Titan ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Ti und der Ordnungszahl 22. Es gehört zu den Übergangsmetallen. Leicht, fest, dehnbar, weiß-metallisch glänzend und korrosionsbeständig ist es besonders für hochmobile und korrosive Anwendungen geeignet.
| Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Allgemein | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Name, Symbol, Ordnungszahl | Titan, Ti, 22 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Serie | Übergangsmetalle | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gruppe, Periode, Block | 4, 4, d | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Aussehen | silbrig metallisch | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Massenanteil an der Erdhülle | 0,41 % | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomar | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atommasse | 47,867 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomradius (berechnet) | 140 (176) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kovalenter Radius | 136 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| van der Waals-Radius | - | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronenkonfiguration | [Ar]3d2 4s2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronen pro Energieniveau | 2, 8, 10, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Oxidationszustände (Oxide) | 4 (amphoter) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronegativität | 1,54 (Pauling-Skala) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Normalpotential | 1,3 V (TiO2 + 4H+ + 4e- → Ti + 2H2O) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kristallstruktur | hexagonal | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Physikalisch | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Aggregatzustand | fest | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Modifikationen | - | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dichte (Mohshärte) | 4507 kg/m3 (6) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Magnetismus | - | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt | 1941 K (1668 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Siedepunkt | 3560 K (3287 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Molares Volumen | 10,64 · 10-6 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Verdampfungswärme | 421 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzwärme | 15,45 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dampfdruck | 0,49 Pa bei 1933 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schallgeschwindigkeit | 4140 m/s bei 293,15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Verschiedenes | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Spezifische Wärmekapazität | 520 J/(kg · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektrische Leitfähigkeit | 2,34 · 106/m Ohm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Wärmeleitfähigkeit | 21,9 W/(m · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. Ionisierungsenergie | 658,8 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. Ionisierungsenergie | 1309,8 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3. Ionisierungsenergie | 2652,5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4. Ionisierungsenergie | 4174,6 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 5. Ionisierungsenergie | 9581 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 6. Ionisierungsenergie | 11533 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 7. Ionisierungsenergie | 13590 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 8. Ionisierungsenergie | 16440 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 9. Ionisierungsenergie | 18530 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 10. Ionisierungsenergie | 20833 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Isotope | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| NMR-Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Geschichte
Titan wurde 1791 in England durch den Geistlichen und Amateurchemiker William Gregor im Ilmenit bemerkt. Mehrere Jahre später entdeckte es der deutsche Chemiker Heinrich Klapproth im Rutilerz erneut. 1795 benannte er das neue Element Titan.
Reines Titanmetall (99,9 %) stellte erstmals Matthew A. Hunter 1910 durch Erhitzen von Titantetrachlorid mit Natrium in einer Stahlbombe auf 700-800 °C her.
Erst die Einführung der großtechnisch durchgeführten Reduktion von Titantetrachlorid mit Magnesium (Kroll-Prozess durch William Justin Kroll;1946) erschloss dem Titan kommerzielle Anwendungen.
Vorkommen
Titan kommt in der Lithosphäre nur in Verbindungen mit Sauerstoff als Oxid vor. Es ist keineswegs selten, steht es doch an 9. Stelle der Elementhäufigkeit. Meist ist es aber nur in geringer Konzentration vorhanden.
Wichtige Mineralien sind :
- Titanit (Sphen) CaTi[SO4]O
- Titanate wie Bariumtitanat (BaTiO3)
- Begleiter in Eisenerzen
Die Hauptvorkommen liegen in Australien, Skandinavien, Nordamerika und Malaysia.
Meteoriten können Titan enthalten. In der Sonne und in Sternen des M-Typs (?) wurde ebenfalls Titan nachgewiesen. Gesteinsproben der Apollo 17 Mission enthielten bis zu 12,1 % TiO2. Auch in Kohlenaschen, Pflanzen und im menschlichen Körper ist es enthalten.
Gewinnung
Meist vom Ilmenit oder Rutil ausgehend wird angereichertes Titandioxid mit Chlor zu Titantetrachlorid in der Hitze umgesetzt. Anschließend erfolgt eine Reduktion zum Titan durch flüssiges Magnesium (Kroll Prozess nach William Justin Kroll). Zur Herstellung von bearbeitbaren Legierungen muss der erhaltene Titanschwamm im Vakuum-Lichtbogenofen umgeschmolzen werden.
