Welche chemischen Reaktionen treten mit Titan auf?

Titan kann bei höheren Temperaturen mit vielen Elementen und Verbindungen reagieren.Verschiedene Elemente können entsprechend ihrer unterschiedlichen Reaktionen mit Titan in vier Kategorien eingeteilt werden:
Die erste Kategorie: Elemente der Halogen- und Sauerstoffgruppe sowie Titan bilden kovalente Bindungen und ionische Bindungsverbindungen;
Die zweite Kategorie: Übergangselemente, Wasserstoff, Beryllium, Bor, Kohlenstoff und Stickstoff bilden mit Titan intermetallische Verbindungen und endliche feste Lösungen;
Die dritte Kategorie: Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Chrom, Scandium und Titan bilden eine unendliche feste Lösung;
Die vierte Kategorie: Inertgase, Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Seltenerdelemente (außer Scandium), Actinium, Thorium usw. reagieren nicht oder grundsätzlich nicht mit Titan.Beim Erhitzen reagiert es mit der Verbindung HF und dem Fluorwasserstoffgas zu TiF4.Die Reaktionsformel lautet
Ti+4HF=TiF4+2H2+135,0kcal
Die nichtwässrige Fluorwasserstoffflüssigkeit kann auf der Titanoberfläche einen dichten Titantetrafluoridfilm bilden, der verhindern kann, dass HF in das Titan eindringt.Flusssäure ist das stärkste Lösungsmittel für Titan.Selbst Flusssäure in einer Konzentration von 1 % kann heftig mit Titan reagieren:
2Ti+6HF=2TiF3+3H2
Wasserfreies Fluorid und seine wässrige Lösung reagieren bei niedrigen Temperaturen nicht mit Titan, nur das bei hohen Temperaturen schmelzende Fluorid reagiert signifikant mit Titan.HCl und Chlorwasserstoffgas können metallisches Titan korrodieren, und trockener Chlorwasserstoff reagiert mit Titan unter Bildung von TiCl4 bei >300℃:
Ti+4HCl=TiCl4+2H2+94,75kcal
Salzsäure mit einer Konzentration von <5 % reagiert bei Raumtemperatur nicht mit Titan, und 20 %ige Salzsäure reagiert bei Raumtemperatur mit Titan und erzeugt violettes TiCl3:
2Ti+6HCl=2TiCl3+3H2
Bei hohen Temperaturen korrodiert selbst verdünnte Salzsäure Titan.Verschiedene wasserfreie Chloride wie Magnesium, Mangan, Eisen, Nickel, Kupfer, Zink, Quecksilber, Zinn, Kalzium, Natrium, Barium und NH4+-Ionen sowie deren wässrige Lösungen reagieren nicht mit Titan. Hochreines Titan ist in diesen Chloriden eine gute Stabilität.Schwefelsäure und Titanhydrogensulfid zeigen offensichtliche Reaktionen mit 5 %iger Schwefelsäure.Bei Raumtemperatur weist etwa 40 %ige Schwefelsäure die schnellste Korrosionsrate auf Titan auf.Wenn die Konzentration größer als 40 % ist, wird die Korrosionsrate langsamer, wenn die Konzentration 60 % erreicht, 80 % wird am schnellsten erreicht.Durch Erhitzen von verdünnter Säure oder 50 %iger konzentrierter Schwefelsäure kann mit Titan unter Bildung von Titansulfat reagiert werden:
Ti+H2SO4=TiSO4+H2
2Ti+3H2SO4=Ti2(SO4)3+3H2
Die erhitzte konzentrierte Schwefelsäure kann durch Titan reduziert werden, um SO2 zu erzeugen:
2Ti+6H2SO4=Ti2(SO4)3+3SO2+6H2O+202 kcal
Titan reagiert bei Raumtemperatur mit Schwefelwasserstoff und bildet auf seiner Oberfläche einen Schutzfilm, der eine weitere Reaktion von Schwefelwasserstoff mit Titan verhindern kann.Doch bei hoher Temperatur reagiert Schwefelwasserstoff mit Titan zu Wasserstoff:
Ti+H2S=TiS+H2+70 kcal
