تیتانیوم چیست

عنصر تیتانیوم با نماد شیمیایی Ti و عدد اتمی ۲۲، عضوی از فلزات واسطه در جدول تناوبی عناصر است. ریشۀ نام این عنصر از عبارت تایتان (Titan) است. در اساطیر یونان، تایتان ها به عنوان گروهی از خدایان بسیار قوی و مقتدر شناخته می‌شدند. به همین ترتیب، این فلز که بسیار مقاوم و با دوام است، نام تیتانیوم را گرفته است.

تیتانیوم نهمین عنصر فراوان در پوستۀ زمین است اما تا اوائل دهۀ ۱۷۹۰ میلادی هنوز کشف نشده بود. اولین مادۀ معدنی کشف شده از تیتانیوم، یک ماسۀ سیاه رنگ به نام مناکانیت (menachanite) بود. این ماده در سال ۱۷۹۱ در منطقۀ “کورن وال” توسط یک کشیش به نام “ویلیام گرگور” کشف شد.

او پس از تجزیه و تحلیل این مادۀ معدنی، نتیجه گرفت که از اکسیدهای آهن و یک فلز ناشناخته تشکیل شده است. لذا آن را به انجمن زمین شناسی سلطنتی کرنوال گزارش داد.

چهار سال بعد یعنی در سال ۱۷۹۵، دانشمند آلمانی “مارتین هاینریش کلاپروت” سنگ معدن قرمزی معروف به شرل (Schörl) را در مجارستان کشف کرد. این سنگ ظاهرا اکسید تیتانیوم روتیل (TiO_۲) بود. اما کلاپروت دریافت که این سنگ متشکل از اکسید همان عنصری است که تا آن روز ناشناخته بود.

کلاپروت این ماده را تیتانیوم نامید. هنگامی که به او در مورد کشف گریگور گفتند، وی مناکانیت را نیز آنالیز کرد و تأیید کرد که آن سنگ نیز حاوی تیتانیوم هست. اما به هر حال، فرم خالص این عنصر تا سال ۱۹۱۰ دست نیافتنی بود. سالی که دانشمندی به نام “م. هانتر” از شرکت جنرال الکتریک ایالات متحده، فرم خالص تیتانیم را سنتز کرد. او با گرمایش تتراکلرید تیتانیوم و فلز سدیم، توانست به این هدف دست یابد.

خواص فیزیکی تیتانیوم

به عنوان یک فلز، تیتانیوم به نسبت استحکام به وزن بالایی که دارد معروف است. تیتانیوم فلزی مستحکم با چگالی کم است که مخصوصا در یک محیط بدون اکسیژن کاملاً شکل پذیر است. همچنین ظاهری براق و یک رنگ سفید فلزی خاص دارد.

نقطه ذوب نسبتاً زیاد این فلز (بیش از ۱۶۵۰ درجۀ سلسیوس) از آن یک فلز نسوز ساخته است. این ماده پارامغناطیس است و در مقایسه با سایر فلزات، هدایت الکتریکی و حرارتی نسبتاً کمی دارد. تیتانیوم در صورت سرد شدن تا زیر دمای بحرانی خود یعنی ۴۹/۰ کلوین، ابررسانا (superconductor) است.

گریدهای تجاری تیتانیوم خالص (۹۹.۲ درصد خالص) دارای استحکام کششی نهایی حدود ۴۳۴ مگاپاسکال هستند. جالب اینجاست که در عین چگالی کمتری که تیتانیوم دارد، استحکام کششی آن با آلیاژهای فولادی گرید پایین (Low-Grade Steel Alloys) برابری می کند.

با این وجود، با حرارت دادن این فلز تا بالاتر از ۴۳۰ درجۀ سلسیوس، از استحکام آن کم می شود. این فلز یک آلوتروپ دوریخت (Dimorphic) است. یک آلوتروپ آن دارای ساختار بلوری هگزاگونال  است که آلفا نامیده می شود. تیتانیم آلفا در دمای ۸۸۲ درجۀ سلسیوس، به ساختار BCC تبدیل می شود که به آن تیتانیم بتا می گویند. شکل زیر دیاگرام فازی تیتانیوم-اکسیژن را نشان می دهد.

