عنصر تیتانیوم و کاربردهای آن — از صفر تا صد

تیتانیوم و آلیاژهای آن نسبت به وزن خود، استحکام بالایی دارند. این نوع از آلیاژها همچنین در مقابل خوردگی بسیار مقاوم‌ هستند چراکه لایه‌ای بسیار نازک اما مقاوم از اکسید در سطح خود تشکیل می‌دهند. از این عنصر و آلیاژهای آن به دلیل وزن کم، استحکام و همچنین مقاومت در برابر خوردگی، استفاده‌ می‌شود. البته بکارگیری آن به دلیل قیمت این فلز، محدودیت‌هایی دارد اما روش‌های جدیدی در حال شکل‌گیری است تا هزینه‌های تولید این فلز و آلیاژهای آن کاهش یابد.

کاربردها و آلیاژهای تیتانیوم

تیتانیوم عنصری با نماد $$Ti$$  و با عدد اتمی 22 در جدول تناوبی عناصر است. این فلز براق به دسته فلزات واسطه تعلق دارد. تقریبا تیتانیوم در بیشتر موارد به صورت آلیاژهایی با فلزات دیگر استفاده می‌شود. این فلزات عبارتند از: آلومینیوم، وانادیوم، مولیبدن، منگنز، آهن، قلع، کروم و زیرکونیم (زرگون). مهمترین آلیاژ این فلز از ترکیب 90 درصد تیتانیوم، 6 درصد آلومینیوم و ۴ درصد وانادیوم تشکیل شده است که آن را به صورت $$Ti-6Al-4V$$ نشان می‌دهند. صنعت هوایی بیشترین استفاده را از آلیاژهای تیتانیوم دارد و از آن‌ در بدنه هواپیماها، بخش‌های موتور، چرخدنده‌ها و شیرآلات هیدرولیکی استفاده می‌شود.

فیلم آموزش شیمی عمومی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

به دلیل استحکامی که این فلز در برابر خوردگی و واکنش‌های شیمیایی دارد، استفاده از آن در محیط‌های با خوردگی بالا رواج دارد. نمونه‌ای از این محیط‌ها آب دریا است که در این محیط حتی فولاد ضد زنگ هم دچار خوردگی می‌شود. همچنین در ساخت پروانه کشتی‌ها، واحدهای شیرین‌سازی آب و راکتورهای شیمیایی از این عنصر و آلیاژهای آن استفاده می‌کنند. سالانه بیش از ۱۰۰۰ تن از آلیاژهای تیتانیوم به منظور استفاده در جراحی‌های لگن و زانو و همچنین تهیه پروتزهای آن تولید می‌شود. از کاربردهای دیگر این عنصر می‌توان به ایمپلنت‌های دندان اشاره کرد. اخیرا در تزیین ساختمان‌های مرتفع از ورقه‌های تیتانیوم خالص استفاده می‌کنند.

استحکام بالای این فلز سبب شده استفاده از آن در جواهرآلات رونق بگیرد. برای افرادی که به فلزات حساسیت دارند،‌ جواهرات تیتانیومی گزینه مناسبی هستند. همچنین جواهرات ساخته شده از این فلز را می‌توان به راحتی در محیط‌های مرطوب و همینطور استخرها استفاده کرد. از این عنصر همچنین برای تهیه آلیاژ با طلای ۲۴ عیار استفاده می‌شود. اگر آلیاژی با طلا و ۱ درصد تیتانیوم تهیه شود،‌ عیار نهایی همان ۲۴ عیار خواهد بود اما سختی این آلیاژ طلا به مانند یک طلای ۱۴ عیار است. علاوه بر این، دوام این آلیاژ از طلای ۲۴ عیار بیشتر خواهد بود. در ساخت ساعت‌های مچی، مجسمه‌ها و مبلمان نیز از این عنصر بسیار بهره می‌برند.

خواص فیزیکی

همانطور که گفته شد، تیتانیوم فلزی است که «استحکام ویژه» (Specific Strength) بالایی دارد. فلزی با چگالی پایین، بادوام، براق و چکش‌خوار است. به دلیل مقاومت بالای آن در مقابل گرما و آب و همچنین دمای ذوب بالا (بیش از 1650 درجه سانتی‌گراد)،‌ در دسته فلزات نسوز قرار می‌گیرد. خاصیت پارامغناطیسی دارد و هدایت الکتریکی و حرارتی آن در مقایسه با دیگر فلزات پایین است اما زمانی که به کمتر از دمای بحرانی خود $$(-272.66\ C ^ \circ)$$ برسد، به ابر رسانا تبدیل خواهد شد.

