チタン：歴史、構造、特性、反応、用途 - 化学 - 2025

チタンは化学記号のTiで表される遷移金属です。これは、スカンジウムの直後に、周期表のブロックdから出現する2番目の金属です。その原子番号は22であり、多くの同位体や放射性同位体と同じように自然界に存在します。そのうち⁴⁸ Tiが最も豊富です。

その色はシルバーグレーで、その部分は酸化チタンの保護層で覆われているため、チタンは非常に耐腐食性の高い金属になります。この層が黄色がかっている場合は、窒化チタン（TiN）です。これは、この金属が窒素の存在下で燃焼したときに形成される化合物であり、独特で際立った特性です。

チタンリング。出典：Pxhere。

すでに言及したことに加えて、鋼よりも軽いにもかかわらず、機械的衝撃に対して非常に耐性があります。だからこそ、最強の金属として知られ、その名も力の代名詞です。また、航空機の製造に望ましい材料となる2つの特性である、強度と軽さもあります。

同様に、そしてそれほど重要ではありませんが、チタンは手触りが快適な生体適合性のある金属です。整形外科や歯科インプラントなどの生物医学では、骨組織に統合することができます。

しかしながら、その最もよく知られている用途は、顔料、添加剤、コーティング、および光触媒としてのTiO ₂にあります。

地球上で9番目に豊富な元素であり、金属内では7番目の元素です。これにもかかわらず、ルチル、アナターゼ、イルメナイト、ペロブスカイトなどのミネラルから抽出するために克服しなければならない困難のため、コストは高くなります。すべての製造方法の中で、クロールプロセスは世界で最も広く使用されています。

歴史

発見

チタンは、1791年に牧師でありアマチュア鉱物学者のウィリアムグレゴールによって、マナカンバレー（イギリス）のイルメナイトミネラルで初めて確認されました。磁石の影響; 彼はまた、未知の金属の別の酸化物があったことを報告しました。

不幸なことに、彼はコーンウォール王立地質学会や他の販売店に目を向けましたが、彼の貢献は科学界で認められていないことへの動機にはなりませんでした。

4年後の1795年、ドイツの化学者マーティンハインリッヒクラプロスは同じ金属を独自に認識しました。しかし、Boinikのルチル鉱石、現在はスロバキア。

この新しい金属を「タイタン」と名付けたのは、タイタンに似た強靭さに触発されたという人もいます。他の人たちは、それは神話の登場人物自身の中立性にもっと原因があると主張します。このように、チタンは化学元素として誕生し、クラプロスは後にそれが鉱物イルメナイトと同じマナカナイトであると結論付けることができました。

隔離

それ以来、そのような鉱物からそれを分離する試みが始まりました。しかし、チタンは酸素または窒素で汚染されているか、還元することができない炭化物を形成していたため、それらのほとんどは失敗しました。Lars NilsonとOtto Petterssonが95％の純度のサンプルを準備するには、ほぼ1世紀（1887）かかりました。

その後、1896年に、金属ナトリウムの還元作用のおかげで、ヘンリーモイサンは最大98％の純度のサンプルをなんとか手に入れました。しかし、これらの不純なチタンは酸素原子と窒素原子の作用によってもろくなったため、反応混合物から遠ざけるプロセスを設計する必要がありました。

このアプローチにより、1910年にハンタープロセスが始まりました。マシューA.ハンターは、レンセラー工科大学のGeneral Electricと共同で考案しました。

20年後、ルクセンブルクでウィリアムJ.クロールは、カルシウムとマグネシウムを使用する別の方法を考案しました。今日でも、クロールプロセスは、金属チタンを商業的および工業的規模で製造するための主要な方法の1つです。

この時点から、チタンの歴史は航空宇宙産業や軍事産業への応用におけるその合金の流れをたどります。

構造と電子構成

純チタンは、α相と呼ばれるコンパクトな六角形（hcp）とβ相と呼ばれる体心立方（bcc）の2つの構造で結晶化できます。したがって、それは、hcp構造とbcc構造の間で同素（または相）遷移を起こすことができる二形金属です。

α相は周囲温度と圧力で最も安定しており、Ti原子は12個の隣接原子に囲まれています。温度を882°Cに上げると、六方晶は立方体になり、密度が低くなります。これは、熱によって引き起こされる高い原子振動と一致します。

温度が上昇すると、α相は大きな熱抵抗に対抗します。つまり、その比熱も増加するため、882°Cに到達するには、ますます多くの熱が必要になります。

温度を上げる代わりに圧力が上がるとどうなりますか？次に、歪んだbcc結晶を取得します。

リンク

これらの金属結晶では、電子構成に従って、3dおよび4s軌道の価電子がTi原子を結合する結合に介入します。

3d ² 4s ²

隣接する電子と共有する電子が4つしかないため、3dバンドがほとんど空になるため、チタンは他の金属ほど電気または熱の伝導体としては優れていません。

合金

チタンの結晶構造に関して言われていることよりもさらに重要なことは、αとβの両方の相が独自の合金を形成できることです。これらは、純粋なαまたはβ合金、または異なる比率（α+β）の両方の混合物で構成できます。

