages sont les matériaux métalliques par excellence dans les applications biomédicales. Ils sont biocompatibles, inertes, solides, difficiles à oxyder, non toxiques et s'intègrent parfaitement aux os.
Cela les rend très utiles pour les implants orthopédiques et dentaires, pour les articulations artificielles de la hanche et du genou, comme vis pour réparer les fractures, pour les stimulateurs cardiaques ou les cœurs artificiels..
Le rôle biologique du titane est incertain, et bien que l'on sache qu'il peut s'accumuler dans certaines plantes et favoriser la croissance de certaines cultures agricoles (comme la tomate), les mécanismes dans lesquels il intervient sont inconnus..
On dit qu'il favorise la formation de glucides, d'enzymes et de chlorophylles. Ils supposent que c'est dû à une réponse d'organismes végétaux de se défendre contre les faibles concentrations biodisponibles de titane, car elles leur sont nocives. Cependant, la question est toujours dans le noir.
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