معرفی فلز تیتانیوم و کاربردهای شگفت انگیز آن

تیتانیوم (Titanium) یک عنصر شیمیایی با نماد Ti و عدد اتمی ۲۲ است که یک فلز انتقالی درخشان به رنگ نقره ای است. تیتانیوم فلزی با چگالی پایین و مقاومت بالاست که در برابر آب دریا و کلر نیز مقاوم است.

تیتانیوم در سال ۱۷۹۱ توسط ویلیام گرگور در کورنوال  بریتانیا کشف شد . این عنصر در برخی ذخایر معدنی ، بطور عمده روتیل و ایلمنیت مشاهده می شود که به طور گسترده در پوسته زمین و لیتوسفر توزیع شده اند. این عنصر تقریباً در بدن همه موجودات زنده و در آب ها ، سنگها و خاکها یافت می شود. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می شود.

حقایقی در رابطه با فلز تیتانیوم

این فلز توسط فرآیندهای هانتر و کلرول از سنگ های معدنی اصلی آن استخراج می شود. رایج ترین ترکیب این فلز دی اکسید تیتانیوم است که یک فوتوکاتالیست محبوب است و در ساخت رنگدانه های سفید مورد استفاده قرار می گیرد.

ترکیبات دیگر آن شامل  تتراکلرید تیتانیوم (TiCl4) است که در صفحات دودی و به عنوان کاتالیزور استفاده می شود. تری کلرید تیتانیوم (TiCl3) ترکیب دیگری است به عنوان کاتالیزور در تولید پلی پروپیلن استفاده می شود.

رفتار شیمیایی این فلز شباهت های بسیاری با سیلیس و زیرکونیوم به عنوان عنصر متعلق به اولین گروه فلزات انتقالی نشان می دهد. شیمی آن در محلول آبی ، به ویژه در سطوح پایین اکسیداسیون  دارای برخی از شباهت ها با کروم و وانادیوم است.

جالب است بدانید:

تیتانیوم فلزی قوی ، درخشنده ، مقاوم در برابر خوردگی است. Ti خالص در آب محلول نیست اما در اسیدهای غلیظ حل می شود. این فلز یک پوشش اکسید منفعل اما محافظت کننده (که منجر به مقاومت در برابر خوردگی) در معرض دمای هوا تشکیل می دهد اما در دمای اتاق در برابر لکه شدن مقاومت می کند.

این فلز را می توان با آهن ، آلومینیوم ، وانادیوم ، مولیبدن و عناصر دیگر آلیاژ کرد تا آلیاژهای سبک و مستحکم برای کاربرد در صنعت هوا و فضا (موتورهای جت ، موشک و فضاپیما) ، نظامی ، فرآیندهای صنعتی (مواد شیمیایی و پتروشیمی ، پالپ و کاغذ) ، خودرو ، کشاورزی ، پروتزهای پزشکی ، ایمپلنت های ارتوپدی ، ابزارهای دندانپزشکی و آندودنتیکی ، کاشت دندان ، کالاهای ورزشی ، جواهرات ، تلفن های همراه و غیره استفاده کرد.

دو خاصیت مفید این فلز عبارتند از مقاومت در برابر خوردگی و نسبت مقاومت به چگالی که در بین فلزات دیگر بالاترین میزان را داراست. در شرایط غیر آلیاژی،  تیتانیوم به اندازه برخی از فولادها مستحکم است اما تراکم کمتری دارد. این فلز دو شکل آلوتروپیک و پنج ایزوتوپ طبیعی دارد.

ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی تیتانیوم

این فلز نقطه ذوب نسبتا بالایی دارد و به عنوان یک فلز نسوز بسیار مفید است. این ماده پارامغناطیس است و نسبت به سایر فلزات دارای هدایت الکتریکی و حرارتی نسبتا پایینی است.

تیتانیوم نسبت به آلومینیوم ۶۰٪ متراکم تر است اما بیش از دو برابر قوی تر از متداول ترین آلیاژ آلومینیوم است. با این حال ،هنگام حرارت دادان تا دمای بالاتر از ۴۳۰ درجه سانتی گراد (۸۰۶ درجه فارنهایت) قدرت خود را از دست می دهد.

این فلز به اندازه برخی از آلیاژهای گرما دیده فولاد سخت نیست. این ماده غیر مغناطیسی و رسانای ضعیف گرما و برق است. در ماشینکاری آن احتیاط لازم است زیرا این ترکیبات می توانند مایع شوند مگر اینکه از ابزارهای تیز و روشهای خنک کننده مناسب استفاده شود. مانند سازه های فولادی آنهایی که از تیتانیوم ساخته می شوند دارای محدودیت فرسودگی هستند که طول عمر را در برخی از کاربردها تضمین می کند.

