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| チタン | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 発音 |
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| 外観 | 銀灰色がかった白色のメタリック | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 標準原子量 A r °(Ti) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 周期表におけるチタン | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 原子番号 ( Z ) | 22 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| グループ | グループ4 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 期間 | 期間4 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ブロック | dブロック | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | [ Ar ] 3d 2 4s 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 殻あたりの電子数 | 2、8、10、2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 物理的特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| STPでの フェーズ | 固体 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融点 | 1941 K (1668 °C、3034 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 沸点 | 3560 K (3287 °C、5949 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 密度（20℃） | 4.502 g/cm3 [ 4] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 液体の場合（ mp） | 4.11グラム/ cm3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 14.15kJ /モル | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 気化熱 | 425kJ/モル | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モル熱容量 | 25.060 J/(モル·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
蒸気圧
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| 原子特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 酸化状態 | −2, −1, 0, [5] +1, +2 , +3 , +4 [6]（ 両性酸化物） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気陰性度 | ポーリングスケール: 1.54 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| イオン化エネルギー |
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| 原子半径 | 経験的: 午後147時 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 共有結合半径 | 160±8時 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| その他のプロパティ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 自然発生 | 原始的な | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | 六方最密充填（hcp）（hP2） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 格子定数 |  c = 468.33 pm （20℃）[4] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱膨張 | 9.68 × 10 −6 /K (20℃) [a] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | 21.9 W/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気抵抗率 | 420 nΩ⋅m（20℃時） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 磁気秩序 | 常磁性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モル磁化率 | +153.0 × 10 −6 cm 3 /モル（293 