Das pulverisierte Titan reagiert mit Schwefelwasserstoff bei 600 °C zu Titansulfid.Das Reaktionsprodukt ist hauptsächlich TiS bei 900 °C und Ti2S3 bei 1200 °C.Die dichte und glatte Oberfläche von Salpetersäure und Königswassertitan weist eine gute Stabilität gegenüber Salpetersäure auf.Dies liegt daran, dass Salpetersäure schnell einen starken Oxidfilm auf der Titanoberfläche bilden kann, die Oberfläche jedoch rau ist, insbesondere Titanschwamm oder Titanpulver.Zweitens reagiert heiße verdünnte Salpetersäure:
3Ti+4HNO3+4H2O=3H4TiO4+4NO
3Ti+4HNO3+H2O=3H2TiO3+4NO
Konzentrierte Salpetersäure über 70℃ kann auch mit Titan reagieren:
Ti+8HNO3=Ti(NO3)4+4NO2+4H2O
Bei Raumtemperatur reagiert Titan nicht mit Königswasser.Bei hohen Temperaturen kann Titan mit Königswasser reagieren und TiCl2 erzeugen.Ti+8HNO3=Ti(NO3)4+4NO2+4H2O ⑾ Zusammenfassend hängen die Eigenschaften von Titan eng mit der Temperatur, seiner Existenzform und seiner Reinheit zusammen.Das dichte metallische Titan ist von Natur aus recht stabil, pulverisiertes Titan kann jedoch eine Selbstentzündung in der Luft verursachen.Das Vorhandensein von Verunreinigungen im Titan beeinflusst die physikalische, chemische, mechanische und Korrosionsbeständigkeit von Titan erheblich.Insbesondere einige interstitielle Verunreinigungen können das Titangitter verzerren und verschiedene Eigenschaften von Titan beeinträchtigen.Die chemische Aktivität von Titan ist bei Raumtemperatur sehr gering und es kann mit einigen Substanzen wie Flusssäure reagieren. Die Aktivität von Titan nimmt jedoch schnell zu, wenn die Temperatur steigt, insbesondere bei hohen Temperaturen kann Titan mit vielen Substanzen heftig reagieren.Der Schmelzprozess von Titan wird im Allgemeinen bei einer hohen Temperatur über 800 °C durchgeführt und muss daher im Vakuum oder unter dem Schutz einer inerten Atmosphäre durchgeführt werden.Die physikalischen Eigenschaften von metallischem Titan Titan (Ti) ist ein graues Metall.Die Ordnungszahl beträgt 22 und die relative Atommasse beträgt 47,87.Die Anordnung der extranuklearen Elektronen in der Unterschicht ist 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 3d2 4S2.Die Metallmobilität liegt zwischen Magnesium und Aluminium und ist bei Raumtemperatur nicht stabil.Daher kommt es in der Natur nur in chemischer Form vor.Zu den gängigen Titanverbindungen gehören Ilmenit (FeTiO3) und Rutil (TiO2).Titan hat einen relativ hohen Gehalt in der Erdkruste und belegt mit 5600 ppm den neunten Platz, was einem Anteil von 0,56 % entspricht.Die Dichte von reinem Titan beträgt 4,54 × 103 kg/m3, das Molvolumen beträgt 10,54 cm3/mol, die Härte ist schlecht und die Mohs-Härte beträgt nur etwa 4, sodass es eine gute Duktilität aufweist.Titan hat eine gute thermische Stabilität mit einem Schmelzpunkt von 1660 ± 10 °C und einem Siedepunkt von 3287 °C.Die chemischen Eigenschaften von Titanmetall Die Reduktionsfähigkeit von Titanmetall ist in einer Umgebung mit hohen Temperaturen extrem stark.Es kann sich mit Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und vielen anderen Elementen verbinden und kann auch einigen Metalloxiden (z. B. Aluminiumoxid) Sauerstoff entziehen.Titan verbindet sich bei Raumtemperatur mit Sauerstoff und bildet einen extrem dünnen und dichten Oxidfilm.Dieser Oxidfilm reagiert bei Raumtemperatur nicht mit Salpetersäure, verdünnter Schwefelsäure, verdünnter Salzsäure und der Königin der Säuren – Königswasser.Es reagiert mit Flusssäure, konzentrierter Salzsäure und konzentrierter Schwefelsäure.