«مقاومت کششی» (Tensile Stress)، تیتانیوم با خلوص 99/2 درصد، در حدود $$434\ MPa$$ است. این مقدار از مقاومت کششی با آلیاژهای فولاد برابری می‌کند اما چگالی پایین‌تری در مقایسه با آلیاژهای فولاد دارد. در خصوص چگالی این فلز می‌توان اشاره کرد که با وجود اینکه این عنصر در حدود 60 درصد چگال‌تر از آلومینیوم است اما استحکام آن را بیش از دو برابر آلیاژهای معمول آلومینیوم تخمین می‌زنند.

آلیاژهایی از این فلز موسوم به $$Beta \ C$$ وجود دارند که مقاومت کششی آنها تا $$1400\ MPa$$ نیز می‌رسد اما به طور کلی این فلز با گرم شدن بیش از 430 درجه سانتی‌گراد،‌ مقاومت خود را از دست می‌دهد. در ماشین‌کاری این فلز باید دقت کافی داشت چراکه به سادگی با ماشین‌کاری تغییر شکل می‌دهد و باید از ماشین‌آلات مرغوب به همراه دستگاه‌های خنک‌کننده استفاده کرد.

خواص شیمیایی تیتانیوم

همانند آلومینیوم و منیزیم، این فلز و آلیاژهای آن به سرعت در معرض هوا اکسید می‌شوند. این عنصر در دمای 1200 درجه سانتی‌گراد با اکسیژن و 610 درجه سانتی‌گراد با اکسیژن خالص به سادگی واکنش و تشکیل دی‌اکسید تیتانیوم می‌دهد. در هر صورت همانطور که گفته شد واکنش آن با آب و هوا در دمای محیط بسیار آهسته صورت می‌گیرد چراکه در اثر این واکنش یک لایه مقاوم در برابر خوردگی تشکیل می‌شود که در مقابل اکسید شدن مقاوم است. ضخامت این لایه تنها بین 1-2 نانومتر است و به آرامی ضخامت آن افزایش می‌یابد به طوریکه بعد از گذشت ۴ سال، ضخامت آن در نهایت به 25 نانومتر می‌رسد.

این فلز در برابر سولفوریک اسید رقیق، هیدروکلریک اسید، محلول‌های کلرید و بیشتر اسیدهای آلی مقاوم است اما در برابر اسیدهای غلیظ دچار خوردگی می‌شود. به دلیل پتاسیل منفی اکسید و احیا، این فلز از لحاظ ترمودینامیکی به شدت فعال است به طوریکه در فشار اتمسفر و دمای کمتر از نقطه ذوب می‌سوزد. در نتیجه ذوب آن تنها در محیط‌های خنثی یا خلأ امکان‌پذیر است و در دمای 550 درجه سانتی‌گراد با کلر ترکیب می‌شود. همچنین این عنصر با دیگر هالوژن‌ها واکنش می‌دهد و هیدروژن جذب می‌کند.

این فلز از معدود عناصری است که در نیتروژن خالص و دمای 800 درجه سانتی‌گراد می‌سوزد و تیتانیوم نیترید $$Ti N$$ شکننده تولید می‌کند. به دلیل واکنش‌پذیری بالای این عنصر با اکسیژن، نیتروژن و برخی گازهای دیگر، رشته‌های تیتانیومی این فلز در پمپ‌های خلا و بمنظور واکنش با این گازها استفاده می‌شود.

ایزوتوپ‌های تیتانیوم

این فلز دارای پنج ایزوتوپ طبیعی پایدار از تیتانیوم 46 تا تیتانیوم 49 است. همچنین تیتانیوم 48 با فراوانی 73/8 درصد، فروانترین ایزوتوپ این عنصر محسوب می‌شود. علاوه‌ بر این، رادیوایزوتوپ‌هایی با نیم عمر ۶۳ سال نیز شناسایی شده‌اند، البته رادیوایزوتوپ‌های این عنصر معمولا نیمه عمرهای بسیار کمتری حتی کمتر از نیم ثانیه دارند.

فیلم آموزش مقدماتی آبکاری فلزات – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

خطرات استفاده از تیتانیوم

این فلز حتی در مقادیر بسیار زیاد نیز سمی نیست و نقش خاصی را در بدن انسان ندارد. به طور معمول روزانه 0/8 میلی‌گرم از این عنصر توسط انسان مصرف می‌شود. این میزان کم در بافت‌ها تجمع پیدا نمی‌کند مگر در مواردی که بافت شامل سیلیکا $$(Si O _ 2)$$ باشد. برخی مطالعات، ارتباطی را میان این فلز و سندرم ناخن زرد پیدا کرده‌اند. گیاهان تحت مکانسیم‌هایی ناشناخته از این عنصر برای تحریک تولید کربوهیدرات‌ها استفاده می‌کنند. به همین دلیل بیشتر گیاهان شامل $$1 ppm$$ از این فلز هستند. این میزان برای گیاهان خوراکی در حدود $$2 ppm$$ و برای گیاه گزنه $$80 ppm$$ است.