同様に、それらのそれぞれの結晶粒のサイズは、前記チタン合金の最終的な特性、ならびに質量組成および添加された添加剤（いくつかの他の金属またはN、O、CまたはH原子）の関係に影響を与える。

添加剤は、2つの特定の相のいくつかを安定させることができるため、チタン合金に大きな影響を与えます。たとえば、Al、O、Ga、Zr、Sn、Nは、α相を安定させる添加剤です（デンサーhcp結晶）。Mo、V、W、Cu、Mn、H、Feなどは、β相を安定させる添加剤です（密度の低いbcc結晶）。

これらすべてのチタン合金、それらの構造、組成、特性、および用途の研究は、結晶学に依存する冶金学的研究の目的です。

酸化数

電子構成によれば、チタンは3d軌道を完全に満たすために8つの電子を必要とします。これはどの化合物でも達成できず、最大で2つの電子を獲得します。つまり、-2（3d ⁴）および-1（3d ³）の負の酸化数を取得できます。

その理由は、チタンの電気陰性度と、それに加えて金属であるため、正の酸化数を持つ傾向が高くなります。+1（3d ² 4s ¹）、+ 2（3d ² 4s ⁰）、+ 3（3d ¹ 4s ⁰）、+ 4（3d ⁰ 4s ⁰）など。

カチオンTi ⁺、Ti ²⁺などの存在が想定されているため、3d軌道と4s軌道の電子がどのように離れているかに注意してください。

酸化数+4（Ti ⁴⁺）は、その酸化物中のチタンの酸化度TiO ₂（Ti ⁴⁺ O ₂ ^2-）に対応するため、すべての代表値です。

プロパティ

外見

灰色がかった銀の金属。

モル質量

47.867 g / mol。

融点

1668°C この比較的高い融点はそれを高融点金属にします。

沸点

3287°C

自己発火温度

純金属の場合は1200°C、微粉の場合は250°C。

延性

酸素が不足している場合、チタンは延性金属です。

密度

4.506 g / mL。そしてその融点で、4.11 g / mL。

融合熱

14.15 kJ / mol。

気化熱

425 kJ / mol。

モル熱容量

25060 J / mol・K

電気陰性

ポーリングスケールで1.54。

イオン化エネルギー

最初：658.8 kJ / mol。

第二：1309.8 kJ / mol。

第三：2652.5 kJ / mol。

モース硬度

6.0。

命名法

酸化数のうち、+ 2、+ 3、+ 4が最も一般的です。これは、チタン化合物に名前を付ける際に従来の命名法で言及されているためです。それ以外の場合、在庫と体系的な命名法のルールは同じままです。

たとえば、チタンの最も有名な化合物の2つであるTiO ₂とTiCl _4を考えてみます。

TiO ₂ではチタンの酸化数は+4であり、したがって最大（または正）であるため、名前の末尾に-icoを付ける必要があります。したがって、その名前は、伝統的な命名法によると酸化チタンです。標準の命名法によると酸化チタン（IV）。体系的な命名法によると、二酸化チタン。

そして、TiCl _{4の場合、}より直接的に進みます。

命名法：名前

-トラディショナル：塩化チタン

-在庫：塩化チタン（IV）

-体系：四塩化チタン

英語では、この化合物はしばしば「くすぐり」と呼ばれます。

各チタン化合物は、命名規則の外で適切な名前を持つこともでき、問題の分野の専門用語に依存します。

どこで見つけて生産するか

チタン鉱物

チタンを最も多く含む鉱物の1つであるルチルクォーツ。ソース：ディディエDescouens

チタンは地球で7番目に豊富な金属であり、地球の地殻で9番目に豊富ですが、自然界では純粋な金属としてではなく、鉱物酸化物の他の元素との組み合わせで見つかります。チタン鉱物としてよく知られています。

したがって、それを入手するには、これらの鉱物を原料として使用する必要があります。それらのいくつかは：

-チタンとスフェーン（CaTiSiO ₅）、鉄とアルミニウムの不純物が結晶を緑色に変える。

-ブルッカイト（斜方TiO ₂）。

-TiO _2の最も安定した多形であるルチル。次に鉱物のアナターゼとブルッカイト。

-イルメナイト（FeTiO ₃）。

-ペロブスカイト（CaTiO ₃）

-ロイコキセン（アナターゼ、ルチル、ペロブスカイトの不均一混合物）。

他にもいくつかありますが、いくつかのチタン鉱物が言及されていることに注意してください。しかしながら、それらのすべてが同等に豊富であるとは限らず、同様に、それらは除去することが困難であり、最終的な金属チタンの特性を危険にさらす不純物を含む可能性があります。

