هــــــــــــدف

بسیاری از مهندسین و طراحان هنوز تیتانیوم را فلزی گران و ناشناخته قلمداد می کنند؛ اما پیشرفت های

اخیری که در زمینه تولید این فلز صورت گرفته است، نشان می دهد که تیتانیوم ماده ای بسیار فوق العاده

برای استفاده های مهندسی است و از بسیاری از مواد مشابه مورد استفاده در این صنعت ارزان تر است.

یکی از ویژگی های مهم تیتانیوم چگالی پایین آن (۵۵/۴ گرم بر سانتی متر مکعب) است. این ویژگی،همراه

با استحکام و مقاومت بالا در برابر خراشیدگی، تیتانیوم را به فلزی بسیار ایده آل تبدیل کرده است. تیتانیوم

عمدتاً در صنایع هوا – فضا و همینطور در کارخانه ها و تجهیزات صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد.

این فلز همچنین در ساخت عینک ها،مهندسی های ظریف،اندازه گیری،مهندسی کنترل و فن آوری پزشکی

مخصوصاً مواردی که حد تحمل بیولوژیک از اهمیت زیادی برخوردار است، مورد استفاده قرار می گیرد.

مهم ترین مورد مصرف فلز تیتانیوم که در تلاقی با زندگی روزمره ما قرار می گیرد، بیشتر در اشیای قیمتی نظیر

ساعت های مچی، عینک ها و جواهرات است. این کاربرد ها به این تصور هرچه بیشتر دامن زده اند که تیتانیوم

فلزی گران است.

از طرف دیگر انتخاب فلز مورد استفاده در طراحی های مختلف از اولین مراحل ساخت اشیا به شمار می رود و در

این مرحله بسیاری از فلزاتی که به نظر می آید باید گرانقیمت باشند،بدون انجام تحلیل اقتصادی از میان گزینه های

احتمالی حذف می گردند. در نگاه اولیه به درستی تیتانیوم در صدر لیست فلزات گران قیمت و دارای استفاده های

خاص قرار دارد. اما این مسئله اشتباهی است که بسیاری از طراحان در همان مرحله اول طراحی مرتکب می شوند.

آن ها در محاسبات مقدماتی، وزن فولاد مورد استفاده در طراحی خود را با وزن تیتانیوم مورد نیاز، بدون آن که به حجم

آن توجه داشته باشند جایگزین می کنند و مسلم است که یک کیلوگرم تیتانیوم بسیار گران تر از یک کیلوگرم فولاد

است. در حالیکه این مقدار تیتانیوم، چندین برابر همان مقدار فولاد کاربری دارد.

عده بسیار کمی از مردم به مقایسه وزن دو قطعه مشابه که یکی از فولاد و دیگری از تیتانیوم ساخته شده است توجه

دارند.

هنگامی که از لحاظ هندسی، این دو قطعه دارای حجم مشابه باشند، نسبت بهای قطعه تیتانیومی به بهای قطعه

فولادی با آلیاژ درجه بالا به عدد ۵/۲ تا ۳ می رسد.

مواد تیتانیومی از قدرت تحمل بسیار بالایی برخوردارند و همچنین نقطه تسلیم آن ها در برابر نیروی کششی وارد شده

بسیار بالا است.

مقاومت بیشینه آلیاژ تیتانیوم ۳۳ که در آن از فلزات آلومینیوم، انادیوم و قلع استفاده شده،در برابر نیروی کششی،معادل

یک هزار و ۲۰۰ نیوتون بر متر مربع است و این در حالیست که تیتانیوم خالص هم می تواند فشار ناشی از نیروی کششی

را تا حد ۷۴۰ نیوتن بر متر مربع تحمل کند؛ با این وجود همچنان می توان این فلز را سخت تصور کرد. (با توجه به این که حد

شکست در برابر کشیدگی آن حداقل ۸ درصد است)

در حال حاضر تعداد طراحانی که در زمینه ساخت اشیاء متحرک به استفاده از این فلز علاقه نشان داده اند رو به فزونی

گذاشته است. یکی از کاربردهای جدید تیتانیوم، استفاده از آن در توربین های بخار است.تیتانیوم مهندسان را قادر میسازد

تا طول پره های توربین را زیاد کرده و بدین ترتیب نسبت نیروی تولید شده را افزایش دهند.

