טיטניום: יסוד כימי בעל המספר האטומי 22

ערך זה עוסק ביסוד כימי בעל המספר האטומי 22. אם התכוונתם למשמעות אחרת, ראו טיטניום (פירושונים).

המונח "TI" מפנה לכאן. לערך העוסק בפירושים אחרים, ראו TI (פירושונים).

מתכת מעבר קלה, חזקה, מבריקה ועמידה בפני קורוזיה. היסוד נקרא על שם הטיטנים מהמיתולוגיה היוונית.

טיטניום

ונדיום - טיטניום - סקנדיום
Ti Zr       22 Ti                                                                                                                                                                                                                                                                                           הטבלה המחזורית
נתונים בסיסיים
מספר אטומי	22
סמל כימי	Ti
סדרה כימית	מתכות מעבר
מראה
אפור-לבן כסוף מתכתי
תכונות אטומיות
משקל אטומי	47.867 u
רדיוס ואן דר ואלס	147 pm
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה	2, 8, 10, 2
קונפיגורציה אלקטרונית	[Ar] 3d² 4s²
דרגות חמצון	−1, 4, 2, 1, 3
תכונות פיזיקליות
צפיפות	4,507 kg/m3
מצב צבירה בטמפ' החדר	מוצק
נקודת רתיחה	3,560.15K (3,287°C)
נקודת התכה	1,941.15K (1,668°C)
לחץ אדים	0.49Pa ב-1,933K
מהירות הקול	4,140 מטר לשנייה ב-293.15K
שונות
אלקטרושליליות	1.54
קיבול חום סגולי	520 J/(kg·K)
מוליכות חשמלית	2.34 106/m·Ω
מוליכות חום	21.9 W/(m·K)
אנרגיית יינון ראשונה	658.8 kJ/mol
אנרגיית יינון שנייה	1,309.8 kJ/mol
אנרגיית יינון שלישית	2,652/5 kJ/mol
מבנה גבישי	המערכת הגבישית ההקסגונלית
היסטוריה
מגלה	פרידריך ולר
תאריך גילוי	1791
נקרא על שם	טיטאנים

על פני השטח של טיטניום נוצרת שכבה דקיקה של תחמוצת טבעית, אשר בדומה לאלומיניום מעניקה למתכת הגנה מצוינת מפני חמצון. בשל זאת לטיטניום עמידות גבוהה בפני חמצון, הקרובה לזו של פלטינה. בזכות שכבת התחמוצת הטבעית, טיטניום גם עמידה נגד תמיסות דלילות של חומצה כלורית וחומצה גופרתית, כמו גם תמיסות של כלור ורוב החומצות האורגניות. עם זאת, חומצות חזקות תוקפות טיטניום במהירות. לטיטניום נקודת היתוך גבוהה וחוזק דומה לפלדה (וקלה יותר ב-45% ממנה), היא כבדה ב-60% מאלומיניום אבל חזקה פי שניים ממנו. תכונות כמו אלו הופכות את הטיטניום למתכת שימושית מאוד.

טיטניום הוא אחד היסודות היחידים הבוערים בסביבת חנקן, ב-800°C, ובאטמוספירת חנקן, הוא מתרכב איתו לטיטניום חנקני.

טיטניום דו-חמצני מתרכב עם מים ליצירת חומצה טיטנית:H₄TiO₄.

ניסויים הראו שטיטניום טבעי הופך להיות מאוד רדיואקטיבי לאחר הפצצה באלומת דאוטרונים, ופולט פוזיטרונים וקרינת גמא.

  ערך מורחב – תהליך קרול

הפקת טיטניום מתבססת כיום על תהליך קרול. בתהליך זה, עפרת טיטניום (בעיקר אילמניט או רוטיל) עוברת חיזור ראשוני באמצעות אבקת פחם, במיכל הגבה בטמפרטורה של כ-1000 מעלות צלזיוס. אז מוזרם לתערובת התגובה גז כלור (Cl₂) ליצירת טיטניום ארבע-כלורי (TiCl₄) - שהוא נוזל נדיף מאוד, המבודד מהמערכת באמצעות זיקוק מפריט. בשלב הבא, הטיטניום הארבע-כלורי (TiCl₄) מועבר למיכל תגובה אחר, העשוי פלדת אל-חלד, בו הוא מחוזר על ידי מגנזיום או נתרן נוזלי, המוכנסים בעודף סטוכיומטרי של כ-20%, בטמפרטורה של כ-850 מעלות צלזיוס.

