Giản đồ phân bố các dạng tồn tại của Titan theo pH (Eh-pH diagrams)

Sơn được làm từ titan điôxít phản chiếu tốt bức xạ hồng ngoại nên được dùng rộng rãi trong ngành thiên văn học và các loại sơn bên ngoài.. Nó cũng được dùng trong xi măng, đá quý và giấ

Chủ đề 6: Giản đồ phân bố các dạng tồn tại của Ti theo pH (Eh-pH

diagrams)

I Titan :

Số nguyên tử: 22

Kí hiệu nguyên tố: Ti

Trọng lượng nguyên tử: 47,867 Màu sắc: bạc

Pha: rắn

Phân loại: kim loại chuyển tiếp Điểm nóng chảy: 1668oC Điểm sôi: 3287oC

Cấu trúc tinh thể: lục giác

1.Giới thiệu về Titan :

Titanium là nguyên tố dồi dào thứ chín trên Trái đất – đó là điều may mắn, biết rằng chúng ta tìm thấy rất nhiều ứng dụng cho nó Bền như thép nhưng nhẹ hơn 45%, và đồng thời không bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng giảm phẩm chất và nứt gãy của kim loại, chẳng có gì bất ngờ khi mà kim loại thuộc nhóm 4 của bảng tuần hoàn này có vô số ứng dụng trong ngành hàng không Khung máy bay và đặc biệt các

bộ phận động cơ phản lực đều sử dụng titanium Một chiếc Boeing

777 ước tính dùng đến 65 tấn titanium

Titanium còn chống ăn mòn: nó ăn mòn rất ít, nhưng thay vì bong ra giống như gỉ trên sắt – làm cho phần kim loại bên dưới ăn mòn nhanh hơn – oxide titanium bọc lấy kim loại thành một màng bảo vệ chống xảy ra ăn mòn Bề dày ban đầu của màng oxide chỉ chừng một hai nano mét, nhưng lớn dần lên tối đa khoảng 25 nano mét sau 4 năm Hợp chất titanium dioxide được dùng làm sắc tố trong đa số nước sơn màu trắng.

2 Những đặc tính nổi bật :

Titan là kim loại nhẹ, cứng, bề mặt bóng láng, chống ăn mòn tốt (giống như platin)

Nó có thể chống ăn mòn kể cả với axit, khí clo và với các dung dịch muối thông thường.

Ở trạng thái tinh khiết, titan có thể được kéo sợi dễ dàng (nhất là trong môi trường không có oxy), dễ gia công Nhiệt độ nóng chảy của titan tương đối cao nên nó được dùng làm kim loại chịu nhiệt Titan cứng như thép nhưng nhẹ hơn 40%, và nó nặng gấp rưỡi nhôm nhưng cứng gấp sáu lần Những đặc tính này của titan giúp nó chịu đựng được sự mỏi kim loại

Kim loại này tạo một lớp oxit bảo vệ bên ngoài (nên

nó có thể chống ăn mòn) trong không khí ở nhiệt độ cao nhưng ở nhiệt độ phòng nó chống lại sự xỉn màu Kim loại này khi được đốt ở 610 °C hoặc cao hơn trong không khí sẽ tạo thành titan điôxít, và nó cũng là một trong những kim loại có thể cháy trong khí nito tinh khiết (nó cháy ở 800 °C

và tạo thành titan nitrit)

Titan cũng không bị tan trong axit sulfuric và dung dịch axit clohydrid, cũng như khí clo, nước clo và hầu hết axit hữu cơ Nó cũng thuận từ (ít hấp dẫn bởi nam châm) và ít dẫn điện và dẫn nhiệt.

