티타늄은 1791년 영국 콘월에서 윌리엄 그레고어(William Gregor)가 발견했으며, 마틴 하인리히 클라프로스(Martin Heinrich Klaproth)가 그리스 신화의 거인족의 이름을 따서 명명했습니다. 이 원소는 주로 금홍석과 일메나이트와 같은 여러 광물 매장지 내에서 발생하며, 이들은 지각과 암석권에 널리 분포되어 있습니다. 그것은 물, 암석 및 토양뿐만 아니라 거의 모든 생물체에서 발견됩니다. 금속은 Kroll 및 Hunter 공정에 의해 주요 광물 광석에서 추출됩니다. 가장 일반적인 화합물인 이산화티타늄은 널리 사용되는 광촉매이며 백색 안료 제조에 사용됩니다. 다른 화합물에는 연막 및 촉매의 구성요소인 사염화티타늄(TiCl4); 폴리프로필렌 생산에 촉매로 사용되는 삼염화티타늄(TiCl3)을 들 수 있다.
티타늄은 철, 알루미늄, 바나듐 및 몰리브덴과 합금하여 항공우주(제트 엔진, 미사일 및 우주선), 군사, 산업 공정(화학 및 석유화학, 담수화 플랜트, 펄프, 및 종이)자동차, 농업(농업), 의료 보철, 정형외과 임플란트, 치과 및 근관 기구 및 파일, 치과 임플란트, 스포츠 용품, 보석, 휴대 전화 및 기타 응용 프로그램.
금속의 가장 유용한 두 가지 특성은 내식성과 강도 대 밀도 비율이며, 이는 금속 원소 중 가장 높습니다. 합금되지 않은 상태에서 티타늄은 일부 강철만큼 강하지만 밀도는 낮습니다. 이 원소에는 2개의 동소체 형태와 5개의 자연 발생 동위원소(46Ti~50Ti)가 있으며 48Ti가 가장 풍부합니다(73.8%).
물리적 특성
금속으로서 티타늄은 높은 강도 대 중량비로 알려져 있습니다. 밀도가 낮은 강한 금속으로 매우 연성(특히 무산소 환경에서)이고 광택이 있으며 금속성 흰색입니다. 비교적 높은 융점(1,668도 또는 3,{8}}34도 F)으로 인해 내화 금속으로 유용합니다. 상자성이며 다른 금속에 비해 전기 및 열 전도성이 상당히 낮습니다. 티타늄은 임계 온도인 0.49K 이하로 냉각될 때 초전도체입니다.
상업적으로 순수한(99.2% 순도) 티타늄 등급의 최종 인장 강도는 약 434MPa(63,{4}} psi)로 일반적인 저급 강철 합금과 동일하지만 밀도는 낮습니다. 티타늄은 알루미늄보다 밀도가 60% 높지만 가장 일반적으로 사용되는 6061-T6 알루미늄 합금보다 2배 이상 강합니다. 특정 티타늄 합금(예: 베타 C)은 1,400MPa(200,{12} } psi) 이상의 인장 강도를 달성합니다. 그러나 티타늄은 430도(806도 F) 이상으로 가열되면 강도를 잃습니다.
티타늄은 일부 등급의 열처리된 강철만큼 단단하지 않습니다. 그것은 비자성이며 열과 전기의 열악한 전도체입니다. 날카로운 도구와 적절한 냉각 방법을 사용하지 않으면 재료가 굳을 수 있으므로 기계 가공에는 예방 조치가 필요합니다. 강철 구조물과 마찬가지로 티타늄으로 만든 구조물은 일부 응용 분야에서 수명을 보장하는 피로 한계가 있습니다.
금속은 882도(1,620도 F)에서 체심 입방체(격자) 형태로 변하는 육각형 형태의 이형 동소체입니다. 형태의 비열은 이 전이 온도로 가열됨에 따라 극적으로 증가하지만 온도에 관계없이 형태에 대해 상당히 일정하게 유지되고 감소합니다.
화학적 특성
알루미늄 및 마그네슘과 마찬가지로 티타늄 금속 및 그 합금의 표면은 공기에 노출되는 즉시 산화되어 벌크 금속을 추가 산화 또는 부식으로부터 보호하는 얇은 비다공성 보호막을 형성합니다. 처음 형성될 때 이 보호층은 두께가 1~2nm에 불과하지만 계속 천천히 성장하여 4년 후에는 25nm의 두께에 도달합니다. 이 층은 티타늄에 거의 백금과 동등한 우수한 내식성을 제공합니다.
