Titânio: história, estrutura, propriedades, reações, usos

O titânio é um metal de transição que é representado pelo símbolo químico Ti. É o segundo metal a aparecer no bloco d da tabela periódica, logo após o escândio. Seu número atômico é 22 e é apresentado na natureza como muitos isótopos e radioisótopos, dos quais 48 Ti é o mais abundante de todos.

Sua cor é cinza prateado e suas peças são cobertas por uma camada protetora de óxido que torna o titânio um metal muito resistente à corrosão. Se essa camada é amarelada, é o nitreto de titânio (TiN), que é um composto que se forma quando esse metal queima na presença de nitrogênio, uma propriedade única e distinta.

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Anéis de titânio. Fonte: Pxhere

Além do mencionado, é extremamente resistente a impactos mecânicos, apesar de ser mais leve que o aço. É por isso que é conhecido como o metal mais forte de todos, e seu nome único é sinônimo de força. Também possui força e leveza, duas características que o tornam um material desejável para a fabricação de aeronaves.

Além disso, e não menos importante, o titânio é um metal biocompatível e agradável ao toque, sendo usado em joalherias para fazer anéis; e na biomedicina, como implantes ortopédicos e dentários, capazes de integrar-se nos tecidos ósseos.

No entanto, seus usos mais conhecidos residem no TiO 2 , como pigmento, aditivo, revestimento e fotocatalisador.

É o nono elemento mais abundante na Terra e o sétimo dentro dos metais. Apesar disso, seu custo é alto devido às dificuldades que devem ser superadas para extraí-lo de seus minerais, entre os quais rutilo, anatase, ilmenita e perovskita. De todos os métodos de produção, o Processo Kroll é o mais amplamente utilizado em todo o mundo.

História

Descoberta

O titânio foi identificado pela primeira vez no mineral ilmenita no vale de Manaccan (Reino Unido), pelo pastor e mineralogista amador William Gregor, em 1791. Ele conseguiu identificar que continha um óxido de ferro, pois suas areias se moviam a influência de um ímã; mas ele também relatou que havia outro óxido de um metal desconhecido, que ele chamou de “manacanita”.

Infelizmente, embora ele tenha freqüentado a Sociedade Geológica Real da Cornualha e outras mídias, suas contribuições não se agitaram porque ele não era um homem reconhecido da ciência.

Quatro anos depois, em 1795, o químico alemão Martin Heinrich Klaproth reconheceu independentemente o mesmo metal; mas no minério rutilo em Boinik, atualmente na Eslováquia.

Há quem afirme que ele chamou esse novo metal de ‘titânio’, inspirado por sua dureza em semelhança com os Titãs. Outros dizem que isso se deve mais à neutralidade dos mesmos personagens mitológicos. Assim, o titânio nasceu como elemento químico e Klaproth pôde concluir que era o mesmo manacanito do mineral ilmenita.

Isolamento

Desde então, tentativas de isolá-lo desses minerais começaram; mas a maioria deles era infrutífera, pois o titânio estava contaminado com oxigênio ou nitrogênio ou formava um carboneto impossível de reduzir. Lars Nilson e Otto Pettersson levaram quase um século (1887) para preparar uma amostra com 95% de pureza.

Então, em 1896, Henry Moissan conseguiu obter uma amostra com até 98% de pureza, graças à ação redutora do sódio metálico. No entanto, esses titânio impuros eram quebradiços pela ação dos átomos de oxigênio e nitrogênio, por isso era necessário projetar um processo para mantê-los fora da mistura de reação.

E com essa abordagem, o Processo Hunter se originou em 1910, desenvolvido por Matthew A. Hunter em colaboração com a General Electric no Rensselaer Polytechnic Institute.

Vinte anos depois, no Luxemburgo, William J. Kroll desenvolveu outro método usando cálcio e magnésio. Atualmente, o processo Kroll continua sendo um dos principais métodos para a produção de titânio metálico nas escalas comercial e industrial.

A partir deste ponto, a história do titânio segue o curso de suas ligas em aplicações para a indústria aeroespacial e militar.

