22

Ti

Ten artykuł dotyczy pierwiastka chemicznego. Zapoznaj się również z: inne znaczenia tego wyrazu.

Tytan (Ti, łac. titanium) – pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych w układzie okresowym o liczbie atomowej 22. Jest lekki, posiada wysoką wytrzymałość mechaniczną, odporny na korozję (w tym również wody morskiej i chloru), metal o szarawym kolorze. Tytan jest dodawany jako dodatek stopowy do żelaza, aluminium, wanadu, molibdenu i innych. Stopy tytanu są wykorzystywane w przemyśle lotniczym (silniki odrzutowe, promy kosmiczne), militarnym, procesach metalurgicznych, motoryzacyjnym, medycznym (protezy dentystyczne, ortopedyczne klamry), sportów ekstremalnych i innych. Został odkryty w Wielkiej Brytanii przez Williama Gregora w 1791. Nazwę pochodzącą od bóstw z mitologii greckiej zawdzięcza Martinowi Heinrichowi Klaprothowi.

Występuje w skorupie ziemskiej w ilościach rzędu 0,61%, w postaci minerałów: ilmenitu, rutylu i tytanitu, które są szeroko rozpowszechnione na całej Ziemi. Metaliczny tytan otrzymujemy przez przerób rud w procesie Krolla. Jego najbardziej rozpowszechniony związek – dwutlenek tytanu znajduje zastosowanie w produkcji białych pigmentów. Inne związki zawierające tytan to czterochlorek tytanu używany do zasłon dymnych oraz jako katalizator i trójchlorek tytanu, który znajduje zastosowanie jako katalizator w produkcji polipropylenu.

Dwie najbardziej użyteczne własności tytanu to jego odporność na korozję oraz najwyższy stosunek wytrzymałości mechanicznej do jego ciężaru. Znane są dwie odmiany alotropowe pierwiastka. Posiada pięć trwałych izotopów o masach atomowych od 46 do 50. Właściwości fizykochemiczne tytanu są podobne do cyrkonu.

Historia

Tytan został odkryty w Kornwalii w Wielkiej Brytanii w 1791 przez pastora i geologa amatora Williama Gregora. Zauważył on obecność nowego pierwiastka w ilmenicie – czarnym piasku, który znalazł w strumieniu nieopodal swojej parafii. Piasek ten był przyciągany przez magnes. Dokładniejsza jego analiza wykazała obecność dwóch substancji: tlenku żelaza (wyjaśniając przyciąganie magnesem) oraz 45,25% białego metalicznego tlenku, którego nie mógł zidentyfikować. Gregor, zdając sobie sprawę, że niezidentyfikowany tlenek zawierał metal, który nie pasował do właściwości jakiegokolwiek znanego pierwiastka, poinformował o swoim odkryciu Królewskie Towarzystwo Geologiczne w Kornwalii i niemieckie czasopismo naukowe Annalen Crell.

Martin Heinrich Klaproth nazwał tytan zaczerpując nazwę z mitologii greckiej.

Tlenek tytanu został odnaleziony niezależnie od Gregora w 1795 przez niemieckiego chemika Martina Heinricha Klaprotha w rutylu na Węgrzech. Klaproth stwierdził, że ruda zawiera nowy pierwiastek i postanowił nazwać go tytanem zaczerpując nazwę z mitologii greckiej. Po usłyszeniu o odkryciu Gregora nowej substancji, nabył jej próbki i potwierdził odkrycie tytanu.

Przez wiele lat próbowano otrzymać czysty tytan, jednak nie udawało się tego dokonać zwyczajnymi sposobami poprzez ogrzewanie tlenku w obecności węgla, ponieważ tworzył się węglik tytanu zamiast spodziewanej redukcji tlenku do metalu. Dopiero w 1910 Matthew A. Hunter otrzymał czysty (99,9%) metaliczny tytan poprzez ogrzewanie TiCl4 z sodem w bombie stalowej w temperaturze 700-800 °C. Do 1946 tytan nie był używany nigdzie poza laboratorium, dopóki William Justin Kroll nie opracował opłacalnego sposobu otrzymywania metalicznego tytanu poprzez redukcje czterochlorku tytanu magnezem. Technologia ta została nazwana procesem Krolla. Pomimo badań nad tańszym i wydajniejszym sposobem otrzymywania tytanu, proces Krolla jest do dzisiaj używany do komercyjnego pozyskiwania metalu.

