Titan (Element)

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE M eV	ZP
⁴⁴Ti	{syn.}	49 a	ε	0,268	⁴⁴Sc
⁴⁵Ti	{syn.}	184,8 min	ε	2,062	⁴⁵Sc
⁴⁶Ti	8,0 %	Ti ist stabil mit 24 Neutronen
⁴⁷Ti	7,3 %	Ti ist stabil mit 25 Neutronen
⁴⁸Ti	73,8 %	Ti ist stabil mit 26 Neutronen
⁴⁹Ti	5,5 %	Ti ist stabil mit 27 Neutronen
⁵⁰Ti	5,4 %	Ti ist stabil mit 28 Neutronen
⁵¹Ti	{syn.}	5,76 min	β^-	2,471	⁵¹V
⁵²Ti	{syn.}	1,7 min	β^-	1,973	⁵²V

NMR-Eigenschaften

	⁴⁷Ti	⁴⁹Ti
Kernspin	-5/2	-7/2
gamma / rad/T	1,508 · 10⁷	1,508 · 10⁷
Empfindlichkeit	0,00209	0,00376
Larmorfrequenz bei B = 4,7 T	11,3 M Hz	11,3 M Hz

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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 Anwendungen geeignet, bei denen es auf hohe Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und geringes Gewicht ankommt.

Geschichte

Titan wurde 1791 in England durch den Geistlichen und Amateurchemiker William Gregor im Titaneisen 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 1910 erstmals Matthew A. Hunter her, indem er in einer Stahlbombe Titantetrachlorid mit Natrium auf 700 bis 800 °C erhitzte.

Erst die Einführung der großtechnisch durchgeführten Reduktion von Titantetrachlorid mit Magnesium (Kroll-Prozess durch William Justin Kroll 1946) erschloss das Titan für kommerzielle Anwendungen.

Vorkommen

Titan kommt in der Lithosphäre nur in Verbindungen mit Sauerstoff als Oxid vor. Es ist keineswegs selten, steht es doch an 10. Stelle der Elementhäufigkeit. Meist ist es aber nur in geringer Konzentration vorhanden.

Wichtige Mineralien sind :

Ilmenit (Titaneisenerz) FeTiO₃
Leukoxen, ein eisenarmes Ilmenit
Rutil TiO₂
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 der Spektralklasse M wurde ebenfalls Titan nachgewiesen. Gesteinsproben der Mondmission Apollo 17 enthielten bis zu 12,1 % TiO₂. Auch in Kohlenaschen, Pflanzen und im menschlichen Körper ist es enthalten. schnipp

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 chemischen Angriff nicht gewachsen ist. Hier kann sich die Reaktionsgeschwindigkeit 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 mit Chlor trotz Passivierungsschicht. Titan brennt auch unter reiner Stickstoffatmosphäre, was bei Hitzeentwicklung wie zum Beispiel bei spanender Bearbeitung unbedingt beachtet werden muss.

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 Deuteronen (= Ionen des Deuteriums) wird Titan radioaktiv. Es emittiert dann Positronen und Gammastrahlung. Unterhalb von 880 °C liegt Titan in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung vor. Oberhalb von 880 °C bildet sich eine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur aus.

Besonders erwähnenswert ist Titandioxid in seiner Verwendung als Farbpigment. Es zeichnet sich durch eine extrem hohe weiße "Deckkraft" aus und ist wegen seiner Ungiftigkeit als Lebensmittelzusatz E171 zugelassen.

Theoretisch ist die Bildung von Titansäure Ti(OH)₄ durch Reaktion von Titandioxid mit Wasser möglich. Aber wegen der starken Neigung von Titan mit Sauerstoff das außerordentlich stabile Titandioxid zu bilden, zerfällt Titansäure sofort zu Titandioxid und Wasser. Die Bildung von Titansäure ist ohnehin sehr unwahrscheinlich. Stabile Titansäure ist nur unter extremen oder besonderen Bedingungen denkbar. Titandioxid hingegen ist so stabil, dass es nicht einmal von konzentrierter Salzsäure angegriffen werden kann.