از دیگر کاربردهای رو به افزایش تیتانیوم، استفاده از آن در موقعیت هایی است که نیاز به مقاومت بالا در برابر برش احساس

شده و یا ترکیبی از دو نیروی برشی و کششی دیده می شود. در این حالت خاص از نوع ویژه ای از تیتانیوم استفاده میشود

که بر روی آن پوششی از نیترید قرار دارد. این پوشش از حرارت دادن فلز در فضای نیتروژنی بدست می آید.

همینطور در صنایع خودرو سازی، کاربردهای جدید و جالبی برای تیتانیوم پیدا شده است.

به عنوان مثال جایگزین کردن تیتانیوم با فولاد، در موتور مولد قطار، باعث کاهش ۶۰ درصدی وزن این وسیله شده است.

از دیگر کاربردهای تیتانیوم در این صنعت، استفاده در میل لنگ، مفتول های اتصالی و سیستم اگزوز خودرو است. مهم ترین

حوزه های رشد استفاده از تیتانیوم در حال حاضر صنایع هوا – فضا، نیروگاه ها و دستگاه های شیرین کننده آب هستند.

یکی دیگر از خواص مهم تیتانیوم، قابلیت قرارگیری آن به عنوان فلز واسط میان دو فلز دیگر است. به عنوان مثال از تیتانیوم

در صفحات انتقال دهنده گرما در کارخانه های شیمیایی یا شیرین کننده آب استفاده می شود.

یکی از دلایل مقاومت بالای تیتانیوم در برابر خراشیدگی و عدم انفعال این عنصر در برابر دیگر مواد شیمیایی، پوسته ای است

که بر روی فلز تشکیل می شود. هنگامی که تیتانیوم با اکسیژن تماس پیدا می کند، سطح آن به سرعت واکنش نشان داده

و اکسیده می شود. در اثر این فعل و انفعال شیمیایی، پوسته ای بسیار مقاوم تشکیل می شود که جلوی هرگونه فعل و

انفعال دیگری را می گیرد. اگر به این پوسته آسیبی برسد، در صورت حضور اکسیژن و یا حتی آب، تیتانیوم مجدداً اکسیده

شده و در محل خراش، پوسته جدیدی تشکیل می شود. این مکانیزم بسیار به آلومینیوم شباهت دارد.

با این تفاوت که پوسته تشکیل شده بر روی تیتانیوم، ضخیم تر و پایدار تر از پوسته آلومینیوم است. این لایه محافظ علاوه بر

ایجاد مقاومت در برابر خراشیدگی، حد تحمل بیولوژیک فلز را افزایش می دهد. با این وجود بعضی از ترکیبات شیمیایی نظیر

فلئورین می توانند این پوسته محافظ را تخریب کنند.

با توجه به کاربردهای فراوان تیتانیوم، این فلز در گروه فولادهای آلیاژی و یا آلیاژهای نیکل قرار می گیرد، اما به خاطر سختی

و قدرت تحمل آن در برابر کشش و برش، نیروی بیشتری برای شکست این فلز نسبت به فلزات آهنی لازم است. یکی از دلایل

این که هزینه تولید تیتانیوم بسیار بالا است، استفاده از فن آوری موجود جهت تولید محصولات با کیفیت بسیار بالاست که بتواند

نیازهای صنایع حساسی مانند هوا – فضا را پاسخگو باشد. مقید بودن به تولید محصولات با کیفیت بسیار بالا، مسلماً موجب

ایجاد هزینه های اضافی می گردد، اما اگر حوزه های جدیدی برای مصرف این فلز که نیاز به کیفیت بسیار بالا هم نداشته باشد،

ایجاد گردد؛ این امکان وجود دارد که فن آوری های جایگزینی برای تولید ساخته شوند تا هزینه ها را کاهش دهند.

