टाइटेनियम के भौतिक और रासायनिक गुण

टाइटेनियम एक चांदी-सफेद संक्रमण धातु है जिसका घनत्व केवल 4.54 ग्राम/सेमी³ है, जो लोहे से लगभग 40% हल्का है, लेकिन इसकी ताकत स्टील के बराबर है। यह हल्कापन और उच्च शक्ति वाला गुण टाइटेनियम को जीवन के सभी क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग करने योग्य बनाता है। तो, टाइटेनियम के भौतिक और रासायनिक गुण क्या हैं?

1. टाइटेनियम की परमाणु संरचना
सबसे पहले, आइए टाइटेनियम की परमाणु संरचना पर एक नज़र डालें। टाइटेनियम आवर्त सारणी के समूह IVB में स्थित है, जिसकी परमाणु संख्या 22 है। नाभिक में 22 प्रोटॉन और 20-32 न्यूट्रॉन होते हैं, और अतिरिक्त परमाणु इलेक्ट्रॉन संरचना 1S22S22P63S23D24S2 के रूप में व्यवस्थित होती है। नाभिक की त्रिज्या 5x10-13 सेमी है। ये अनूठी परमाणु संरचनाएँ टाइटेनियम को अद्वितीय भौतिक और रासायनिक गुण प्रदान करती हैं।

2. टाइटेनियम के भौतिक गुण
टाइटेनियम का घनत्व 4.506-4.516 ग्राम/सेमी3 (20 डिग्री) है, गलनांक 1668±4 डिग्री है, गलनांक की गुप्त ऊष्मा 3.7-5.0 किलोकैलोरी/ग्राम परमाणु है, क्वथनांक 3260±20 डिग्री है, वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा 102.5-112.5 किलोकैलोरी/ग्राम परमाणु है, क्रांतिक तापमान 4350 डिग्री है, और क्रांतिक दबाव 1130 वायुमंडल है। टाइटेनियम की तापीय चालकता और विद्युत चालकता खराब है, स्टेनलेस स्टील के समान या उससे थोड़ी कम है। टाइटेनियम में अतिचालकता है, और शुद्ध टाइटेनियम का अतिचालक क्रांतिक तापमान 0.38-0.4K है। 25 डिग्री पर, टाइटेनियम की ताप क्षमता 0.126 कैलोरी/जी परमाणु·डिग्री है, थर्मल एन्थैल्पी 1149 कैलोरी/जी परमाणु है, और एन्ट्रॉपी 7.33 कैलोरी/जी परमाणु·डिग्री है। धात्विक टाइटेनियम एक पैरामैग्नेटिक पदार्थ है जिसकी चुंबकीय पारगम्यता 1.00004 है।
टाइटेनियम में प्लास्टिसिटी होती है। उच्च शुद्धता वाले टाइटेनियम का बढ़ाव 50-60% तक पहुँच सकता है, और क्रॉस-सेक्शनल सिकुड़न 70-80% तक पहुँच सकता है, लेकिन इसकी ताकत कम है और यह संरचनात्मक सामग्रियों के लिए उपयुक्त नहीं है। टाइटेनियम में अशुद्धियों की उपस्थिति इसके यांत्रिक गुणों पर बहुत प्रभाव डालती है, विशेष रूप से अंतरालीय अशुद्धियाँ (ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, कार्बन) टाइटेनियम की ताकत को बहुत बढ़ा सकती हैं और इसकी प्लास्टिसिटी को काफी कम कर सकती हैं। संरचनात्मक सामग्री के रूप में टाइटेनियम के अच्छे यांत्रिक गुण उचित अशुद्धता सामग्री को सख्ती से नियंत्रित करके और मिश्र धातु तत्वों को जोड़कर प्राप्त किए जाते हैं।