K）[7] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ヤング率 | 116GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| せん断弾性係数 | 44GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 体積弾性率 | 110GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 音速の 細い棒 | 5090 m/s ( 室温で) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ポアソン比 | 0.32 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モース硬度 | 6.0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ビッカース硬度 | 830～3420MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ブリネル硬度 | 716～2770MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CAS番号 | 7440-32-6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 歴史 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 発見 | ウィリアム・グレガー（1791） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 最初の隔離 | イェンス・ヤコブ・ベルセリウス(1825) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 命名者 | マルティン・ハインリヒ・クラプロス(1795) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| チタンの同位体 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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チタンは化学元素で、記号は Ti、原子番号は22です。自然界では酸化物としてのみ存在し、還元すると銀色の光沢のある遷移金属となり、密度が低く、強度が高く、海水、王水、塩素に対する耐腐食性があります。
チタンは1791年にイギリスのコーンウォールでウィリアム・グレガーによって発見され、ギリシャ神話の巨人族にちなんでマーティン・ハインリヒ・クラプロートによって命名されました。この元素は、地球の地殻と岩石圏に広く分布するルチルとイルメナイトを主とする多くの鉱物の中に存在し、ほぼすべての生物、水域、岩石、土壌に含まれています。[9]この金属は、クロール法とハンター法によって主要鉱石から抽出されます。[10]最も一般的な化合物である二酸化チタンは、人気の高い光触媒であり、白色顔料の製造に使用されます。[11]その他の化合物には、煙幕や触媒の成分である四塩化チタン（TiCl 4 ）や、ポリプロピレンの製造で触媒として使用される三塩化チタン（TiCl 3）などがあります。[9]
チタンは、鉄、アルミニウム、バナジウム、モリブデンなどの元素と合金にすることができます。その結果得られるチタン合金は、強度、軽量性、汎用性に優れており、航空宇宙（ジェットエンジン、ミサイル、宇宙船）、軍事、工業プロセス（化学薬品および石油化学製品、海水淡水化プラント、パルプ、紙）、自動車、農業（農作業）、スポーツ用品、宝石、家電製品などの用途があります。[9]チタンは最も生体適合性の高い金属の1つとも考えられており、義肢、整形外科用インプラント、歯科用インプラント、外科用器具など、さまざまな医療用途に使用されています。[12]
この金属の最も有用な2つの特性は、耐食性と強度対密度比であり、これらはあらゆる金属元素の中で最も高い。[13]合金化されていない状態では、チタンは一部の鋼と同程度の強度があるが、密度は低い。[14]この元素には2つの同素体[ 15]と5つの天然同位体、46 Tiから50 Tiがあり、48 Tiが最も豊富（73.8%）である。[16]
特徴
物理的特性
金属としてのチタンは、その高い強度対重量比で知られています。[15]密度が低く、延性（特に無酸素環境で）に富み、 [9]光沢があり、金属白色の強い金属です。[17]融点が比較的高い（1,668 °Cまたは3,034 °F）ため、耐火金属と呼ばれることもありますが、そうではありません。[18]チタンは常磁性であり、他の金属と比較して電気伝導性と熱伝導性がかなり低いです。 [9]チタンは臨界温度0.49 K以下に冷却すると超伝導になります。 [19] [20]
商業的に純粋な（純度99.2%）グレードのチタンは、極限引張強度が約434 MPa（63,000 psi）で、一般的な低グレードの鋼合金と同等ですが、密度は低くなります。チタンはアルミニウムよりも60%密度が高いですが、最も一般的に使用されている6061-T6アルミニウム合金の2倍以上の強度があります[14]。特定のチタン合金（例：ベータC）は、1,400 MPa（200,000 psi）を超える引張強度を達成します。[21]しかし、チタンは430°C（806°F）以上に加熱すると強度が低下します。[22]
チタンは熱処理された鋼の等級ほど硬くなく、非磁性で熱や電気の伝導率が低い。鋭利な工具と適切な冷却方法を使用しないと、材料がかじってしまう可能性があるため、機械加工には注意が必要である。鋼構造物と同様に、チタン製の構造物には疲労限界があり、用途によっては長寿命が保証される。[17]