Estrutura e configuração eletrônicas

O titânio puro pode cristalizar com duas estruturas: um hexagonal compacto (hcp), chamado fase α, e um cúbico centrado no corpo (cco), chamado fase β. Assim, é um metal dimórfico, capaz de sofrer transições alotrópicas (ou de fase) entre as estruturas hcp e bcc.

A fase α é a mais estável à temperatura e pressão ambiente, com átomos de Ti cercados por doze vizinhos. Quando a temperatura é aumentada para 882 ° C, o cristal hexagonal se torna cúbico, menos denso, o que é consistente com as vibrações atômicas mais altas causadas pelo calor.

À medida que a temperatura aumenta, a fase α se opõe a uma maior resistência térmica; isto é, seu calor específico também aumenta, sendo necessário mais e mais calor para atingir 882 ° C.

E se, em vez de aumentar a temperatura, a pressão? Então você obtém cristais bcc distorcidos.

Link

Nesses cristais metálicos, os elétrons de valência dos orbitais 3d e 4s intervêm na ligação que liga os átomos de Ti, de acordo com a configuração eletrônica:

[Ar] 3d 2 4s 2

Ele mal tem que compartilhar quatro elétrons com seus vizinhos, o que causa bandas 3d quase vazias e, portanto, o titânio não é tão bom condutor de eletricidade ou calor quanto outros metais.

Ligas

Ainda mais importante do que o que foi dito sobre a estrutura cristalina do titânio, é que ambas as fases, α e β, podem formar suas próprias ligas. Estes podem consistir em ligas α ou β puras, ou misturas de ambas em proporções diferentes (α + β).

Da mesma forma, o tamanho de seus respectivos grãos cristalinos influencia as propriedades finais das referidas ligas de titânio, bem como a composição de massa e as proporções dos aditivos adicionados (outros metais ou átomos de N, O, C ou H).

Os aditivos exercem uma influência significativa nas ligas de titânio, pois podem estabilizar algumas das duas fases em específico. Por exemplo: Al, O, Ga, Zr, Sn e N são aditivos que estabilizam a fase α (cristais hcp mais densos); e Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe e outros, são aditivos que estabilizam a fase β (cristais bcc menos densos).

O estudo de todas essas ligas de titânio, suas estruturas, composição, propriedades e aplicações, são objetos de trabalhos metalúrgicos que se apóiam na cristalografia.

Números de oxidação

De acordo com a configuração eletrônica, o titânio precisaria de oito elétrons para preencher completamente os orbitais 3D. Isso não pode ser alcançado em nenhum de seus compostos, e o máximo atinge até dois elétrons; ou seja, você pode adquirir números de oxidação negativos: -2 (3d 4 ) e -1 (3d 3 ).

O motivo é devido à eletronegatividade do titânio e, além disso, é um metal, por isso tem uma maior tendência a ter números positivos de oxidação; como +1 (3d 2 4s 1 ), +2 (3d 2 4s ), +3 (3d 1 4s ) e +4 (3d 4s ).

Observe como os elétrons dos orbitais 3d e 4s estão saindo à medida que a existência dos cátions Ti + , Ti 2+ é assumida e assim por diante.

O número de oxidação +4 (Ti 4+ ) é o mais representativo de todos, porque corresponde ao do titânio em seu óxido: TiO 2 (Ti 4+ O 2 2- ).

Propriedades

Aparência física

Metal cinza prateado.

Massa molar

47,867 g / mol.

Ponto de fusão

1668 ° C. Este ponto de fusão relativamente alto é feito por um metal refratário.

Ponto de ebulição

3287 ° C.

Temperatura de auto-ignição

1200 ° C para metal puro e 250 ° C para pó finamente dividido.

Ductilidade

O titânio é um metal dúctil se não houver oxigênio.

Densidade

4,506 g / mL. E no seu ponto de fusão, 4,11 g / mL.

Calor de fusão

14,15 kJ / mol.

Calor de vaporização

425 kJ / mol.

Capacidade de calor molar

25060 J / mol · K.

Eletronegatividade

1,54 na escala de Pauling.

Energias de ionização

Primeiro: 658,8 kJ / mol.

Segundo: 1309,8 kJ / mol.

Terceiro: 2652,5 kJ / mol.

Dureza de Mohs

6.0

Nomenclatura

Dos números de oxidação, +2, +3 e +4 são os mais comuns e os mencionados na nomenclatura tradicional ao nomear compostos de titânio. Quanto ao resto, as regras de estoque e as nomenclaturas sistemáticas permanecem as mesmas.

Por exemplo, considere o TiO 2 e o TiCl 4 , dois dos compostos mais conhecidos de titânio.

Já foi dito que no TiO 2 o número de oxidação do titânio é +4 e, portanto, sendo o maior (ou positivo), o nome deve terminar com o sufixo –ico. Assim, seu nome é óxido titânico, de acordo com a nomenclatura tradicional; óxido de titânio (IV), de acordo com a nomenclatura do caldo; e dióxido de titânio, de acordo com a nomenclatura sistemática.

E para o TiCl 4, procederemos mais diretamente:

Nomenclatura: Nome

-Tradicional: cloreto de titânio

-Stock: cloreto de titânio (IV)

-Sistemático: tetracloreto de titânio

Em inglês, eles geralmente se referem a esse composto como ‘Tickle’.

Cada composto de titânio pode até ter nomes próprios fora das regras da nomenclatura e dependerá do jargão técnico do campo em questão.

Onde está localizado e produção

Minérios Titaniferous

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Quartzo rutilo, um dos minerais com maior teor de titânio. Fonte: Didier Descouens [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

O titânio, embora seja o sétimo metal mais abundante na Terra e o nono na crosta terrestre, não é encontrado na natureza como um metal puro, mas em combinação com outros elementos dos óxidos minerais; mais conhecido como minerais titaníferos.

Assim, para obtê-lo é necessário usar esses minerais como matéria-prima. Alguns deles são:

-Titanita ou esfeno (CaTiSiO 5 ), com impurezas de ferro e alumínio que tornam seus cristais verdes.

-Brookita (TiO 2 ortorrômbico).

-Rutilo, o polimorfo mais estável do TiO 2 , seguido pelos minerais anatase e brookita.

-Ilmenita (FeTiO 3 ).

-Perovskita (CaTiO 3 )

-Leucoxeno (mistura heterogênea de anatase, rutilo e perovskita).

Observe que existem vários minerais titaníferos mencionados, mesmo se houver outros. No entanto, nem todos são igualmente abundantes e, da mesma forma, podem apresentar impurezas difíceis de remover e que comprometem as propriedades do titânio metálico final.

É por isso que o esfeno e a perovskita são geralmente usados ​​para a produção de titânio, uma vez que seu conteúdo de cálcio e silício é difícil de remover da mistura de reação.

De todos esses minerais, o rutilo e a ilmenita são os mais utilizados comercial e industrialmente por seu alto teor de TiO 2 ; isto é, eles são ricos em titânio.

Processo Kroll

Selecionado qualquer um dos minerais como matéria-prima, o TiO 2 neles deve ser reduzido. Para isso, os minerais, juntamente com o carvão, são aquecidos em brasa em um reator de leito fluidizado a 1000 ° C. Lá, o TiO 2 reage com o cloro gasoso de acordo com a seguinte equação química:

TiO 2 (s) + C (s) + 2Cl 2 (g) => TiCl 4 (l) + CO 2 (g)

O TiCl 4 é um líquido incolor e impuro, pois a essa temperatura é dissolvido juntamente com outros cloretos metálicos (ferro, vanádio, magnésio, zircônio e silício) originários das impurezas presentes nos minerais. Portanto, o TiCl 4 é então purificado por destilação fracionada e precipitação.

Uma vez que o TiCl 4 purificado , uma espécie mais fácil de reduzir, é derramado em um recipiente de aço inoxidável ao qual é aplicado vácuo, para remover oxigênio e nitrogênio, e preenchido com argônio para garantir uma atmosfera inerte que não afeta o titânio produzido. No processo, é adicionado magnésio, que reage a 800 ° C, de acordo com a seguinte equação química:

TiCl 4 (l) + 2Mg (l) => Ti (s) + 2MgCl 2 (l)

O titânio precipita como um sólido esponjoso, que é submetido a tratamentos para purificá-lo e conferir melhores formas sólidas, ou é destinado diretamente à fabricação de minérios de titânio.