Thực nghiệm cho thấy titan tự nhiên trở nên có tính phóng xạ sau khi bắn đơteri, phát ra chủ yếu

hạt positron và tia gamma Khi nóng đỏ, nó có thể kết hợp với ôxy, và khi đạt tới 550 °C nó có thể kết hợp với clo

Nó có thể phản ứng với các halogen và hấp thụ hydro

3 Ứng dụng:

- Khoảng 95% lượng titan được dùng ở dạng titan đioxit (TiO2), một thuốc nhuộm trắng trong sơn, giấy, kem đánh răng và nhựa Sơn được làm từ titan điôxít phản chiếu tốt bức

xạ hồng ngoại nên được dùng rộng rãi trong ngành thiên văn học và các loại sơn bên ngoài Nó cũng được dùng trong xi măng, đá quý và giấy.

Nó cũng được dùng trong xi măng, đá quý và giấy.Vì có khả năng kéo dãn tốt (kể cả khi nhiệt độ cao), nhẹ, chống ăn mòn tốt, và khả năng chịu đựng nhiệt độ rất cao, hợp kim titan được dùng chủ yếu trong hàng không, xe bọc thép, tàu hải quân, tàu vũ trụ và tên lửa,áo chống đạn loại mà lính Mỹ được trang bị ở Iraq.

Titan đioxit (TiO2) cũng được dùng làm thuốc chống nắng.

Do được xem như trơ về mặt sinh học, nó được dùng làm các khớp giả, các dụng cụ y tế và các ống dẫn

trong chế biến thực phẩm

Hợp kim titan được dùng làm gọng kính Loại gọng này khá đắt tiền, nhưng nó rất bền Cả hai loại hợp kim

bình thường và hợp kim nhớ vị trí (tiếng Anh shape memory alloy) đều được sử dụng để chế tạo.

II Lý thuyết về ăn mòn điện hóa :

1.Khái niệm về ăn món điện hóa.

Ăn mòn điện hóa học là quá trình oxi hóa - khử, trong đó kim loại bị ăn mòn do tác dụng của dung dịch chất điện li và tạo nên dòng electron chuyển dời từ cực

âm đến cực dương.

2 Điều kiện xảy ra ăn mòn điện hóa học.

Từ thí nghiệm về ăn mòn điện hóa học, rút ra được những điều kiện sau:

Các điện cực phải khác nhau về bản chất, có thể là cặp hai kim loại khác nhau hoặc cặp kim loại - phi kim, hoặc cặp kim loại - hợp chất hóa học, thí dụ xementit Fe3C, trong đó kim loại có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn là cực Như vậy kim loại nguyên chất khó bị ăn mòn điện hóa học.

Các điện cực phải tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau qua dây dẫn.

Các điện cực cùng tiếp xúc với dung dịch chất điện li.

Thiếu 1 trong 3 điều kiện trên sẽ không xảy ra ăn mòn điện hóa học

Trong thực tế, các quá trình ăn mòn kim loại diễn ra rất phức tạp, có thể bao gồm cả sự ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa Nhưng ăn mòn điện hóa thường đóng vai trò chủ yếu.

Phương pháp chống ăn mòn điện hóa.

Phương pháp bảo vệ điện hóa là dùng một kim loại làm vật hi sinh để bảo vệ vật liệu kim loại Thí dụ: để bảo vệ vỏ tàu biển bằng thép, người ta gắn các lá Zn vào phía ngoài vỏ tàu ở phần chìm trong nước biển (nước biển là dung dịch chất điện.

Phần vỏ tàu bằng thép là cực dương, các lá Zn là cực âm.

- Ở anot (cực âm): Zn bị oxi hóa Zn→Zn2++2e

- Ở catot (cực dương): O2 bị khử 2H2O+O2+4e→4OH−

Kết quả là vỏ tàu được bảo vệ, Zn là vật hi sinh, nó bị ăn mòn Nhưng tốc độ ăn mòn điện hóa của kẽm trong điều kiện này tương đối nhỏ và vỏ tàu được bảo vệ trong thời gian dài Sau một thời gian nhất định, người ta thay những lá Zn bị ăn mòn bằng những lá Zn khác.

III Thiết lập biểu thức tính nồng độ H+:

1 Định luật bảo toàn nồng độ:

- Phát biểu định luật: Nồng độ ban đầu của một cấu tử bằng tổng nồng độ cân bằng của các dạng tồn tại của cấu tử đó có mặt trong dung dịch.

