チタンではどのような化学反応が起こるのでしょうか？

チタンは高温で多くの元素や化合物と反応することができます。さまざまな元素は、チタンとの反応の違いに応じて 4 つのカテゴリに分類できます。
最初のカテゴリ: ハロゲンおよび酸素グループ元素とチタンは、共有結合およびイオン結合化合物を形成します。
2 番目のカテゴリー: 遷移元素、水素、ベリリウム、ホウ素、炭素、窒素元素は、チタンと金属間化合物および有限固溶体を形成します。
3 番目のカテゴリー: ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、クロム、スカンジウム、チタンは無限の固溶体を形成します。
4番目のカテゴリー：不活性ガス、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類元素（スカンジウムを除く）、アクチニウム、トリウムなどはチタンとは反応しません、または基本的に反応しません。加熱すると化合物HFおよびフッ化水素フッ化ガスと反応してTiF4を生成します。反応式は
Ti+4HF=TiF4+2H2+135.0kcal
非水性フッ化水素液はチタン表面に緻密な四フッ化チタン膜を形成し、HF がチタンに浸入するのを防ぎます。フッ化水素酸はチタンにとって最も強力な溶媒です。濃度 1% のフッ化水素酸でもチタンと激しく反応する可能性があります。
2Ti+6HF=2TiF3+3H2
無水フッ化物およびその水溶液は、低温ではチタンと反応せず、高温で溶けるフッ化物のみがチタンと顕著に反応します。HCl および塩化水素ガスは金属チタンを腐食する可能性があり、乾燥塩化水素は 300℃以上でチタンと反応して TiCl4 を形成します。
Ti+4HCl=TiCl4+2H2+94.75kcal
5% 未満の濃度の塩酸は室温ではチタンと反応しませんが、20% の塩酸は室温でチタンと反応して紫色の TiCl3 を生成します。
2Ti+6HCl=2TiCl3+3H2
高温の場合は希塩酸でもチタンを腐食させます。マグネシウム、マンガン、鉄、ニッケル、銅、亜鉛、水銀、スズ、カルシウム、ナトリウム、バリウム、NH4+ イオンおよびそれらの水溶液などのさまざまな無水塩化物は、チタンと反応しません。 高純度チタン これらの塩化物中に含まれており、安定性が良好です。硫酸と硫化水素チタンは 5% 硫酸で明らかな反応を起こします。室温では、約 40% の硫酸がチタンに対して最も速い腐食速度を示します。濃度が40%を超えると腐食速度は遅くなり、濃度が60%、80%に達すると最も速くなります。希酸または 50% 濃硫酸を加熱すると、チタンと反応して硫酸チタンが形成されます。
Ti+H2SO4=TiSO4+H2
2Ti+3H2SO4=Ti2(SO4)3+3H2
加熱された濃硫酸はチタンによって還元されて SO2 を生成します。
2Ti+6H2SO4=Ti2(SO4)3+3SO2+6H2O+202kcal
チタンは室温で硫化水素と反応して表面に保護膜を形成し、硫化水素とチタンのさらなる反応を防ぐことができます。しかし、高温では硫化水素がチタンと反応して水素を生成します。
Ti+H2S=TiS+H2+70kcal
粉末チタンは600℃で硫化水素と反応して硫化チタンを形成します。反応生成物は、900℃では主に TiS、1200℃では Ti2S3 になります。硝酸と王水チタンの緻密で滑らかな表面は硝酸に対する安定性が良好です。これは、硝酸によりチタンの表面に強力な酸化膜が急速に形成されるためですが、特にスポンジチタンや粉末チタンの表面は粗くなります。第二に、熱希硝酸は次のように反応します。
3Ti+4HNO3+4H2O=3H4TiO4+4NO
3Ti+4HNO3+H2O=3H2TiO3+4NO
70℃以上の濃硝酸もチタンと反応する可能性があります。
Ti+8HNO3=Ti(NO3)4+4NO2+4H2O
