التيتانيوم Ti

الهندسة الكيميائية والبترول
1

التيتانيوم

Ti

العدد الذري : 22
الكتلة الذرية : 47.867
درجة الانصهار : 1660 درجة مئوية
درجة الغليان : 3287 درجة مئوية
الكثافة : 4.54 جرام/سم3
نصف القطر الذري : 1.32 انجستروم
أعداد الأكسدة : +3 , +4 , +2 " غير شائع "
النظائر : للتيتانيوم تسعة نظائر , خمسة منها مستقرة وكتلها الذرية ( 46, 47 ,48 ,49 ,50 ) وأربعة منها غير مستقرة وكتلها الذرية ( 43 ,44 ,45 ,51 ) .
التوزيع الالكتروني : Ar]
3d
2.
4S
2 ]

تاريخ التيتانيوم ووجوده في الطبيعه

[COLOR=#000000][FONT=arial][B]يعود اكتشاف وتسمية معدن التيتانيوم الى حوالي 200 سنة مضت , تم اكتشافه عام 1791 م من قبل العالم وليام جروجر , وتمت تسميته عام 1795 م ويعود أصل التسمية الى الإغريقية Titanos ( تيتان ) وتعني أحد عمالقة الأساطير الإغريقية .
يعد التيتانيوم نسبياً واسع الإنتشار, حيث تقدر نسبتة تركيزه في القشرة الأرضية بحوالي 0.6 % وياتي ترتيبه التاسع بين العناصر المتواجدة في القشرة الأرضية وذلك بعد كلاً من (O2,Si,Al,Fe,Mg,Ca,Na,K )

لايوجد الفلز بصورة نقية لإحتوائه على آثار من العناصر الأخرى نتيجة ميله الشديد للإنجذاب نحو بعض الغازات الموجودة في محيطه .
يوجد التيتانيوم بصورة اولية في الصخور النارية , حيث يشكل المكونات الأساسية للصهارة (Magma ) الحامضية , ويوجد على عدة حالات .

الحلة الأولى منها التيتانيت والتي من اهمها :

الألمنايت FeTiO3

البيروفيسكايت CaTiO3

الحالة الثانية

يوجدعلى هيئة اكاسيد التيتانيوم

ايضاً قد يوجد في حالة وسطية مثل السيليكات , ويشكل التيتانيوم فيها المكون الرئيسي كما في حالة معادن الزركون وسيليكات الألمنيوم .[/b][/font][/color]

اهم خامات التيتانيوم

[COLOR=#000000][FONT=arial][B]الأ ناتيز TiO2

الإلمنيت FeTiO2

البيرو فسكايت CaTiO2

الروتايل TiO2

السفين [CaTi(SiO4)O]

استخلاص التيتانيوم

ينتج التيتانيوم بشكل خاص عن طريق اختزال رابع كلوريد التيتانيوم (TiCl4 ) والذي يصنع من الروتايل الطبيعي , او من مايسمى بالروتايل المصنع المحضر من الإلمنيت , والمخلفات الغنية بثاني اكسيد التيتانيوم الناتجة من تعدين الإلمنيت .

توجد عدة طرق لإستخلاص فلز التيتانيوم من رابع كلوريد التيتانيوم منها :

كلورة ثاني اكسيد التيتانيوم

تعرف هذه الطريقة باسم طريقة الفرشة المسالة (Fluidized –bed process ) ويستخدم فيها الروتايل بنسبة تركيز 96% مخلوطاً مع 20- 25 % من فحم الكوك المستخرج من النفط , ومادة مساعدة على التماسك مثل الأسفلت او قطران الخشب , واحياناً تضاف محفزات مثل (MgO2 ) , وقوالب من الفحم الحجري , ترص قوالب الفحم الحجري في اسفل برج الكلورة على طبقة من الكربون حيث تعمل كقطب كهربي , وتتفاعل مع الكلور عند درجة حرارة تتراوح ما بين( 500 الى850 درجة مئوية ) , يسخن الكلور الى 1000 درجة مئوية بواسطة فرشة الكربون المقاوم للحرارة , وعندئذ يتفاعل حرارياً مع الروتايل والكربون في قوالب الفحم الحجري .
تتم هذه الطريقة على مرحلتين , ففي المرحلة الاولى يختزل الروتايل بواسطة الكربون عند درجة حرارة تتراوح مابين (1200- 1400 درجة مئوية ) الى كربيد واكسيد التيتانيوم . وفي المرحلة الثانية يتفاعل مع الكلور بسهولة اكثر من تفاعله مع الروتايل .
بعد ذلك يتم فصل وتنقية رابع كلوريد التيتانيوم .