جالب است بدانید:

مانند آلومینیوم و منیزیم ، فلز تیتانیوم و آلیاژهای آن بلافاصله در معرض هوا اکسیده می شوند. این فلز به آسانی با اکسیژن موجود در هوا در دمای ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد  و در ۶۱۰ درجه سانتی گراد در اکسیژن خالص واکنش می دهد و دی اکسید تیتانیوم را تشکیل می دهد.

با این حال ، در دمای محیط واکنش آن با هوا و آب بسیار کند است زیرا یک پوشش اکسید غیرفعال را تشکیل می دهد که آنرا را از اکسیداسیون بیشتر محافظت می کند. این لایه محافظ هنگامی که برای اولین بار تشکیل می شود فقط ۱ تا ۲ نانومتر ضخامت دارد اما به آهستگی رشد می کند و طی  چهار سال به ضخامت ۲۵ نانومتر می رسد.

تیتانیوم یکی از معدود عناصری است که در گاز نیتروژن خالص می سوزد و در دمای ۸۰۰ درجه سانتی گراد (۱۴۷۰ درجه فارنهایت) واکنش نشان می دهد تا نیترید تیتانیوم تشکیل شود .

به دلیل واکنش پذیری بالای این فلز با اکسیژن ، نیتروژن و برخی از گازهای دیگر  رشته های تیتانیوم در پمپ های تصعید به عنوان دستگاه های ضدعفونی کننده این گازها استفاده می شوند. اینگونه پمپ ها ارزان و با قابلیت اطمینان بالا می توانند فشار بسیار کمی در سیستم های خلاء فوق العاده بالا ایجاد کنند.

کاربردهای فلز تیتانیوم

کاربرد به عنوان آلیاژ

تیتانیوم در فولاد به عنوان یک عنصر آلیاژی برای کاهش اندازه دانه و به عنوان یک اکسید کننده در فولاد ضد زنگ برای کاهش محتوای کربن مورد استفاده قرار می گیرد. این فلز غالباً با آلومینیوم (برای تصحیح اندازه دانه) ، وانادیوم ، مس (برای سخت شدن) ، آهن ، منگنز ، مولیبدن و سایر فلزات آلیاژ می شود. محصولات  تیتانیوم (ورق ، ، میله ، سیم ، چدن) کاربردهایی در بازارهای صنعتی ، هوافضا ، تفریحی و بازارهای نوظهور دارند. تیتانیوم پودر شده در تجهیزات تکنولوژیکی به عنوان منبعی از ذرات سوزاننده استفاده می شود.

رنگدانه ها ، مواد افزودنی و پوشش ها

این ترکیب برای دودی کردن شیشه ها و صفحه نمایش ها مورد استفاده قرار می گیرد. دی اکسید تیتانیوم رایج ترین ترکیبی است که حدود ۹۵٪ از کل سنگ های تیتانیوم بعد از تصفیه به آن تبدیل می شود. TiO2 یک رنگدانه سفید پایدار است که در رنگ ها ، کاغذ ، خمیر دندان و پلاستیک استفاده می شود. این ترکیب همچنین در سیمان ، سنگهای قیمتی ، به عنوان تعدیل کننده نوری در کاغذ و به عنوان ماده تقویت کننده در کامپوزیت گرافیتی و کلوپ های گلف و میله های ماهیگیری استفاده می شود.

رنگدانه TiO2 از نظر شیمیایی بی اثر است و در مقابل نور خورشید مقاومت آن از بین می رود و بسیار مات است. این رنگدانه از سفید خالص و درخشان تا قهوه ای یا خاکستری در اکثر پلاستیک های خانگی یافت می شود. رنگ ساخته شده با TiO2 در دمای شدید و محیط های دریایی به خوبی عمل می کند. این رنگدانه دارای ضریب شکست بسیار بالا و پراکندگی نوری بالاتر از الماس است. علاوه بر اینکه یک رنگدانه بسیار مهم در تولید ضد آفتاب هاست.

لوله و تجهیزات فرآوری شده با فلز تیتانیوم (مبدل های حرارتی ، مخازن ، کشتی های فرآیند ، دریچه ها) در صنایع شیمیایی و پتروشیمی در درجه اول برای مقاومت در برابر خوردگی استفاده می شوند. آلیاژهای خاص در کاربردهای حفاری نفت و گاز و هیدرومتالورژی نیکل به دلیل استحکام بالای آنها مقاومت در برابر خوردگی یا هر دو مورد استفاده قرار می گیرد.