この金属は、六方晶α型の二形同素体であり、 882℃（1,620℉）で体心立方（格子）β型に変化する。[22] α型の比熱は、この遷移温度まで加熱すると劇的に増加するが、その後は低下し、温度に関係なくβ型ではほぼ一定のままである。[22]
化学的性質
アルミニウムやマグネシウムと同様に、チタン金属とその合金の表面は空気にさらされるとすぐに酸化され、薄い非多孔性の不動態層を形成し、金属全体をそれ以上の酸化や腐食から保護します。[9]この保護層は最初に形成されたときの厚さはわずか1～2 nmですが、ゆっくりと成長し続け、4年で厚さ25 nmに達します。[24]この層により、チタンは酸化性酸に対する優れた耐腐食性を発揮しますが、希フッ化水素酸、高温塩酸、高温硫酸には溶解します。
チタンは、室温での希硫酸や希塩酸、塩化物溶液、およびほとんどの有機酸による攻撃に耐えることができます。 [10]しかし、チタンは濃酸によって腐食されます。[25]チタンは非常に反応性の高い金属であり、通常の空気中では融点よりも低い温度で燃焼します。溶融は不活性雰囲気または真空中でのみ可能です。550 °C (1,022 °F) で、塩素と結合します。[10]また、他のハロゲンとも反応し、水素を吸収します。[11]
チタンは空気中では1,200℃（2,190℉）で、純酸素中では610℃（1,130℉）で酸素と容易に反応し、二酸化チタンを形成する。[15]チタンは純窒素ガス中で燃える数少ない元素の一つで、800℃（1,470℉）で反応して窒化チタンを形成し、脆化を引き起こす。[26]酸素、窒素、その他多くのガスとの反応性が高いため、フィラメントから蒸発したチタンはチタン昇華ポンプの基礎となり、チタンはこれらのガスと化学的に結合してガスのスカベンジャーとして機能する。このようなポンプは超高真空システムで極めて低い圧力を安価に生成する。
発生
チタンは地殻中に9番目に多く含まれる元素（質量比0.63% ）[27]であり、7番目に豊富な金属である。ほとんどの火成岩、火成岩由来の堆積物、生物、自然水域に酸化物として存在する。 [9] [10]米国地質調査所が分析した801種類の火成岩のうち、784種類にチタンが含まれていた。土壌中におけるチタンの割合は約0.5～1.5%である。[27]
一般的なチタン含有鉱物は、アナターゼ、ブルッカイト、イルメナイト、ペロブスカイト、ルチル、チタン石（スフェーン）である。[24] アカオギ石は二酸化チタンからなる極めて希少な鉱物である。これらの鉱物のうち、ルチルとイルメナイトのみが経済的に重要であるが、高濃度で見つけることは困難である。これらの鉱物は、それぞれ約600万トンと70万トンが2011年に採掘された。[28]オーストラリア、カナダ、中国、インド、モザンビーク、ニュージーランド、ノルウェー、シエラレオネ、南アフリカ、ウクライナに重要なチタン含有イルメナイト鉱床が存在している。[24] 2020年に約21万トンのチタン金属スポンジが生産され、そのほとんどは中国（11万トン）、日本（5万トン）、ロシア（3万3千トン）、カザフスタン（1万5千トン）で生産されました。アナターゼ、イルメナイト、ルチルの総埋蔵量は20億トンを超えると推定されています。[28]
海洋中のチタンの濃度は約4ピコモルです。100℃では、水中のチタンの濃度はpH7で10−7M未満と推定されます。水溶液中のチタン種の正体は、その溶解度が低く、感度の高い分光法がないため不明ですが、空気中では4+酸化状態のみが安定しています。生物学的役割の証拠はありませんが、まれに高濃度のチタンを蓄積することが知られています。[29]
チタンは隕石に含まれており、太陽や表面温度が3,200℃（5,790℉）のM型 恒星[10] （最も低温の恒星）でも検出されています。 [30] アポロ17号のミッション中に月から持ち帰られた岩石は、12.1％のTiO2で構成されています。[10]天然チタン（純粋な金属）は非常にまれです。[31]
同位体
天然チタンは、46 Ti、47 Ti、48 Ti、49 Ti、50 Tiの5つの安定同位体で構成されており、 48 Tiが最も豊富です（天然存在比73.8% ）。少なくとも21の放射性同位体が特徴付けられており、最も安定しているのは半減期が63年の44 Ti 、 184.8分の45 Ti、 5.76分の51 Ti、1.7分の52 Tiです。他の放射性同位体はすべて半減期が33秒未満で、大多数は0.5秒未満です。[16]
チタンの同位体の原子量は39.002 Da ( 39 Ti) から63.999 Da（64 Ti）。[32] 46 Tiより軽い同位体の主な崩壊モードは陽電子放出であり（電子捕獲を受ける44 Tiを除く）、スカンジウムの同位体をもたらし、 50 Tiより重い同位体の主な崩壊モードはベータ放出であり、バナジウムの同位体をもたらす。[16]
チタンは重陽子の照射により放射性となり、主に陽電子と硬ガンマ線を放出する。[10]
化合物
チタンの化学では+4の酸化状態が支配的であるが[33]、+3の酸化状態の化合物も数多く存在する。[34]一般的に、チタンは錯体中で八面体配位構造をとるが[35] [36]、四面体TiCl 4は注目すべき例外である。その高い酸化状態のため、チタン(IV)化合物は高度の共有結合を示す。[33]
酸化物、硫化物、アルコキシド
最も重要な酸化物はTiO2で、アナターゼ、ブルッカイト、ルチルの3つの重要な多形が存在します。これら3つはすべて白色の反磁性固体ですが、鉱物サンプルは暗色に見えることがあります（ルチルを参照）。これらはTiが6つの酸化物配位子に囲まれ、他のTi中心に結合したポリマー構造を採用しています。[37]
チタン酸塩という用語は通常、チタン酸バリウム（BaTiO 3 ）に代表されるチタン（IV）化合物を指します。ペロブスカイト構造を持つこの物質は圧電特性を示し、音と電気の相互変換における変換器として使用されます。[15]多くの鉱物はチタン酸塩であり、例えばイルメナイト（FeTiO 3）などがあります。スターサファイアとルビーは、二酸化チタンの不純物の存在によりアステリズム（星を形成する輝き）を得ています。[24]