Tytan otrzymany w procesie Krolla

Tytan o bardzo wysokiej czystości został otrzymany przez Anton Eduard van Arkela i Jan Hendrik de Boera w procesie jodkowym w 1925. Rafinację tytanu prowadzi się w próżni w zamkniętym reaktorze. Pary jodu reagują z technicznym tytanem tworząc czterojodek tytanu, który następnie ulega rozkładowi na ogrzanym oporowo cienkim drucie wolframowym, pogrubiając go w miarę trwania procesu.

W latach 50. i 60. XX w. Związek Radziecki zapoczątkował wykorzystywanie tytanu do celów militarnych (m.in. w okrętach podwodnych K-278 Komsomolec i projektu 705). We wczesnych latach 50. XX w. tytan był szeroko stosowany w lotnictwie wojskowym, szczególnie w odrzutowcach o wysokich parametrach silnika zaczynając od F100 Super Sabre i Lockheed A-12. W Stanach Zjednoczonych Departament Obrony zdał sobie sprawę ze strategicznego znaczenia tytanu i rozpoczął magazynowanie tego metalu przez całą zimną wojnę.

W 2006 Agencja Obrony Stanów Zjednoczonych przyznała 5,7 mln $ konsorcjum dwóch spółek, aby opracowały nowy proces otrzymywania tytanu sproszkowanego.

Właściwości

Fizyczne

Pierwiastek metaliczny, tytan, jest znany z jego wysokiej wytrzymałości mechanicznej w stosunku do niskiego ciężaru. Jest stosunkowo lekki (gęstość 4507 kg/m³), o dużej wytrzymałości mechanicznej, przy wysokiej czystości jest ciągliwy (zwłaszcza w atmosferze redukcyjnej). Charakteryzuje się wysoką temperaturą topnienia: 1649 °C (co czyni ten metal użytecznym jako materiał ogniotrwały). Jest błyszczący, posiada biały, metaliczny kolor.

Handlowy tytan o czystości 99,2% posiada wytrzymałość na rozciąganie 434 MPa, porównywalną z rozciągalnością stopów stali, jednak jest lżejszy od nich o 45%. Tytan jest cięższy od aluminium o 60%, ale charakteryzuje się ponad dwukrotnie większą wytrzymałością mechaniczną niż najpopularniejszy stop Al: 6061-T6. Pewne stopy tytanu (np.: Beta C) posiadają wytrzymałość na rozciąganie ponad 1380 MPa (spada ona przy podgrzaniu powyżej temperatury 430 °C).

Posiada wysoką twardość (jednak nie tak wysoką jak niektóre hartowane stale), trudno się obrabia mechanicznie.

Metal posiada dwie odmiany alotropowe: Ti-α – krystalizujący w układzie heksagonalnym do temperatury 882 °C; powyżej tej temperatury występuje Ti-β – krystalizujący w układzie regularnym przestrzennie centrowanym. Pojemność cieplna Ti-α gwałtownie wzrasta wraz z podgrzewaniem, po przekroczeniu temperatury 882 °C i przemianie w Ti-β pojemność cieplna kształtuje się na stałym poziomie.

Chemiczne

Wykres Pourbaix dla tytanu w wodzie.

Najbardziej znana właściwość chemiczna tytanu to jego doskonała odporność na korozję; prawie taka sama jak platyny, jest także odporny na działanie rozcieńczonych kwasów np. siarkowego, solnego i większości kwasów organicznych, chloru gazowego oraz roztworów zasadowych, czy morskiej wody. Czysty tytan roztwarzają stężone kwasy. Jest jednym z nielicznych pierwiastków, które gwałtownie reagują z czystym azotem. Reakcja przebiega powyżej temperatury 800 °C, z wytworzeniem azotku tytanu. Jest paramagnetykiem oraz wykazuje stosunkowo niską przewodność elektryczną i cieplną.

Wykres Pourbaix dla tytanu ukazuje bardzo wysoką reaktywność termodynamiczną przy niskiej aktywności z wodą i tlenem.

Na skutek kontaktu tytanu z tlenem na jego powierzchni tworzy się pasywacyjna warstwa tlenku tytanu o grubości ok. 2 nm (po czterech latach osiąga grubość 25 nm). Warstwa ta dodatkowo zwiększa odporność na korozję.

Eksperymenty wykazały znaczną promieniotwórczość wzbudzoną tytanu na skutek zbombardowania jego jąder deuteronami. Produktami tej reakcji są pozytony i twarde promieniowanie gamma.