Propriétés physiques et chimiques du titane
Le titane est un métal de transition blanc argenté dont la densité n'est que de 4,54 g/cm³, ce qui le rend environ 40 % plus léger que le fer, mais dont la résistance est comparable à celle de l'acier. Cette propriété de légèreté et de résistance élevée fait que le titane est largement utilisé dans tous les domaines de la vie. Quelles sont donc les propriétés physiques et chimiques du titane ?
1. Structure atomique du titane
Commençons par examiner la structure atomique du titane. Le titane se situe dans le groupe IVB du tableau périodique, avec un numéro atomique de 22. Le noyau est constitué de 22 protons et de 20-32 neutrons, et la structure électronique extranucléaire est organisée comme suit : 1S22S22P63S23D24S2. Le rayon du noyau est de 5x10-13 cm. Ces structures atomiques uniques confèrent au titane des propriétés physiques et chimiques uniques.
2. Propriétés physiques du titane
Français La densité du titane est de 4,516 g/cm3 (29 degrés), le point de fusion est de 1 668 ± 4 degrés, la chaleur latente de fusion est de 3,8 kcal/atome-gramme, le point d'ébullition est de 326 ± 20 degrés, la chaleur latente de vaporisation est de 102,5 kcal/atome-gramme, la température critique est de 4 350 degrés et la pression critique est de 1 130 atmosphères. La conductivité thermique et la conductivité électrique du titane sont médiocres, similaires ou légèrement inférieures à celles de l'acier inoxydable. Le titane a une supraconductivité et la température critique de supraconductivité du titane pur est de 0,4 K. À 25 degrés, la capacité thermique du titane est de 0,126 cal/g atome·degré, l'enthalpie thermique est de 1149 cal/g atome et l'entropie est de 7,33 cal/g atome·degré. Le titane métallique est une substance paramagnétique avec une perméabilité magnétique de 1,00004.
Le titane est plastique. L'allongement du titane de haute pureté peut atteindre 50-60% et le retrait transversal peut atteindre 70-80%, mais sa résistance est faible et il ne convient pas aux matériaux de structure. La présence d'impuretés dans le titane a une grande influence sur ses propriétés mécaniques, en particulier les impuretés interstitielles (oxygène, azote, carbone) peuvent augmenter considérablement la résistance du titane et réduire considérablement sa plasticité. Les bonnes propriétés mécaniques du titane en tant que matériau de structure sont obtenues en contrôlant strictement la teneur en impuretés appropriée et en ajoutant des éléments d'alliage.
3. Propriétés chimiques du titane
Le titane peut réagir avec de nombreux éléments et composés à des températures plus élevées. Différents éléments peuvent être divisés en quatre catégories en fonction de leurs différentes réactions avec le titane :
Catégorie 1 : Les halogènes et les éléments du groupe de l’oxygène forment des composés covalents et ioniques avec le titane ;
Catégorie 2 : Les éléments de transition, l'hydrogène, le béryllium, les éléments du groupe du bore, du groupe du carbone et du groupe de l'azote forment des composés intermétalliques et des solutions solides limitées avec le titane ;
Catégorie 3 : Les éléments zirconium, hafnium, groupe vanadium, groupe chrome, scandium forment des solutions solides illimitées avec le titane ;
Catégorie 4 : Les gaz inertes, les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux, les terres rares (sauf le scandium), l'actinium, le thorium, etc. ne réagissent pas avec le titane ou ne réagissent pratiquement pas.
4. Réaction avec les composés :
HF et fluorure
Le gaz de fluorure d'hydrogène réagit avec le titane pour former du TiF4 lorsqu'il est chauffé, et la formule de réaction est (1) ; le liquide de fluorure d'hydrogène non aqueux peut former un film dense de tétrafluorure de titane à la surface du titane, ce qui peut empêcher le HF de pénétrer à l'intérieur du titane. L'acide fluorhydrique est le flux le plus puissant pour le titane. Même l'acide fluorhydrique avec une concentration de 1 % peut réagir violemment avec le titane ; les fluorures anhydres et leurs solutions aqueuses ne réagissent pas avec le titane à basse température, et seuls les fluorures fondus réagissent de manière significative avec le titane à haute température.
