Sifat Fisika dan Kimia Titanium

Titanium adalah logam transisi berwarna putih keperakan dengan kepadatan hanya 4,54 g/cm³, yang sekitar 40% lebih ringan dari besi, tetapi memiliki kekuatan yang sebanding dengan baja. Sifat ringan dan kekuatan tinggi ini membuat titanium banyak digunakan dalam semua aspek kehidupan. Jadi, apa saja sifat fisik dan kimia titanium?

1. Struktur atom titanium
Pertama, mari kita lihat struktur atom titanium. Titanium terletak di Grup IVB tabel periodik, dengan nomor atom 22. Inti atomnya terdiri dari 22 proton dan 20-32 neutron, dan struktur elektron ekstranuklirnya tersusun sebagai 1S22S22P63S23D24S2. Jari-jari inti atomnya adalah 5x10-13 cm. Struktur atom yang unik ini memberikan titanium sifat fisik dan kimia yang unik.

2. Sifat Fisik Titanium
Kepadatan titanium adalah 4.506-4.516 g/cm3 (20 derajat), titik lelehnya adalah 1668±4 derajat, panas laten lelehnya adalah 3.7-5.0 kkal/g atom, titik didihnya adalah 3260±20 derajat, panas laten penguapannya adalah 102.5-112.5 kkal/g atom, suhu kritisnya adalah 4350 derajat, dan tekanan kritisnya adalah 1130 atmosfer. Konduktivitas termal dan konduktivitas listrik titanium buruk, mirip dengan atau sedikit lebih rendah dari baja tahan karat. Titanium memiliki superkonduktivitas, dan suhu kritis superkonduktor titanium murni adalah 0.38-0.4K. Pada suhu 25 derajat, kapasitas panas titanium adalah 0,126 kal/g atom derajat, entalpi termal adalah 1149 kal/g atom, dan entropi adalah 7,33 kal/g atom derajat. Titanium metalik adalah zat paramagnetik dengan permeabilitas magnetik 1,00004.
Titanium memiliki plastisitas. Perpanjangan titanium dengan kemurnian tinggi dapat mencapai 50-60%, dan penyusutan penampang dapat mencapai 70-80%, tetapi kekuatannya rendah dan tidak cocok untuk bahan struktural. Kehadiran pengotor dalam titanium memiliki pengaruh besar pada sifat mekanisnya, terutama pengotor interstisial (oksigen, nitrogen, karbon) dapat sangat meningkatkan kekuatan titanium dan secara signifikan mengurangi plastisitasnya. Sifat mekanis titanium yang baik sebagai bahan struktural dicapai dengan secara ketat mengendalikan kandungan pengotor yang sesuai dan menambahkan elemen paduan.

3. Sifat kimia titanium
Titanium dapat bereaksi dengan banyak unsur dan senyawa pada suhu yang lebih tinggi. Berbagai unsur dapat dibagi menjadi empat kategori menurut reaksinya yang berbeda dengan titanium:
Kategori 1: Halogen dan unsur golongan oksigen membentuk senyawa kovalen dan ionik dengan titanium;
Kategori 2: Unsur transisi, unsur hidrogen, berilium, golongan boron, golongan karbon dan golongan nitrogen membentuk senyawa intermetalik dan larutan padat terbatas dengan titanium;
Kategori 3: Unsur-unsur zirkonium, hafnium, golongan vanadium, golongan kromium, skandium membentuk larutan padat tak terbatas dengan titanium;
Kategori 4: Gas inert, logam alkali, logam alkali tanah, unsur tanah jarang (kecuali skandium), aktinium, thorium, dll. tidak bereaksi dengan titanium atau pada dasarnya tidak bereaksi.

