Titan (Element)

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

Scandium - Titan - Vanadium Ti Zr       Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Titan, Ti, 22
Serie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	4, 4, d
Dichte, Mohshärte	4507 kg/m3, 6
Aussehen	silbrig metallisch
Atomar
Atomgewicht	47,867 amu
Atomradius (berechnet)	140 (176) pm
Kovalenter Radius	136 pm
van der Waals-Radius	k. A.
Elektronenkonfiguration	[Ar]3d2 4s2
e- 's pro Energieniveau	2, 8, 10, 2
Oxidationszustände (Oxid)	4 (amphoter)
Kristallstruktur	hexagonal
Physikalisch
Aggregatzustand (Magnetismus)	fest (__)
Schmelzpunkt	1941 K (1668 °C)
Siedepunkt	3560 K (3287 °C)
Molares Volumen	10,64 · 10-3 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
Elektronegativität	1,54 (Pauling-Skala)
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
Stabilste Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP 44Ti {syn.} 63 y ε 0,268 44Sc 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
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 MHz 11,3 MHz
SI-Einheiten und Standardbedingungen werden benutzt, sofern nicht anders angegeben.

Bemerkenswerte 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. Titanverbindungen mit Kohlenstoff, Bor und Stickstoff werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit als Hartstoffe eingesetzt.

Anwendungen

Ungefähr 95 % des Titans werden als Titandioxid verbraucht. Es zeichnet sich als Farbpigment durch eine hohe Deckkraft in Farben, in Papier und Kunststoffen aus. Farben mit Titandioxid als Weißpigment reflektieren auch Infrarotstrahlung.

Wegen der Summe der Eigenschaften bezüglich Festigkeit, Dichte und Beständigkeit werden Titanlegierungen in kleinen Mengen in so unterschiedlichen Erzeugnissen wie Raketenbau, Golfschlägern, Mountainbikes, Gehäuse für Lap Tops, Verdampferanlagen und Wärmetauschern für chloridhaltige Medien eingesetzt. Da Titan sehr teuer ist, aber gleichzeitig eine geringe Dichte und äußerst robuste Materialeigenschafte aufweisen, lohnt sich die Verwendung von Titan vor allem im Bau von militärischen Flugzeugen und Hubschraubern.

Eine Besonderheit stellen die Shape-Memory-Metalle dar. Seit längerer Zeit bekannt ist Nitinol, eine binäre Nickel-Titan-Legierung. Verformte Shape-Memory-Metalle nehmen durch Erwärmung ihre ursprüngliche Form wieder an.

Titan verhält sich inert zum Körpergewebe. Auch verursacht es keine allergischen Reaktionen. In den letzten Jahren wird es daher vermehrt für Schmuck (Uhren, Brillen), Körperschmuck (Body Piercing) und medizinischen Implantaten wie beispielsweise künstlichen Hüftgelenken genutzt.

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
• Herstellung relativ weicher künstlicher Edelsteine (gemstones)
• Als Titantetrachlorid zur Herstellung von Glasspiegeln und künstlichen Nebel
• Als Ferrotitan Zusatz in Stählen als Karbidbildner
• Bildung von intermetallischen Phasen (Ni₃Ti) in hochwarmfesten Nickellegierungen
• Supraleitende Niob-Titan-Legierungen
• in der Pyrotechnik

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.

Geschichte

Titan (lat. Titan; nach "Titanen", den riesenhaften Gestalten der griechischen Mythologie, welche von Zeus besiegt wurden), 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.

Quellen

Titan kommt in der Lithossphäre 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 Konzentrationen vorhanden. Wichtige Mineralien sind :

• Ilmenit (Titaneisenerz) FeTiO₃
• Leukoxen, ein eisenarmes Ilmenit
• Rutil TiO₂
• Anatas TiO₂
• Brookit TiO₂
• Titanit (Sphen) CaTi[SO₄]O
• Perowskit CaTiO₃
• Titanate wie Bariumtitanat (BaTiO₄)
• Begleiter in Eisenerzen

Die Hauptvorkommen liegen in Australien, Skandinavien, Nordamerika, Australien 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.

Herstellung

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 umgeschlozen werden.

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
• Memory Metall NiTi (Nitinol)

Vorsichtsmaßnahmen

Titanpulver ist feuergefährlich. Die meisten Titansalze gelten als harmlos. Unbeständige Verbindungen wie Titantrichlorid oder Titantetrachlorid 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.

In siliziumhaltigem (silica?) (könnte ein Übersetzungsfehler sein, da "silica" im technischen Bereich für Quarz (SiO2) steht!) Körpergewebe neigt Titan zur Anreicherung. Eine biologische Rolle des Titans im menschlichen Körper ist zur Zeit nicht bekannt.

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

Weblinks

• Abbildung in der Elementansammlung von Pniok
• Bilder und Details zu Titan auf der Elemente-Börse www.seltenerden.de
• Eigenschaften von Titan