تتراکلرید تیتانیم : خواص، روش تولید، طیف رامان و کاربردها

 

تتراکلرید تیتانیم یک ترکیب معدنی به شکل مایع بی رنگ و فرار می باشد. این ماده واسطه مهمی در تولید فلز تیتانیوم و رنگدانه دی اکسید تیتانیوم است. این ترکیب در اثر تماس با هوای مرطوب، ابرهای مات و مبهمی از دی اکسید تیتانیوم  و کلرید هیدروژن هیدراته را تشکیل می دهد.

 

تیتانیوم تتراکلراید یک مایع قابل تقطیر و بی رنگ است، اگرچه نمونه های خام آن ممکن است زرد یا حتی قرمز قهوه ای رنگ باشند و یکی از هالیدهای فلز انتقالی نادر است که در دمای اتاق مایع می باشد. این خاصیت بیانگر این واقعیت است که مولکول های این ماده به طور ضعیفی با خود مرتبط می شوند. بیشتر کلریدهای فلزی پلیمرهایی هستند که در آن اتم های کلرید بین فلزات پل می شوند.

 

این ماده در تولوئن و کلروکربن ها محلول است و با حلال های دهنده مانند THF واکنش گرمازایی ایجاد می کند تا ترکیبات اضافی هگزاکوارد شده ایجاد کند، همچنین با آب واکنش می دهد و فرایند هیدرولیز گرمازا اتفاق می افتد.

 

خواص و مشخصات شناسایی تتراکلرید تیتانیم

 

خواص  مشخصات
شکل فیزیکی                                                        مایع بی رنگ فرمول شیمیایی                                                                      TiCl۴
دانسیته                                                                 (g/cm۳)۱.۷۲۶ وزن مولکولی                                                     (g/mol) 189.679
نقطه ذوب                                                                (۰C) 24.1- شماره (CAS No)                                                        ۷۵۵۰-۴۵-۰
نقطه جوش                                                              (۰C) 136.4 ساختار مولکولی                                                   تتراهدرال

 

روش تولید

 

تتراکلراید تیتانیم با استفاده از فرآیند کلرید تولید می شود که شامل کاهش سنگ معدن اکسید تیتانیوم، به طور معمول ایلمنیت (FeTiO۳)، با کربن تحت جریان کلر در ۹۰۰ درجه سانتیگراد است، ناخالصی ها با تقطیر از بین می روند:

 

 ۲FeTiO۳ + ۷Cl۲ + ۶C → ۲ TiCl۴ + ۲FeCl۳ + ۶CO

 

تولید همزمان FeCl۳ نامطلوب است، که انگیزه توسعه فن آوری های جایگزین شده است. به جای استفاده مستقیم از ایلمنیت، “سرباره روتیل” استفاده می شود. این ماده، شکل ناخالصی از دی اکسیید تیتانیوم می باشد، که با استفاده از آهن یا با استفاده از احیاء کربن یا استخراج با اسید سولفوریک، از ایلمنیت حاصل می شود.

 

نوع تیتانیوم تتراکلرید حاوی انواع دیگر هالیدهای فرار از جمله وانادیل کلراید(VOCl۳)، تتراکلرید سیلیکون (SiCl۴) و تتراکلرید قلع (SnCl۴) است که لازم است از هم جدا شوند.

 

طیف رامان تیتانیم تتراکلرید

 

طیف رامان تیتانیم تتراکلرید

 

کاربردهای تتراکلرید تیتانیم

 

تولید فلز تیتانیوم

 

میزان عرضه فلز تیتانیم در جهان، حدود ۲۵۰،۰۰۰ تن در سال است که با استفاده از تتراکلراید تیتانیوم تأمین می شود. تبدیل شامل کاهش تتراکلراید با فلز منیزیم است که این روش به فرآیند Kroll معروف است:

 

  ۲Mg + TiCl۴ → ۲MgCl۲ + Ti

 

تولید دی اکسید تیتانیوم

 

حدود ۹۰٪ از تولید تیتانیم تتراکلرید برای ساخت رنگدانه دی اکسید تیتانیوم استفاده می شود. این تبدیل شامل هیدرولیز تتراکلراید تیتانیوم است، که کلرید هیدروژن را تشکیل می دهد:

 

TiCl۴ + ۲H۲O → TiO۲ + ۴HCl

 

در برخی موارد، این ماده مستقیماً با اکسیژن اکسید می شود:

 

TiCl۴ + O۲ → TiO۲ + ۲Cl۲

 

واکنش های شیمیایی

 

واکنش های شیمیایی

 

تتراکلرید تیتانیوم معرف همه کاره ای است که مشتقات متنوعی از جمله موارد زیر را تشکیل می دهد.

