¿Cómo puede arder el titanio en el nitrógeno?

Question

Estaba repasando las propiedades del titanio cuando una cosa me llamó la atención: Se trataba de la reacción de combustión del titanio en el nitrógeno. Me quedé asombrado al leerlo, ya que sabía que el nitrógeno no favorece la combustión ni se quema a sí mismo. Pero entonces, ¿cómo puede arder el titanio en el nitrógeno? Además, es uno de los pocos elementos que lo hace.

Se escribió que el titanio se quema en puro nitrógeno.

Answer 1

Hay dos preguntas a las que hay que responder cuando se pregunta "¿se $\ce{X}$ reaccionar con $\ce{Y}$ ?'

• Termodinámica

  Básicamente, se pregunta si los productos de una hipotética reacción serán más estables que los reactivos, es decir, si todo el proceso liberará energía. Una rápida búsqueda en Internet me dice que $\Delta_\mathrm{f} H^0 (\ce{TiN}) = - 337.65~\mathrm{\frac{kJ}{mol}}$ y por lo tanto la reacción es termodinámicamente posible.

• Cinética

  Se trata de preguntar "¿puedo superar la energía de activación necesaria para que se produzca esa hipotética reacción?". Y aquí es donde se complica.

El proceso de combustión del titanio puede dividirse en las siguientes subecuaciones:

$$\ce{2 Ti + N2 -> 2 TiN} \\ ~\\ \ce{Ti(s) -> Ti(g)}\\ \ce{Ti(g) -> Ti^3+ (g) + 3 e-}\\ \ce{N2(g) -> 2 N(g)}\\ \ce{N(g) + 3 e- -> N^3- (g)}\\ \ce{Ti^3+ (g) + N^3- (g) -> TiN(g)}\\ \ce{TiN(g) -> TiN(s)}$$

Desglosado de esta manera, deberíamos darnos cuenta inmediatamente:

• El primer paso suele estar bien, pero puede requerir algo de activación. (No es necesario hacer que todo el material sea gaseoso en un solo paso; con un átomo cada vez es suficiente).

• El segundo paso requiere energía (sin sorpresas).

• El tercer paso es extremadamente difícil de hacer, ya que el $\ce{N#N}$ es tan fuerte.

• El cuarto paso también requiere energía, ya que el nitrógeno tiene una afinidad endotérmica por los electrones.

• Los pasos quinto y sexto son los que liberan enormes cantidades de energía; especialmente el sexto, en el que se libera la entalpía de la red.

Ahora bien, si consideramos un bloque de titanio, como mencionó DavePhD, el primer paso ya es bastante difícil de hacer. La red cristalina del bloque es bastante estable tal y como es, por lo que no podemos extraer fácilmente los átomos de allí. Sin embargo, cuanto mayor sea la relación entre superficie y volumen, más fácil será hacerlo, sobre todo porque tenemos múltiples puntos de "ataque" al mismo tiempo. Así, los bloques de metal sólido suelen ser difíciles de quemar, mientras que el polvo de metal suele arder con sólo ponerlo en oxígeno puro. (La lana de hierro ni siquiera necesita ser un polvo, la relación superficie/volumen ya es lo suficientemente pequeña como para oxidarse en oxígeno puro a temperatura ambiente).

Como Jon Custer mencionó en un comentario y como mencioné antes, la escisión de las moléculas de dinitrógeno también es extremadamente difícil. Se necesitará un montón de energía de activación para hacerlo. Esto significa que un montón de energía debe ganarse en la formación de la red de iones para que al menos la escisión del dinitrógeno puede ser superada y la combustión puede continuar.

Así, la parte cinética de la pregunta puede responderse con: "puede, pero".

La cuestión sigue siendo cómo suministrar la energía de activación. Dado que lo más probable es que se trate de polvo, podría ser demasiado lento encender el titanio en el aire y luego sumergirlo inmediatamente en nitrógeno. Dado que la escisión del nitrógeno es tan difícil, muchas otras ideas de ignición que dependen, por ejemplo, de la llama de una cerilla no funcionarán (la cerilla es demasiado débil). Tal vez la energía de activación sea lo suficientemente "baja" como para que el calentamiento a unos cientos de grados sea suficiente. Por desgracia, no conozco los detalles experimentales.

Answer 2

Un bloque de titanio no arde ni siquiera en el aire, y mucho menos en el nitrógeno.

Sin embargo, si la relación superficie/volumen es lo suficientemente alta (por ejemplo, el polvo de titanio) puede arder en el aire e incluso en el nitrógeno (formando nitruro de titanio).

Véase Principles of Fire Protection Chemistry and Physics, 3ª edición, de Raymond Friedman, en la página 155.