Titan (22Ti)
1.
Allgemein/Gewinnung:
Titan
(engl.: titanium), chemisches Symbol Ti, ist ein silbrig weißes metallisches
Element mit der Ordnungszahl 22, das
zusammen mit den Übergangsmetallen Zirconium Zr, Hafnium Hf und dem künstlich
erzeugten Rutherfordium Rf in der vierten Nebengruppe (Titangruppe) des
Periodensystems der chemischen Elemente steht. Titan dient vor allem als Stahlveredler
und für die Herstellung leichter Legierungen
(d.h.: Titan mit 2-20% oder mehr an Legierungselementen wie Aluminium, Zinn,
etc.), die sich durch eine hohe Widerstandsfähigkeit auszeichnen. Auch in Form
der Verbindung Titandioxid TiO2 spielt das Metall in der Industrie
eine bedeutende Rolle, z.B.: als anorganischer Pigment in der Farben-, Papier-,
Baustoff- sowie in der Kosmetikindustrie (siehe unten).
Titan
wurde in der Form des Titandioxids 1791 von
dem englischen Geistlichen William Gregor
in einem Mineral entdeckt. Vier Jahre später fand der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth das Dioxid im Mineral Rutil
von neuem und benannte es nach den Titanen aus der griechischen Mythologie (griech.:
titanos). Bereits 1825 konnte der schwedische Chemiker Jöns Jakob Berzelius
durch
Reduktion des Dioxids mit Natrium Titan in stark verunreinigter Form isolieren.
Erst 1924 gelang es den holländischen Chemikern Anton
Eduard van Arkel und Jan Hendrik de
Boer dank ihres neuen Verfahrens, hochreines Titanmetall zu gewinnen. Schließlich
wurde in den frühen 1950er-Jahren ein wirtschaftlich und qualitativ zuverlässiges
Verfahren zur Gewinnung von Titan aus Erz eingeführt: Dabei wird das als
Grundmineral dienende Titaneisen (Rutil TiO2, Ilmenit FeTiO3)
zu einer Schwamm genannten porösen Form von Titanmetall reduziert, zu einem
Block geschmolzen (bei Legierungen natürlich zuzüglich der Legierungselemente)
und schließlich werden die Blöcke über Brammen zu allgemeinen Walzprodukten
oder über Zwischenabmessungen zu Stäben oder Freiformschmiedstücken
umgeformt. (Die für Titan typischen Eigenschaften entstehen in den beiden
ersten Phasen; die Blöcke werden durch Schmiede- und
Walzvorgänge zu Halbzeugen umgeformt, ähnlich wie bei Stahl.) (Näheres
zur Gewinnung von Titan auch unter 3.)
2.
Eigenschaften
und Vorkommen:
Reines
Titan löst sich in Flusssäure (Fluor: Fluorverbindungen) und in heißen
Mineralsäuren, wie z. B. Schwefelsäure oder Salzsäure (Chlorwasserstoff).
Kalte verdünnte Säure oder auch 100 °C heiße Salpetersäure übt dagegen
keinerlei Wirkung auf das Metall aus. Bei niedriger Temperatur ist Titan infolge
Verunreinigungen spröde, in schwacher Rotglut ist es allerdings leicht
schmiedbar. Hochreines Titanmetall lässt sich dagegen bereits in der Kälte zu
Blechen walzen. Das Element schmilzt bei 1 677 °C und siedet bei 3 262 °C.
Seine relative Dichte liegt bei 4,5, und seine Atommasse beträgt 47,9 u (siehe
auch unten).
Titan
reagiert bei erhöhter Temperatur mit verschiedenen Nichtmetallen. So verbrennt
es beispielsweise mit Sauerstoff bei 610 °C zu Titandioxid und verbindet sich
mit Stickstoff zu Titannitrid TiN. In seinen Verbindungen kann das Übergangsmetall
die Wertigkeiten 4, 3 oder 2 haben. So bildet das Element z. B. fast farbloses,
an der Luft rauchendes, flüssiges Titantetrachlorid TiCl4. Leitet man eine
Mischung aus Wasserstoff und TiCl4-Dampf durch ein erhitztes Rohr (500 °C),
bildet sich dunkelviolettes, kristallines Titantrichlorid TiCl3. Bei
stärkerem Erhitzen zerfällt das Trichlorid zu TiCl4 und schwarzem
Titandichlorid TiCl2.
In der Rangfolge der Häufigkeit der
Elemente in der Erdkruste steht Titan an neunter Stelle. Es kommt aber nie in
elementarem Zustand in der Natur vor. Als Oxid ist das Metall beispielsweise in
den Mineralien Ilmenit FeTiO3,
Anatas und Rutil TiO2
sowie im Titanit (CaTi[SiO4]O)
enthalten.