اگر پودر این فلز یا تراشه‌های آن در حضور هوا حرارت ببینند، خاصیتی انفجاری از خود بروز می‌دهند که آب و دی‌اکسید کربن در خاموش کردن شعله آن تاثیری ندارند. همچنین این عنصر نباید در معرض گاز کلر قرار بگیرد چراکه این گاز در ترکیب با آن موجب بروز شعله‌های تیتانیوم-کلرید می‌شود.

تولید سالانه تیتانیوم

تولید سالانه تیتانیوم جهان و برخی کشورها در جدول زیر آورده شده است:

تولید تیتانیوم

تیتانیوم 0/63 درصد از پوسته زمین را تشکیل می‌دهد و به عنوان چهارمین و فراوان‌ترین فلز بعد از آلومینیوم،‌ آهن و منیزیم است. رسوبات این عنصر که به سادگی با عمیات معدنی بدست می‌آیند در سرتاسر جهان وجود دارند. سنگ معدن‌های اصلی این فلز عبارتند از: «روتیل» (Rutile) با فرمول $$(T i O _ 2)$$ و «ایلمنایت» با فرمول $$(Fe Ti O _ 3)$$. همچنین ایلمنایت مگنتیت در اکراین و ایلمنایت هماتیت در کانادا نیز به صورت رسوبات سخت وجود دارند.

علیرغم کمیاب بودن دی‌اکسید تیتانیوم (روتیل) و گران‌تر بودن این سنگ معدن، استفاده‌های بیشتری از آن می‌شود چراکه فاقد ترکیبات آهن و فرآوری آن ساده‌تر است. در مواردی، با فرآوری ایلمنایت و حذف آهن، می‌توان به روتیل مصنوعی دست پیدا کرد. اصلی‌ترین فرآیندهایی که موجب تولید تیتانیوم می‌شوند عبارتند از: هانتر، کرال، آرمسترانگ و کمبریج

فرآیند هانتر در تولید تیتانیوم

«فرآیند هانتر» (Hunter Process) در سال 1910 توسط شیمیدان نیوزلندی و در آمریکا معرفی شد. این فرآیند که به صورت «فرآیند‌های ناپیوسته» (Batch Processes) انجام می‌شد شامل کاهش «تیتانیوم تترا کلرید» $$(Ti Cl_ 4)$$  به کمک سدیم بود. این واکنش در داخل «راکتور ناپیوسته» (Batch Reactor) و محیط خنثی تحت دمای 1000 درجه سانتی‌گراد انجام می‌گرفت که بعد از آن از هیدروکلریک اسید برای شستشوی نمک از محصول نهایی استفاده می‌شد. واکنش کلی آن در زیر آورده شده است:

$$\mathrm { TiCl } _ { 4 } + 4 \mathrm { Na } \rightarrow 4 \mathrm { NaCl } + \mathrm { Ti }$$

قبل از فرآیند هانتر، تمامی تلاش‌ها منجر به تولید تیتانیوم با درصد خلوص بسیار پایین شده بود. این روش بعدها با روش دیگری تحت عنوان فرآیند کرال جایگزین شد.

فرایند کرال در تولید تیتانیوم

بیشتر تیتانیوم تولیدی شامل فرآیند طولانی چهار مرحله‌ای موسوم به «فرآیند کرال» (Kroll Process) است:

1. کلریناسیون سنگ معدن به تیتانیوم (IV) کلرید
2. خالص‌سازی تیتانیوم (IV) کلرید
3. کاهش تیتانیوم (IV) کلرید به اسفنج تیتانیوم
4. فرآوری اسفنج تیتانیوم

1. کلریناسیون سنگ معدن به تیتانیوم (IV) کلرید

دی‌اکسید تیتانیوم از نظر حرارتی بسیار پایدار و در برابر واکنش‌های شیمیایی (حملات شیمیایی) بسیار مقاوم است. دی‌اکسید تیتانیوم را نمی‌توان با استفاده از کربن،‌ مونو اکسید کربن یا هیدروژن کاهش داد. همچنین کاهش آن بوسیله عناصر با الکتروپوزیتیوی بیشتر (الکترونگاتیوی کم‌تر) نیز به طور کامل صورت نمی‌گیرد. اگر بتوان آن را به صورت تیتانیوم (IV) کلرید تبدیل کرد در نهایت می‌توان به تیتانیم دست پیدا کرد چراکه کلرید به سادگی کاهش می‌یابد.