Verbindungen

Während metallisches Titan wegen der hohen Herstellungskosten oft anspruchsvollen technischen Anwendungen vorbehalten bleibt, ist das relativ preiswerte und ungiftige Farbpigment Titandioxid (Titanweiß; in Lebensmitteln als E 171 zu finden) ein Begleiter des alltäglichen Lebens geworden. Praktisch alle heutigen weißen Kunststoffe und Farben, auch Lebensmittelfarben, enthalten Titandioxid. 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

Vor allem als Legierungsbestandteil von Stahl. Es verleiht Stahl eine hohe Zähigkeit, Festigkeit und Duktilität. Titanstähle haben auch ein gutes Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit.
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
- Tauchermesser mit Titan- oder Titanlegierungsklingen
- Apparate in Anlagen der Chlorchemie

Verwendungen im Outdoor-Bereich
- (Taucher-)Messer mit Titan- oder Titanlegierungsklingen, ebenso Essbestecke
- als Zeltheringe (geringes Gewicht trotz hoher Festigkeit)

Herstellung relativ weicher künstlicher Edelsteine
Titansaphire dienen als Laserkristall in ultrakurz pulsbaren Lasern (fs-Bereich)
als Titantetrachlorid zur Herstellung von Glasspiegeln und künstlichem Nebel
Bildung von intermetallischen Phasen (Ni₃Ti) in hochwarmfesten Nickellegierungen
supraleitende Niob-Titan-Legierungen (z.B. als supraleitende Kabel in Magneten von HERA bei DESY)
in der Pyrotechnik
Verschleißteile in Lötanlagen, direkter Kontakt mit Elektrolot bis 500 °C
Federn in Fahrgestellen von Kraftfahrzeugen
als Biomaterial für Implantate in der Medizintechnik und Zahnheilkunde (Zahnimplantate, jährlich ca. 200.000 Stück allein in D) wegen seiner sehr guten Korrosionsbeständigkeit im Gegensatz zu anderen Metallen. Eine immunologische Abstoßungsreaktion gibt es nicht. Auch bei Zahnkronen und Zahnbrücken wird es wegen der erheblich niedrigeren Kosten im Vergleich zu Goldlegierungen verwendet. In der chirurgischen Orthopädie bei metallischen Beinprothesen (künstliche Hüftendoprothesen)und Hüftkopfersatz, Kniegelenksersatz nach Arthrose wird es massenhaft eingesetzt.

In der Mittelohrchirurgie findet Titan als Material für Gehörknöchelchenersatz-Prothesen und für Paukenröhrchen bevorzugte Verwendung.

über 90 % der Titanerzförderung wird hauptsächlich nach dem Chlorid- und im geringeren Maße nach dem Sulfatverfahren zu Titandioxid verarbeitet
Schmuck aus Titan
in Flugzeugen und Raumschiffen für besonders beanspruchte Teile, die trotzdem leicht sein müssen
bei hochwertigen Fahrrädern in Verbindung mit Aluminium und Vanadium als Rahmenmaterial
bei Golfschlägern als Schlägerkopf
beim Stockschießen als äußerst stabiler Stab beim Eisstockstiel
in Dampfturbinen für die am stärksten belasteten Schaufeln des Niederdruckteiles
in der Rüstung: Viele U-Boote der ehemaligen Sowjetunion hatten Druckkörper aus einer Titanlegierung (z.B. Mike-Klasse, Alfa-Klasse, Typhoon-Klasse oder Delta-Klasse). Daneben kommt Titan, stärker als bei zivilen Luftfahrt, in der militärischen Luftfahrt zum Einsatz. Dies führte dazu, dass zu Hochzeiten der sowjetischen Rüstungsproduktions ein Großteil der weltweiten Titanproduktion sowohl in Russland produziert als auch wieder verbaut wurde.

Titan wird als Brillenrahmen verwendet (zb.Adidas)

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 B 348: Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy, Bars and Billets
ASTM B 265: Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy, Sheets and Plates
ASTM F 67: Standard Specification for Unalloyed Titanium, for Surgical Implant Applications
ASTM F 136: Standard Specification for Wrought Titanium-6Aluminum-4Vanadium ELI (Extra Low Interstitial) Alloy for Surgical Implant Applications
ASTM B 338: Standard Specification for Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Tubes for Condensers and Heat Exchangers
ASTM B 337: Specification for Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Pipe

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.