티타늄의 물리적 및 화학적 특성

티타늄은 밀도가 4.54g/cm³에 불과한 은백색 전이 금속으로 철보다 약 40% 가볍지만 강철과 비슷한 강도를 가지고 있습니다. 이러한 가볍고 고강도의 특성으로 인해 티타늄은 모든 생활 분야에서 널리 사용됩니다. 그렇다면 티타늄의 물리적, 화학적 특성은 무엇일까요?

1. 티타늄의 원자구조
먼저 티타늄의 원자 구조를 살펴보겠습니다. 티타늄은 주기율표의 IVB족에 위치하며 원자 번호는 22입니다. 핵은 양성자 22개와 중성자 20-32개로 구성되어 있으며 핵외 전자 구조는 1S22S22P63S23D24S2로 배열되어 있습니다. 핵 반경은 5x10-13cm입니다. 이러한 독특한 원자 구조는 티타늄에 독특한 물리적 및 화학적 특성을 부여합니다.

2. 티타늄의 물리적 특성
티타늄의 밀도는 4.506-4.516 g/cm3(20도)이고, 녹는점은 1668±4도, 녹는 잠열은 3.7-5.0 kcal/g 원자, 끓는점은 3260±20도, 증발 잠열은 102.5-112.5 kcal/g 원자, 임계 온도는 4350도, 임계 압력은 1130 기압입니다. 티타늄의 열전도도와 전기 전도도는 좋지 않으며 스테인리스강과 비슷하거나 약간 낮습니다. 티타늄은 초전도성을 가지고 있으며 순수 티타늄의 초전도 임계 온도는 0.38-0.4K입니다. 25도에서 티타늄의 열 용량은 0.126 cal/g 원자·도, 열 엔탈피는 1149 cal/g 원자, 엔트로피는 7.33 cal/g 원자·도입니다. 금속 티타늄은 투자율이 1.00004인 상자성 물질입니다.
티타늄은 가소성을 가지고 있습니다. 고순도 티타늄의 신장률은 50-60%에 도달할 수 있고 단면 수축률은 70-80%에 도달할 수 있지만 강도가 낮고 구조 재료에 적합하지 않습니다. 티타늄에 불순물이 존재하면 기계적 특성에 큰 영향을 미치며 특히 간극 불순물(산소, 질소, 탄소)은 티타늄의 강도를 크게 높이고 가소성을 크게 낮출 수 있습니다. 구조 재료로서 티타늄의 우수한 기계적 특성은 적절한 불순물 함량을 엄격히 제어하고 합금 원소를 첨가하여 달성됩니다.

3. 티타늄의 화학적 성질
티타늄은 더 높은 온도에서 많은 원소 및 화합물과 반응할 수 있습니다. 다양한 원소는 티타늄과의 다른 반응에 따라 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
1종: 할로겐과 산소족 원소는 티타늄과 공유 결합 및 이온 결합 화합물을 형성합니다.
2종: 전이원소, 수소, 베릴륨, 붕소족, 탄소족, 질소족 원소들은 티타늄과 금속간화합물과 제한된 고용체를 형성합니다.
3종: 지르코늄, 하프늄, 바나듐족, 크롬족, 스칸듐 원소들은 티타늄과 함께 무한한 고용체를 형성합니다.
4등급: 불활성가스, 알칼리금속, 알칼리토금속, 희토류원소(스칸듐 제외), 악티늄, 토륨 등은 티타늄과 반응하지 않거나 기본적으로 반응하지 않습니다.

4. 화합물과의 반응:
HF와 불소
불화수소 가스는 가열하면 티타늄과 반응하여 TiF4를 형성하고 반응식은 (1)입니다. 비수용성 불화수소 액체는 티타늄 표면에 치밀한 사불화티타늄 필름을 형성하여 HF가 티타늄 내부로 침투하는 것을 방지할 수 있습니다. 불화수소산은 티타늄에 가장 강력한 플럭스입니다. 농도가 1%인 불화수소산조차도 티타늄과 격렬하게 반응할 수 있습니다. 무수 불화물과 그 수용액은 낮은 온도에서 티타늄과 반응하지 않으며, 용융 불화물만이 고온에서 티타늄과 상당히 반응합니다.
Ti＋4HF=TiF4＋2H2＋135.0 kcal (1) 2Ti＋6HF=2TiF4＋3H2

