Titan

Vật lý

Titan là kim loại nhẹ, cứng nhất trong hầu như các kim loại, bề mặt bóng láng, chống ăn mòn tốt (giống như platin). Nó có thể chống ăn mòn kể cả với axít, khí clo và với các dung dịch muối thông thường.
Ở trạng thái tinh khiết, titan có thể được kéo sợi dễ dàng (nhất là trong môi trường không có ôxy), dễ gia công. Nhiệt độ nóng chảy của titan tương đối cao nên nó được dùng làm kim loại chịu nhiệt. Titan cứng như thép nhưng nhẹ hơn 40%, và nó nặng gấp rưỡi nhôm nhưng cứng gấp sáu lần. Những đặc tính này của titan giúp nó chịu đựng được sự mỏi kim loại.
Là nguyên tố kim loại, titan được xem là có tỉ số tỷ trọng-độ bề cao. Nó là kim loại bền có tỉ trọng thấp, khá dẻo (đặc biệt trong môi trường không có ôxy), lustrous, and metallic-white in color. Điểm nóng chảy tương đối cao (trên 1.650 °C hay 3.000 °F) nên nó rất hữu ích trong vật liệu chịu lửa và độ dẫn điện và dẫn nhiệt tương đối thấp.
Titan thương mại (tinh khiết 99,2%) có độ bền kéo khoảng 434 MPa tương đương hợp kim thép cấp thấp, nhưng mật độ thấp hơn. Titan có mật độ lớn hơn nhôm 60%, nhưng bền gấp đôi so với loại hợp kim nhôm thường được sử dụng là hợp kim nhôm 6061. Các hơp kim titan (như Beta C) có độ bền kéo hơn 1400 MPa (200000 psi).
Tuy nhiên, titan giảm độ bền khi nung trên 430 °C (806 °F).
Kim loại này tạo một lớp ôxít bảo vệ bên ngoài (nên nó có thể chống ăn mòn) trong không khí ở nhiệt độ cao nhưng ở nhiệt độ phòng nó chống lại sự xỉn màu. Kim loại này khi được đốt ở 610 °C hoặc cao hơn trong không khí sẽ tạo thành titan điôxít, và nó cũng là một trong những kim loại có thể cháy trong khí nitơ tinh khiết (nó cháy ở 800 °C và tạo thành titan nitrit). Titan cũng không bị tan trong axít sulfuric và dung dịch axít clohyđric, cũng như khí clo, nước clo và hầu hết axít hữu cơ. Nó cũng thuận từ (ít hấp dẫn bởi nam châm) và ít dẫn điện và dẫn nhiệt.
Thực nghiệm cho thấy titan tự nhiên trở nên có tính phóng xạ sau khi bắn đơteri, phát ra chủ yếu hạt positron và tia gamma. Khi nóng đỏ, nó có thể kết hợp với ôxy, và khi đạt tới 550 °C nó có thể kết hợp với clo. Nó có thể phản ứng với các halogen và hấp thụ hyđrô.

Đồng vị

Trong tự nhiên, titan có 5 đồng vị bền: Ti-46, Ti-47, Ti-48, Ti-49 và Ti-50 với Ti-48 là phổ biến nhất (chiếm 73,8%). 11 đồng vị phóng xạ được nhận biết với Ti-44 là bền nhất với chu kỳ bán rã là 63 năm, Ti-45 với chu kỳ bán rã là 184,8 phút, Ti-51 với chu kỳ bán rã 5,76 phút, và Ti-52 với chu kỳ bán rã 1,7 phút. Tất cả đồng vị phóng xạ còn lại có chu kỳ bán rã dưới 33 giây và có loại ít hơn ½ giây.
Các đồng vị của titan có phân tử lượng 39,99 đơn vị (amu) (Ti-40) tới 57,966 amu (Ti-58). Cơ chế phân rã chủ yếu trước đổng vị bền phổ biến nhất ⁴⁸Ti, là bắt electron và cơ chế phân rã chủ yếu sau là phát xạ beta. Sản phẩm phân rả chính trước ⁴⁸Ti là các đồng vị 21 (scandi) và các sản phẩm phân rã sau là các đồng vị 23 (vanadi).
Titani có tính phóng xạ khi bị bắn phá bẳng deuteron, phát ra chủ yếu là positron và các tia gamma mạnh.

Lịch sử

Titan được phát hiện ở dạng bao thể trong một khoáng vật ở Cornwall, Vương quốc Anh, năm 1791 bởi nhà địa chất học và linh mục William Gregor, sau này là Creed. Ông đã nhận ra sự có mặt của nguyên tố mới trong ilmenit (FeTiO₃) và đặt tên nó là menachit khi ông thấy cát đen trong một dòng suối ở gần Manaccan và phát hiện rằng loại cát này có thể bị nam châm hút. Khi phân tích cát, ông xác định được sự hiện diện của 2 ôxit kim loại là sắt ôxít (giải thích cho việc hút nam châm) và 45,25% một ôxit kim loại mà ông chưa thể xác định. Nhận thấy rằng ôxit chưa xác định được chứa một kim loại mà không thể khớp với bất kỳ nguyên tố nào đã biết, Gregor đã thông báo rằng các phát hiện của ông đến Hiệp hội địa chất hoàng gia Cornwall (Royal Geological Society of Cornwall) và tạp chí khoa học Đức Crell's Annalen.
Cùng khoảng thời gian đó, Franz Joseph Muller cũng tạo ra một chất tương tự, nhưng không thể xác định nó. Nguyên tố được phát hiện lại một cách độc lập nhiều năm sau bởi nhà hóa học người Đức Martin Heinrich Klaproth trong quặng rutil ở Boinik, thuộc Hungary (nay ở Slovakia). Klaproth xác nhận nó là nguyên tố mới vào năm 1795 và đặt tên cho nó là Titan. Sau khi nghe về phát hiện trước đó của Gregor, ông đã lấy mẫu manaccanit và xác nhận nó chứa titan.
Titan được lấy từ tên thần Titan, các con của Gaia và Uranus.
Kim loại này luôn khó tách ra được từ các quặng của nó. Titan kim loại tinh khiết (99,9%) được tách ra lần đầu vào năm 1910 bởi Matthew A. Hunter bằng cách nung TiCl₄ với natri trong bom thép ở 700–800 °C bằng quy trình Hunter. Titan kim loại chưa được dùng bên ngoài phòng thí nghiệm cho đến năm 1946 khi William Justin Kroll chứng minh là titan có thể sản xuất thương mại bằng cách khử titan têtraclo với magiê bằng quy trình Kroll và phương pháp này vẫn còn dùng đến ngày nay.
Trong thập niên 1950–1960, Liên Xô mua hết titan trên thị trường thế giới như là một chiến thuật của Chiến tranh Lạnh nhằm ngăn cản quân đội Mỹ sử dụng nó. Mặc dầu vậy, Mỹ cũng có được một lượng lớn titan khi các công ty châu Âu mở mặt trận cho tình báo Mỹ mua nó.