チタンの還元酸化物（亜酸化物）にはさまざまな種類が知られており、主に大気圧プラズマ噴霧法で得られる還元化学量論の二酸化チタンである。Ti (IV)-Ti(III)種と呼ばれるTi 3 O 5は、高温で水素でTiO 2を還元して生成される紫色の半導体であり、 [38]表面を二酸化チタンで蒸着する必要がある場合に工業的に使用されている。Ti 3 O 5 は純粋なTiOとして蒸発するのに対し、TiO 2 は酸化物の混合物として蒸発し、さまざまな屈折率のコーティングを堆積する。[39]また、コランダム構造のTi 2 O 3や、非化学量論的であることが多いが岩塩構造のTiOも知られている。[40]
チタン(IV)のアルコキシドは、TiCl 4をアルコールで処理して作られ、水と反応して二酸化物に変わる無色の化合物です。これらは、ゾルゲル法で固体TiO 2を堆積させるために工業的に有用です。チタンイソプロポキシドは、シャープレスエポキシ化によるキラル有機化合物の合成に使用されます。[41]
チタンはさまざまな硫化物を形成しますが、TiS 2だけが大きな注目を集めています。これは層状構造を採用しており、リチウム電池の開発でカソードとして使用されました。Ti(IV)は「ハードカチオン」であるため、チタンの硫化物は不安定で、硫化水素を放出して酸化物に加水分解する傾向があります。[42]
窒化物と炭化物
窒化チタン（TiN）は、極めて高い硬度、熱伝導性/電気伝導性、高融点を示す耐火固体である。[43] TiNはサファイアやカーボランダム（モース硬度9.0 ）と同等の硬度を持ち、 [44]ドリルビットなどの切削工具のコーティングによく使用される。[45]金色の装飾仕上げや半導体製造におけるバリア層としても使用される。[46]炭化チタン（TiC）も非常に硬く、切削工具やコーティングに使用されている。[47]
ハロゲン化物
四塩化チタン（塩化チタン(IV)、TiCl 4 [48]）は、無色の揮発性液体（市販のサンプルは黄色がかっている）で、空気中で加水分解され、白い雲を激しく放出する。クロール法では、TiCl 4 はチタン鉱石をチタン金属に変換するために使用される。四塩化チタンは、例えば白色塗料に使用する二酸化チタンの製造にも使用される。[49]有機化学ではルイス酸として広く使用されており、例えば向山アルドール縮合で使用されている。[50]ファン・アルケル・デ・ブール法では、高純度チタン金属の製造時に四ヨウ化チタン（TiI 4）が生成される。[51]
チタン(III)とチタン(II)も安定した塩化物を形成します。注目すべき例としては、チタン(III)塩化物（TiCl 3）があり、これはポリオレフィンの製造触媒（ツィーグラー・ナッタ触媒を参照）や有機化学の還元剤として使用されています。 [52]
有機金属錯体
チタン化合物は重合触媒として重要な役割を果たすため、Ti-C結合を持つ化合物が集中的に研究されてきた。最も一般的な有機チタン錯体はチタノセンジクロリド（(C 5 H 5 ) 2 TiCl 2）である。関連化合物にはテッベ試薬やペタシス試薬などがある。チタンはカルボニル錯体を形成し、例えば（C 5 H 5）2 Ti(CO) 2 となる。[53]
抗がん療法の研究
プラチナベースの化学療法の成功に続き、チタン(IV)錯体は、癌治療に試験された最初の非プラチナ化合物の1つでした。チタン化合物の利点は、生体内での有効性が高く毒性が低いことです。[54]生物学的環境では、加水分解により安全で不活性な二酸化チタンが生成されます。これらの利点にもかかわらず、最初の候補化合物は、有効性と毒性の比率が不十分で、製剤が複雑であったため、臨床試験に失敗しました。[54]さらなる開発により、潜在的に効果的で選択的で安定したチタンベースの薬剤が開発されました。[54]
歴史
チタンは1791年、牧師で地質学者のウィリアム・グレゴールによりイギリスのコーンウォールで鉱物の包有物として発見された。 [55]グレゴールは小川のほとりで黒い砂を見つけ、その砂が磁石に引き寄せられることに気づいたとき、イルメナイト[11]に新しい元素が含まれていることに気づいた。[55]砂を分析し、彼は2つの金属酸化物、すなわち酸化鉄（磁石に引き寄せられる理由を説明）と、彼が特定できなかった白い金属酸化物が45.25%含まれていることを突き止めた。[27]未確認の酸化物に既知の元素と一致しない金属が含まれていることに気づいたグレゴールは、1791年にドイツとフランスの科学雑誌、Crell's AnnalenとObservations et Mémoires sur la Physiqueにその発見を報告した。[55] [56] [57]彼はこの酸化物をマナッカナイトと名付けた。[58]
同じ頃、フランツ・ヨーゼフ・ミュラー・フォン・ライヒェンシュタインも同様の物質を生成したが、同定できなかった。[11]この酸化物は、1795年にプロイセンの化学者マルティン・ハインリヒ・クラプロートによって、ハンガリーの村ボイニク（現在のスロバキアのボイニチキ）のルチルから独立して再発見された。[55] [b] クラプロートは、そこに新しい元素が含まれていることを発見し、ギリシャ神話の巨神にちなんで名付けた。[30]グレゴールの以前の発見を聞いた後、彼はマナカナイトのサンプルを入手し、チタンが含まれていることを確認した。[60]