HCl과 염화물
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300도에서 TiCl4를 형성합니다. 공식(3) 참조; 농도가 다음과 같은 염산<5% does not react with titanium at room temperature, and 20% hydrochloric acid reacts with titanium at room temperature to form purple TiCl3, see formula (4); when the temperature rises, even dilute hydrochloric acid can corrode titanium. Various anhydrous chlorides, such as magnesium, manganese, iron, nickel, copper, zinc, mercury, tin, calcium, sodium, barium and NH4 ions and their aqueous solutions, do not react with titanium. Titanium has good stability in these chlorides.
Ti＋4HCl=TiCl4＋2H2＋94.75kcal (3)2Ti＋6HCl=TiCl3＋3H2 (4)

황산과 황화수소
티타늄이 묽은 황산과 반응한 후<5%, a protective oxide film is formed on the titanium surface, which can protect titanium from further corrosion by dilute acid. However, sulfuric acid >5%는 티타늄과 상당한 반응을 보입니다. 실온에서 약 40% 황산은 티타늄에 대한 부식 속도가 가장 빠릅니다. 농도가 40%를 초과하고 60%에 도달하면 부식 속도가 느려지고 80%에서 가장 빠르게 도달합니다. 가열된 희석산 또는 50% 농축 황산은 티타늄과 반응하여 황산티타늄을 형성할 수 있습니다(식 (5), (6) 참조). 가열된 농축 황산은 티타늄에 의해 환원되어 SO2를 형성할 수 있습니다(식 (7) 참조). 실온에서 티타늄은 황화수소와 반응하여 표면에 보호막을 형성하여 황화수소와 티타늄 간의 추가 반응을 방지할 수 있습니다. 그러나 고온에서는 황화수소가 티타늄과 반응하여 수소를 침전시킵니다(식 (8) 참조). 분말 티타늄은 600도에서 황화수소와 반응하여 황화티타늄을 형성합니다. 900도에서 반응 생성물은 주로 TiS이고 1200도에서는 Ti2S3입니다.
Ti＋H2SO4=TiSO4＋H2 (5) 2Ti＋3H2SO4=Ti2(SO4)3＋H2 (6)
2Ti＋6H2SO4=Ti2(SO4)3＋3SO2＋6H2O＋202 kcal (7)Ti＋H2S=TiS＋H2＋70 kcal (8)

질산과 왕수
치밀하고 매끄러운 티타늄은 질산에 대한 안정성이 좋습니다. 질산은 티타늄 표면에 빠르게 강한 산화막을 형성할 수 있지만 거친 표면, 특히 스펀지 티타늄 또는 분말 티타늄은 낮고 뜨거운 묽은 질산과 반응할 수 있습니다(식 (9), (10) 참조). 70도 이상의 농축 질산도 티타늄과 반응할 수 있습니다(식 (11) 참조). 실온에서 티타늄은 왕수와 반응하지 않습니다. 고온에서 티타늄은 왕수와 반응하여 TiCl2를 형성할 수 있습니다.
3Ti＋4HNO3＋4H2O=3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O=3H2TiO3＋4NO (10)
Ti ＋ 8HNO 3 ⇒ Ti (NO 3 ) 4 ＋ 4NO 2 ＋ 4H 2 O ( 11 )

요약하자면, 티타늄의 특성은 온도, 기존 형태 및 순도와 밀접한 관련이 있습니다. 고밀도 금속 티타늄은 본질적으로 매우 안정적이지만 분말 티타늄은 공기 중에서 자연 발화를 일으킬 수 있습니다. 티타늄에 불순물이 존재하면 티타늄의 물리적, 화학적, 기계적 및 내식성에 상당한 영향을 미칩니다. 특히 일부 간극 불순물은 티타늄 격자를 왜곡하고 티타늄의 다양한 특성에 영향을 미칠 수 있습니다. 실온에서 티타늄의 화학적 활동은 매우 작고 불산과 같은 몇 가지 물질과 반응할 수 있지만 티타늄의 활동은 온도가 상승하면 빠르게 증가하며 특히 고온에서 티타늄은 많은 물질과 격렬하게 반응할 수 있습니다. 티타늄의 제련 공정은 일반적으로 800도 이상의 고온에서 수행되므로 진공 중이나 불활성 분위기의 보호 하에 작동해야 합니다.