صنایع ساختمانی و خودرو سازی، از جمله صنایعی هستند که اگر بصورت عمده وارد بازار مصرف شوند،به ساخت فن آوری ارزان

قیمت تر کمک خواهند کرد.

تا زمانی که تیتانیوم به عنوان فلزی گران قیمت تلقی می شود، این چرخه ادامه دارد و آثار آن مثل تقاضای محدود و مصرف پایین

باعث می شود تا تولیدکنندگان هیچ علاقه ای به توسعه فن آوری های ارزان تر و ساده تر نداشته باشند.

یکی از شرکت هایی که در زمینه تولید تیتانیوم فعال بوده و پیشرفت های مهمی هم داشته است، شرکت دویچه تیتان (Deutsche Titan)

از زیر مجموعه های گروه تیسن کراپ (Thyssen Krupp) در آلمان است. این شرکت به همراه شرکت ایتالیایی تیتانیا، گروه تیتانیوم

را تشکیل داده اند.

دویچه تیتان، تیتانیوم اسفنجی مورد نیاز خود را از کشورهای روسیه، قزاقستان، اوکراین، ژاپن و چین خریداری می کند و سالانه

ظرفیت تولید ۴ هزار تن شمش را دارا می باشد. این شمش ها می توانند تا ۱۳ تن وزن داشته باشند.

دویچه تیتان طیفی از محصولات نیمه تمام را با استفاده از تأسیسات خود شرکت، گروه تیسن کراپ و همینطور کوره های ذوب دیگر تولید

می کند. محصولات این شرکت در غالب شمش، اسلب، ورق، کلاف، صفحه، لوله جوش کاری شده و مفتول عرضه می شوند.




ساختار تیتانیوم :


نقطه ذوب تیتانیوم در حدود 1660 درجه سانتیگراد می باشد. اما بیشتر آلیاژهای تجاری آلومینیوم در دمای 538 درجه سانتیگراد

کاربرد دارند .تیتانیوم دارای دو ساختار کریستالی است ، در یکی از آنها اتمها در ساختار مکعبی مرکزدار( bcc ) قرارگرفته اند

و در دیگر اتمها در یک ساختار شش وجهی فشرده یا هگزا گونال ( HCP ) قرار دارند . ساختار مکعبی مرکز دار ( bcc ) تنها در

دمای بالا به دست می آید بجز در مواردی کهتیتانیوم با دیگر عناصر برای ثبات پایدار ساختار مکعبی در دمای پایین آلیاژ شده

است .


دو ساختار کریستالی تیتانیومبه عنوان ساختارهایb ، a شناخته می شوند . a اشاره دارد به ساختارهای هگزاگونال

تیتانیوم چه به صورت آلیاژ یا خالص و ساختار b مربوط به ساختارهای مکعبی یا آلیاژهای آن است .


ساختارهای b ، a در بعضی مواقع به عنوان سیستم ها یا نوع هایی از سیستم شناخته می شوند که آن را به چهار دسته

آلیاژهای a و شبه a یا نزدیک به a و a / b و a تقسیم بندی می کنند .

اطلاعات اولیه


بریلیم ،

فرانسیم عنصری است بسیار کمیاب که پایدارترین ایزوتوپ آن با نیمه عمر 22

دقیقه به مقدار بسیار محدود در سنگهای معدنی اورانیم یافت می شود.با

ساختار کوبیک متبلور می شود.

این عنصر در سال 1939 توسط Marguerite Perey کشف شد. بیش از 30

ایزوتوپ دیگر از فرانسیم شناخته شده است.

فرانسیم سنگینترین عنصر گروه فلزات قلیایی است که در نتیجه فروپاشی

اکتینیم توسط اشعه آلفا به دست می آید. این عنصر می تواند به صورت

مصنوعی از بمباران توریم توسط پروتونها تولید شود. فرانسیم به صورت

طبیعی در کانیهای اورانیم وجود دارد. فرانسیم درصد کمی در پوسته زمین

دارد. سی و سه ایزوتوپ از این عنصر شناخته شده است.

