टाइटेनियम के रासायनिक और भौतिक गुण

टाइटेनियम एक मजबूत और हल्की दुर्दम्य धातु है। टाइटेनियम मिश्र धातु एयरोस्पेस उद्योग के लिए महत्वपूर्ण हैं और इसका उपयोग चिकित्सा, रसायन और सैन्य हार्डवेयर के साथ-साथ खेल उपकरण में भी किया जाता है।

एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में टाइटेनियम की 80% खपत होती है, जबकि 20% धातु का उपयोग कवच, चिकित्सा हार्डवेयर और उपभोक्ता उत्पादों में किया जाता है।

टाइटेनियम गुण

जब टाइटेनियम के गुणों की बात आती है, तो हम इसके अद्वितीय भौतिक गुणों को नजरअंदाज नहीं कर सकते। टाइटेनियम एक हल्की धातु है जिसका घनत्व 4.5 ग्राम प्रति घन सेंटीमीटर है, जो इसे उत्कृष्ट ताकत देता है। ताकत-से-वजन अनुपात का यह संतुलन टाइटेनियम को एयरोस्पेस क्षेत्र में एक मचान सामग्री बनाता है और आधुनिक विमानों के विकास को बढ़ावा देता है।

परमाणु प्रतीक: Ti

परमाणु क्रमांक: 22

तत्व श्रेणी: संक्रमण धातु

घनत्व: 4.506/सेमी 3

गलनांक: 3038 डिग्री फ़ारेनहाइट (1670 डिग्री)

क्वथनांक: 5949 डिग्री एफ (3287 डिग्री)

मोह्स कठोरता: 6

विशेषता

टाइटेनियम युक्त मिश्र धातुएँ अपनी उच्च शक्ति, हल्के वजन और उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध के लिए जानी जाती हैं। हालाँकि टाइटेनियम स्टील जितना मजबूत है, यह लगभग 40% हल्का है।

यह, गुहिकायन (तेजी से दबाव परिवर्तन जो सदमे तरंगों का कारण बनता है जो समय के साथ धातु को कमजोर या क्षतिग्रस्त करता है) और क्षरण के प्रतिरोध के साथ मिलकर, इसे एयरोस्पेस इंजीनियरों के लिए एक आवश्यक संरचनात्मक धातु बनाता है।

टाइटेनियम पानी और रासायनिक मीडिया द्वारा संक्षारण के प्रति भी अत्यधिक प्रतिरोधी है। यह प्रतिरोध इसकी सतह पर टाइटेनियम डाइऑक्साइड (TiO2) की एक पतली परत के गठन के कारण होता है, जिससे इन सामग्रियों को घुसना बेहद मुश्किल हो जाता है।

टाइटेनियम में लोच का मापांक कम होता है। इसका मतलब यह है कि टाइटेनियम बहुत लचीला है और झुकने के बाद अपने मूल आकार में वापस आ सकता है। मेमोरी मिश्र धातु (ऐसी मिश्र धातु जो ठंडी होने पर ख़राब हो जाती है लेकिन गर्म होने पर अपने मूल आकार में लौट आती है) कई आधुनिक अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण हैं।

टाइटेनियम गैर-चुंबकीय और जैव-संगत (गैर-विषाक्त, गैर-एलर्जेनिक) है, जिसके कारण चिकित्सा क्षेत्र में इसका उपयोग बढ़ रहा है।

इतिहास

टाइटेनियम के औद्योगिक महत्व को समझने के लिए हमें इसके इतिहास पर नजर डालने की जरूरत है। टाइटेनियम की खोज 18वीं सदी में हुई थी, लेकिन इसके विनाशकारी रूप को 20वीं सदी तक सफलतापूर्वक अलग नहीं किया जा सका था। पिछले कुछ दशकों में, टाइटेनियम धीरे-धीरे प्रमुखता में आया है और विज्ञान और प्रौद्योगिकी का मुख्य आधार बन गया है। विमानन उद्योग के उदय के साथ, टाइटेनियम मिश्र धातु विमान संरचनाओं के लिए एक आदर्श विकल्प बन गए हैं। उनके हल्के और उच्च शक्ति वाले गुण विमान को न केवल अधिक ऊर्जा-कुशल बनाते हैं, बल्कि सुरक्षित भी बनाते हैं।