خواص شیمیایی تیتانیوم

مانند آلومینیوم و منیزیم، فلز تیتانیم و آلیاژهایش با قرارگیری در معرض هوا بلافاصله اکسید می شوند. اما واکنش آن به کندی صورت می گیرد؛ چرا که یک پوشش اکسیدی پسیو (Passive) ایجاد می شود که فلز را از اکسیداسیون بیشتر محافظت می کند.

هنگامی که این لایۀ محافظ برای اولین بار تشکیل می شود، فقط ۱ تا ۲ نانومتر ضخامت دارد. اما به آرامی به رشد خود ادامه می دهد و طی چهار سال به ضخامت ۲۵ نانومتر می رسد. با این حال تیتانیوم در ۱۲۰۰ درجۀ سلسیوس در هوای عادی و در ۶۱۰ درجۀ سلسیوس در اکسیژن خالص، به شدت با این گاز واکنش می دهد و دی اکسید تیتانیوم (TiO_۲) را تشکیل می دهد.

تیتانیم مقاومت به خوردگی مطلوبی در اتمسفر (در حد فلز پلاتین) دارد. این فلز قادر به مقاومت در برابر اسید سولفوریک و هیدروکلریک رقیق، محلول های کلریدی و اکثر اسیدهای آلی است. اگرچه معمولا توسط اسیدهای غلیظ خورده می شود.

تیتانیوم از معدود عناصری است که در گاز نیتروژن خالص می سوزد و در دمای ۸۰۰ درجۀ سلسیوس نیترید تیتانیوم را ایجاد کرده که باعث تردی این فلز می شود. رشته های تیتانیومی به دلیل واکنش پذیری بالای آن با اکسیژن، نیتروژن و برخی گازهای دیگر، در پمپ های تصعید به عنوان پاک کنندۀ این گازها استفاده می شود. این پمپ های ارزان و قابل اطمینان، فشارهای بسیار کمی را در سیستم های با خلا بسیار زیاد (ultra-high vacuum) ایجاد می کنند.

فرایند تولید تیتانیوم

تیتانیوم با استفاده از فرآیندی تحت عنوان “کرول” (Kroll) تولید می شود. مراحل این فرایند شامل استخراج، تصفیه، تولید اسفنج، ایجاد آلیاژ و شکل دهی و فرم دهی است. در ایالات متحده و اکثر کشورهای تولید کنندۀ تیتانیوم، بسیاری از تولیدکنندگان در مراحل مختلف این تولیدات تخصص دارند.

به عنوان مثال، تولیدکنندگانی وجود دارند که فقط اسفنج می سازند. یا برخی دیگر که فقط عملیات ذوب را انجام می دهند و آلیاژ ایجاد می کنند. بعضی دیگر نیز صرفا محصولات نهایی را تولید می کنند. در ادامه هر یک از مراحل را بررسی می کنیم.

استخراج

در آغاز تولید کننده کنسانتره های تیتانیوم را از معادن دریافت می کند. منابع معدنی اصلی این عنصر، سنگ های روتیل، ایلمنیت و لوکوکسن هستند. از سنگ روتیل می توان به شکل طبیعی خود استفاده کرد اما سنگ ایلمنیت برای از بین بردن آهن پردازش می شود تا حداقل ۸۵ درصد دی اکسید تیتانیوم داشته باشد.

این کنسانتره ها همراه با گاز کلر و کربن در یک رآکتور بستر سیال قرار می گیرند. سپس تا ۶۵۲ درجۀ فارنهایت (۹۰۰ درجۀ سلسیوس) گرم می شوند تا واکنش شیمیایی بعدی منجر به ایجاد تتراکلرید تیتانیوم ناخالص (TiCl_۴) و مونوکسید کربن شود. در انتهای این مرحله کلریدهای فلزی ناخواستۀ مختلفی که تولید شده اند، باید حذف شوند.