Eigenschaften
Titan bildet an Luft eine äußerst beständige oxidische Schutzschicht aus, die es in vielen Medien korrosionsbeständig macht. Bemerkenswert ist die hohe Festigkeit bei einer relativ geringen Dichte. Oberhalb einer Temperatur von 400 °C gehen die Festigkeitseigenschaften aber schnell zurück. Hochreines Titan ist duktil. Bei höheren Temperaturen versprödet es durch Aufnahme von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff sehr schnell. Zu beachten ist auch die hohe Reaktivität von Titan mit vielen Medien bei erhöhten Temperaturen oder erhöhtem Druck, wenn die Passivschicht dem korrosiven Angriff nicht gewachsen ist. Hier kann die Korrosionsgeschwindigkeit bis zur Explosion anwachsen. In reinem Sauerstoff bei 25 °C und 25 bar verbrennt Titan von einer frischen Schnittkante ausgehend vollständig zum Titandioxid. Bei Temperaturen oberhalb von 880 °C reagiert es mit Sauerstoff, bei Temperaturen ab 550 °C reagiert es mit Chlor.
Titan ist das einzige Element, das in Stickstoff brennen kann. In verdünnter Schwefelsäure, Salzsäure, chloridhaltigen Lösungen und den meisten organischen Säuren ist Titan beständig. Wegen der Explosionsgefahr sind bei Anwendungen in Chlorgas die Betriebsbedingungen strikt einzuhalten.
Die mechanischen Eigenschaften und das korrosive Verhalten lassen sich durch meist geringfügige Legierungszusätze von Aluminium, Vanadium, Mangan, Molybdän, Palladium, Kupfer, Zirkonium und Zinn erheblich steigern.
Durch Beschuss mit Deuterium wird Titan radioaktiv. Es emittiert dann Positronen und gamma-Strahlung. Unterhalb von 880 °C liegt Titan in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung vor. Oberhalb von 880 °C bildet sich eine kubisch-innenzentrierte Gitterstruktur aus.
Besondere Erwähnung muss Titandioxid als Farbpigment finden. Es zeichnet sich durch eine extrem hohe "Weißkraft" aus und ist wegen seiner Ungiftigkeit als Lebensmittelzusatz E171 zugelassen.
Verbindungen
Während metallisches Titan wegen der Herstellkosten anspruchsvollen technischen Anwendungen vorbehalten bleibt, ist das preiswerte und ungiftige Farbpigment Titandioxid (Titanweiß) ein Begleiter des täglichen Lebens geworden. Praktisch alle heutigen weißen Kunststoffe und Farben, auch Lebensmittelfarben, enthalten es. Aber auch im Bereich der Elektro- und Werkstofftechnik werden Titanverbindungen eingesetzt.
- Bariumtitanat, BaTiO3
- Titan(III)-chlorid, TiCl3
- Titanborid, TiB
- Titancarbid, TiC
- Titannitrid, TiN
- Titan(IV)-chlorid, TiCl4
- Titan(IV)-oxid (Titanweiß), TiO2
- Titan(IV)-oxidsulfat (Titanylsulfat), TiOSO4
- Ferrotitan
- Nitinol, ein Memory-Metall
Verwendung
Weitere Anwendungen :
- Anwendungen in Seewasser und chloridhaltigen Medien :
- Propellerteile wie Wellen, sowie Verspannungen für maritime Anwendungen
- Einbauteile in Meerwasserentsalzungsanlagen
- Bauteile für die Eindampfung von Kaliumchlorid-Lösungen
- Anoden von HGÜ-Seekabelübertragungen
- Herstellung relativ weicher künstlicher Edelsteine (gemstones)
- Als Titantetrachlorid zur Herstellung von Glasspiegeln und künstlichen Nebel
- Bildung von intermetallischen Phasen (Ni3Ti) in hochwarmfesten Nickellegierungen
- Supraleitende Niob-Titan-Legierungen
- in der Pyrotechnik
- Verschleißteile in Lötanlagen, direkter Kontakt mit Elektrolot bis 500°C
- Federn in Fahrgestellen von KFZ
- als Implantatwerkstoff in der Medizinaltechnik wegen sehr guter Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität
Verbindungen des Titans mit Bor, Kohlenstoff oder Stickstoff finden Verwendung als Hartstoffe. Auch zur Herstellung von Cermets, Verbundwerkstoffen aus Keramik und Metall, werden Titanverbindungen eingesetzt.
Normen
Titan und Titanlegierungen sind unter anderem genormt in:
- DIN 17850, Ausgabe:1990-11 Titan; Chemische Zusammensetzung
- ASTM B348 - 03: Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy, Bars and Billets
Sicherheitshinweise
Titanpulver ist feuergefährlich. Die meisten Titansalze gelten als harmlos. Unbeständige Verbindungen wie Titantrichlorid sind stark korrosiv, da sie mit Spuren von Wasser Salzsäure bilden.
Titantetrachlorid wird in Nebelkerzen und Nebelgranaten eingesetzt; es reagiert mit der Luftfeuchte und bildet einen weißen Rauch aus Titandioxid, außerdem Salzsäurenebel.
Im Körpergewebe neigt Titan zur Anreicherung. Eine biologische Rolle des Titans im menschlichen Körper ist zur Zeit nicht bekannt.