3. टाइटेनियम के रासायनिक गुण
टाइटेनियम उच्च तापमान पर कई तत्वों और यौगिकों के साथ प्रतिक्रिया कर सकता है। टाइटेनियम के साथ उनकी विभिन्न प्रतिक्रियाओं के अनुसार विभिन्न तत्वों को चार श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है:
श्रेणी 1: हैलोजन और ऑक्सीजन समूह तत्व टाइटेनियम के साथ सहसंयोजक और आयनिक यौगिक बनाते हैं;
श्रेणी 2: संक्रमण तत्व, हाइड्रोजन, बेरिलियम, बोरॉन समूह, कार्बन समूह और नाइट्रोजन समूह तत्व टाइटेनियम के साथ इंटरमेटेलिक यौगिक और सीमित ठोस समाधान बनाते हैं;
श्रेणी 3: जिरकोनियम, हेफ़नियम, वैनेडियम समूह, क्रोमियम समूह, स्कैंडियम तत्व टाइटेनियम के साथ असीमित ठोस समाधान बनाते हैं;
श्रेणी 4: निष्क्रिय गैसें, क्षार धातुएं, क्षारीय मृदा धातुएं, दुर्लभ मृदा तत्व (स्कैंडियम को छोड़कर), एक्टिनियम, थोरियम आदि टाइटेनियम के साथ प्रतिक्रिया नहीं करते हैं या मूल रूप से प्रतिक्रिया नहीं करते हैं।

4. यौगिकों के साथ प्रतिक्रिया:
एचएफ और फ्लोराइड
हाइड्रोजन फ्लोराइड गैस गर्म होने पर टाइटेनियम के साथ प्रतिक्रिया करके TiF4 बनाती है, और प्रतिक्रिया सूत्र (1) है; गैर-जलीय हाइड्रोजन फ्लोराइड तरल टाइटेनियम की सतह पर एक सघन टाइटेनियम टेट्राफ्लोराइड फिल्म बना सकता है, जो HF को टाइटेनियम के अंदरूनी हिस्से में घुसने से रोक सकता है। हाइड्रोफ्लोरिक एसिड टाइटेनियम के लिए सबसे मजबूत प्रवाह है। यहां तक ​​कि 1% की सांद्रता वाला हाइड्रोफ्लोरिक एसिड भी टाइटेनियम के साथ हिंसक रूप से प्रतिक्रिया कर सकता है; निर्जल फ्लोराइड और उनके जलीय घोल कम तापमान पर टाइटेनियम के साथ प्रतिक्रिया नहीं करते हैं, और केवल पिघले हुए फ्लोराइड ही उच्च तापमान पर टाइटेनियम के साथ महत्वपूर्ण रूप से प्रतिक्रिया करते हैं।
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.0 किलोकैलोरी (1) 2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2

एचसीएल और क्लोराइड
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 डिग्री पर TiCl4 बनाएं, सूत्र (3) देखें; हाइड्रोक्लोरिक एसिड की सांद्रता<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＋94.75kcal (3)2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2 (4)