 

هیدرولیز و واکنش های مرتبط

 

قابل توجه ترین واکنش تتراکلرید تیتانیم هیدرولیز آسان آن است که با انتشار کلرید هیدروژن و تشکیل اکسیدهای تیتانیوم و اکسی کلریدها نشان داده می شود. از تتراکلرید تیتانیوم برای ایجاد دودهای دریایی استفاده شده است.

 

کلرید هیدروژن بلافاصله آب را جذب می کند و یک آئروسل از اسید کلریدریک ایجاد می کند که به طور موثر نور را پراکنده می کند. علاوه بر این، دی اکسید تیتانیوم بسیار انکساری نیز پراکندگی نوری کارآمد می باشد، این دود اما خورنده است.

 

الکل ها با این ماده واکنش می دهند و آلکوکسیدهای مربوطه را با فرمول شیمایی خاص تشکیل می دهند. این الکوکسیدها می توانند ساختارهای پیچیده ای از مونومرها تا تترامرها را اتخاذ کنند. چنین ترکیباتی در علم مواد و همچنین سنتز آلی مفید هستند. یک مشتق شناخته شده ایزوپروپوکسید تیتانیوم است که یک مونومر است.

 

آمین های آلی با این ماده واکنش می دهند و کمپلکس های حاوی آمیدو و ایمیدو را ایجاد می کنند. با آمونیاک، نیترید تیتانیوم تشکیل می شود. واکنش واضح سنتز تتراکیس (دی متیل آمیدو) تیتانیوم ، یک مایع زرد و محلول در بنزن است:

 

 ۴LiNMe۲ + TiCl۴ → ۴LiCl + Ti(NMe۲)۴

 

تتراکلرید تیتانیم و ردوکس

 

کاهش تتراکلرید تیتانیم با آلومینیوم منجر به کاهش یک الکترون می شود. تری کلراید و تتراکلراید دارای خصوصیات متضاد هستند. تری کلراید یک ماده جامد است و به عنوان یک پلیمر هماهنگ کننده و از نوع مغناطیسی می باشد.

 

هنگامی که کاهش در محلول THF انجام می شود، محصول Ti(III) به ترکیب اضافی آبی روشن TiCl۳(THF)۳ تبدیل می شود.

 

شیمی آلی فلزی

 

تتراکلرید تیتانیم و شیمی آلی فلزی

 

شیمی آلی فلزی تیتانیوم به طور معمول از تتراکلرید تیتانیم شروع می شود. یک واکنش مهم شامل سیکلوپنتادینیل سدیم برای تشکیل دادن تیتانوسن دی کلرید می باشد. این ترکیب و بسیاری از مشتقات آن پیش سازهای کاتالیزورهای زیگلر-ناتا هستند.

 

معرف Tebe، در شیمی آلی مفید است، مشتقی از تیتانوسن حاوی آلومینیوم است که از واکنش تیتانوسن دی کلراید با تری متیل آلومینیوم ناشی می شود و برای واکنش های “الفین سازی” استفاده می شود.

 

معرف در سنتز آلی

 

تتراکلراید با استفاده از اسیدیته لوئیس، اکوسفیلی بودن و خصوصیات انتقال الکترون هالیدهای تیتانیوم کاهش یافته اش، استفاده گاه به گاه در سنتز آلی پیدا می کند. این ماده در افزودنی آلدول کاتالیز شده با اسید لوئیس استفاده می شود و کلید این کاربرد، تمایل تیتانیم تتراکلرید به فعال کردن آلدئیدها (RCHO) با تشکیل ترکیب های اضافی می باشد.

 

سمیت و ملاحظات ایمنی

 

خطرات ناشی از تتراکلرید تیتانیوم به طور کلی از انتشار کلرید هیدروژن (HCl) بوجود می آیند. تتراکلرید تیتانیم یک اسید قوی لوئیس است و به صورت گرمازا ترکیبات اضافی حتی با بازهای ضعیف مانند THF و به طور انفجاری با آب تشکیل می دهد و HCl آزاد می کند.

 

بر اساس گزارش پاب کم تتراکلرید تیتانیوم برای پوست، چشم و غشاهای مخاطی بسیار تحریک کننده است. قرار گرفتن در معرض حاد (کوتاه مدت) این ماده می تواند منجر به سوختگی سطح پوست و گرفتگی و انقباض مشخص قسمته ای مختلف دستگاه تنفسی فوقانی در انسان شود.

 

بیماری های ریه (بیماری های پلور) با مواجهه مزمن شغلی (طولانی مدت) تتراکلرید تیتانیوم در کارگران تولید فلز تیتانیوم همراه بوده است. EPA تتراکلرید تیتانیم را در گروه ترکیبات سرطان زا طبقه بندی نکرده است.