התגובות בתהליך:

${\displaystyle TiO_{2}+2Cl_{2}+C\rightarrow TiCl_{4}+2CO_{2}}$ 

${\displaystyle TiCl_{4}+2Mg\rightarrow Ti+2MgCl_{2}}$ 

 

לקראת סוף המאה ה-19 הוחל בהפקה מסחרית של מינרלים מבוססי טיטניום בדרום מזרח פנסילבניה. באותה תקופה הופקו גם כמויות קטנות של רוטיל בצפון קרולינה ובג'ורג'יה. בשנת 1901 בהפקה נרחבת של רוטיל בווירג'יניה לצורך יצירת כימיקלים מטיטניום ולצביעת קרמיקות. בשנת 1916 הוחל בהפקה של טיטניום בפלורידה לצורך ייצור טיטניום ארבע-כלורי עבור קליעים נותבים, זיקוקים ומסך עשן.

עד 1946 לא השתמשו בטיטניום כמתכת מחוץ למעבדות. רק לאחר שוויליאם ג'סטין קרול הוכיח שאפשר להפיק טיטניום בצורה מסחרית, השתנה המצב, ובסוף שנות ה-40 של המאה ה-20 הוחל בהפקה של טיטניום בכמויות מסחריות ובתכנון השימוש בו בתעופה, בבניית אוניות ובמתקני התעשייה הכימית.

בשנות ה-50 של המאה ה-20 החל שימוש נרחב בטיטניום בייצור מטוסים, ובתחילת שנות ה-60 כל מטוסי הסילון החדישים כללו פסי חיזוק מטיטניום. באותן שנים רוב הטיטניום ששימש את התעשייה הופק בקנדה.

בתעשיית מכוניות על: מארז גוף דגם ה"GTA ספאנו" בנוי מיציקת סיבי פחם בתוך גוף הרכב, שזורים עם טיטניום וקוולאר.

טיטניום דו-חמצני (TiO₂) משמש בתור פיגמנט לצבעים, נייר וחומרים פלסטיים. צבעים שמכילים טיטניום דו-חמצני הם רפלקטורים מצוינים לקרינת אור תת-אדום, ומשמשים כחומרי צביעה במתקנים אסטרונומיים. בין הצבענים מבוססי הטיטניום נכללים לבן טיטניום וצהוב ניקל טיטניום.

בזכות התכונות המצוינות של הטיטניום, סגסוגות טיטניום משמשות לבניית צוללות,רכב חלל, מטוסים, רוטורים של מסוקים, תחמושת, ספינות, חלליות, קוצבי לב, אפודי מגן, תכשיטים, שתלים דנטליים ומפרקים תחליפיים, שלדות אופניים ומחבטי גולף. טיטניום משולב לעיתים קרובות עם אלומיניום, עם ונדיום עם נחושת, עם ברזל, עם מנגן, עם מוליבדנום וכן עם מתכות אחרות. סגסוגת של טיטניום וונדיום משמשת לציפוי מטוסים. אחת הסגסוגות הנפוצות ביותר היא Ti-6Al-4V, המכונה בקיצור Titanium-6-4, והיא כוללת 6% משקלי של אלומיניום ו-4% משקלי של ונדיום (והיתר טיטניום).

יתרונות בניית צוללות מטיטניום משמעותיים ביותר. צוללות טיטניום עומדות בלחצים גבוהים פי 2 ויותר מצוללות פלדה.

לטיטניום שימוש נרחב ברפואה. חומר זה הוא החומר המוביל ממנו מייצרים שתלים אורתופדיים. היתרון בשימוש בטיטניום לצורך זה הוא שחומר זה אדיש מבחינה כימית ומתקבל באופן טוב על ידי גוף האדם. כמו כן, חוסר המגנטיות שלו מאפשרת למושתלים להיבדק במכונות MRI ללא בעיות.