किसी भी रूप में टाइटेनियम का उपयोग वास्तव में द्वितीय विश्व युद्ध के बाद ही विकसित हुआ। वास्तव में, 1910 तक टाइटेनियम को एक धातु के रूप में पृथक नहीं किया गया था जब अमेरिकी रसायनज्ञ मैथ्यू हंटर ने सोडियम के साथ टाइटेनियम टेट्राक्लोराइड (TiCl 4) को कम करके टाइटेनियम का उत्पादन किया था; एक विधि जिसे अब हंटर प्रक्रिया के नाम से जाना जाता है।

हालाँकि, 1930 के दशक तक व्यावसायिक उत्पादन संभव नहीं था जब विलियम जस्टिन क्रोल ने प्रदर्शित किया कि मैग्नीशियम का उपयोग क्लोराइड से टाइटेनियम को कम करने के लिए भी किया जा सकता है। क्रोल प्रक्रिया आज भी सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली व्यावसायिक उत्पादन पद्धति बनी हुई है।

लागत प्रभावी उत्पादन पद्धति विकसित होने के बाद टाइटेनियम का पहला बड़ा उपयोग सैन्य विमानों में किया गया था। सोवियत संघ और संयुक्त राज्य अमेरिका ने 1950 और 1960 के दशक में डिज़ाइन किए गए सैन्य विमानों और पनडुब्बियों में टाइटेनियम मिश्र धातुओं का उपयोग करना शुरू किया। 1960 के दशक की शुरुआत में, वाणिज्यिक विमान निर्माताओं ने भी टाइटेनियम मिश्र धातुओं का उपयोग करना शुरू कर दिया।

1950 के दशक के स्वीडिश डॉक्टर पेर-इंगवार ब्रैनमार्क के शोध से पता चला है कि टाइटेनियम मानव शरीर में नकारात्मक प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया को ट्रिगर नहीं करता है, जिससे धातु हमारे शरीर में एकीकृत हो जाती है। इसे ऑसियोइंटीग्रेशन कहा जाता है.

उत्पादन

टाइटेनियम एक व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली हल्की धातु है जिसका उत्पादन मुख्य रूप से क्लोरीनीकरण विधि पर निर्भर करता है। इस प्रक्रिया में, टाइटेनियम अयस्क आमतौर पर क्लोरीन गैस और कोक के साथ प्रतिक्रिया करके टाइटेनियम क्लोराइड उत्पन्न करता है, जिसे बाद में उच्च तापमान के माध्यम से शुद्ध धात्विक टाइटेनियम में बदल दिया जाता है। यह अनूठी और जटिल उत्पादन प्रक्रिया हमें विभिन्न क्षेत्रों में अनुप्रयोगों की नींव रखने के लिए एक मजबूत, हल्के टाइटेनियम सामग्री प्रदान करती है।

यद्यपि टाइटेनियम पृथ्वी की पपड़ी में चौथा सबसे आम धातु तत्व है (एल्यूमीनियम, लोहा और मैग्नीशियम के बाद), टाइटेनियम धातु का उत्पादन प्रदूषण, विशेष रूप से ऑक्सीजन के प्रति बेहद संवेदनशील है, यही कारण है कि इसका विकास अपेक्षाकृत नया और महंगा है।

प्राथमिक टाइटेनियम उत्पादन में उपयोग किए जाने वाले मुख्य अयस्क इल्मेनाइट और रूटाइल हैं, जो क्रमशः लगभग 90% और 10% उत्पादन के लिए जिम्मेदार हैं।