Reacções

Com o ar

O titânio possui alta resistência à corrosão devido a uma camada de TiO 2 que protege o interior do metal da oxidação. No entanto, quando a temperatura sobe acima de 400 ° C, um pedaço fino de metal começa a queimar completamente para formar uma mistura de TiO 2 e TiN:

Ti (s) + O 2 (g) => TiO 2 (s)

2Ti (s) + N 2 (g) => TiN (s)

Ambos os gases, O 2 e N 2 , estão logicamente no ar. Essas duas reações ocorrem rapidamente quando o titânio é aquecido em brasa. E se for encontrado como um pó finamente dividido, a reação é ainda mais vigorosa, de modo que o titânio nesse estado sólido é muito inflamável.

Com ácidos e bases

Essa camada de TiO 2 -TiN não apenas protege o titânio da corrosão, mas também do ataque de ácidos e bases, por isso não é um metal fácil de dissolver.

Para isso, é necessário usar ácidos altamente concentrados e fervê-los até ferver, obtendo uma solução púrpura resultante dos complexos aquosos de titânio; por exemplo, [Ti (OH 2 ) 6 ] +3 .

No entanto, existe um ácido que pode dissolvê-lo sem muitas complicações: ácido fluorídrico:

2Ti (s) + 12HF (aq) 2 [TiF 6 ] 3- (aq) + 3H 2 (g) + 6H + (aq)

Com halogênios

O titânio pode reagir diretamente com os halogênios para formar os respectivos halogenetos. Por exemplo, sua reação com iodo é a seguinte:

Ti (s) + 2I 2 (s) => TiI 4 (s)

Da mesma forma, ocorre com flúor, cloro e bromo, onde uma chama intensa é formada.

Com oxidantes fortes

Quando o titânio é finamente dividido, ele não é apenas propenso a inflamações, mas também a reagir vigorosamente com agentes oxidantes fortes na menor fonte de calor.

Parte dessas reações é usada para a pirotecnia, pois são geradas faíscas brancas brilhantes. Por exemplo, ele reage com perclorato de amônio de acordo com a equação química:

2Ti (s) + 2NH 4 ClO 4 (s) => 2TiO 2 (s) + N 2 (g) + Cl 2 (g) + 4H 2 O (g)

Riscos

Titânio metálico

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O pó de titânio é um sólido altamente inflamável. Fonte: W. Oelen [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

O titânio metálico por si só não representa nenhum risco para a saúde daqueles que trabalham com ele. É um sólido inofensivo; a menos que seja moído como um pó de partículas finas. Este pó branco pode ser perigoso devido à sua alta inflamabilidade, mencionada na seção de reações.

Quando o titânio é retificado, sua reação com oxigênio e nitrogênio é mais rápida e vigorosa e pode queimar de forma explosiva. É por isso que representa um risco terrível de incêndio se for armazenado e atingido pelas chamas.

Quando queima, o fogo só pode ser extinto com grafite ou cloreto de sódio; nunca com água, pelo menos nesses casos.

Além disso, o contato com halogênios deve ser evitado a todo custo; isto é, com uma fuga gasosa de flúor ou cloro, ou interagir com o líquido avermelhado do bromo ou cristais voláteis de iodo. Se isso acontecer, o titânio pega fogo. Também não deve entrar em contato com agentes oxidantes fortes: permanganatos, cloratos, percloratos, nitratos, etc.

De resto, seus lingotes ou ligas não podem representar mais riscos do que os golpes físicos, pois nem são muito bons condutores de calor ou de eletricidade e são agradáveis ​​ao toque.

Nanopartículas

Se o sólido finamente dividido é inflamável, deve ser ainda mais se for constituído por nanopartículas de titânio. No entanto, o ponto central desta subseção é devido às nanopartículas de TiO 2 , que têm sido usadas em inúmeras aplicações nas quais merecem sua cor branca; Como doce e doce.

Embora não se saiba como é a sua absorção, distribuição, excreção ou toxicidade no organismo, eles demonstraram ser tóxicos em estudos com ratos. Por exemplo, eles demonstraram que gera enfisema e vermelhidão nos pulmões, além de outros distúrbios respiratórios em seus desenvolvimentos.

Por extrapolação de camundongos para nós, conclui-se que a respiração de nanopartículas de TiO 2 afeta nossos pulmões. Eles também podem alterar a região do hipocampo do cérebro. Além disso, o Centro Internacional de Pesquisa do Câncer não os exclui como possíveis agentes cancerígenos.

Usos

Pigmento e aditivo

Falar sobre os usos do titânio é referir-se necessariamente ao de seu composto dióxido de titânio. De fato, o TiO 2 cobre cerca de 95% de todas as aplicações relacionadas a este metal. Os motivos: sua cor branca é insolúvel e também não é tóxica (para não mencionar nanopartículas puras).

É por isso que é frequentemente usado como pigmento ou aditivo em todos os produtos que precisam de coloração branca; como pasta de dente, medicamentos, doces, papéis, gemas, tintas, plásticos, etc.

Revestimentos

O TiO 2 também pode ser usado para criar filmes que cobrem qualquer superfície, como vidro ou instrumentos cirúrgicos.

Por ter esses revestimentos, a água não pode molhá-los e desliza sobre eles, como faria a chuva nos pára-brisas dos carros. Ferramentas com esses revestimentos podem matar bactérias absorvendo a radiação UV.

A urina de cães ou gomas de mascar não pôde ser fixada em asfalto ou cimento pela ação do TiO 2 , o que facilitaria sua remoção subseqüente.

Bloqueador solar

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O TiO2 é um dos componentes ativos dos bloqueadores solares. Fonte: Pixabay

E, finalmente, com relação ao TiO 2 , é um fotocatalisador, capaz de originar radicais orgânicos que, no entanto, são neutralizados por filmes de sílica ou alumina em filtros solares. Sua cor branca já mostra claramente que deve ter esse óxido de titânio.

Indústria aeroespacial

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As ligas de titânio são usadas para a fabricação de grandes aviões ou navios rápidos. Fonte: Pxhere

O titânio é um metal com considerável resistência e dureza em relação à sua baixa densidade. Isso o substitui no aço em todas as aplicações em que são necessárias altas velocidades ou aeronaves de grande escala são projetadas, como a aeronave A380 na imagem acima.

É por isso que este metal tem muitos usos na indústria aeroespacial, pois resiste à oxidação, é leve, forte e suas ligas podem ser melhoradas com os aditivos exatos.

Esporte

Não apenas na indústria aeroespacial o titânio e suas ligas têm um papel de liderança, mas também na indústria do esporte. Isso ocorre porque muitos de seus utensílios precisam ser leves para que seus transportadores, jogadores ou atletas possam lidar com eles sem se sentirem muito pesados.

Alguns desses itens são: bicicletas, tacos de golfe ou hóquei, capacetes de futebol, raquetes de tênis ou badminton, espadas de esgrima, patins de gelo, esquis, entre outros.

Além disso, embora em menor grau devido ao seu alto custo, o titânio e suas ligas foram utilizados em carros esportivos e de luxo.

Pirotecnia

O titânio moído pode ser misturado com, por exemplo, KClO 4 e servir como fogo de artifício; De fato, eles fazem aqueles que os preparam em shows de pirotecnia.

Remédio

O titânio e suas ligas são os materiais metálicos por excelência em aplicações biomédicas. Eles são biocompatíveis, inertes, fortes, difíceis de oxidar, não tóxicos e se integram perfeitamente aos ossos.

Isso os torna muito úteis para implantes ortopédicos e dentários, para articulações artificiais do quadril e joelho, como parafusos de fixação de fraturas, para marca-passos ou corações artificiais.

Biológico

O papel biológico do titânio é incerto e, embora se saiba que ele pode se acumular em algumas plantas e beneficiar o crescimento de certas culturas agrícolas (como o tomate), os mecanismos em que ele intervém são desconhecidos.

Diz-se que promove a formação de carboidratos, enzimas e clorofilas. Eles conjeturam que é devido a uma resposta dos organismos vegetais se defender contra baixas concentrações biodisponíveis de titânio, pois são prejudiciais a eles. No entanto, o assunto ainda está no escuro.

Referências

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