- Ví dụ: Trộn 200ml dung dịch HCl pH=2 với 200ml dung dịch HNO3 pH=3.

Giải:

Ở đây ta có nồng độ gốc của:

Co HCl = 10 -2 M

Co HNO3 = 10 -3 M

Nồng độ ban đầu:

CoHCl= = 5.10-3 MCoHNO3 = = 5.10-4 M

KW = 10-14Bởi vì CHCl, CHNO3 >> 10-7 nên có thể bỏ qua sự phân li của nước Nồng độ các cấu tử lúc cân bằng:

2.Định luật bảo toàn điện tích:

- Phát biểu định luật: Tổng điện tích âm của các anion phải bằng tổng điện tích dương của các cation = 0

Trong đó: [i]: nồng độ của ion i lúc cân bằng

Zi: điện tích của ion i

Ví dụ: Cho dung dịch NaH2PO4nồng độ C (mol/l) Viết biểu thức Định luật bảo toàn điện tích.

Trong dung dịch có các ion: , , , , ,

Áp dụng ĐLBTĐT:

3.Định luật bảo toàn proton (điều kiện proton):

Đây là trường hợp riêng của ĐLBTNĐ và ĐLBTĐT áp dụng cho các hệ axit– bazơ:

- Phát biểu định luật: Nếu chọn một trạng thái nào đó của dung dịch làm trạng thái chuẩn (mức không, “0”) thì tổng nồng độ proton của các cấu tử ở mức không giải phóng ra bằng tổng nồng độ proton mà các cấu tử thu vào để đạt đến trạng thái cân bằng

Nói cách khác, nồng độ proton trong dung dịch lúc cân bằng = tổng nồng độ proton giải phóng ra ‒ tổng nồng độ proton thu vào, ở mức không

= cho ‒ nhận

Trạng thái chuẩn (mức “0”) là trạng thái tùy chọn (trạng thái đầu, trạng thái giới hạn, trạng thái cân bằng,…)

Để thuận tiện cho việc tính toán, người ta thường chọn mức không là trạng thái ở đó nồng độ của các cấu tử chiếm

IV Cơ sở số liệu để xây dựng giản đồ Eh – pH:

Giản đồ thế điện cực – pH trình bày sự phụ thuộc của giá trị thế điện cực vào giá trị pH của môi trường phản ứng Giản đồ này được xây dựng trên cơ sở các số liệu nhiệt động học và cho phép giải thích trạng thái tồn tại, tính chất của đơn chất và hợp chất cũng như khả năng chuyển hóa giữa các chất có trong hệ khảo sát

Sự ăn mòn kim loại theo cơ chế điện hóa xảy ra trong môi trường nước luôn gắn liền với 2 quá trình: sự oxi hóa kim loai tại anot chuyển kim loại thành ion kim loại và luôn gắn liền với phản ứng khử xảy ra trên catot – sự khử ion H3O+ có trong dung dịch hoặc khử oxi hóa hòa tan trong dung dịch hoặc khử nước

Trong môi trường nước,các giá trị thế điện cực phụ thuộc pH.Vì vậy việc xây dựng giản đồ thế điện cực cân bằng – pH là cần thiết và gọi tắt là giản đồ thế điện cực – pH (E – pH)

1 Hệ oxi hóa khử thuần túy:

- Phản ứng oxi hóa khử không có sự tham gia của ion H3O+ và chỉ trao đổi electron:

- Ví dụ: Oxh + ne Kh⇄

Ti3+ + 3e Ti⇄ = = -1,21 + 0,0197

2 Hệ axit – bazơ thuần túy:

- Phản ứng xảy ra trong hệ khảo sát chỉ có sự thay đổi proton H3O+ và không có sự trao đổi electron:Ti3+ + 2H2O Ti(OH)

⇄ 2+ + 2H+ - Hằng số cân bằng Kcb = K của phản ứng: K =

[H+] = K.[Ti3+] → pH =

V Giản đồ Eh – pH của hệ Ti – H2O:

/Ti2+

Trong môi trường H+