انتاج التيتانيوم الإسفنجي

هناك عدة طرق طرق لإنتاج التيتانيوم الإسفنجي منها

[B][COLOR=deeppink]إختزال ثاني اكسيد التيتانيوم

إختزال هاليدات التيتانيوم[/color][/b]

يمكن انتاج التيتانيوم الإسفنجي بإختزال هاليدات التيتانيوم ومن اهمها الكلوريدات والفلوريدات .

اختزال الكلوريدات

وينجم عن اختزالها بالهيدروجين – على قوس كهربائي - تكون كلوريدات ثانوية تجعل هذا التفاعل غير مجد صناعياً , كذلك يؤدي اختزال رابع كلوريد التيتانيوم بالكالسيوم الى نشر طاقة حرارية عالية , وعليه فإن هاتين الطريقتين غير محبذتين وبدلاً عنهما يمكن اجراء عمليات الاختزال بإحدى الطرق التالية :

الإختزال بالصوديوم

استخدم هنتر ( Hunter ) هذه الطريقة عام 1910 م لإنتاج كميات اكبر من التيتانيوم النقي من تفاعل رابع كلوريد التيتانيوم مع الصوديوم داخل قنبلة فولاذية مفرغة

TiCl4 + 4Na ------> Ti + 4NaCl

اما دوجوسا ( Degussa ) فقد استخدم خليط من البوتاستوم والصوديوم النقي عند درجة حرارة تتراوح مابين 700 – 800 درجة مئوية لاختزال رابع كلوريد التيتانيوم .

الإختزال بالمغنيسيوم

اكتشفت هذه الطريقة بواسطة العالم كرول (Kroll ) وطورت من قبل مكتب المناجم في مدينة بولدر بولاية نيفادا لتصبح ذات جدوى اقتصادية , وما يميز هذه الطريقة لانتاج التيتانيوم الاسفنجي انتاج حرارة عالية ومغنيسيوم عالي النقاوة .

Ti + 2MgCl2 ------> TiCl4 + 2Mg

إختزال رابع فلوريد التيتانيوم بالسيليكون

يميزها عن طريقة اختزال رابع كلوريد التيتانيوم إنتاج إسفنجة تيتانيوم عالية النقاوة , وفيها يتم اولاً انتاج رابع فلوريد التيتانيوم من تفاعل ثاني اكسيد التيتانيوم مع الهيدروجين ثم تنقيته بواسطة التسامي , ويلي ذلك اختزال الكلوريد المنتج بالسيليكون للحصول على التيتانيوم الاسفنجي عالي النقاوة .

التكسير الحراري لهاليدات التيتانيوم

تعد طريقة فان آركل (Van Arkel) ودي بوير (De Boer ) اقدم طريقة لهذا النوع , والتي يتم فيها تكسير رباعي يوديد التيتانيوم عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية على اسلاك من التنجستين مسخنة كهربائياً .

يمكن تحضير التيتانيوم عالي النقاوة بواسطة التكسير الحراري لثاني كلوريد او ثاني بروميد التيتانيوم . بامرار رباعي كلوريد التيتانيوم على مواد تحتوي على التيتانيوم ( خردة التيتانيوم , خام التيتانيوم , سبائك التيتانيوم ) عند درجة حرارة تتراوح ما بين 950 الى 1500 درجة مئوية فيتفاعل التيتانيوم الموجود في تلك المواد مكوناً ثاني كلوريد التيتانيوم على هيئة بخار , ثم يتكثف ويتحلل عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية , فينتج التيتانيوم ورابع كلوريد التيتانيوم الذي يستخدم مرة اخرى , كما في المعادلة التالية.