現在知られている、さまざまな鉱石からチタンを抽出する方法は、手間がかかり、費用もかかる。チタンは炭素と化合して炭化チタンを生成するため、鉄の製錬のように炭素と一緒に加熱して鉱石を還元することはできない。[ 55]純粋な金属チタン（99.9%）は、1910年にレンセラー工科大学のマシュー・A・ハンターによって、TiCl 4 をナトリウムとともに700～800 °C（1,292～1,472 °F）で高圧下で加熱することによって初めて製造された。[61]このバッチプロセスはハンタープロセスと呼ばれている。 [10]チタン金属は、1932年にウィリアム・ジャスティン・クロールが四塩化チタン（TiCl 4）をカルシウムで還元して製造するまで、研究室の外では使用されていなかった。[62] 8年後、彼はマグネシウムとナトリウムを使ってこのプロセスを改良し、クロールプロセスとして知られるようになった。[62] FFCケンブリッジ法など、より安価で効率的な方法を模索する研究が続けられているものの、商業生産では依然としてクロール法が主流となっている。[10] [11]
1925年にアントン・エドゥアルド・ファン・アルケルとヤン・ヘンドリック・デ・ブールがヨウ素と反応し、発生した蒸気を熱いフィラメントで分解して純粋な金属にするヨウ化物法を発見したとき、非常に高純度のチタンが少量生産されました。[63]
1950年代から1960年代にかけて、ソ連は冷戦に関連したプログラムの一環として、軍事および潜水艦へのチタンの使用を開拓しました[61]（アルファ級およびマイク級）[64] 。 [65] 1950年代初頭から、チタンは軍用航空機、特に高性能ジェット機で広く使用されるようになり、 F-100スーパーセイバーやロッキードA-12、SR-71などの航空機が始まりました。[66]
冷戦時代を通じて、チタンは米国政府によって戦略物資とみなされ、国防国家備蓄センターによってスポンジチタン（純金属の多孔質形態）の大規模な備蓄が維持されていたが、2000年代に備蓄は分散された。[67] 2021年現在、スポンジチタンの主要4か国は、中国（52％）、日本（24％）、ロシア（16％）、カザフスタン（7％）であった。[28]
生産
鉱物の選鉱プロセス
- ベッチャー法は、鉱石イルメナイトから二酸化チタンの一種である合成ルチルを生産するために使用される工業プロセスです。
- 塩化物プロセス。
- 硫酸法：「硫酸（H2SO4）を使用してイルメナイト鉱石（FeTiO3）からチタンを浸出させます。その結果生じる反応により、硫酸チタン（TiOSO4）が生成されます。二次加水分解段階で、硫酸チタンが水和TiO2とH2SO4に分解されます。最後に、熱を使用して水を除去し、最終製品である純粋なTiO2を生成します。」[68]
精製プロセス
ハンタープロセス
ハンター法は、純粋な金属チタンを生産する最初の工業的プロセスでした。このプロセスは、ニュージーランド生まれで米国で活動していた化学者マシュー・A・ハンターによって1910年に発明されました。 [69]このプロセスでは、 1,000℃の温度で不活性雰囲気のバッチ反応器で四塩化チタン（TiCl 4）をナトリウム（Na）で還元します。次に、希塩酸を使用して生成物から塩を浸出します。[70]
- TiCl 4 (g) + 4 Na(l) → 4 NaCl(l) + Ti(s)
クロール法
チタン金属の加工は、主に4つのステップで行われます。チタン鉱石を多孔質の「スポンジ」に還元する、スポンジまたはスポンジとマスター合金を溶かしてインゴットを形成する、一次加工、つまりインゴットをビレット、バー、プレート、シート、ストリップ、チューブなどの一般的な製鉄所製品に変換する、そして製鉄所製品から完成した形状に二次加工する、というステップです。[71]
二酸化チタンの還元では容易に生成できないため、[17]金属チタンは、クロール法で四塩化チタン(TiCl 4 ) を金属マグネシウムで還元して得られる。クロール法でのこのバッチ生産の複雑さにより、チタンの市場価値が比較的高いことが説明されるが、 [72]クロール法はハンター法よりも安価である。[61]クロール法で必要なTiCl 4 を生成するには、二酸化チタンを塩素の存在下で炭素還元する。このプロセスでは、塩素ガスを炭素の存在下でルチルまたはイルメナイトの赤熱混合物に通す。分留による徹底的な精製の後、TiCl 4 はアルゴン雰囲気下で 800 °C (1,470 °F) の溶融マグネシウムで還元される。[15]
![{\displaystyle {\ce {2FeTiO3 + 7Cl2 + 6C ->[900^oC] 2FeCl3 + 2TiCl4 + 6CO}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1eeb2d68819d30ab4f11311db1e92a04acc56bc6)
![{\displaystyle {\ce {TiCl4 + 2Mg ->[1100^oC] Ti + 2MgCl2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f228cf9d1b37bed2a16479329a0cbac935343617)
アーケル・ボーア法
ファン・アルケル・デ・ブール法は、純チタンを製造するための最初の半工業的プロセスでした。このプロセスでは、四ヨウ化チタンの熱分解が行われます。
アームストロング法
チタン粉末は、バッチ生産のハンタープロセスに似たアームストロングプロセス[73]と呼ばれるフロー生産プロセスを使用して製造されます。四塩化チタンガスの流れを溶融ナトリウムの流れに加え、生成物（塩化ナトリウム塩とチタン粒子）を余分なナトリウムから濾過します。次に、水洗によってチタンを塩から分離します。ナトリウムと塩素の両方がリサイクルされ、より多くの四塩化チタンを製造および処理します。[74]
パイロットプラント
溶融塩電解質を使用してTiO 2からTi金属を電解生産する方法は、実験室および小規模パイロットプラント規模で研究およびテストされています。2017年に公開された公平なレビューの主執筆者は、自身のプロセスを「スケールアップの準備ができている」と考えていました。[75] 2023年のレビューでは、「水溶液および溶融塩電解質からの金属の回収に関係する電気化学的原理について説明」しており、特にチタンに注目しています。ニッケルや銅などの一部の金属は室温で電解採取によって精製できますが、チタンは溶融状態でなければならず、「溶融チタンによって耐火ライニングが攻撃される可能性が高い」のです。[76]張らは2017年にチタン金属生産のための熱化学および電気化学プロセスに関する展望で、「業界ではチタン金属を生産するためのより良い方法を見つけることに強い関心があり、実験室やパイロットプラント規模でさえ多数の新しい概念と改良が研究されてきたが、これまでのところ商業的にクロール法に代わる新しいプロセスは存在しない」と結論付けている。[77]