カルシウムとケイ素の含有量を反応混合物から除去するのが難しいため、これがチタンの製造にスフェンとペロブスカイトがよく使用される理由です。

これらすべての鉱物の中で、ルチルとイルメナイトは、TiO _2の含有量が高いため、商業的および工業的に最も使用されています。つまり、チタンが豊富です。

クロールプロセス

いずれかの鉱物を原料として選択すると、それらのTiO ₂を減らす必要があります。これを行うために、鉱物は石炭と一緒に、流動床反応器内で1000℃で真っ赤に加熱されます。そこで、TiO ₂は次の化学式に従って塩素ガスと反応します。

TiO ₂（s）+ C（s）+ 2Cl ₂（g）=> TiCl ₄（l）+ CO ₂（g）

TiCl ₄は不純な無色の液体です。その温度では、鉱物に存在する不純物に由来する他の金属塩化物（鉄、バナジウム、マグネシウム、ジルコニウム、シリコン）と共に溶解するためです。したがって、TiCl _4は分別蒸留と沈殿によって精製されます。

精製したら、還元しやすい種であるTiCl _4をステンレス鋼の容器に注ぎ、真空にして酸素と窒素を除去し、アルゴンで満たして、チタンに影響を与えない不活性雰囲気を確保します。生産。マグネシウムは、次の化学式に従って800°Cで反応するプロセスで追加されます。

TiCl ₄（l）+ 2Mg（l）=> Ti（s）+ 2MgCl ₂（l）

チタンは海綿状の固体として沈殿します。海綿状の固体は、精製してより良い固体の形にするための処理にかけられるか、チタン鉱物の製造に直接使用されます。

反応

空気で

チタンは、金属の内部を酸化から保護するTiO _2の層により、耐腐食性が高くなっています。ただし、温度が400°Cを超えると、薄い金属片が完全に燃焼し始め、TiO ₂とTiNの混合物が形成されます。

Ti（s）+ O ₂（g）=> TiO ₂（s）

2Ti（s）+ N ₂（g）=> TiN（s）

O ₂とN _2の両方のガスは論理的には空気中にあります。これら2つの反応は、チタンが真っ赤に加熱されると急速に発生します。そして、それが微細な粉末として見つかった場合、反応はさらに活発になり、この固体状態のチタンは非常に可燃性になります。

酸と塩基で

このTiO ₂ -TiN 層はチタンを腐食から保護するだけでなく、酸や塩基による攻撃からも保護するため、溶解しにくい金属ではありません。

これを達成するには、高濃度の酸を使用して沸騰させ、チタンの水性錯体から生じる紫色の溶液を得る必要があります。たとえば、⁺³。

しかし、多くの合併症なしにそれを溶解できる酸があります：フッ化水素酸：

2Ti（s）+ 12HF（aq）2 ^3-（aq）+ 3H ₂（g）+ 6H ⁺（aq）

ハロゲンあり

チタンはハロゲンと直接反応して、それぞれのハロゲン化物を形成します。たとえば、ヨウ素に対する反応は次のとおりです。

Ti（s）+ 2I ₂（s）=> TiI ₄（s）

フッ素、塩素、臭素と同様に、強い炎が形成されます。

強力な酸化剤を使用

チタンが細かく分割されると、発火しやすくなるだけでなく、わずかな熱源で強力な酸化剤と激しく反応します。

明るい白い火花が生成されるため、これらの反応の一部は火工品に使用されます。たとえば、次の化学式に従って過塩素酸アンモニウムと反応します。

2Ti（s）+ 2NH ₄ ClO ₄（s）=> 2TiO ₂（s）+ N ₂（g）+ Cl ₂（g）+ 4H ₂ O（g）

リスク

金属チタン

チタン粉末は可燃性の高い固体です。出典：W. Oelen

金属チタン自体は、それを使用する人々の健康にリスクをもたらすものではありません。無害な固体です。そうでなければ、それは微粒子の粉として粉砕されます。この白い粉末は、反応セクションで述べたように、その高い可燃性のために危険な場合があります。

チタンが粉砕されると、酸素と窒素との反応がより速く、より活発になり、爆発的に燃焼することさえあります。それが保管場所に炎が当たった場合、それはひどい火災リスクを表す理由です。