室温ではチタンは王水と反応しません。温度が高い場合、チタンは王水と反応して TiCl2 を生成します。Ti+8HNO3=Ti(NO3)4+4NO2+4H2O ⑾ まとめると、チタンの性質は温度、存在形態、純度と密接に関係しています。高密度の金属チタンは本質的に非常に安定していますが、粉末チタンは空気中で自然発火を引き起こす可能性があります。チタン中の不純物の存在は、チタンの物理的、化学的、機械的、耐食性に大きく影響します。特に、一部の格子間不純物はチタン格子を歪め、チタンのさまざまな特性に影響を与える可能性があります。チタンの化学活性は室温では非常に小さく、フッ化水素酸などの少数の物質と反応しますが、温度が上昇すると活性が急激に高まり、特に高温では多くの物質と激しく反応します。チタンの精錬プロセスは一般に 800°C を超える高温で行われるため、真空中または不活性雰囲気の保護下で操作する必要があります。金属チタンの物理的性質 チタン (Ti) は灰色の金属です。原子番号は 22、相対原子質量は 47.87 です。副層内の核外電子の配置は、1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 3d2 4S2 です。金属の移動度はマグネシウムとアルミニウムの間であり、室温では安定しません。したがって、自然界には化学的な状態でのみ存在します。一般的なチタン化合物には、イルメナイト (FeTiO3) およびルチル (TiO2) が含まれます。チタンは地殻中での含有量が比較的多く、第9位で5600ppm、割合に換算すると0.56%に達します。純チタンの密度は4.54×103kg/m3、モル体積は10.54cm3/mol、硬度は低く、モース硬度は4程度しかないため、延性が良好です。チタンは熱安定性に優れており、融点は 1660±10°C、沸点は 3287°C です。金属チタンの化学的性質 金属チタンは高温環境下での還元能力が極めて強いです。酸素、炭素、窒素、その他多くの元素と結合する可能性があり、また一部の金属酸化物 (アルミナなど) から酸素を奪うこともあります。チタンは室温で酸素と結合して、非常に薄く緻密な酸化膜を形成します。この酸化皮膜は室温では硝酸、希硫酸、希塩酸、酸の王様王水とは反応しません。フッ酸、濃塩酸、濃硫酸と反応します。
チタンは耐食性に優れているため、化学工業でよく使用されます。かつて、化学反応器内の熱硝酸を含む部品にはステンレス鋼が使用されていました。ステンレスも腐食性の強い高温硝酸を恐れます。この種の部品は 6 か月ごとに交換する必要があります。これらの部品にはチタンが使用されており、ステンレス製の部品よりもコストは高くなりますが、5年間継続して使用できるため、計算するとはるかに費用対効果が高くなります。
電気化学において、チタンは非常に負の電位を持つ一方向バルブ金属であり、チタンを分解用の陽極として使用することは通常不可能です。
チタンの最大の欠点は抽出が難しいことです。その主な理由は、チタンが高温で酸素、炭素、窒素、その他多くの元素と結合する強い能力を持っているためです。したがって、製錬でも鋳造でも、これらの元素がチタンに「侵入」しないように注意が払われます。チタンを精錬する際には、当然ながら空気や水の接近は厳禁です。冶金学で一般的に使用されるアルミナるつぼも、チタンはアルミナから酸素を奪うため、使用が禁止されています。チタンを精製するには、不活性ガスであるヘリウムまたはアルゴン中でマグネシウムと四塩化チタンを反応させます。
人々は、高温におけるチタンの非常に強力な化学的能力を利用します。製鋼中、窒素は溶鋼中に容易に溶解します。鋼塊が冷却されると鋼塊中に気泡が発生し、鋼の品質に影響を与えます。したがって、製鉄労働者は溶鋼に金属チタンを加えて窒化処理を行い、スラグ窒化チタンとなり溶鋼の表面に浮遊するため、鋼塊は比較的純粋になります。
超音速航空機が飛行しているとき、翼の温度は 500°C に達することがあります。比較的耐熱性の高いアルミニウム合金を使って翼を作ると、100度から200度、300度では圧倒されてしまいます。アルミニウム合金に代わるには、軽くて丈夫で高温に強い材料が必要ですが、チタンはこれらの要件を満たすことができます。チタンは零下100度以上の試験に耐えることができます。この低温でも、チタンは脆くなることなく良好な靭性を維持します。
チタンやジルコニウムの強力な空気吸着力を利用して、空気を抜き真空状態を作ります。たとえば、チタン製の真空ポンプは、10兆分の1までしか空気を送り込むことができません。