水素補助熱マグネシウム還元（HAMR）プロセスでは、二水素化チタンを使用します。
製作
チタンの溶接は、大気中のガス（酸素、窒素、水素）による汚染を防ぐために、アルゴンまたはヘリウムの不活性雰囲気で行う必要があります。 [22]汚染は脆化などのさまざまな状態を引き起こし、アセンブリ溶接の完全性を低下させ、接合部の破損につながります。[78]
チタンは直接はんだ付けするのが非常に難しいため、はんだ付けする前にはんだ付け可能な金属や合金、例えば鋼鉄をチタンの上にコーティングします。 [79]チタン金属はステンレス鋼と同じ設備とプロセスで機械加工できます。[22]
チタン合金
一般的なチタン合金は還元によって作られる。例えば、銅チタン（銅を添加したルチル）、鉄炭素チタン（電気炉でコークスを用いて還元したイルメナイト）、マンガノチタン（マンガンまたはマンガン酸化物を添加したルチル）は還元される。[80]
約 50 種類のチタン合金が設計され、現在使用されていますが、市販されているのはわずか 20 種類です。[81] ASTMインターナショナルは31 種類のチタン金属および合金を認定しており、そのうちグレード 1 から 4 は商業的に純粋 (合金化されていない) です。これら 4 種類の引張強度は酸素含有量によって異なり、グレード 1 は最も延性が高く (酸素含有量が 0.18% で引張強度が最も低い)、グレード 4 は最も延性が低く (酸素含有量が 0.40% で引張強度が最も高い) なります。[24]残りのグレードは合金であり、それぞれが延性、強度、硬度、電気抵抗率、耐クリープ性、特定の耐腐食性、およびそれらの組み合わせの特定の特性に合わせて設計されています。[82]
ASTM規格に加えて、チタン合金は航空宇宙および軍事規格（SAE-AMS、MIL-T）、ISO規格、国別規格、さらには航空宇宙、軍事、医療、産業用途向けの独自のエンドユーザー仕様を満たすようにも製造されています。[83]
成形と鍛造
市販の純粋な平らな製品（シート、プレート）は簡単に成形できますが、加工では金属のスプリングバック傾向を考慮する必要があります。これは特定の高強度合金に特に当てはまります。[84] [85]鍛造に使用される高温で空気中の酸素にさらされると、「アルファケース」と呼ばれる脆い酸素に富んだ金属表面層が形成され、疲労特性が悪化するため、フライス加工、エッチング、または電気化学処理によって除去する必要があります。[86]チタンの加工は非常に複雑で、[87] [88] [89]摩擦溶接、[90]低温鍛造、[91]真空アーク再溶解が含まれます。
アプリケーション
チタンは、結晶粒度を小さくし、脱酸剤として鋼鉄に合金元素（フェロチタン）として使用され、また、炭素含有量を減らすためにステンレス鋼に使用されています。[9]チタンは、アルミニウム（結晶粒度を微細化するため）、バナジウム、銅（硬化のため）、鉄、マンガン、モリブデン、およびその他の金属と合金化されることがよくあります。[92]チタンミル製品（シート、プレート、バー、ワイヤ、鍛造品、鋳造品）は、工業、航空宇宙、レクリエーション、および新興市場で使用されています。粉末チタンは、明るく燃える粒子の供給源として花火に使用されます。[93]
顔料、添加剤、コーティング
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チタン鉱石の約95％は二酸化チタン（TiO
2）、塗料、紙、歯磨き粉、プラスチックに使用される濃い白色の永久顔料です。 [28]また、セメント、宝石、紙の光学不透明化剤としても使用されます。[94]
酸化チタン
2顔料は化学的に不活性で、日光による退色に強く、非常に不透明です。家庭用プラスチックの大部分を構成する茶色や灰色の化学物質に、純粋で鮮やかな白色を与えます。[11]自然界では、この化合物はアナターゼ、ブルッカイト、ルチルなどの鉱物に含まれています。[9]二酸化チタンで作られた塗料は、厳しい温度や海洋環境に適しています。[11]純粋な二酸化チタンは屈折率が非常に高く、光学分散はダイヤモンドよりも高くなっています。[10]二酸化チタンは紫外線を反射して吸収するため、日焼け止めに使用されます。[17]
航空宇宙および海洋
チタン合金は、高い引張強度対密度比、[15]、高い耐腐食性、[10]、耐疲労性、高い耐亀裂性、[95]、およびクリープせずに中程度の高温に耐える能力を備えているため、航空機、装甲板、海軍艦艇、宇宙船、ミサイルに使用されています。[10] [11]これらの用途では、チタンはアルミニウム、ジルコニウム、ニッケル、[96]、バナジウム、およびその他の元素と合金化され、重要な構造部品、着陸装置、ファイアウォール、排気ダクト（ヘリコプター）、油圧システムなど、さまざまなコンポーネントが製造されています。実際、生産されるチタン金属の約3分の2は、航空機のエンジンとフレームに使用されています。[97]チタン6AL-4V合金は、航空機用途で使用されるすべての合金のほぼ50％を占めています。[98]