티타늄은 묽은 황산 및 염산, 염화물 용액 및 대부분의 유기산에 의한 공격을 견딜 수 있습니다. 그러나 티타늄은 농축된 산에 의해 부식됩니다. 음의 산화환원 전위에서 알 수 있듯이 티타늄은 열역학적으로 매우 반응성이 높은 금속으로 정상적인 대기에서 녹는점보다 낮은 온도에서 연소됩니다. 용융은 불활성 분위기 또는 진공에서만 가능합니다. 550도(화씨 1,022도)에서 염소와 결합합니다. 또한 다른 할로겐과 반응하여 수소를 흡수합니다.
티타늄은 공기 중에서 1,200도(화씨 2,190도), 순수한 산소에서 610도(1,130도)에서 산소와 쉽게 반응하여 이산화티타늄을 형성합니다. 티타늄은 순수한 질소 가스에서 연소하는 몇 안 되는 원소 중 하나이며 800도(1,470도 F)에서 반응하여 티타늄 질화물을 형성하여 취성을 유발합니다. 산소, 질소 및 기타 많은 가스와의 높은 반응성 때문에 필라멘트에서 증발되는 티타늄은 티타늄 승화 펌프의 기초가 됩니다. 티타늄은 화학적으로 결합하여 이러한 가스를 제거하는 역할을 합니다. 이러한 펌프는 초고진공 시스템에서 매우 낮은 압력을 저렴하게 생성합니다.
발생
티타늄은 지각에서 아홉 번째로 풍부한 원소(0.63질량%)이자 일곱 번째로 풍부한 금속입니다. 그것은 대부분의 화성암, 그로부터 파생된 퇴적물, 생물 및 자연 수역에 산화물로 존재합니다. 미국 지질 조사국(United States Geological Survey)에서 분석한 8{6}}1가지 유형의 화성암 중 784개에는 티타늄이 포함되어 있습니다. 토양에서의 비율은 약 0.5~1.5%입니다.
일반적인 티타늄 함유 광물은 아나타제, 브루카이트, 일메나이트, 페로브스카이트, 루틸 및 티타나이트(sphene)입니다. 아카오기이트(Akaogigite)는 이산화티타늄으로 구성된 매우 희귀한 광물입니다. 이들 광물 중 금홍석과 일메나이트만이 경제적으로 중요하지만 고농도에서도 찾아보기 어렵다. 2011년에 각각 약 6.{2}} 및 0.7백만 톤의 광물이 채굴되었습니다. 상당량의 티타늄 함유 일메나이트 매장량이 호주 서부, 캐나다, 중국, 인도, 모잠비크, 뉴질랜드, 노르웨이, 시에라리온, 남아프리카 공화국 및 우크라이나에 존재합니다. 약 210,{8}}톤의 티타늄 금속 스펀지가 2020년에 생산되었으며 대부분 중국(110,{11}} t), 일본(50,{13}} }), 러시아(33,{13}} 15}} t) 및 카자흐스탄(15,{17}} t). 아나타제, 일메나이트 및 금홍석의 총 매장량은 20억 톤을 초과하는 것으로 추정됩니다.
티타늄의 농도는 바다에서 약 4피코몰입니다. 100도에서 물의 티타늄 농도는 pH 7에서 10-7M 미만인 것으로 추정됩니다. 수용액에서 티타늄 종의 정체는 낮은 용해도와 민감한 분광법의 부족으로 인해 아직 알려지지 않았습니다. 4 플러스 산화 상태는 공기 중에서 안정합니다. 희귀 유기체가 고농도의 티타늄을 축적하는 것으로 알려져 있지만 생물학적 역할에 대한 증거는 없습니다.
티타늄은 운석에 포함되어 있으며 태양과 표면 온도가 3,200도(5,790도 F)인 M형 별(가장 차가운 유형)에서 검출되었습니다. 아폴로 17호 임무 중 달에서 가져온 암석은 12.1%의 TiO2로 구성되어 있습니다. 천연 티타늄(순수 금속)은 매우 드뭅니다.
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