Titan

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Titan,  22Ti
Titan-crystal bar.JPG
Tính chất chung
Tên, ký hiệu Titan, Ti
Phiên âm /tˈtniəm/
tye-TAY-nee-əm
Hình dạng Ánh kim bạc xám-trắng
Titan trong bảng tuần hoàn
  Hexagonal.png
 
22
Ti
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Số nguyên tử 22
Khối lượng nguyên tử chuẩn 47.867(1)
Phân loại Kim loại chuyển tiếp
Nhóm, phân lớp 4d
Chu kỳ Chu kỳ 4
Cấu hình electron [Ar] 4s2 3d2
mỗi lớp 2, 8, 10, 2
Tính chất vật lý
Màu sắc Ánh kim bạc xám-trắng
Trạng thái vật chất Chất rắn
Nhiệt độ nóng chảy 1941 K ​(1668 °C, ​3034 °F)
Nhiệt độ sôi 3560 K ​(3287 °C, ​5949 °F)
Mật độ (gần nhiệt độ phòng) 4,506 g·cm−3 (at 0 °C, 101.325 kPa)
Mật độ ở thể lỏng ở nhiệt độ nóng chảy: 4.11 g·cm−3
Nhiệt lượng nóng chảy 14,15 kJ·mol−1
Nhiệt lượng bay hơi 425 kJ·mol−1
Nhiệt dung 25,060 J·mol−1·K−1

Áp suất hơi

P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
ở T (K) 1982 2171 (2403) 2692 3064 3558
Tính chất nguyên tử
Trạng thái ôxi hóa 4, 3, 2, 1[1] ​ưỡng tính
Độ âm điện 1,54 (Thang Pauling)
Năng lượng ion hóa Thứ nhất: 658,8 kJ·mol−1
Thứ hai: 1309,8 kJ·mol−1
Thứ ba: 2652,5 kJ·mol−1
Bán kính cộng hoá trị empirical: 147 pm
Độ dài liên kết cộng hóa trị 160±8 pm
Thông tin khác
Cấu trúc tinh thể Lục phương
Vận tốc âm thanh thin rod: 5.090 m·s−1 (at r.t.)
Độ giãn nở nhiệt 8,6 µm·m−1·K−1 (at 25 °C)
Độ dẫn nhiệt 21.9 W·m−1·K−1
Điện trở suất at 20 °C: 420 n Ω·m
Tính chất từ Thuận từ
Mô đun Young 116 GPa
Mô đun cắt 44 GPa
Mô đun nén 110 GPa
Hệ số Poisson 0,32
Độ cứng theo thang Mohs 6,0
Độ cứng theo thang Vickers 970 MPa
Độ cứng theo thang Brinell 716 MPa
Số đăng ký CAS 7440-32-6
Đồng vị ổn định nhất
Bài chính: Đồng vị của Titan
iso NA Chu kỳ bán rã DM DE (MeV) DP
44Ti Tổng hợp 63 năm ε - 44Sc
γ 0.07D, 0.08D -
46Ti 8.0% 46Ti ổn định với 24 nơtron
47Ti 7.3% 47Ti ổn định với 25 nơtron
48Ti 73.8% 48Ti ổn định với 26 nơtron
49Ti 5.5% 49Ti ổn định với 27 nơtron
50Ti 5.4% 50Ti ổn định với 28 nơtron
Bài này nói về một nguyên tố hóa học. Xem các nghĩa khác, ví dụ như vệ tinh Titan của Sao Thổ, từ Titan (định hướng)

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.

Bột titan

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 sắtnhôm). 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 rutililmenit, 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 lýhóa học của titan tương tự như Zirconi.

Những đặc tính nổi bật[sửa | sửa mã nguồn]

Các miếng titan trong lọ thủy tinh

Titan là một 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.

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 sulfuricdung 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 điệndẫn nhiệt.

Thực nghiệm cho thấy titan tự nhiên trở nên có tính phóng xạ sau khi bắn đơteri, phát ra chủ yếu hạt positrontia 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.

Ứng dụng[sửa | sửa mã nguồn]

Đồng hồ đeo tay mạ titan

Khoảng 95% lượng titan được dùng ở dạng titan điôxít (TiO2), một thuốc nhuộm trắng trong sơn, giấy, kem đánh răngnhựa. 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 quí 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 trụtên 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 cướimáy tính xách tay.

Các công dụng khác:

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 GagarinMoskva được làm từ titan. Bảo tàng Guggenheim và thư viện Cerritos là những công trình đầu tiên ở châu ÂuBắc Mỹ được bao bọc bởi các tấm titan.

Lịch sử[sửa | sửa mã nguồn]

Titan được lấy từ tên thần Titan, các con của GaiaUranus. 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 19501960, Liên Xô mua vét 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.

Xuất hiện trong tự nhiên và sản xuất[sửa | sửa mã nguồn]

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 lửađá trầm tích. 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. Vì nó phản ứng dễ dàng với ôxycácbon ở nhiệt độ cao nên rất khó có được titan kim loại, tinh thểbột tinh khiết. Các quặng titan lớn nằm ở Úc, Bắc Mỹ, ScandinaviaMalaysia.

Nơi sản xuất Triệu tấn  % tổng cộng
Úc 1.291,0 30,6
Cộng hòa Nam Phi 850,0 20,1
Canada 767 18,2
Na Uy 382,9 9,1
Ukraina 357 8,5
Tổng cộng: 5 quốc gia hàng đầu 3.647,9 86,4
Tổng cộng trên thế giới 4.221,0 100,0

Chiffres de 2003, en milliers de tonnes de dioxide de titane

Nguồn: L'état du monde 2005, annuaire économique géopolique mondial

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. 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.

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

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 amôniắc.

Hợp kim titan thông dụng thường được sản xuất bằng phương pháp khử. Thí dụ: cuprotitanium (rutilđồng 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[sửa | sửa mã nguồn]

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, nhựaxi 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, brookitrutil.

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.

Đồng vị[sửa | sửa mã nguồn]

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).

Thận trọng[sửa | sửa mã nguồn]

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 nướccacbon 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.

Chú thích[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Andersson, N. et al. (2003). “Emission spectra of TiH and TiD near 938 nm”. J. Chem. Phys. 118: 10543. doi:10.1063/1.1539848. 

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  • Los Alamos National Laboratory – Titanium
  • Guide to the Elements – Revised Edition, Albert Stwertka, (Oxford University Press; 1998) ISBN 0-19-508083-1
  • The History and Use of Our Earth's Chemical Elements: A Reference Guide, Robert E. Krebs (Greenwood Press: Westport, CT, 1998) ISBN 0-313-30123-9
  • "titanium" Encyclopædia Britannica from Encyclopædia Britannica Premium Service.[1] [Accessed January 23, 2005].
  • "titanium" The Columbia Electronic Encyclopedia, 6th ed [2] [Accessed January 23, 2005]
  • "titanium," Microsoft Encarta Online Encyclopedia 2005 [3] [Accessed January 24, 2005]
  • USGS Titanium Statistics and Information
  • Nature, Vol 407, 21 Sept 2000

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]

(bằng tiếng Việt)

(bằng tiếng Anh)