ロッキードA-12とSR-71「ブラックバード」は、チタンが使用された最初の航空機フレームの 2 つであり、現代の軍用機や民間機でのより広範な使用への道を開いた。大量のチタン製粉製品は、多くの航空機の製造に使用されている。たとえば (以下の値は使用された原料製粉製品の量であり、完成した航空機に使用されるのはこのうちのほんの一部である)、ボーイング 787では 116 メトリック トン、エアバス A380では 77 メトリック トン、ボーイング 777 では 59 メトリック トン、ボーイング 747では 45 メトリック トン、エアバス A340では 32 メトリック トン、ボーイング 737では 18 メトリック トン、エアバス A330では 18 メトリックトン、エアバス A320では 12 メトリック トンが使用されている。[99]航空エンジン用途では、チタンはローター、コンプレッサー ブレード、油圧システム コンポーネント、ナセルに使用されている。[100] [101]ジェットエンジンとして最初に使用されたのは1950年代のオレンダ・イロコイでした。 [より良い情報源が必要] [102]
チタンは海水による腐食に強いため、プロペラシャフト、索具、淡水化プラントの熱交換器、[10]、海水水槽のヒーターチラー、釣り糸とリーダー、ダイバーのナイフの製造に使用されています。チタンは、科学および軍事用の海洋配備監視および監視装置のハウジングとコンポーネントに使用されています。旧ソ連は、チタン合金の船体を持つ潜水艦を製造する技術を開発し、[103]巨大な真空管でチタンを鍛造しました。[96]
産業
溶接チタンパイプおよびプロセス機器（熱交換器、タンク、プロセス容器、バルブ）は、化学および石油化学業界で主に耐食性を目的として使用されています。特定の合金は、その高い強度（例：チタンベータC合金）、耐食性、またはその両方を目的として、石油およびガスのダウンホール用途およびニッケル 湿式冶金で使用されています。パルプおよび製紙業界では、次亜塩素酸ナトリウムや湿式塩素ガス（漂白工場）などの腐食性媒体にさらされるプロセス機器にチタンを使用しています。 [104]その他の用途には、超音波溶接、ウェーブはんだ付け、[105]およびスパッタリングターゲットなどがあります。[106]
無色の液体である四塩化チタン（TiCl 4 ）は、TiO 2の製造過程における中間体として重要であり、また、チーグラー・ナッタ触媒の製造にも使用されます。四塩化チタンはガラスを虹色にするためにも使用され、湿った空気中では強く煙を発するため、煙幕の製造にも使用されます。[17]
消費者と建築
チタン金属は自動車用途に使用され、特に軽量で強度と剛性が高いことが重要な自動車やオートバイのレースで使用されています。[107] (p 141)この金属は一般に一般消費者市場では高価すぎるが、後期モデルのコルベットの一部はチタン製の排気管を使用して製造されており、[108]コルベットZ06 の LT4スーパーチャージエンジンは軽量で頑丈なチタン製の吸気バルブを使用しており、強度と耐熱性を高めています。[109]
チタンは多くのスポーツ用品に使用されています。テニスラケット、ゴルフクラブ、ラクロスのスティックのシャフト、クリケット、ホッケー、ラクロス、フットボールのヘルメットのグリル、自転車のフレームや部品などです。自転車製造の主流の素材ではありませんが、チタン製の自転車はレーシングチームやアドベンチャーサイクリストによって使用されています。[110]
チタン合金は、高価ではあるものの、耐久性が高く、長持ちし、軽量で、皮膚アレルギーを引き起こさない眼鏡フレームに使用されています。チタンは、バックパッキング用の調理器具や食器の一般的な素材です。従来のスチールやアルミニウムの代替品よりも高価ですが、チタン製品は強度を損なうことなく大幅に軽量化できます。チタン製の蹄鉄は、より軽くて耐久性があるため、蹄鉄工にスチール製よりも好まれています。 [111]
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チタンは建築にも時々使われている。宇宙を旅した最初の人間であるユーリイ・ガガーリンの42.5メートル（139フィート）の記念碑（ 55°42′29.7″N 37°34′57.2″E / 55.708250°N 37.582556°E / 55.708250; 37.582556）や、モスクワの宇宙飛行士博物館の頂上にある110メートル（360フィート）の宇宙征服者記念碑は、金属の魅力的な色とロケットとの関連性からチタンで作られている。[112] [113]ビルバオ・グッゲンハイム美術館とセリトス・ミレニアム図書館は、それぞれヨーロッパと北米で初めてチタンパネルで覆われた建物であった。[97]コロラド州デンバーのフレデリック・C・ハミルトンビルではチタン製の外装材が使用されました。[114]
チタンは他の金属（鋼鉄、ステンレス鋼、アルミニウム）に比べて強度が優れ、軽量であること、また近年の金属加工技術の進歩により、銃器の製造に広く使用されるようになった。主な用途としては、ピストルのフレームやリボルバーのシリンダーなどがある。同じ理由で、一部のラップトップコンピューターの本体にも使用されている（例えば、AppleのPowerBook G4）。[115] [116]
2023年、Appleはチタン製の筐体を採用したiPhone 15 Proを発売した。 [117]
シャベル、ナイフの柄、懐中電灯など、高級な軽量で耐腐食性のある道具の中には、チタンやチタン合金で作られているものもあります。[116]
ジュエリー
チタンは耐久性があるため、デザイナージュエリー（特にチタンリング）で人気が高まっています。 [111]不活性であるため、アレルギーのある人や、プールなどの環境でジュエリーを着用する人にとっては良い選択肢です。チタンは金と合金化されて24金として販売される合金も作られますが、これは合金化されたTiの1％では、より低いマークを要求するには不十分であるためです。結果として得られる合金は、ほぼ14金の硬度で、純粋な24金よりも耐久性があります。[118]
チタンは耐久性、軽量性、耐へこみ性、耐腐食性を備えているため、時計のケースに適しています。[111]一部のアーティストはチタンを使用して彫刻、装飾品、家具を制作しています。[119]