सल्फ्यूरिक एसिड और हाइड्रोजन सल्फाइड
टाइटेनियम तनु सल्फ्यूरिक अम्ल के साथ अभिक्रिया करता है<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% की टाइटेनियम के साथ महत्वपूर्ण प्रतिक्रिया होती है। कमरे के तापमान पर, लगभग 40% सल्फ्यूरिक एसिड में टाइटेनियम पर सबसे तेज़ संक्षारण दर होती है। जब सांद्रता 40% से अधिक होती है और 60% तक पहुँच जाती है, तो संक्षारण दर धीमी हो जाती है और 80% पर सबसे तेज़ पहुँच जाती है। गर्म तनु अम्ल या 50% सांद्र सल्फ्यूरिक एसिड टाइटेनियम के साथ प्रतिक्रिया करके टाइटेनियम सल्फेट बना सकता है, सूत्र (5), (6) देखें। गर्म सांद्र सल्फ्यूरिक एसिड को टाइटेनियम द्वारा SO2 बनाने के लिए कम किया जा सकता है, सूत्र (7) देखें। कमरे के तापमान पर, टाइटेनियम हाइड्रोजन सल्फाइड के साथ प्रतिक्रिया करके अपनी सतह पर एक सुरक्षात्मक फिल्म बनाता है, जो हाइड्रोजन सल्फाइड और टाइटेनियम के बीच आगे की प्रतिक्रिया को रोक सकता है। हालाँकि, उच्च तापमान पर, हाइड्रोजन सल्फाइड टाइटेनियम के साथ प्रतिक्रिया करके हाइड्रोजन को अवक्षेपित करता है, जैसा कि सूत्र (8) में दिखाया गया है। पाउडर टाइटेनियम 600 डिग्री पर हाइड्रोजन सल्फाइड के साथ प्रतिक्रिया करके टाइटेनियम सल्फाइड बनाना शुरू करता है। 900 डिग्री पर, प्रतिक्रिया उत्पाद मुख्य रूप से TiS है, और 1200 डिग्री पर, यह Ti2S3 है।
2Ti+3H2SO4=Ti2(SO4)3+H2 (6)
2Ti＋6H2SO4＝Ti2(SO4)3＋3SO2＋6H2O＋202 किलोकैलोरी (7)Ti＋H2S＝TiS＋H2＋70 किलोकैलोरी (8)

नाइट्रिक एसिड और एक्वा रेजिया
घने और चिकने टाइटेनियम में नाइट्रिक एसिड के लिए अच्छी स्थिरता होती है, क्योंकि नाइट्रिक एसिड टाइटेनियम की सतह पर जल्दी से एक मजबूत ऑक्साइड फिल्म बना सकता है, लेकिन खुरदरी सतह, विशेष रूप से स्पंज टाइटेनियम या पाउडर टाइटेनियम, कम और गर्म पतला नाइट्रिक एसिड के साथ प्रतिक्रिया कर सकता है, सूत्र (9), (10) देखें, और 70 डिग्री से ऊपर केंद्रित नाइट्रिक एसिड भी टाइटेनियम के साथ प्रतिक्रिया कर सकता है, सूत्र (11) देखें; कमरे के तापमान पर, टाइटेनियम एक्वा रेजिया के साथ प्रतिक्रिया नहीं करता है। उच्च तापमान पर, टाइटेनियम एक्वा रेजिया के साथ प्रतिक्रिया करके TiCl2 बना सकता है।
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO (10)
Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)

संक्षेप में, टाइटेनियम के गुण तापमान, उसके मौजूदा स्वरूप और शुद्धता से निकटता से संबंधित हैं। सघन धातु टाइटेनियम प्रकृति में काफी स्थिर है, लेकिन चूर्णित टाइटेनियम हवा में स्वतःस्फूर्त दहन का कारण बन सकता है। टाइटेनियम में अशुद्धियों की उपस्थिति टाइटेनियम के भौतिक, रासायनिक, यांत्रिक और संक्षारण प्रतिरोध को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती है। विशेष रूप से, कुछ अंतरालीय अशुद्धियाँ टाइटेनियम जाली को विकृत कर सकती हैं और टाइटेनियम के विभिन्न गुणों को प्रभावित कर सकती हैं। कमरे के तापमान पर, टाइटेनियम की रासायनिक गतिविधि बहुत कम होती है और हाइड्रोफ्लोरिक एसिड जैसे कुछ पदार्थों के साथ प्रतिक्रिया कर सकती है, लेकिन तापमान बढ़ने पर टाइटेनियम की गतिविधि तेजी से बढ़ जाती है, खासकर उच्च तापमान पर, टाइटेनियम कई पदार्थों के साथ हिंसक रूप से प्रतिक्रिया कर सकता है। टाइटेनियम की गलाने की प्रक्रिया आम तौर पर 800 डिग्री से अधिक के उच्च तापमान पर की जाती है, इसलिए इसे वैक्यूम में या निष्क्रिय वातावरण के संरक्षण में संचालित किया जाना चाहिए।