チタン:主要化学的特性と腐食挙動
チタン:主要化学的特性と腐食挙動
1950年代単離以来、チタンは軽量高強度と優秀耐食性で航空宇宙、医療、エネルギー、スポーツ用品産業不可欠。しかし化学挙動複雑、温度、表面仕上げ、純度強依存。
反応性概観
高温でチタン幅広い元素と反応可能。伝統的に4カテゴリ分類:
- カテゴリI: ハロゲン・酸素族元素、TiCl₄、TiO₂等共有/イオン化合物形成。
- カテゴリII: 遷移金属、水素、ベリリウム、ホウ素、炭素、窒素、金属間化合物或限定固溶体形成。
- カテゴリIII: ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、クロム、スカンジウム、他遷移金属、実質無限固溶体形成。
- カテゴリIV: 希ガス、アルカリ/アルカリ土類金属、大部分ランタノイド(スカンジウム除く)、アクチノイド、反応性殆ど無し。
特定化合物との反応
フッ化水素酸(HF)とフッ化物
フッ化水素ガス加熱チタン反応TiF₄生成:Ti + 4HF → TiF₄ + 2H₂ + 135 kcal。無水液体緻密TiF₄皮膜形成し表面保護。
1% HFでも強烈攻撃的:2Ti + 6HF → 2TiF₃ + 3H₂。フッ酸最強チタン溶媒。
塩化水素(HCl)と塩化物
無水HCl 300℃以上でチタン腐食:Ti + 4HCl → TiCl₄ + 2H₂ + 94.75 kcal。室温<5% HCl無反応;20% HCl紫色TiCl₃生成:2Ti + 6HCl → 2TiCl₃ + 3H₂。希HClも高温腐食可能。
対照的に無水金属塩化物(MgCl₂、FeCl₃等)と水溶液チタンに大略不活性。
硫酸(H₂SO₄)と硫化水素(H₂S)
チタン5% H₂SO₄即反応;最大腐食速度40-60%濃度、80%で再加速。希酸加熱或50%酸でTiSO₄生成:Ti + H₂SO₄ → TiSO₄ + H₂;2Ti + 3H₂SO₄ → Ti₂(SO₄)₃ + 3H₂。
高温濃酸チタン還元SO₂生成:2Ti + 6H₂SO₄ → Ti₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O + 202 kcal。
硫化水素室温保護的TiS皮膜形成、600-900℃でTiS或Ti₂S₃生成反応:Ti + H₂S → TiS + H₂ + 70 kcal。粉末チタン600℃TiS、900℃主相TiS、1200℃Ti₂S₃。
硝酸(HNO₃)と王水
研磨チタン硝酸安定、緻密TiO₂層瞬時形成。粗面多孔質形態(スポンジ・粉末)熱希HNO₃反応:3Ti + 4HNO₃ + 4H₂O → 3TiO₄ + 4NO或3Ti + 4HNO₃ + H₂O → 3TiO₃ + 4NO。
70℃以上濃HNO₃チタン攻撃:Ti + 8HNO₃ → Ti(NO₃)₄ + 4NO₂ + 4H₂O。
高温王水も同経路TiCl₂腐食可能。
主要ポイント
チタン化学反応性は温度、表面状態、合金純度支配。多く酸・酸化剤高耐性但フッ化物、高温塩化物、特定酸濃度で激烈腐食可能。これら相互作用理解は適切加工条件・使用環境選定極めて重要。
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