ไทเทเนียม

ไทเทเนียม (อังกฤษ: Titanium; /taɪˈteɪniəm/; ty-tay-nee-əm) เป็นธาตุเคมี มีสัญลักษณ์เป็น Ti มีเลขอะตอมเท่ากับ 22 มีความหนาแน่นต่ำ แข็ง ทนการกัดกร่อน (น้ำทะเล , น้ำประสานทอง (aqua regia) และ คลอรีน) เป็นโลหะทรานซิชันสีเงิน ไทเทเนียมได้รับการค้นพบในคอร์นวอลล์ บริเตนใหญ่ โดย วิลเลียม เกรเกอร์ (William Gregor) ในปี ค.ศ. 1791 ได้รับการตั้งชื่อโดย มาร์ทิน ไฮนริช คลาพรอท (Martin Heinrich Klaproth) ตามไททันในเทพปกรณัมกรีก ธาตุนี้พบในชั้นที่ทับถมกันของแร่ที่กระจายอยู่ทั่วไปในเปลือกโลกและธรณีภาค ส่วนใหญ่จะเป็นรูไทล์และอิลเมไนต์ และยังพบในสิ่งมีชีวิตเกือบทุกชนิด หิน แหล่งน้ำ และดิน ไทเทเนียมสามารถสกัดจากสินแร่ด้วยกระบวนการครอลล์ (Kroll process) หรือกระบวนการฮันเตอร์ (Hunter process) ในรูปของสารประกอบที่พบส่วนมากจะเป็นไทเทเนียมไดออกไซต์ ซึ่งเป็นสารเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง (photocatalyst) ที่นิยมและใช้ในการสร้างสารสี (pigment) ขาว ส่วนรูปสารประกอบอื่น ได้แก่ ไทเทเนียมเตตระคลอไรด์ (TiCl4) ซึ่งเป็นส่วนประกอบของหมอกควันและตัวเร่งปฏิกิริยา และไทเทเนียมไตรคลอไรด์ (TiCl3) ซึ่งใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการผลิตโพลิโพรพิลีน ไทเทเนียมสามารถผลิตเป็นโลหะเจือ ด้วยการผสมกับเหล็ก อะลูมิเนียม วาเนเดียม โมลิบดีนัม และธาตุอื่นๆ เพื่อผลิตโลหะเจือที่แข็งแรงแต่น้ำหนักเบาสำหรับใช้ในยานอวกาศหรืออากาศยาน (เครื่องยนต์เจ็ต ขีปนาวุธ และยานอวกาศ) การทหาร กระบวนการทางอุตสาหกรรม (สารเคมี สารเคมีจากปิโตรเลียม ระบบผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเล (desalination plant) เยื่อกระดาษ และกระดาษ) ยานยนต์ อาหารจากเกษตรกรรม กายอุปกรณ์ทางการแพทย์ กระดูกเทียม เครื่องมือทางทันตกรรม ฟันปลอมรากเทียม สินค้าทางการกีฬา อัญมณี โทรศัพท์มือถือ และการประยุกต์ใช้อื่น ๆ สองคุณสมบัติที่มีประโยชน์มากที่สุดของรูปโลหะคือมีความต้านทานการกัดกร่อนและมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูงกว่าโลหะชนิดใด ๆ ในสภาวะบริสุทธิ์ ไทเทเนียมมีความแข็งเท่ากับเหล็กกล้าบางชนิด แต่เบากว่า 45% มีด้วยกันสองอัญรูป และห้าไอโซโทปที่เกิดขึ้นโดยธรรมชาติ คือ 46Ti ถึง 50Ti ซึ่ง 48Ti มีจำนวนมากที่สุด (73.8%) คุณสมบัติทางเคมีและฟิสิกส์ของไทเทเนียมคล้ายกับเซอร์โคเนียม เพราะทั้งสองมีเลขเวเลนซ์อิเล็กตรอนเลขเดียวกันและอยู่ในหมู่เดียวกันในตารางธาตุ ธาตุโลหะไทเทเนียมเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นธาตุที่มีอัตราความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง เป็นโลหะที่แข็งแรงแต่มีความหนาแน่นต่ำสามารถทำให้เป็นแผ่นบาง ๆ ได้ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีออกซิเจน), มันวาว, และมีสีขาวโลหะ มีจุดหลอมเหลวสูง (มากกว่า 1,650 °C หรือ 3,000 °F) จึงมักนำไปใช้เป็นโลหะทนไฟ ไทเทเนียมเป็นพาราแมกเนติกมีสภาพนำไฟฟ้าและสภาพนำความร้อนต่ำ เกรดของไทเทเนียมในเชิงการค้า (บริสุทธิ์ 99.2%) มีความทนแรงเค้นดึงสูงสุดประมาณ 63,000 psi (434 MPa) เท่ากับโละผสมเกรดต่ำทั่วไป แต่เบากว่า 45% ไทเทเนียมมีความหนาแน่นมากกว่าอะลูมิเนียม 60% แต่แข็งกว่าสองเท่า ของโลหะผสมอะลูมิเนียม 6061-T6 ที่นิยมใช้กันทั่วไป โลหะผสมไทเทเนียมบางชนิด (เช่น บีตาซี ,Beta C) ทนแรงเค้นดึงสูงกว่า 200,000 psi (1,400 MPa) อย่างไรก็ตาม ไทเทเนียมจะสูญเสียความแข็งเมื่อได้รับความร้อนสูงกว่า 430 °C (806 °F) ไทเทเนียมนั้นแข็งพอใช้ (แม้ว่าจะไม่แข็งเท่ากับเหล็กกล้าอบชุบบางเกรด) ไม่มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็ก และเป็นตัวนำไฟฟ้าและความร้อนที่คุณภาพเลว การใช้กับเครื่องจักรต้องทำอย่างระมัดระวังเพราะวัสดุจะอ่อนตัวและถูกครูดเป็นรอยถ้าเครื่องมือมีความแหลมคมและไม่ได้ใช้วิธีการระบายความร้อนที่เหมาะสม เครื่องมือที่ทำจากไทเทเนียมคล้ายกับเครื่องมือที่ทำจากเหล็ก โครงสร้างของไทเทเนียมนั้นมีขีดจำกัดความล้าซึ่งจะกำหนดช่วงชีวิตของการนำไปใช้งานบางประเภท คุณสมบัติความแข็งตึง (stiffness) ของโลหะผสมไทเทเนียม ปกติแล้วไม่ดีเท่าวัสดุอื่น เช่น โลหะผสมอะลูมิเนียม และคาร์บอนไฟเบอร์ ดังนั้น จึงไม่ค่อยจะมีการนำไทเทเนียมไปใช้ในโครงสร้างที่ต้องการความแข็งแกร่งสูง ไทเทเนียมมีสองอัญรูปคือรูปแบบแอลฟาหกเหลี่ยมที่จะเปลี่ยนเป็นรูปแบบบีตาแบบลูกบาศก์กลางตัว (body-centered cubic, แลตทิซ) ที่ 882 °C (1,620 °F) ความร้อนจำเพาะของรูปแบบแอลฟาจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อได้รับความร้อนเพื่อส่งผ่านระดับความร้อนนี้แต่จะตกลงและเกือบจะคงที่ในรูปแบบบีตาโดยไม่คำนึงถึงอุณหภูมิ ส่วนรูปแบบโอเมกาที่เพิ่มขึ้นมาจะคงอยู่และเสถียรทางเทอร์โมไดนามิกส์ที่ความดันสูงคล้ายกับเซอร์โคเนียมและแฮฟเนียม แต่จะอุปเสถียร (metastable) ที่ความดันบรรยากาศ รูปแบบนี้ปกติจะเป็นรูปหกเหลี่ยม (อุดมคติ) หรือสามเหลี่ยม (บิดเบี้ยว) ไทเทเนียมที่เกิดขึ้นในธรรมชาติมีอยู่ด้วยกัน 5 ไอโซโทปที่เสถียร ได้แก่ 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti, และ 50Ti ซึ่ง 48Ti มีจำนวนมากที่สุด (73.8%) มี 11 ไอโซโทปกัมมันตรังสี ที่เสถียรที่สุด คือ 44Ti ซึ่งมีครึ่งชีวิต 63 ปี 45Ti มีครึ่งชีวิต 184.8 นาที 51Ti มีครึ่งชีวิต 5.76 นาที และ 52Ti มีครึ่งชีวิต 1.7 นาที ที่เหลือเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตน้อยกว่า 33 วินาทีและส่วนใหญ่มีครึ่งชีวิตน้อยกว่า 0.5 วินาที ไอโซโทปของไทเทเนียมมีน้ำหนักอะตอมอยู่ในช่วง 39.99 u (40Ti) ถึง 57.966 u (58Ti) รูปแบบการสลายกัมมันตรังสีขั้นต้นก่อนจะกลายเป็นไอโซโทปที่เสถียรและมีจำนวนมากที่สุด 48Ti คือการจับยึดอิเล็กตรอนและรูปแบบการสลายหลังจากนั้นคือการสลายให้อนุภาคบีตา ผลิตภัณฑ์จากการสลายกัมมันตรังสีขั้นต้นก่อนจะเป็น 48Ti คือไอโซโทปธาตุที่ 21 (สแกนเดียม) และผลิตภัณฑ์จากการสลายกัมมันตรังสีหลังจากนั้นคือไอโซโทปธาตุที่ 23 (วาเนเดียม)