שימושים נוספים:

• בזכות העמידות נגד מי ים, טיטניום משמש בתור חומר גלם למדחפים בסירות ובספינות.
• טיטניום משמש ליצירת אבני חן מלאכותיות.
• טיטניום דו-חמצני נמצא בתכשירי הגנה מהשמש.
• ליצירת תכשיטים שונים, שעונים ומשקפיים, וכן להחדרת פירסינג, מכיוון שאינו גורם לאלרגיה, בניגוד לניקל למשל.
• טיטניום ניטריד, TiN משמש למגוון יישומים במיקרואלקטרוניקה בהם דרוש מוליך עם עמידות לטמפרטורות גבוהות. בפרט, טיטניום ניטריד משמש בתור אלקטרודת השער בהתקני MOSFET מדורות מתקדמים (בעלי מקדם דיאלקטרי גבוה, החל משנת 2007).
• טיטניום משמש בסוג מסוים (ולא נפוץ) של משאבות ואקום גבוה מאוד (UHV) המכונות Titanium sublimation pump, או משאבות TSP.

 

מחקר

טיטניום התגלה לראשונה ב-1791 באנגליה על ידי הכומר של קהילת קרייד (Creed), ויליאם גרגור, שהיה גאולוג חובב. הוא זיהה את נוכחותו של היסוד החדש במינרל אילמניט כשמצא חול שחור ליד נחל בסמוך לכפר מאנאקן (Manaccan) שבמחוז קורנוול באנגליה ושם לב כי חול זה נמשך למגנט. אנליזה של החול העלתה נוכחות של שתי תחמוצות מתכתיות, תחמוצת ברזל (שהסבירה את המשיכה למגנט), ו-45.25% של תחמוצת מתכתית לבנה שהוא לא הצליח לזהות. בהבחינו כי התחמוצת הבלתי מזוהה מכילה מתכת שתכונותיה לא תאמו לאף אחד מהיסודות הידועים, דיווח גרגור על ממצאיו ל"חברה הגאלוגית המלכותית של קורנוול" ובמגזין המדע הגרמני "Crell's Annalen".

בערך באותו הזמן, הפיק פרנץ יוזץ מילר חומר דומה, אך לא יכול היה לזהותו. התחמוצת התגלתה במקביל ובאופן עצמאי על ידי הכימאי הגרמני, מרטין היינריך קלפרות, ב-1795 במינרל רוטיל מהונגריה. קלפרות גילה כי המינרל מכיל יסוד חדש שאותו כינה טיטניום על שם הטיטאנים במיתולוגיה היוונית. לאחר ששמע על התגלית המוקדמת יותר של גרגור הוא השיג דגימה מה"מאנאקניט" ואימת שהיא הכילה טיטניום.

מיום גילויו היה קשה להפיק טיטניום טהור ממכרות. טיטניום טהור (99.9%) הופק לראשונה ב-1910 על ידי מאתיו א. האנטר כשהוא חימם טיטניום 4 כלורי (TiCl₄) עם נתרן בטמפרטורה של 700–800 מעלות צלזיוס.

טיטניום הוא היסוד התשיעי הכי נפוץ בקרום כדור הארץ (0.6% מהמסה) ומהווה חלק מסלעים, ממכרות ברזל וממינרלים רבים. טיטניום התגלה במטאוריטים וכמו כן על השמש. סלעים שהוחזרו מהירח על ידי אפולו 17 הכילו 12.1% טיטניום דו-חמצני (TiO2). טיטניום נמצא גם בצמחים ובבני אדם.

• טיטניום דו-חמצני
• חומצה טיטנית

מיזמי קרן ויקימדיה
ערך מילוני בוויקימילון: טיטניום
ערך מילוני בוויקימילון: Ti
תמונות ומדיה בוויקישיתוף: טיטניום

• טיטניום ב־Webelements (אנגלית)
• טיטניום ב־EnvironmentalChemistry (אנגלית)
• טיטאניום - מתכת העתיד, חרות, 10 בינואר 1957
• טיטאניום וחומרי חרסינה (קרמלים), דבר, 15 בפברואר 1960
• טיטניום, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
•   טיטניום, דף שער בספרייה הלאומית