العناصر مسخّرة لخدمة الانسان "التيتانيوم"

التيتانيوم Titanium

نظرة عامة:
- يتواجد عنصر التيتانيوم في وسط الجدول الدوري في منطقة تواجد العناصر الإنتقالية.
- يعتبر التيتانيوم من العناصر الانتقالية المتواجدة في المجموعة الرابعة (IVB).
- التيتانيوم يعتبر من أوائل العناصر الكيميائية المكتشفة.

بالنسبة للجدول الدوري فهو عبارة عن مخطط يوضح كيفية ارتباط العناصر الكيميائية مع بعضها البعض ، ابتدأ النموذج الدوري الكيميائي في وسط القرن الثامن عشر ، تم اختيار الجدول الدوري ووضعه بشكلة المعروف لكي تتم إضافة العناصر الكيميائية المكتشفة وترتيبها وفقًا لخواصها.

- تم اكتشاف عنصر التيتانيوم عن طريق رجل الدين الإنجليزي وليام غريغور William Gregor عام 1761-1817. وكان يدرس المعادن كهوايه. لم يفكر في يوم من الأيام ان يعتبر نفسه كيميائيًا، او أن بعض أبحاثه ستؤدي الى اكتشاف هذا العنصر.

الرمز	العدد الذري	الكتلة الذرية	العائلة
Ti	22	47.88	المجموعة 4 العناصر الانتقالية

عنصر التيتانيوم ومركباتة:
أصبح من أهم العناصر على المستوى الاجتماعي ، كما انه واسع الاستخدام مع العديد من السبائك. ماهي السبائك؟!

السبائك هي عبارة عن خليط بين اثنين أو أكثر من المعادن، ولها خواص مختلفة عن خواص المعادن المكونة لها.

تستخدم سبائك التيتانيوم في الطائرات والمركبات الفضائية والمجوهرات والساعات والمركبات المدرعة وفي تشييد المباني.

الاكتشاف والتسمية:
اكتشف غريغور عنصر التيتانيوم بينما كان يدرس ويتعرف الى العناصر المتواجدة بالقرب من منزله. وقد كانت لديه قدرة التمييز بين المعادن المختلفة ، وعلى الرغم من ذلك فقد وجد أن هناك بعض المعادن التي لم يستطع التعرف عليها، وقد اقترح أن هذه المعادن والتي لم يستطع التعرف عليها عبارة عن مواد جديدة غير معروفة، ولم يكمل البحث اوالكشف عنها. وفي تلك الأثناء قام بكتابة بعض التقارير ثم عرضها على الكيميائيين لتتم بعد ذلك اكتشاف العديد من المعادن.

في الوقت الحاضر تم التعرف على مادة غريغور وأطلق عليها اسم الألمنيت (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 غريغورالذي قام بعرضة عليهم في ذلك الحين. وبعد مرور عدة سنوات 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 اسم التيتانيوم هو تشريف لجبابرة الألمان الذين حكموا الأرض فترة من الزمن حتى أطيح بهم من قبل اليونان وألهتهم حد زعمهم. وقد ذكر كلابروث بأن غريغور له الفضل في اكتشاف هذا 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. ومن خلال عدة دراسات وتجارب في الفترة مابين عام 1779 الى عام 1848 تمكن الكيميائي السويدي جون جاكوب بيرزليوس من القيام بذلك والحصول على التيتانيوم النقي.

الخواص الفيزيائية:
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/سم مربع.

يعتبر معدن هش عند درجة الحرارة المنخفضة، وسهل الكسر في درجة حرارة الغرفة، أما في الدرجات المرتفعة يصبح مرنًا. كما انه يمتلك خاصية اللدائن لإمكانية سحبه على شكل أسلاك رقيقة. مرونة العنصر تعني قدرته على التشكل.

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


الخواص الكيميائية:
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، ويقاوم العوامل المسببة للتآكل. ما معنى العوامل المسببة للتآكل؟

العامل المسبب للتآكل هي 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 جداً ، وهو العنصر التاسع من حيث الوفرة في قشرة الأرض ، وتقدر وفرته بنحو 0.63 % وهذه 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.

النظائر:
توجد خمسة نظائر للتيتانيوم بشكل طبيعي، هي:
1- التيتانيوم - 46
2- التيتانيوم - 47
3- التيتانيوم - 48
4- التيتانيوم - 49
5- التيتانيوم - 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 جداً على الذرات ، تلتصق هذه الجزيئات في الذرات وتجعلها مشعة ، لا توجد أي تطبيقات تجارية لنظائر التيتانيوم المشعة.

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

الاستخدامات:
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 بكثير 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. استخداماتة الأخرى تكمن في المركبات المدرعة ، والسترات المدرعة ، والخوذ ، في المجوهرات والنظارات والدراجات ونوادي الجولف وغيرها من المعدات الرياضية ، كما يستخدم في زراعة الأسنان المتخصصة وفي محطات توليد الطاقة وأنواع اخرى من الصناعات المشابهة وكذا في الأسطح والوجوه والأعمدة والجدران والسقوف وأجزاء المباني الاخرى.

كما أصبحت سبائك التيتانيوم شائعة في عمليات زرع الجسم، مثل الوركين والركبتين المصطنعة. هذه السبائك خفيفة وقوية وطويلة الأمد ومتوافقة حيوياً.
بالنسبة للتوافق الحيوي فيعني 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 يقوم برسم خطوط من خلال الدخان الخارج من محرك الطائرة) يستخدم رابع كلوريد التيتانيوم لتكوين حروف في السماء.


المركبات:
يعتبر ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) أهم مركبات التيتانيوم.

في عام 1996، تم إنتاج 1230000 مليون ومئتان وثلاثون ألف طن متري من هذا المركب في الولايات المتحدة.

ثاني أكسيد التيتانيوم هو مسحوق أبيض كثيف مع قوة تعتيم ممتازة ، استخدمت مصطلح تعتيم للإشارة الى أنه لا يمكن رؤية أي شيء تحته بشكل جيد. هذه الخاصية تمثل الاستخدام الرئيسي لثاني أكسيد التيتانيوم أي (صنع الطلاء الأبيض).

يعد طلاء ثاني أكسيد التيتانيوم خياراً جيداً للرسم على ورق الجدران القديم أو الدهانات المظلمة لأنه يغطي ما تحته بشكل جيد.

في عام 1996، تم استخدام حوالي نصف ثاني أكسيد التيتانيوم المنتج في الولايات المتحدة في الدهانات.

حوالي 40% من ثاني أكسيد التيتانيوم يتم استخدامة في الولايات المتحدة في صناعة الورق والمواد البلاستيكية.

يضاف ثاني أكسيد التيتانيوم إلى الورق لجعله غير شفاف (لا يمكن الرؤية من خلاله). وله استخدامات أخرى في أغطية الأرضيات والأقمشة والمنسوجات والسيراميك والحبر ومواد التسقيف والعوامل الحفازة في العمليات الصناعية.

تعريف المحفز هو مادة تستخدم لتسريع أو إبطاء تفاعل كيميائي دون إجراء أي تغيير في التفاعل نفسة.

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 عنصر التيتانيوم ليس له أي آثار ضارة على النباتات أو البشر ولم يكتشف أو يعرف عنه انه سام. كما 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 ترجمة بتصرف وإضافة