سنگ معدن خشک را به همراه کُک در داخل یک کلرزن (کلیناتور) قرار می‌دهند. با گرم کردن این مواد، گرمای واکنش با کلر سبب می‌شود تا این فرآیند در دمای 1027 درجه سانتیگراد ادامه پیدا کند:

$$\mathrm { TiO } _ { 2 } ( \mathrm { s } ) + 2 \mathrm { Cl } _ { 2 } ( \mathrm { g } ) + \mathrm { C } ( \mathrm { s } ) \rightarrow \mathrm { TiCl } _ { 4 } ( \mathrm { g } ) + \mathrm { CO } _ { 2 } ( \mathrm { g } )$$

2. خالص‌سازی تیتانیوم (IV) کلرید

تیتانیوم (IV) کلرید خام با استفاده از فرآیند تقطیر، خالص‌سازی می‌شود. البته قبل از این کار باید با «هیدروژن سولفید» $$H _ 2 S$$ یا روغن‌های معدنی آن را آماده کرد. این آماده‌سازی به این منظور صورت می‌گیرد تا «وانادیم اکسی کلراید» $$(V O Cl_3 )$$ که نقطه جوشی برابر با تیتانیوم (IV) کلرید دارد از آن حذف شود. محصول نهایی شامل تیتانیوم (IV) کلرید با خلوص 99/9 درصد است که می‌توان از آن در تولید تیتانیوم یا رنگ‌های مات استفاده کرد.

تانکرهایی که برای نگهداری این مواد استفاده می‌شود باید خشک و عاری از هرگونه رطوبت باشند چراکه این مواد در حضور آب و تحت یک هیدرولیز سریع رسوبات سفید هیدروژن کلرید از خود بجای می‌گذارند:

$$\mathrm { TiCl } _ { 4 } ( \mathrm { l } ) + 2 \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } ( \mathrm { l} ) \rightarrow \mathrm { T } { \mathrm { iO } _ { 2 } ( \mathrm { S } ) } + 4 \mathrm { HCl } ( \mathrm { g } )$$

3. کاهش تیتانیوم (IV) کلرید به اسفنج تیتانیوم

تیتانیوم (IV) کلرید مایعی فرار است. این مایع را گرم می‌کنند تا بخار آن را از یک راکتور استنلس استیل (فولاد ضدزنگ) عبور دهند. این راکتور حاوی منیزیمی است که تا 526 درجه سانتی‌گراد و در محیط آرگون گرم شده است. گذر این مایع از راکتور و واکنش آن گرمازا است و دما را تا 826 درجه سانتی‌گراد بالا می‌برد. به موجب این واکنش‌ها، کلرید‌های تیتانیوم (II) و تیتانیوم (III) تولید می‌شوند. کلریدهای تولیدی به هنگام واکنش، سرعت پایین دارند و به منظور سرعت بخشیدن به واکنش، دما را تا بیش از 1000 درجه سانتی‌گراد بالا می‌برند. با این وجود باز هم انجام این واکنش زمان‌بر خواهد بود:

$$\mathrm { TiCl } _ { 4 } ( \mathrm { g } ) + 2 \mathrm { Mg } ( \mathrm { l } ) \rightarrow \mathrm { T } ( \mathrm { s } ) + 2 \mathrm { MgCl } _ { 2 } ( \mathrm { s } )$$

بعد از گذشت 36-50 ساعت، راکتور را از کوره خارج  می‌کنند و به مدت ۴ روز زمان می‌دهند تا سرد شود. منیزیمی که در واکنش شرکت نکرده است را به همراه مخلوط کلرید و تیتانیوم خرد می‌کنند و به منظور حذف منیزیم کلرید، آنها را با هیدروکلریک اسید رقیق شستشو می‌دهند. در روشی جایگزین که معمولا در ژاپن انجام می‌شود، حذف منیزیمِ واکنش نداده از تیتانیوم به کمک تقطیر خلا و با دمای بالا انجام می‌گیرد.

با الکترولیز منیزیم کلرید، از منیزیم تولیدی دوباره در فرآیند کاهش استفاده می‌کنند و کلر تولیدی را نیز در بخش کلر زنی بکار می‌گیرند. خالص‌سازی تیتانیوم به کمک تقطیر با دمای بالا انجام می‌شود. فلز تولیدی به شکل دانه‌های ریزی است که به آن اسفنج می‌گویند. این گرده‌های تیتانیومی را می‌توان جداگانه به فروش رساند یا با فرآوری آن‌ها به محصولات مختلف تیتانیومی دست پیدا کرد.