4. Reaksi dengan senyawa:
HF dan fluorida
Gas hidrogen fluorida bereaksi dengan titanium membentuk TiF4 saat dipanaskan, dan rumus reaksinya adalah (1); cairan hidrogen fluorida non-air dapat membentuk lapisan titanium tetrafluorida yang padat pada permukaan titanium, yang dapat mencegah HF menembus ke bagian dalam titanium. Asam fluorida merupakan fluks terkuat untuk titanium. Bahkan asam fluorida dengan konsentrasi 1% dapat bereaksi hebat dengan titanium; fluorida anhidrat dan larutan berairnya tidak bereaksi dengan titanium pada suhu rendah, dan hanya fluorida cair yang bereaksi secara signifikan dengan titanium pada suhu tinggi.
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.0 kkal (1) 2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2

HCl dan klorida
Hydrogen chloride gas can corrode metal titanium. Dry hydrogen chloride reacts with titanium at >300 derajat untuk membentuk TiCl4, lihat rumus (3); asam klorida dengan konsentrasi<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＋94,75kkal (3)2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2 (4)

Asam sulfat dan hidrogen sulfida
Setelah titanium bereaksi dengan asam sulfat encer<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% memiliki reaksi yang signifikan dengan titanium. Pada suhu kamar, sekitar 40% asam sulfat memiliki laju korosi tercepat pada titanium. Ketika konsentrasi lebih besar dari 40% dan mencapai 60%, laju korosi melambat dan mencapai yang tercepat pada 80%. Asam encer yang dipanaskan atau asam sulfat pekat 50% dapat bereaksi dengan titanium untuk membentuk titanium sulfat, lihat rumus (5), (6). Asam sulfat pekat yang dipanaskan dapat direduksi oleh titanium untuk membentuk SO2, lihat rumus (7). Pada suhu kamar, titanium bereaksi dengan hidrogen sulfida untuk membentuk lapisan pelindung pada permukaannya, yang dapat mencegah reaksi lebih lanjut antara hidrogen sulfida dan titanium. Namun, pada suhu tinggi, hidrogen sulfida bereaksi dengan titanium untuk mengendapkan hidrogen, seperti yang ditunjukkan pada rumus (8). Titanium bubuk mulai bereaksi dengan hidrogen sulfida pada 600 derajat untuk membentuk titanium sulfida. Pada 900 derajat, produk reaksi terutama TiS, dan pada 1200 derajat, itu adalah Ti2S3.
Ti＋H2SO4＝TiSO4＋H2 (5) 2Ti＋3H2SO4＝Ti2(SO4)3＋H2 (6)
2Ti＋6H2SO4＝Ti2(SO4)3＋3SO2＋6H2O＋202 kkal (7)Ti＋H2S＝TiS＋H2＋70 kkal (8)

Asam nitrat dan aqua regia
Titanium yang padat dan halus memiliki stabilitas yang baik terhadap asam nitrat, karena asam nitrat dapat dengan cepat membentuk lapisan oksida yang kuat pada permukaan titanium, tetapi permukaan yang kasar, terutama titanium spons atau titanium bubuk, dapat bereaksi dengan asam nitrat encer rendah dan panas, lihat rumus (9), (10), dan asam nitrat pekat di atas 70 derajat juga dapat bereaksi dengan titanium, lihat rumus (11); pada suhu kamar, titanium tidak bereaksi dengan aqua regia. Pada suhu tinggi, titanium dapat bereaksi dengan aqua regia untuk membentuk TiCl2.
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO (10)
Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)

Singkatnya, sifat-sifat titanium sangat erat kaitannya dengan suhu, bentuk dan kemurniannya. Titanium logam padat cukup stabil di alam, tetapi titanium bubuk dapat menyebabkan pembakaran spontan di udara. Kehadiran pengotor dalam titanium secara signifikan mempengaruhi ketahanan fisik, kimia, mekanik dan korosi titanium. Secara khusus, beberapa pengotor interstisial dapat mendistorsi kisi titanium dan mempengaruhi berbagai sifat titanium. Pada suhu kamar, aktivitas kimia titanium sangat kecil dan dapat bereaksi dengan beberapa zat seperti asam hidrofluorat, tetapi aktivitas titanium meningkat dengan cepat ketika suhu meningkat, terutama pada suhu tinggi, titanium dapat bereaksi hebat dengan banyak zat. Proses peleburan titanium umumnya dilakukan pada suhu tinggi lebih dari 800 derajat, sehingga harus dioperasikan dalam ruang hampa atau di bawah perlindungan atmosfer inert.