燃焼時には、グラファイトまたは塩化ナトリウムでのみ消火できます。少なくともこれらのケースでは、決して水を使用しないでください。

同様に、それらがハロゲンと接触することは絶対に避けられるべきです。つまり、フッ素や塩素がガス状に漏れたり、赤みを帯びた臭素の液体やヨウ素の揮発性結晶と相互作用したりします。これが起こると、チタンが発火します。また、強酸化剤（過マンガン酸塩、塩素酸塩、過塩素酸塩、硝酸塩など）と接触してはいけません。

さもなければ、そのインゴットまたは合金は、熱または電気の伝導があまりよくなく、触って心地よいので、物理的な打撃よりもリスクを表すことができません。

ナノ粒子

細かく分割された固体が可燃性である場合は、チタンナノ粒子で構成されているため、さらに固体でなければなりません。ただし、このサブセクションの中心点は、TiO ₂ナノ粒子によるものです。TiO2ナノ粒子は、白色に値する多くの用途で使用されてきました。お菓子やキャンディーのように。

体内での吸収、分布、排泄、または毒性は不明ですが、マウスの研究で毒性があることが示されています。例えば、彼らはそれが彼らの肺に肺気腫と発赤を引き起こすだけでなく、それらの他の呼吸障害を彼らの発達に引き起こすことを示しました。

マウスから私たちへの外挿により、呼吸TiO ₂ナノ粒子が私たちの肺に影響を与えると結論付けられます。それらはまた脳の海馬領域を変えることができます。さらに、国際がん研究機関は、それらを発がん性物質として除外していません。

用途

顔料と添加物

チタンの用途について話すことは、必然的にその複合二酸化チタンの用途を指します。TiO ₂は実際、この金属に関するすべての用途の約95％をカバーしています。理由：その白色、それは不溶性であり、無毒性でもあります（純粋なナノ粒子は言うまでもありません）。

そのため、通常、白色を必要とするすべての製品の顔料または添加物として使用されます。歯磨き粉、医薬品、キャンディー、紙、宝石、塗料、プラスチックなど。

コーティング

TiO ₂は、ガラスや手術器具など、あらゆる表面をコーティングするフィルムを作成するためにも使用できます。

これらのコーティングを施すことにより、水はそれらを濡らすことができず、車のフロントガラスに雨が降るようにそれらの上を走ります。これらのコーティングが施されたツールは、紫外線を吸収してバクテリアを殺すことができます。

犬の尿やチューインガムは、その後の除去を容易にするTiO ₂の作用によってアスファルトやセメントに固定することができませんでした。

日焼け止め

TiO2は日焼け止めの有効成分の1つです。出典：Pixabay。

そして最後にTiO ₂に関しては、有機ラジカルを発生させることができる光触媒ですが、日焼け止めのシリカまたはアルミナフィルムによって中和されます。その白い色は、この酸化チタンが必要であることをすでに明確に示しています。

航空宇宙産業

チタン合金は、大型飛行機や高速船の製造に使用されます。出典：Pxhere。

チタンは、その低密度に比べてかなりの強度と硬度を持つ金属です。これにより、高速が要求されるすべてのアプリケーション、または上の画像のA380航空機などの大型の翼幅を持つ航空機が設計されているすべてのアプリケーションの鋼の代わりになります。

そのため、この金属は航空宇宙産業で多くの用途があります。酸化に耐性があり、軽くて丈夫で、正確な添加剤で合金を改善できるためです。

スポーツ

航空宇宙産業だけでなく、チタンやその合金がスポーツの中心にもなっています。これは、彼らの道具の多くは、着用者、プレーヤー、またはアスリートが重く感じることなくそれらを扱うことができるように軽量である必要があるためです。

これらのアイテムには、自転車、ゴルフまたはホッケースティック、フットボール用ヘルメット、テニスまたはバドミントンラケット、フェンシングソード、アイススケート、スキーなどがあります。

また、チタンとその合金は、コストが高いためはるかに少ないものの、高級車やスポーツカーで使用されてきました。

火工品

粉砕されたチタンは、例えば、KClO ₄と混合され、花火として機能します。実際には、花火ショーでそれらを作る人々はそうします。

薬

チタンとその合金は、生物医学用途で卓越した金属材料です。それらは生体適合性があり、不活性で、強力で、酸化が難しく、無毒で、骨とシームレスに統合されます。

これにより、ペースメーカーや人工心臓の骨折を固定するネジとして、整形外科および歯科インプラント、人工股関節および膝関節に非常に役立ちます。

生物学的

チタンの生物学的役割は不明であり、一部の植物に蓄積して特定の農作物（トマトなど）の成長に役立つことが知られていますが、それが介入するメカニズムは不明です。

炭水化物、酵素、クロロフィルの生成を促進すると言われています。彼らはそれらがそれらに有害であるので、それらが低生物利用可能濃度のチタンから身を守るのは植物生物の反応によるものであると彼らは推測している。しかし、問題はまだ暗闇の中にあります。

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