4. فرآوری اسفنج تیتانیوم

اسفنج تیتانیوم به سادگی در دمای بالا با نیتروژن و اکسیژن واکنش می‌دهد. در نتیجه برای فرآوری آن باید از محیط‌های خلأ یا محیطی خنثی مانند آرگون کمک گرفت. در این مرحله، ممکن است مواد بازیافتی این فلز یا فلزات دیگر را بمنظور تولید آلیاژهای تیتانیوم به فرآیند اضافه کنند. یک روش معمول برای این کار، فشرده کردن مواد در بلوک‌های بزرگ است که در نهایت به الکترود در «کور‌ه‌های قوس الکتریکی» (Electric Arc Melting Crucible) تبدیل می‌شوند. قوس الکتریکی میان بوته (ظرف) و الکترود رخ می‌دهد که در نهایت موجب ذوب شدن الکترود در داخل بوته خواهد بود. این مواد مذاب،‌ بعد از سرد شدن به شمش‌هایی تبدیل می‌شوند که می‌توان آن‌ها را برای دستیابی به کیفیت بهتر، دوباره ذوب کرد.

فرآیند آرمسترانگ در تولید تیتانیوم

در تولید این عنصر فلزی و آلیاژهای آن، می‌توان به جای استفاده از منیزیم، از سدیم استفاده کرد. علیرغم اینکه این روش از نظر شیمی، روش جدیدی نیست و در فرآیند هانتر با آن آشنا شدیم اما به تازگی روشی پیوسته به همین منظور توسعه داده شده است که موجب کاهش هزینه‌ها نیز خواهد بود.

فیلم آموزش شکل دادن فلزات – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

تیتانیوم (IV) کلرید به یک جریان مذاب از سدیم وارد می‌شود و کلرید طی یک فرآیند ردوکس (اکسید و احیا) به فلز کاهش پیدا می‌کند. از آنجایی که تیتانیوم و سدیم کلرید هر دو جامد هستند، خارج کردن آنها از سدیم مذاب به کمک فیلتراسیون انجام می‌گیرد. بعد از این مرحله، جداسازی فلز تیتانیوم از نمک، به سادگی با شستشو توسط آب امکان‌پذیر خواهد بود. سدیم کلرید تولیدی بعد از خشک شدن، ذوب و به کمک الکترولیز به سدیم و کلر تبدیل می‌شود. از سدیم و کلر تولیدی به طور مجدد در «فرآیند آرمسترانگ» (ITP Armstrong Process) بهره می‌گیرند.

فرآیند کمبریج در تولید تیتانیوم

تحقیقات در دانشگاه کمبریج انگلستان موجب توسعه روشی بر پایه الکترولیت شد که دی‌اکسید تیتانیوم را به طور مستقیم به تیتانیوم تبدیل کند.

دی‌اکسید تیتانیوم (روتیل) را پودر و به گلوله‌هایی تبدیل می‌کنند که نقش کاتدی دارند. این گلوله‌ها را داخل حمام مذابی از کلسیم کلرید قرار می‌دهند. این سلول به کمک یک آند کربنی کامل می‌شود. با اعمال ولتاژ، اکسید تیتانیوم به تیتانیوم کاهش می‌یابد و یون‌های اکسیدشده به طرف آند کربنی حرکت می‌کنند. این عمل موجب تشکیل مونو اکسید و دی‌اکسید کربن خواهد بود.

با اعمال ولتاژ بالاتر، مکانیسم متفاوتی رخ خواهد داد. کلسیم در کاتد رسوب می‌کند و با دی‌اکسید تیتانیوم وارد واکنش می‌شود. فرآورده‌های این واکنش، تیتانیوم و یون‌های کلسیم هستند. این فرآیند که به «فرآیند کمبریج» (FFC Cambridg Process) موسوم است به سبب دمای پایین‌تر واکنش، هزینه و خطرات زیست‌محیطی کمتری دارد. استفاده از این روش موجب کاهش هزینه‌ها و بکارگیری گسترده این فلز با ارزش خواهد بود.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده‌ است،‌ آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های مهندسی مواد و معدن
• آموزش اصول استخراج فلزات – پیرومتالورژی (Pyrometallurgy)
• آمونیاک و فرآیند هابر — از صفر تا صد
• آبکاری — به زبان ساده

^^