ماندگارترین ایزوتوپ فرانسیم 223Fr است. این ایزوتوپ به صورت طبیعی نیز

وجود دارد. ایزوتوپهای فرانسیم بسیار ناپایدارند و شناسایی خصوصیات

شیمیایی این عنصر و ایزوتوپهای آن با استفاده از روشهای رادیو شیمیایی

امکان پذیر است.

از طریق کمیت وزنی نمی توان این عنصر را آماده سازی کرد و یا از عناصر

دیگر جداسازی نمود. خصوصیات شیمیایی فرانسیم شبیه سزیم است.

ساختار بلوري عنصر Fr

اثرات فرانسیم بر روی سلامتی:

با توجه به این که فرانسیم ناپایدار است، هر مقداری از آن هم که تشکیل

شود به سرعت تجزیه شده و به عناصر دیگرتبدیل می شود بنابراین مطالعه

اثرات آن بر روی انسان ضروری نیست.



اثرات زیست محیطی فرانسیم:

به خاطرطول عمر بی نهایت کوتاه فرانسیم، بررسی اثرات آن بر روی محیط

زیست ضروری نیست.

عنصر Fr در طبيعت

خواص فیزیکی و شیمیایی عنصر فرانسیم:

عدد اتمی : 87

جرم اتمی : 223

نقطه ذوب: C° 27

نقطه جوش : C° 677

ظرفیت : 1+

رنگ : متالیک

حالت استاندارد : مایع

نام گروه : 1

انرژی یونیزاسیون : Kj/mol ~375

شکل الکترونی : Rn7s1

شعاع یونی : Å 1.8

الکترونگاتیوی: 0.7

حالت اکسیداسیون: 1

گرمای فروپاشی : Kj/mol 9.39

دوره تناوبی : 6

شماره سطح انرژی : 7

اولین انرژی : 2

دومین انرژی : 8

سومین انرژی : 18

چهارمین انرژی : 32

پنجمین انرژی : 18

ششمین انرژی : 8

هفتمین انرژی : 1



ایزوتوپ :

ایزوتوپ نیمه عمر

Fr-212 20.0 دقیقه

Fr-221 4.8 دقیقه

Fr-222 14.3 دقیقه

Fr-223 21.8 دقیقه



موارد استفاده :

هنوز شناخته نشده است .



منابع :

از تخریب اکتینیم حاصل می شود و بدست بشر نیز ساخته شده است.

سزیم فلزی چکش خوار, نرم ، مانند موم و به رنگ سفید- نقره ای با ساختار

کوبیک است. این عنصر در سال 1860 توسط R.W. Bunsen و G.R. Kirchhoff

از کشور آلمان کشف شد.

سزیم در گرمای اتاق مایع می شود (جیوه و گالیم نیز دارای این خاصیت می

باشند) . این عنصر از لحاظ شیمیایی شبیه به روبیدیم و پتاسیم است.این

عنصر فلزی است واکنش پذیر و هرگز در طبیعت به صورت غیر ترکیبی یافت

نمی شود. سزیم در سنگ معدنی پولوکس یا پولوسیت یافت می شود.

سزیم خالص از طریق الکترولیز سیانید سزیم مذاب در یک اتمسفر خنثی

تهیه می شود.

یکی از بهترین منابع سزیم در دریاچه برنیک ( مونتیوبا ) واقع شده است. . به

طور تقریبی در 300000 تن پولیسیت ، 20% سزیم یافت می شود . سزیم

می تواند بوسیله الکترولیز سیانید گداخته و یا در بعضی روش های دیگر

تجزیه شود . گاز آزاد سزیم خالص بوسیله تجزیه گرمایی اسید سزیم تهیه

می شود .

این ماده توسط یک طیف با دو خط روشن در طول موج های آبی ، قرمز ، زرد

و سبز مشخص می شود . سزیم بسیار سفید ، نرم و قابل مفتول شدن

است . این عنصر دارای خاصیت الکتروپوزتیو بالا و قویترین عنصر قلیایی در

طبیعت می باشد.