بهتر است بدانید:

فلز تیتانیوم در خودروسازی به خصوص در مسابقات اتومبیلرانی و موتورسیکلت مورد استفاده قرار می گیرد که وزن پایین و استحکام بسیار مهم است. این فلز به طور کلی برای بازار مصرف عمومی بسیار گران است .

این فلز در بسیاری از کالاهای ورزشی مانند راکت تنیس ، کلوپ های گلف ، کریکت ، هاکی ، لاکروز ، کلاه ایمنی فوتبال و اجزای دوچرخه مورد استفاده قرار می گیرد.

آلیاژهای Ti  در قاب های نمایشی استفاده می شوند که نسبتاً گران هستند اما بسیار بادوام ، ماندگار و سبک وزن بوده و باعث ایجاد حساسیت پوستی نمی شوند. بسیاری لوازم از جمله وسایل آشپزی ، ظروف غذاخوری ، فانوس ها  و چادرها از این فلز استفاده می کنند. اگرچه کمی گران تر از جایگزین های فولادی یا آلومینیومی است ولی محصولات تیتانیوم می توانند بدون به خطر انداختن استحکام به میزان قابل توجهی سبک تر باشند . نعل اسبهای تیتانیومی به دلیل اینکه سبک تر و با دوام تر هستند و به فولاد ترجیح داده می شوند.

کاربرد در جواهرسازی

این فلز به دلیل دوام بالا برای جواهر سازی (به خصوص حلقه های تیتانیوم) محبوبیت بیشتری پیدا کرده است. عدم واکنش پذیری آن باعث می شود برای افرادی که آلرژی دارند و یا افرادی که در محیط هایی مانند استخر شنا از جواهرات استفاده می کنند ، انتخاب خوبی باشد.

این فلز همچنین با طلا آلیاژ تولید کرده و می تواند به عنوان طلای ۲۴ عیار در بازار عرضه شود زیرا سختی طلا را افزایش داده و باعث ماندگاری بیشتر آن می شود.

دوام ، وزن سبک و مقاومت در برابر خوردگی باعث می شود تا در تولید مجسمه ها ، اشیاء تزئینی و مبلمان مورد استفاده قرار بگیرد.

کاربرد در پزشکی

از آنجا که تیتانیوم زیست سازگار است (غیر سمی است و توسط بدن رد نمی شود) در بسیاری از کاربردهای پزشکی از جمله لوازم جراحی و ایمپلنت استفاده می شود. این فلز برای ابزارهای جراحی ، هدایت تصویر و همچنین صندلی های چرخدار ، عصا و سایر محصولات مورد استفاده در جایی که استحکام بالا و وزن کم مد نظر باشد مورد استفاده قرار می گیرد.

نانوذرات  TiO2به طور گسترده ای در الکترونیک و تحویل داروهای دارویی و آرایشی استفاده می شود.

عوارض و خطرات فلز تیتانیوم

هیچ نقش بیولوژیکی شناخته شده ای برای تیتانیوم وجود ندارد. مقدار قابل توجهی از این فلز  در بدن انسان وجود دارد و تخمین زده شده است که ما روزانه حدود ۰.۸ میلی گرم Ti مصرف می کنیم اما بیشتر آن بدون اینکه جذب شود دفع خواهند شد. این فلز سمی نیست و بدن انسان می تواند دوز زیاد آنرا تحمل کند.

تیتانیوم و ترکیبات آن سمیت کمی دارند. حیوانات آزمایشگاهی (موشهای صحرایی) که از طریق استنشاق در معرض TiO2  قرار دارند ، مناطق کوچک و موضعی رسوبات گرد و غبار به رنگ تیره در ریه آنها ایجاد شده است. قرار گرفتن در معرض بیش از حد این فلز در انسان ممکن است منجر به تغییرات جزئی در ریه ها شود.

اثرات بیش از حد در قرار گرفتن در معرض پودر تیتانیوم و استنشاق گرد و غبار آن ممکن است باعث سفتی و درد در قفسه سینه ، سرفه و مشکل در تنفس شود. تماس با پوست یا چشم نیز ممکن است باعث تحریک شود با اینحال آژانس بین المللی تحقیقات سرطان (IARC) دی اکسید تیتانیوم را در گروه غیر سرطانزا طبقه بندی کرده است.