Physikalischen Daten von Titan:
Schalen:
2,8,10,2
Orbitale:
[Ar]
3d2 4s2
Elektronegativität:
1.3,
1.5
1.
Ionization potential: 6.8282 eV
2.
Ionization potential: 13.58 eV
3.
Ionization potential: 27.491 eV
Oxidationzahlen:
4,3
Elektrische Leitfähigkeit: 0.0234
10^6
Schmelzpunkt:
1668
°C ±10
Siedepunkt:
3287
°C
Specifische Wärme: 0.52
J/gK
schmelzwärme: 15.450
kJ/mol
Verdampfungswärme: 421.00 kJ/mol
Wärmeleitfähigkeit: 0.219
W/cmK
Relative
Atommasse:47,88
Atomradius:
2.00
Å
Ionenradius:
0.61
Å ()
Covalent
radius: 1.32
Å
Atomvolumen:
10.64
cm∏/mol
Dichte
(293 K): 4.50
g/cm∏
Struktur/Kristal:
Sechseckstruktur
In
diesem Film
(mpeg, 1,1 mb) wird die Reaktion
zwischen Titan und KClO4 gezeigt.
3.
Verwendung
Aufgrund
seiner hohen Widerstandsfähigkeit und seiner geringen Dichte wird Titan in
Legierungen und als Ersatz für Aluminium verwendet. Als Legierung
mit Aluminium und Vanadium wird Titan im Flugzeugbau
eingesetzt (z. B. bei Feuerschutz- und Außenwandungen, Fahrwerkkomponenten und
Triebwerkaufhängungen). Auch die Schaufelräder der Triebwerksturbinen und die
Triebwerksgehäuse bestehen aus Titanlegierungen. Für ein
Verkehrsflugzeug werden zwischen 320 und 1 100 Kilogramm „Titanstahl" benötigt,
für ein Überschallflugzeug (das Geschwindigkeiten von 2 410 bis 3 220
Kilometer pro Stunde erreicht) 14 bis 45 Tonnen. Titanlegierungen verwendet man
auch in der Raumfahrt (Weltraumforschung).
So bestanden die Raumkapseln Mercury, Gemini und Apollo zu großen
Teilen aus einer Titanlegierung. Zu den wichtigen Titanlegierungen gehört
Eisen-Kohlenstoff-Titan, das man durch Reduktion von Ilmenit mit Koks in einem
elektrisch betriebenen Industrieofen herstellt. Kupfertitan erhält man durch
Reduktion von Rutil unter Kupferzusatz. Mangantitan lässt sich durch Reduktion
von Rutil unter Zusatz von Mangan oder Manganoxiden gewinnen (Metallurgie).
Titanlegierungen eignen sich in der Medizin als Knochenersatz
und darüber hinaus auch in der Lebensmittelverarbeitungstechnik als Auskleidung
von Röhren und Gefäßen. Weil es auch im Salzwasser nicht korrodiert, setzt
man es in Wärmeaustauschern von Wasserentsalzungsanlagen ein.
Titandioxid
dient z. B. in der Lack- und Farbenindustrie als anorganisches Pigment - es zählt
zu den so genannten Weißpigmenten. Zur
Gewinnung von Titandioxid kennt man je nach Anwendungsbereich des späteren
Pigments verschiedene Verfahren. Dabei kommen ebenfalls je nach Einsatzbereich
des Endprodukts unterschiedliche Titanerze als Ausgangsprodukte in Frage. Beim
so genannten Sulfat-Verfahren geht man z. B. von Ilmenit (FeTiO3)
aus. Als Nebenprodukte fallen verdünnte Schwefelsäure (Dünnsäure) und
Eisensulfat-hepta-hydrat FeSO4·7H2O an. Man spricht in
der Technik bei der Dünnsäure auch von einem Zwangsanfallprodukt, d. h.,
derartige Produkte fallen zwangsläufig beim Prozess an. Eine
Titandioxid-Pigmentproduktion ganz ohne diese Nebenprodukte ist nicht möglich.
Sie lassen sich aber in gewissem Maß recyceln.
Auf eine etwas ausgefallenere Verwendung von Titan kamen
vor kurzem amerikanische Wissenschaftler mit dem “Nicht-Bügel-Hemd”: dabei
werden in kleinsten Abständen hauchdünne Titan-Fäden in das Hemd eingenäht;
nach dem Waschen eines solchen Hemdes muss diese nicht gebügelt werden sondern
es reicht aufgrund der Reaktion der Titan-Fäden auf Wärme mit einem Föhn über
das Hemd zu fahren, wodurch es innerhalb kürzester Zeit glatt wird.
Quellen:
