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 水素化チタン粉末
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| 名前 | |
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| IUPAC名
二水素化チタン（水素欠乏）
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| 識別子 | |
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| ECHA 情報カード | 100.028.843 |
パブケム CID
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| ユニ |
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CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |
| TiH 2− x | |
| モル質量 | 49.88 g/モル ( TiH 2 ) |
| 外観 | 黒色火薬（市販品） |
| 密度 | 3.76 g/cm 3（一般的な市販形態） |
| 融点 | 分解する |
| 不溶性の | |
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
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 インフォボックス参照
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チタン水素化物は通常、無機化合物 TiH 2および関連する非化学量論的物質を指します。[1] [2]安定した灰色/黒色の粉末として市販されており、アルニコ焼結磁石の製造、粉末金属の焼結、金属フォームの製造、粉末チタン金属の製造、および花火の添加剤として使用されます。[3]
チタン水素合金としても知られる[4] [5]は、チタン、水素、および場合によっては他の元素の合金[6]です。水素が主な合金元素である場合、チタン水素化物中の水素含有量は重量で0.02％から4.0％の間です。チタン水素化物の特性を変更するために意図的に追加される合金元素には、ガリウム、鉄、バナジウム、アルミニウムなどがあります。
生産
非化学量論的TiH 2− x を製造する商業的なプロセスでは、チタン金属スポンジを大気圧下で 300～500 °C の水素ガスで処理します。水素の吸収は発熱的で急速であり、スポンジの色が灰色/黒に変わります。脆い生成物は粉末に粉砕され、その組成はTiH 1.95前後です。[3]実験室では、チタン水素化物は 700 °C の流動水素下でチタン粉末を加熱することによって生成され、理想的な式は次のとおりです。[7]
- Ti + H 2 → TiH 2
チタン水素化物を製造する他の方法としては、電気化学的方法やボールミル法などがある。[8] [9]
反応
TiH 1.95は水や空気の影響を受けません。[要出典]強酸によってゆっくりと侵され、フッ化水素酸や高温硫酸によって分解されます。酸化剤と急速に反応するため、花火に水素化チタンが使用されています。[3]
この材料は高純度の水素を生成するために使用されており、固体を加熱すると水素が放出されます。[7] TiH ~2の水素放出は400 °C を超えると始まりますが、チタン金属の融点に達するまで完了しない可能性があります。[10] [3]チタントリチド(Ti 3 H x )は、トリチウムガスの長期貯蔵に提案されています。 [11]
構造
TiH x が化学量論に近づくと、歪んだ体心正方構造をとり、軸比が 1 未満の ε 型と呼ばれる。この組成は、純粋な水素雰囲気下で維持されない限り、部分的な熱分解に対して非常に不安定である。そうでなければ、組成は室温で急速に分解し、おおよそのTiH 1.74の組成に達する。[要出典]この組成は蛍石構造をとり、δ 型と呼ばれ、おおよそのTiH 1.47の組成に達するまで室温で非常にゆっくりと熱分解し、その時点で、純チタンと同じ六方最密充填 α 型の介在物が現れ始める。
チタン金属と水素からの二水素化物の生成が詳細に調べられています。α-チタンは室温で六方最密充填 (hcp)構造をとります。水素は最初、チタンの四面体格子間サイトを占めます。H/Ti 比が 2 に近づくと、材料は β 型から面心立方 (fcc) のδ 型に変化し、最終的に H 原子が四面体サイトをすべて満たしてTiH 2の限界化学量論になります。さまざまな相については、下の表で説明します。
チタン水素化物に40℃未満で4.0％の水素が含まれる場合、ε-チタンと呼ばれる体心正方晶（bct）構造に変換されます。 [12]
水素含有量が 1.3% 未満のチタン水素化物 (亜共析チタン水素化物) を冷却すると、混合物の β チタン相が α チタン相に戻ろうとするため、水素が過剰になります。水素が β チタン相から抜ける 1 つの方法は、チタンが部分的に δ チタンに変化することです。その結果、水素含有量が十分に低いチタンが残り、α チタンの形になり、δ チタン介在物を含む α チタン マトリックスになります。
準安定γ-チタン水素化物相が報告されている。[13]水素含有量が0.02～0.06%のα-チタン水素化物を急速に急冷すると、セル構造がhcpからfccに変化して原子がその場に「凍結」するため、γ-チタン水素化物が形成される。γ-チタンは体心正方晶（bct）構造をとる。さらに、組成の変化がないため、原子は一般に同じ隣接原子を保持する。
チタンおよびチタン合金の水素脆化
水素の吸収とチタン水素化物の形成は、チタンおよびチタン合金に損傷を与える原因となります。この水素脆化プロセスは、原子炉などの構造材料としてチタンおよび合金が使用される場合に特に懸念されます。
水素脆化は、延性の低下、そして最終的にはチタン表面の剥離として現れる。水素の影響は、TiおよびTi合金の組成、冶金学的履歴、取り扱いによって大きく左右される。[14] CPチタン（商業的に純粋：Ti含有量≤99.55%）は、純粋なαチタンよりも水素の影響を受けやすい。延性の低下として観察され、水素の固溶体の形成によって引き起こされる脆化は、CPチタンでは30～40 ppmの低濃度でも発生する可能性がある。水素化物の形成は、Ti合金の表面の鉄の存在に関連している。溶接されたTiおよびTi合金の試験片には水素化物粒子が観察されるため、溶接は水素化物形成の可能性を減らすために不活性ガスシールド下で行われることが多い。[14]
TiおよびTi合金は、 Ti(II)、Ti(III)、およびTi(IV)酸化物の混合物からなる表面酸化層を形成し、[15]バルク内に侵入する水素に対してある程度の保護を提供します。[14]この厚さは陽極酸化処理によって増加することができ、この処理によっても材料が独特の色になります。 TiおよびTi合金は、水素を含む環境や、表面で水素が電気分解で還元される条件で使用されることがよくあります。表面を洗浄するために使用される酸浴処理である酸洗いは、水素の発生源になる可能性があります。
用途
一般的な用途としては、セラミック、花火、スポーツ用具、実験用試薬、発泡剤、多孔質チタンの前駆体などがあります。粉末冶金で他の金属と混合して加熱すると、チタン水素化物は水素を放出し、炭素と酸素を除去して強力な合金を生成します。[3]
チタン水素化物の密度は合金成分によって異なりますが、純粋なチタン水素化物の場合は 3.76 ～ 4.51 g/cm 3の範囲です。
水素化チタンを構成する狭い範囲の濃度であっても、水素とチタンの混合物は、非常に異なる特性を持つ多くの異なる構造を形成する可能性があります。このような特性を理解することは、高品質の水素化チタンを製造するために不可欠です。室温では、チタンの最も安定した形態は、六方最密充填(HCP) 構造の α-チタンです。これはかなり硬い金属で、464 °C (867 °F) で 0.20 wt% 以下、25 °C (77 °F) ではわずか 0.02% というわずかな濃度の水素しか溶解できません。チタン水素化物がチタン水素化物の製造温度で 0.20% を超える水素を含む場合、 β-チタンと呼ばれる体心立方(BCC) 構造に変化します。これは、636 °C (1,177 °F) で 2.1% を超える水素を溶解できます。 636℃（1,177℉）で水素化チタンが2.1％以上含まれる場合、δチタンと呼ばれる面心立方（FCC）構造に変化します。さらに水素を溶解することができ、37℃（99℉）で4.0％の水素まで溶解します。これは、水素化チタンの上限の水素含有量を反映しています。[16]
チタン水素化物には、多くの種類の熱処理プロセスがあります。最も一般的なのは、焼鈍と急冷です。焼鈍は、チタン水素化物を軟化させるのに十分な高温に加熱するプロセスです。このプロセスは、回復、再結晶、および結晶粒成長の 3 つの段階を経て進行します。チタン水素化物の焼鈍に必要な温度は、焼鈍の種類によって異なります。ガス放出を防ぐために、焼鈍は水素雰囲気下で行う必要があります。
参照
参考文献
- ^ グリーンウッド、ノーマン N. ; アーンショウ、アラン (1997)。元素の化学(第 2 版)。バターワース-ハイネマン。ISBN 978-0-08-037941-8。
- ^ Holleman, AF; Wiberg, E.「無機化学」Academic Press: サンディエゴ、2001年。ISBN 0-12-352651-5。
- ^ abcde リトマイヤー、ピーター;ヴァイテルマン、ウルリッヒ (2005)。 「水素化物」。ウルマンの工業化学百科事典。ワイリー-VCH。土井：10.1002/14356007.a13_199。ISBN 978-3-527-30673-2。
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズのチタン水素化物に関連するメディア