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.0 kcal (1) 2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2
HCl et chlorures
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 degrés pour former du TiCl4, voir formule (3) ; acide chlorhydrique avec une concentration de<5% does not react with titanium at room temperature, and 20% hydrochloric acid reacts with titanium at room temperature to form purple TiCl3, see formula (4); when the temperature rises, even dilute hydrochloric acid can corrode titanium. Various anhydrous chlorides, such as magnesium, manganese, iron, nickel, copper, zinc, mercury, tin, calcium, sodium, barium and NH4 ions and their aqueous solutions, do not react with titanium. Titanium has good stability in these chlorides.
Ti＋4HCl＝TiCl4＋2H2＋94,75 kcal (3)2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2 (4)
Acide sulfurique et sulfure d'hydrogène
Après la réaction du titane avec l'acide sulfurique dilué<5%, a protective oxide film is formed on the titanium surface, which can protect titanium from further corrosion by dilute acid. However, sulfuric acid >5% a une réaction significative avec le titane. À température ambiante, environ 40% d'acide sulfurique a le taux de corrosion le plus rapide sur le titane. Lorsque la concentration est supérieure à 40% et atteint 60%, le taux de corrosion ralentit et atteint le plus rapide à 80%. L'acide dilué chauffé ou l'acide sulfurique concentré à 50% peut réagir avec le titane pour former du sulfate de titane, voir formule (5), (6). L'acide sulfurique concentré chauffé peut être réduit par le titane pour former du SO2, voir formule (7). À température ambiante, le titane réagit avec le sulfure d'hydrogène pour former un film protecteur à sa surface, ce qui peut empêcher une réaction supplémentaire entre le sulfure d'hydrogène et le titane. Cependant, à haute température, le sulfure d'hydrogène réagit avec le titane pour précipiter l'hydrogène, comme le montre la formule (8). Le titane en poudre commence à réagir avec le sulfure d'hydrogène à 600 degrés pour former du sulfure de titane. À 900 degrés, le produit de réaction est principalement TiS, et à 1200 degrés, il est Ti2S3.
Ti＋H2SO4＝TiSO4＋H2 (5) 2Ti＋3H2SO4＝Ti2(SO4)3＋H2 (6)
2Ti＋6H2SO4＝Ti2(SO4)3＋3SO2＋6H2O＋202 kcal (7)Ti＋H2S＝TiS＋H2＋70 kcal (8)
Acide nitrique et eau régale
Le titane dense et lisse a une bonne stabilité à l'acide nitrique, car l'acide nitrique peut rapidement former un film d'oxyde solide sur la surface du titane, mais la surface rugueuse, en particulier le titane spongieux ou le titane en poudre, peut réagir avec l'acide nitrique dilué à basse et à haute température, voir formule (9), (10), et l'acide nitrique concentré au-dessus de 70 degrés peut également réagir avec le titane, voir formule (11) ; à température ambiante, le titane ne réagit pas avec l'eau régale. À haute température, le titane peut réagir avec l'eau régale pour former du TiCl2.
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO (10)
Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)
En résumé, les propriétés du titane sont étroitement liées à la température, à sa forme existante et à sa pureté. Le titane métallique dense est assez stable dans la nature, mais le titane en poudre peut provoquer une combustion spontanée dans l'air. La présence d'impuretés dans le titane affecte considérablement la résistance physique, chimique, mécanique et à la corrosion du titane. En particulier, certaines impuretés interstitielles peuvent déformer le réseau de titane et affecter diverses propriétés du titane. À température ambiante, l'activité chimique du titane est très faible et peut réagir avec quelques substances telles que l'acide fluorhydrique, mais l'activité du titane augmente rapidement lorsque la température augmente, en particulier à haute température, le titane peut réagir violemment avec de nombreuses substances. Le processus de fusion du titane est généralement effectué à une température élevée de plus de 800 degrés, il doit donc être opéré sous vide ou sous la protection d'une atmosphère inerte.