Hợp chất

Số ôxi hóa +4 chiếm đa số trong các hợp chất của titan, nhưng số ôxi hóa +3 cũng khá phổ biến. Vì có số ôxi hóa cao, nhiều hợp chất của titan có mức độ cộng hóa trị cao.
Mặc dù titan là kim loại khá hiếm, vì giá thành sản xuất cao, nhưng titan điôxít (còn gọi là titan(IV), titan trắng, hay titania) lại rẻ, không độc, có sẵn nhiều, và được dùng rộng rãi làm thuốc nhuộm trắng trong sơn, men, sơn mài, nhựa và xi măng xây dựng. Bột TiO₂ là chất trơ về mặt hóa học, chống mờ trước ánh sáng mặt trời, chắn sáng tốt: nó là thành phần chính của nhựa gia dụng có màu từ trắng tới nâu, xám. Trong tự nhiên hợp chất này được tìm thấy trong các khoáng chất anatas, brookit và rutil.
Sơn được sản xuất từ titan điôxit chịu đựng tốt trong nhiều nhiệt độ, và có khả năng tự làm sạch, và chịu được điều kiện môi trường biển. Titan điôxit có độ khúc xạ cao và độ tán sắc lớn hơn kim cương.

Xử lý sinh học

Loài nấm Marasmius oreades và Hypholoma capnoides có thể chuyển đổi sinh học titan trong đất bị nhiễm tian.

Chống chỉ định

Titan không độc hại thậm chí khi ở liều lượng lớn và không có bất cứ vai trò tự nhiên nào trong cơ thể người. Nếu ăn một lượng khoảng 0,8 mg mỗi ngày, chúng hầu hết đi qua mà không hấp thụ trong các tế bào. Tuy nhiên, Titan cũng có khuynh hướng tích lũy sinh học trong các mô chứa silic điôxit. Một nghiên cứu chỉ ra rằng có mối liên hệ có thể giữa titan và hội chứng vàng móng tay. Cơ chế chưa rõ trong thực vật có thể sử dụng titan để kích thích việc sản xuất carbohydrat và giúp chúng phát triển. Điều này có thể giải thích tại sao hầu hết thực vật chứa khoảng 1 ppm titan, cây lương thực có khoảng 2 ppm, và đuôi ngựa và cây tầm ma chứa tới 80 ppm.
Khi ở dạng bột kim loại, titan có nguy cơ cháy cao, và khi nung nóng trong không khí thì có nguy cơ nổ. Phương pháp chữa cháy bằng nước và cacbon điôxit không hiệu quả đối với vụ cháy do titan. Cát, đất, hoặc bột đặc biệt mới có thể dập tắt. Khi sử dụng trong sản xuất hoặc vận chuyển clo, tránh sự tiếp xúc giữa titan với khí clo khô vì nó có thể gây cháy titan/clo. Muối của titan thường được xem như vô hại trừ các loại muối clorua, như TiCl₃ và TiCl₄, nó được xem như chất ăn mòn.
Titan có thể bắt lửa ở dạng tươi, tức bề mặt không bị ôxy hóa khi tiếp xúc với ôxy lỏng. Kim loại thường có thể lộ ra khi bề mặt ôxy hóa bị trầy xước với vật cứng, hoặc khi bị tác dụng lực gây trầy. Điều này thể hiện sự hạn chế trong việc sử dụng nó trong hệ thống ôxy lỏng như trong công nghiệp vũ trụ. Do tính không tinh khiết của các ống titan có thể gây ra các đám cháy khi tiếp xúc với ôxy, titan bị cấm sử dụng trong các hệ thống hỗ trợ hô hấp cung cấp khí ôxy, ống thép được sử dụng trong hệ thống áp lực cao (3.000 p.s.i.) và ống nhôm cho hệ thống áp lực thấp.

Khai thác Titan ở Việt Nam

Việt Nam có trữ lượng quặng phân tách được Titan chiếm khoảng 5% thế giới, hiện tại được khai thác ở hai mỏ gồm mỏ Cây Châm thuộc tỉnh Thái Nguyên và vùng ven biển tỉnh Bình Thuận. Dưới sự quản lý lỏng lẻo và thiếu trách nhiệm của chính quyền, việc khai thác quặng đã gây ra nhiều hậu quả môi trường nghiêm trọng cho những vùng xung quanh(đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước).