التيتانيوم Titanium

نظرة عامة:

يتواجد عنصر التيتانيوم Titanium في وسط الجدول الدوري، الجدول الدوري عبارة عن مخطط يوضح كيفية ارتباط العناصر الكيميائية مع بعضها البعض. وهو من العناصر الانتقالية والمتواجدة في المجموعة الرابعة (IVB).

التيتانيوم من أوائل العناصر الكيميائية المكتشفة كيميائيًا، ابتدأ النموذج الدوري الكيميائي في وسط القرن الثامن عشر. تم اختيار الجدول الدوري ووضعه بهذا الشكل، لإضافة العناصر الكيميائية المكتشفة وترتيبها وفقًا لخواصها.

اُكتشف عنصر التيتانيوم عن طريق رجل الدين الإنجليزي وليام غريغور William Gregor عام 1761-1817 ، وكان يدرس المعادن كهواية،  ولم يفكر في يوم من الأيام باعتبار نفسه كيميائيًا، وأن بعض أبحاثه ستؤدي الى اكتشاف هذا العنصر.

عنصر التيتانيوم ومركباته، أصبح من أهم العناصر على المستوى الاجتماعي، وهو واسع الاستخدام مع العديد من السبائك، وهي عبارة عن خلط اثنين أو أكثر من المعادن، ولها خواص مختلفة عن خواص المعادن المكونة لها.

يمكنك الاطلاع أيضًا على: الخواص الفيزيائية والكيميائية لعنصر الهيليوم Helium

الاكتشاف والتسمية:

اكتشف غريغور عنصر التيتانيوم بينما كان يدرس العناصر المتواجدة بالقرب من منزله. وقد كانت لديه المقدرة للتمييز بين المعادن المختلفة، وعلى الرغم من ذلك فقد وجد أن هناك بعض المعادن التي لم يستطع التعرف عليها، وقد اقترح أن هذه المعادن عبارة عن مواد جديدة غير معروفة، ولم يكمل البحث والكشف عنها. وفي تلك الأثناء قام بكتابة بعض التقارير وعرضها على الكيميائيين لاكتشاف العديد من المعادن.

في الوقت الحاضر تم التعرف على مادة غريغور وأطلق عليها اسم المينيت (ilmenite) وهي عبارة عن خليط الحديد والأكسجين والتيتانيوم، وصيغتها الكيميائية FeTiO3. وعلى الرغم من أن غريغور لم يكمل أبحاثه عن الألمنيت، إلا أنه عادة ما ينسب الفضل له في اكتشاف عنصر التيتانيوم.

والمثير للدهشة أن معظم الكيميائيين لم يولوا اهتمامًا كبيرًا لتقرير غريغور. في السنوات الأخيرة قرر الكيميائي الألماني مارتن هينرش كلابروث عام 1743 إلى 1817م دراسة الألمنيت. واعتقد كلابروث أن غريغور كان محقًا في احتواء الألمنيت على عناصر جديدة واقترح أن اسم التيتانيوم هو تشريف لجبابرة الألمان، هؤلاء العمالقة الألمان الذين حكموا الأرض فترة من الزمن أطيح بهم من قبل الآلهة اليونان. وقد ذكر كلابروث بأن غريغور له الفضل في اكتشاف العنصر.

لم يَكن كلابروث قادرًا أبدًا على إنتاج التيتانيوم النقي من الألمينيت، ولكن تمكن من إنتاج أكسيد التيتانيوم (TiO2). حتى عام 1825 لم ينتج سوى التيتانيوم غير النقي. في الفترة من عام 1779 الى عام 1848 تمكن الكيميائي السويدي جون جاكوب بيرزليوس من القيام بذلك.

الخواص الفيزيائية لعنصر التيتانيوم Titanium

يوجد التيتانيوم النقي على شكل مسحوق رمادي غامق اللون، معدني لامع. درجة انصهاره 1.677 درجة مئوية (3.051 فهرنهايت)، ودرجة غليان 3.277 درجة مئوية (5.931 فهرنهايت). كثافته 4.6 غرام/سم2.

يعد معدن هش عند درجة الحرارة المنخفضة، وسهل الكسر في درجة حرارة الغرفة، أما في الدرجات المرتفعة يصبح مرنًا. المرونة تعني قدرته على التشكل. ويمتلك خاصية اللدائن لإمكانية سحبه على شكل أسلاك رقيقة.

يمتلك التيتانيوم خواص فيزيائية مهمة؛ حيث يمكن لكميات قليلة من الأكسجين والنيتروجين أن تصنع منه مادة أكثر قوة.

الخواص الكيميائية لعنصر التيتانيوم Titanium

بشكل عام، يميل التيتانيوم إلى أن يكون غير نشط، ولا يتحد مع الأكسجين في درجة حرارة الغرفة، كما أنه يقاوم التفاعل مع الأحماض مثل: الكلور، والعوامل المسببة للتآكل؛ العامل المسبب للتآكل هو المادة التي تميل إلى التفاعل بقوة مع بعض المواد.

يصبح التيتانيوم أكثر تفاعلًا في درجات الحرارة العالية، كما أنه يشعل النار عند تسخينه في وجود الأكسجين.
التواجد في الطبيعة

التيتانيوم عنصر شائع جدًا، وهو العنصر التاسع الأكثر وفرة في قشرة الأرض، وتقدر وفرته بنحو 0.63 في المئة، هذه النسبة تجعله يحتل المرتبة فوق الهيدروجين وتحت البوتاسيوم مباشرة بين العناصر الموجودة في الأرض. معدن التيتانيوم هش عند البرودة ويمكن أن ينكسر بسهولة في درجة حرارة الغرفة.

يمكنك الاطلاع أيضًا على: التحلل الانتقائي لعنصر الذهب من مصادر متعددة المعادن في المحاليل العضوية

النظائر:

توجد خمسة نظائر للتيتانيوم بشكل طبيعي، هي: التيتانيوم-46، والتيتانيوم-47، والتيتانيوم-48، والتيتانيوم-49، والتيتانيوم-50، أكثرها وفرة هو التيتانيوم-48، حيث يشكل حوالي 75% من التيتانيوم الموجود في الطبيعة.

كما تم تصنيع أربعة نظائر اصطناعية من التيتانيوم كلها مشعة. النظير المشع هو النظير الذي تنبعث منه بعض الإشعاعات، يتم إنتاج النظائر المشعة عندما يتم إطلاق جزيئات صغيرة جدًا على الذرات، تلتصق هذه الجزيئات في الذرات وتجعلها مشعة، لا توجد أي تطبيقات تجارية لنظائر التيتانيوم المشعة.

الاستخلاص:

الطرق المستخدمة للحصول على التيتانيوم مماثلة لتلك المستخدمة مع المعادن الأخرى، تتمثل إحدى طرق تصنيع المعدن في تسخين أحد مركباته بمعدن آخر، مثل المغنيسيوم، هناك طريقة أخرى تتمثل في تمرير تيار كهربائي عبر مركب ذائب من التيتانيوم.

استخدامات عنصر التيتانيوم Titanium

إن الاستخدام الأكثر أهمية للتيتانيوم هو صنع السبائك، حيث يضاف المعدن إلى الصلب مما يضيف قوة إلى الفولاذ ويجعله أكثر مقاومة للتآكل (الصدأ). التيتانيوم لديه أيضا ميزة أخرى في السبائك، فكثافته أقل من نصف كثافة الصلب. لذا فإن سبيكة الصلب التي تحتوي على التيتانيوم تزن أقل من الجنيه مقارنة بسبائك الصلب النقي.

هذه الخصائص توضح سبب استحسان استخدام التيتانيوم الصلب في تطبيقات المركبات الفضائية والطائرات. في الواقع، يتم استخدام حوالي 65 % من التيتانيوم المباع في تطبيقات الفضاء، تستخدم سبائك التيتانيوم في هياكل الطائرات (الأجسام) ومحركات الطائرات والمركبات الفضائية. استخدامات أخرى هي في المركبات المدرعة، والسترات المدرعة، والخوذ، في المجوهرات والنظارات والدراجات ونوادي الجولف وغيرها من المعدات الرياضية، في زراعة الأسنان المتخصصة وفي محطات توليد الطاقة وأنواع المصانع الأخرى وفي الأسطح والوجوه والأعمدة والجدران والسقوف وأجزاء أخرى من المباني.

كما أصبحت سبائك التيتانيوم شائعة في عمليات زرع الجسم، مثل الوركين والركبتين المصطنعة، هذه السبائك خفيفة وقوية وطويلة الأمد ومتوافقة حيوياً. توافق حيوي يعني أن السبيكة لا تسبب أي رد فعل عند وضعها في الجسم.

يرتبط رباعي كلوريد التيتانيوم مع الرطوبة في الهواء لتكوين سحابة بيضاء كثيفة، يستخدم سكاي رايتر (طيار يخطط بدخان الطائرة) رابع كلوريد التيتانيوم لتكوين حروف في السماء.

المركبات:

يعتبر ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) أهم مركبات التيتانيوم. في عام 1996، تم إنتاج 1230000 طن متري من هذا المركب في الولايات المتحدة. ثاني أكسيد التيتانيوم هو مسحوق أبيض كثيف مع قوة اختباء ممتازة، هذا المصطلح يعني أنه لا يمكن رؤية أي شيء تحته جيدًا. هذه الخاصية تمثل الاستخدام الرئيسي لثاني أكسيد التيتانيوم: صنع الطلاء الأبيض.

يعد طلاء ثاني أكسيد التيتانيوم خيارًا جيدًا للرسم على ورق الجدران القديم أو الدهانات المظلمة لأنه يغطي جيدًا. في عام 1996، تم استخدام حوالي نصف ثاني أكسيد التيتانيوم المنتج في الولايات المتحدة في الدهانات.

يضاف ثاني أكسيد التيتانيوم إلى الورق ويجعله غير شفاف،  وله استخدامات أخرى في أغطية الأرضيات والأقمشة والمنسوجات والسيراميك والحبر ومواد التسقيف والعوامل الحفازة في العمليات الصناعية. المحفز هو مادة تستخدم لتسريع أو إبطاء تفاعل كيميائي دون إجراء أي تغيير بنفسه.

من المركبات الأخرى المثيرة للاهتمام هو رابع كلوريد التيتانيوم(TiCl4) وهو عبارة عن سائل صافٍ عديم اللون عند حفظه في حاوية مغلقة. ومع ذلك، فإنه يتغير بشكل كبير عندما يتعرض للهواء. يتحد مع الرطوبة في الهواء لتكوين سحابة بيضاء كثيفة. يستخدم سكاي رايتر رابع كلوريد التيتانيوم لتكوين حروف في السماء. يستخدم المركب أيضًا لصنع الدخان. في بعض الأحيان تنتج الأدخنة المستخدمة في الصور المتحركة والبرامج التلفزيونية بواسطة رابع كلوريد التيتانيوم.

الآثار الصحية:

يبدو أن التيتانيوم ليس له أي آثار ضارة على النباتات أو البشر. كما أنه لم يثبت أن له أي دور في الحفاظ على الصحة الجيدة.

المصدر:

Titanium, Chemical Element, Chemistry Explained, Retrieved August 11, 2019, from http://www.chemistryexplained.com/elements/T-Z/Titanium.html