Titan ist korrosionsbeständig und wird daher häufig in der chemischen Industrie eingesetzt.In der Vergangenheit wurde für Teile, die heiße Salpetersäure enthielten, in chemischen Reaktoren Edelstahl verwendet.Auch Edelstahl hat Angst vor der stark ätzend-heißen Salpetersäure.Solche Teile müssen alle sechs Monate ausgetauscht werden.Zur Herstellung dieser Teile wird Titan verwendet, obwohl die Kosten höher sind als bei Teilen aus Edelstahl, es kann jedoch fünf Jahre lang kontinuierlich verwendet werden, ist jedoch viel kostengünstiger zu kalkulieren.
In der Elektrochemie ist Titan ein Einwegventilmetall mit sehr negativem Potenzial, und es ist normalerweise unmöglich, Titan als Anode für die Zersetzung zu verwenden.
Der größte Nachteil von Titan besteht darin, dass es schwer zu extrahieren ist.Der Hauptgrund dafür ist, dass Titan bei hohen Temperaturen eine starke Fähigkeit besitzt, sich mit Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und vielen anderen Elementen zu verbinden.Daher achten die Menschen beim Schmelzen oder Gießen darauf, dass diese Elemente nicht in Titan „eindringen“.Beim Schmelzen von Titan ist der Zutritt von Luft und Wasser selbstverständlich strengstens untersagt.Auch der in der Metallurgie üblicherweise verwendete Aluminiumoxid-Tiegel darf nicht verwendet werden, da Titan dem Aluminiumoxid Sauerstoff entzieht.Menschen verwenden Magnesium und Titantetrachlorid, um in einem Inertgas – Helium oder Argon – zu reagieren und Titan zu raffinieren.
Menschen machen sich die extrem starke chemische Fähigkeit von Titan bei hohen Temperaturen zunutze.Bei der Stahlherstellung löst sich Stickstoff leicht in der Stahlschmelze.Beim Abkühlen des Stahlbarrens bilden sich Blasen im Stahlbarren, die die Qualität des Stahls beeinträchtigen.Daher fügen die Stahlarbeiter dem geschmolzenen Stahl Titanmetall hinzu, um es mit der Nitrierung zu Schlacken-Titannitrid zu verbinden, das auf der Oberfläche des geschmolzenen Stahls schwimmt, sodass der Stahlbarren relativ rein ist.
Wenn ein Überschallflugzeug fliegt, kann die Temperatur seiner Flügel 500 °C erreichen.Wenn für die Herstellung des Flügels eine relativ hitzebeständige Aluminiumlegierung verwendet wird, sind ein bis zwei oder dreihundert Grad überwältigend.Als Ersatz für die Aluminiumlegierung muss ein leichtes, zähes und hochtemperaturbeständiges Material gefunden werden, und Titan kann diese Anforderungen erfüllen.Titan hält dem Test von mehr als hundert Grad unter Null stand.Bei dieser niedrigen Temperatur weist Titan noch eine gute Zähigkeit auf, ohne spröde zu sein.
Durch die starke Absorptionskraft von Titan und Zirkonium gegenüber Luft kann die Luft entfernt werden, wodurch ein Vakuum entsteht.Beispielsweise kann eine Vakuumpumpe aus Titan nur einen Teil von zehn Billionen Luft pumpen.