2015 में इल्मेनाइट सांद्रण का उत्पादन 10 मिलियन टन के करीब था, हालांकि हर साल उत्पादित इल्मेनाइट सांद्रण का केवल एक छोटा सा हिस्सा (लगभग 5%) ही अंततः टाइटेनियम धातु में परिवर्तित होता है। इसके बजाय, अधिकांश का उपयोग टाइटेनियम डाइऑक्साइड (TiO2) का उत्पादन करने के लिए किया जाता है, जो पेंट, भोजन, फार्मास्यूटिकल्स और सौंदर्य प्रसाधनों में इस्तेमाल किया जाने वाला एक सफ़ेद रंगद्रव्य है।

क्रोल प्रक्रिया के पहले चरण में, टाइटेनियम टेट्राक्लोराइड (TiCl 4) का उत्पादन करने के लिए टाइटेनियम अयस्क को कुचल दिया जाता है और क्लोरीन वातावरण में कोकिंग कोयले के साथ गर्म किया जाता है। फिर क्लोराइड को पकड़ लिया जाता है और एक कंडेनसर के माध्यम से पारित किया जाता है, जिससे 99% तक की शुद्धता के साथ टाइटेनियम क्लोराइड तरल उत्पन्न होता है।

फिर टाइटेनियम टेट्राक्लोराइड को सीधे पिघले हुए मैग्नीशियम वाले बर्तन में डाला जाता है। ऑक्सीजन संदूषण से बचने के लिए इसमें आर्गन मिलाकर इसे निष्क्रिय बना दें।

बाद की आसवन प्रक्रिया में कई दिन लग सकते हैं, जिसके दौरान बर्तन को 1832 डिग्री F (1000 डिग्री) तक गर्म किया जाता है। मैग्नीशियम, टाइटेनियम क्लोराइड के साथ प्रतिक्रिया करता है, क्लोराइड को अलग कर देता है और मौलिक टाइटेनियम और मैग्नीशियम क्लोराइड का उत्पादन करता है।

परिणामी रेशेदार टाइटेनियम को स्पंज टाइटेनियम कहा जाता है। टाइटेनियम मिश्र धातु और उच्च शुद्धता वाले टाइटेनियम सिल्लियों का उत्पादन करने के लिए, विभिन्न मिश्र धातु तत्वों के साथ टाइटेनियम स्पंज को पिघलाने के लिए इलेक्ट्रॉन बीम, प्लाज्मा आर्क या वैक्यूम आर्क पिघलने का उपयोग किया जा सकता है।

उपयोग

खेल के सामान के क्षेत्र में टाइटेनियम धातु का अनुप्रयोग मुख्य रूप से उच्च-स्तरीय साइकिल, गोल्फ क्लब, टेनिस रैकेट और अन्य उपकरणों में परिलक्षित होता है। टाइटेनियम धातु के हल्के गुण खेल उपकरण को अधिक लचीला और आरामदायक बनाते हैं, जिससे एथलीटों के प्रतिस्पर्धी स्तर में सुधार होता है।

टाइटेनियम धातु का व्यापक रूप से एयरोस्पेस, ऑटोमोटिव उद्योग, चिकित्सा उपकरण, रसायन उद्योग, इलेक्ट्रॉनिक्स और खेल के सामान और अन्य क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है। विज्ञान और प्रौद्योगिकी के निरंतर विकास और प्रगति और प्रौद्योगिकी के सुधार के साथ, टाइटेनियम धातु के अनुप्रयोग क्षेत्रों का विस्तार जारी रहेगा। टाइटेनियम धातु के उत्कृष्ट गुण और बहुमुखी प्रतिभा इसे आधुनिक इंजीनियरिंग सामग्रियों का एक अनिवार्य हिस्सा बनाती है।

 

〔उद्धरण〕बेल, टेरेंस। "टाइटेनियम के गुण और गुण।" थॉटको, 4 अप्रैल 2023, thinkco.com/metal-profile-titanium-2340158।