سزیم با آب سرد قابل احتراق است و در دمای بالای 116- درجه سانتی

گراد با یخ واکنش نشان می دهد . هیدروکسید سزیم باعث مقاومت بالا در

شیشه ها می شود.


به دلیل میل ترکیبی زیادی که این ماده با اکسیژن دارد به عنوان دریافت

کننده گاز در لامپ های الکترونی استفاده می شود . همچنین از این عنصر

به عنوان کاتالیزور در هیدروژن دار کردن ترکیبات آلی استفاده می شود. از

سزیم برای ساخت ساعتهای اتمی با دقت 5 ثانیه تا 300 سال استفاده می

شود. از مهمترین ترکیبات این عنصر کلرید و نیترات است.


سزیم از عناصر دیگر تعداد ایزوتوپ بیشتری با جرم بین 114 تا 145 دارد .

قیمت این عنصر حدود 30 دلار در گرم است.

اثرات سزیم بر روی سلامتی:

سزیم از راه تنفس، نوشیدن یا خوردن وارد بدن می شود. معمولا میزان

سزیم موجود در هوا کم است اما در آبهای سطحی و بسیاری از غذاها،

سزیم رادیواکتیو وجود دارد.


مقدار سزیم موجود در غذا و نوشیدنی ها، بستگی به مقدار سزیم

رادیواکتیوی دارد که در اثر حادثه از دستگاههای هسته ای خارج می شود.

افرادی که در نیروگاههای هسته ای کار می کنند در معرض سزیم بیشتری

هستند اما برای جلوگیری عوارض ناشی از آن، باید مراقب بود.


بسیاری از عوارض مستقیما مربوط به سزیم نیست. در اثر تماس با سزیم

رادیواکتیو، که بسیار به ندرت رخ می دهد، در اثر تابش ذرات سزیم، به

سلولها آسیب می رسد. به همین علت، اثراتی مانند حالت تهوع، استفراغ،

اسهال و خونریزی رخ می دهد. تماس طولانی مدت با سزیم، باعث بیهوشی

می شود و به دنبال آن کما و مرگ رخ می دهد. شدت عوارض بستگی به

مقاومت شخص، مدت زمان تماس و غلظت سزیم بستگی دارد.



اثرات زیست محیطی سزیم:

سزیم به طور طبیعی در محیط زیست وجود دارد و عمدتا در اثر فرسایش و

هوازدگی سنگها و کانیها به وجود می آید. به علاوه سزیم در اثر فعالیتهای

معدنی و خردکردن کانیها، در هوا، آب و خاک پخش می شود. ایزوتوپهای

رادیواکتیو سزیم توسط نیروگاههای هسته ای و در حین آزمایش سلاح های

اتمی در هوا پخش می شوند.


طی فرآیند تجزیه رادیواکتیو، غلظت ایزوتوپهای رادیواکتیو کاهش می یابد.

سزیم غیررادیواکتیو هم به هنگام ورود به محیط زیست یا واکنش با ترکیبات

دیگرتجریه شده و به ملکول دیگری تبدیل می شود. سزیم رادیواکتیو و سزیم

پایدار از نظر شیمیایی در بدن انسان و جانوران به یک صورت عمل می کنند.


سزیم می تواند در هوا و قبل از نشستن روی زمین، مسافتی طولانی را

بپیماید. اکثر ترکیبات سزیم موجود در آب و خاک، به شدت در آب محلول

هستند. اما سزیم موجود در خاک با آب شسته نمی شود و وارد آب

زیرزمینی نمی شود. این سزیم در لایه های بالایی خاک باقی می ماند و به

ذرات خاک می پیوندد. در نتیجه به آسانی جذب ریشه های گیاهان نمی

شود. سزیم رادیواکتیو، با افتادن روی برگهای گیاهان جذب آنها می شود.


جانورانی که دز بالایی سزیم دریافت می کنند، تغییر رفتارهایی مانند

افزایش یا کاهش فعالیت از خود نشان می دهند.

عنصر سزيم در طبيعت