チタンは陽極酸化処理によって表面の酸化層の厚さを変え、光学干渉縞や様々な明るい色を生み出すことができます。[120]この色と化学的不活性さから、チタンはボディピアスに人気の金属です。[121]
チタンは、流通していない専用のコインやメダルに少量使用されています。1999年、ジブラルタルはミレニアム記念のために世界初のチタンコインを発行しました。[122]オーストラリアのラグビーリーグチーム、ゴールドコーストタイタンズは、年間最優秀選手に純チタンのメダルを授与しています。[123]
医学
チタンは生体適合性（無毒で体内で拒絶反応を起こさない）があるため、股関節球関節（人工関節）や最長20年間留置できる歯科インプラントなどの外科用器具やインプラントを含む多くの医療用途があります。 [55]チタンは、約4％のアルミニウム、または6％のAlと4％のバナジウムで合金化されることがよくあります。[124]
チタンは骨結合能を本来備えており、 30年以上持続する歯科インプラントに使用できる。この特性は整形外科用インプラントにも有用である。[55]チタンの弾性係数（ヤング率）が低いため、このようなインプラントは修復対象の骨の弾性係数とより一致する。その結果、骨格の負荷は骨とインプラントの間でより均等に分散され、応力遮蔽による骨の劣化や整形外科用インプラントの境界で発生する人工骨周囲骨折の発生率が低下する。しかし、チタン合金の剛性は依然として骨の2倍以上であるため、隣接する骨にかかる負荷は大幅に減少し、劣化する可能性がある。[125] [126]
チタンは非強磁性体であるため、チタンインプラントを埋め込まれた患者は磁気共鳴画像法で安全に検査することができます（長期インプラントに便利です）。体内に埋め込むためのチタンの準備には、高温プラズマアークにさらすことで表面の原子を除去し、即座に酸化される新鮮なチタンを露出させる作業が含まれます。[55]
積層造形技術の最近の進歩により、整形外科用インプラント用途におけるチタンの使用の可能性が高まっています。[127]複雑なインプラントスキャフォールド設計はチタン合金を使用して3Dプリントすることができ、これにより患者固有の用途が可能になり、インプラントの骨結合が向上します。[128]
チタンは、画像誘導手術で使用される手術器具や、車椅子、松葉杖など、高強度と軽量が求められるあらゆる製品に使用されています。 [129]
二酸化チタンナノ粒子は、電子機器や医薬品・化粧品の配送に広く使用されています。 [130]
核廃棄物貯蔵
耐腐食性があるため、チタン製の容器は核廃棄物の長期保管用に研究されてきた。材料の欠陥を最小限に抑える製造条件により、10万年以上もつ容器も可能と考えられている。[131]チタン製の「ドリップシールド」を他のタイプの容器の上に設置して、寿命を延ばすこともできる。[132]
予防
チタンは大量に摂取しても無毒であり、人体の中で自然な役割を果たすことはありません。[30]推定0.8ミリグラムのチタンが人間によって毎日摂取されていますが、そのほとんどは組織に吸収されることなく通過します。[30]ただし、シリカを含む組織では生体蓄積することがあります。ある研究では、チタンと黄色爪症候群の間に関連がある可能性があることが示されています。[133]
粉末または金属の削りくずの形でチタン金属は重大な火災の危険を伴い、空気中で加熱されると爆発の危険を伴う。[134]水と二酸化炭素はチタンの火災を消火するのに効果がなく、代わりにクラスDの乾燥粉末消火剤を使用する必要があります。[11]
塩素の製造や取り扱いに使用する場合、チタンは乾燥した塩素ガスにさらさないでください。チタン・塩素火災を引き起こす可能性があります。[135]
チタンは、酸化されていない新鮮な表面が液体酸素と接触すると発火する可能性がある。[136]
植物における機能
植物の未知のメカニズムは、チタンを使って炭水化物の生成を刺激し、成長を促進する可能性があります。これは、ほとんどの植物に約1ppm（百万分の1 ）のチタンが含まれており、食用植物には約2ppm、スギナとイラクサには最大80ppmのチタンが含まれている理由を説明できます。 [30]
参照
脚注
- ^ 熱膨張は異方性であり、各結晶軸の係数は（20℃で）α a = 9.48 × 10 −6 /K、α c = 10.06 × 10 −6 /K、α平均= α V /3 = 9.68 × 10 −6 /Kです。
- ^ "Diesem zufolge will ich den Namen für die gegenwärtige metallische Substanz, gleichergestalt wie bei dem Uranium geschehen, aus der Mythologie, und zwar von den Ursöhnen der Erde, den Titanen, entlehnen, und benenne also Diee Metallgeschlecht: Titanium; ... [59] (p 244) [
これにより、私は現在の金属物質の名前を、ウランの場合と同様に神話から、つまり地球の最初の息子であるタイタンから導き出すことにします。 [私は]この新しい金属種を「チタン」と名付けます。 ...]
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外部リンク
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Wikiversity からのリソース
- 「チタン：私たちの次の主要金属」ポピュラーサイエンス誌（1950年10月）は、チタンに関する最初の一般向けの詳細な記事の1つです。
- 周期表のビデオにおけるチタン（ノッティンガム大学）
- Titanium.org:業界団体である国際チタン協会の公式ウェブサイト
- チタンとその合金の冶金学 - Harshad Bhadeshiaおよび他のケンブリッジ大学の冶金学者によるスライド プレゼンテーション、動画、およびその他の資料