Ti + TiCl4 -----> 2TiCl2

تحضيره من الخردة

انتشر في الأونة الاخيرةإستخدام خردة التيتانيوم كمواد خام للحصول على التيتانيوم بدلاً من التيتانيوم الإسفنجي , خصوصاً بعد ان اتسع إنتاجه وتوفرت كميات كبيرة من الخردة . حيث يتم معالجتها وإزالة الشوائب الملتصقة بها وتصنيفها حسب نوعها قبل صهرها ..
[/b][/font][/color]

2

[CENTER]خواص التيتانيوم

معدن لامع أبيض فضي

[/center]
[CENTER]
خامل جداً , كثافته قليلة و قوته عالية , اقوى من الفولاذ و بنفس الوقت اخف منه بحوالي 45% و اثقل من الالمنيوم بحوالي 60% وضعفه بالقوة . سهل التشكيل و له مقاومة ممتازة للأكسدة و الصداء, تتمثل مقاومة التيتانيوم للتآكل في تكوين طبقة رقيقة وكثيفة وثابتة ولاصقة من الأكسيد – في الحال – عندما يتعرض للهواء , ويشترط لذلك وجود الأكسجين في الوسط المحيط به , وتكون مقاومته للتآكل ضعيفة في الوسط قوي الإختزال . تتلف طبقة الأكسيد المقاومة للتآكل تماماً في البيئات الخالية من الماء مثل الكلورالجاف والأكسجين الجاف وحامض النيتروجين المركز وجميع الأوساط المختزلة , كما ان وجود التيتانيوم في المحاليل المائية المتعادلة – وخاصة بوجود أيونات الكلور – تؤدي الى حدوث اختراقات موضعية في الطبقة الواقية تعمل على تآكل التيتانيوم . يكون التيتانيوم مرن عند خلوه من الاكسجين . التيتانيوم مقاوم للمحاليل المخففة من الحوامض dilute sulfuric and hydrochloric acid . وغاز الكلورين.
التبريد يزيد من صلابة و قوة الفلز , الاانه يقلل من معامل المرونة والتوصيل الكهربي .

استخدامات التيتانيوم

الصناعات الكيميائيه

يستخدم في الصناعات البتروكيميائية وإنتاج بعض الأحماض , كما يستخدم في جميع الأجهزة الكيميائية بما فيها مفاعلات الضغط .

صناعة الطعام

يدخل التيتانيوم في صناعة أدوات الطبخ وأجهزة الخلط والأواني , وذلك لانه مقاوم للأحماض العضوية .

الصناعات السيليلوزية

يستخدم التيتانيوم في مصانع السيليلوز والورق والأنسجة , لانه هام في مقاومة الهيبوكلورايت والكلورايت وثاني اكسيد الكلور .

أبحاث البحار

يستخدم التيتانيوم في تحلية المياه وفي أنظمة تبريد محطات الطاقة , ويستخدم في آلات الحفر داخل البحر وخارجه .

صناعة الفضاء

تعد صناعة الطائرات والمركبات الفضائية اكبر مستهلك لسبائك التيتانيوم , فهي تستخدم في صناعة جميع اجزاء المركبات الفضائية والطائرات بجميع انواعها المدنية والحربية . ( الطائرات الحربية التي يدخل التيتانيوم في تصنيعها اقوى ب3 الى 6 مرات من تلك التي يتم تصنيعها من الصلب (الستانلستيل) الخالص )

المجال الطبي

كون هذا المعدن خامل جدا وصلب جدا وخفيف في نفس الوقت كان المجال الطبي مثاليا لأستخدامه في صناعة صمامات القلب والعظام والمفاصل الصناعية

وزراعات جذور الأسنان ذلك انه لايسبب اي نوع من الحساسية ولايلفظه الجسم ولايذوب فيه ولايسبب اي نوع من التسمم .

[/center]

[CENTER]كما يستخدم في صناعة الآلات الجراحية وأجهزة تنظيم ضربات القلب .

استخدامات اخرى

يدخل التيتانيوم في صناعة السيارات حيث تدخل سبائكه في صناعة محركات وهياكل حمل السيارات ذات الأداء العالي .
كما تستخدم في صناعة الأنابيب الإلكترونية المستخدمة في القياس والتحكم والتقنيات الكهربية , ومضاعفات الأشعة السينية , وكاميرات التلفزيون , واجهزة الكشف عن اعماق البحار التي تعمل بالموجات الصوتية .
ايضاً يستخدم في صناعة المجوهرات حيث عمره الأفتراضي للأستخدام كمجوهرات هو اطول من الذهب والفضة .

[/center]
[CENTER]

اما إستخداماته في الهندسة الدقيقة والعدسات فتشمل الأجزاء الدوارة في أجهزة الطرد المركزي , وبراويز النظارات , والساعات .

[/center]
[CENTER]

واجهزة لعب الغولف , واجهزة تظهير الأفلام .[/center]