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Titan (Element)

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Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Titan, Ti, 22
Elementkategorie
Gruppe, Periode, Block 4, 4, d
Aussehen silbrig metallisch
CAS-Nummer {{{CAS}}}
EG-Nummer {{{EG-Nummer}}}
ATC-Code {{{ATC-Code}}}
Massenanteil an der Erdhülle 0,41
Atomar
Atommasse 47,867 u
Atomradius (berechnet) 140 (176) pm
Kovalenter Radius 136 pm
Van-der-Waals-Radius pm
Elektronenkonfiguration [Ar] 3d2 4s2
1. Ionisierungsenergie 658,8
2. Ionisierungsenergie 1309,8
3. Ionisierungsenergie 2652,5
4. Ionisierungsenergie 4174,6
5. Ionisierungsenergie {{{Ionisierungsenergie_5}}}
6. Ionisierungsenergie {{{Ionisierungsenergie_6}}}
7. Ionisierungsenergie {{{Ionisierungsenergie_7}}}
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur hexagonal (bis 882 °C, darüber krz)
Dichte 4,507 g/cm3
Mohshärte 6
Magnetismus paramagnetisch
Schmelzpunkt 1941 K (1668 °C)
Siedepunkt 3560 (3287 °C)
Molares Volumen 10,64 · 10-6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie 421
Schmelzenthalpie 15,45 kJ·mol−1
Dampfdruck 0,49 Pa bei 1933 K
Schallgeschwindigkeit 4140 m·s−1 bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 520 J·kg−1·K−1
Elektrische Leitfähigkeit 2,34 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit 21,9 W·m−1·K−1
Chemisch
Oxidationszustände +2, +3, +4
Normalpotential 1,3 V (TiO2 + 4H+ + 4e-
→ Ti + 2H2O)
Elektronegativität 1,54 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
44Ti {syn.} 49 a ε 0,268 44Sc
45Ti {syn.} 184,8 min ε 2,062 45Sc
46Ti 8,0 % Stabil
47Ti 7,3 % Stabil
48Ti 73,8 % Stabil
49Ti 5,5 % Stabil
50Ti 5,4 % Stabil
51Ti {syn.} 5,76 min β− 2,471 51V
52Ti {syn.} 1,7 min β− 1,973 52V
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Kernspin γ in
rad·T−1·s−1 		Er (1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
47Ti -5/2 1,508· 107 0,00209 11,3
49Ti -7/2 1,508· 107 0,00376 11,3
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung{{{GHS-Piktogramme}}}
H- und P-Sätze H: {{{H}}}
EUH: {{{EUH}}}
P: {{{P}}}
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 von dem Geistlichen und Amateurchemiker William Gregor im Titaneisen entdeckt. Mehrere Jahre später entdeckte es der deutsche Chemiker Heinrich Klaproth 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 großtechnischen Reduktion von Titantetrachlorid mit Magnesium (Kroll-Prozess durch William Justin Kroll 1946) erschloss das Titan für kommerzielle Anwendungen.

Vorkommen

Titan kommt in der Erdkruste nur in Verbindungen mit Sauerstoff als Oxid vor. Es ist keineswegs selten, steht es doch mit einem Gehalt von 0,56 % an 9. Stelle der Elementhäufigkeit in der kontinentalen Erdkruste.[2] Meist ist es aber nur in geringer Konzentration vorhanden.

Wichtige Mineralien sind:

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

Gewinnung

Reines Titan kommt in der Erde kaum vor. Titan wird aus Ilmenit oder Rutil gewonnen. Der dabei verwendete Herstellungsprozess (s.u.) ist sehr aufwendig, was sich im hohen Preis für Titan niederschlägt.

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.

Größter Produzent von Titan und Titanlegierungen ist die VSMPO-AVISMA mit Firmensitz in Werchnjaja Salda bzw. Jekaterinburg im Ural, welche sich seit 12. September 2006 indirekt durch die Holding Rosoboronexport in russischem Staatsbesitz befindet.

Eigenschaften

Titanzylinder, Reintitan

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 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 reagiert („brennt“) auch mit reinem Stickstoff, 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, Zirconium und Zinn erheblich verbessern.

Unterhalb von 880 °C liegt Titan in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung vor. Oberhalb von 880 °C bildet sich eine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur aus.

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 ein Begleiter des alltäglichen Lebens geworden. Praktisch alle heutigen weißen Kunststoffe und Farben, auch Lebensmittelfarben (Titanweiß in Lebensmitteln als E 171 zu finden), enthalten Titandioxid. Aber auch im Bereich der Elektro- und Werkstofftechnik und neuerdings auch in der Herstellung von Hochleistungs-Akkumulatoren für den Fahrzeug-Antrieb (Lithium-Titanat-Akku) werden Titanverbindungen eingesetzt.

Titanlegierungen

Titan-Legierungen werden häufig nach dem US-amerikanischen Standard ASTM mit Grade 1 bis 35 charakterisiert. Grade 1 bis 4 bezeichnet Rein-Titan verschiedener Reinheitsgrade[3].

Rein-Titan hat die Werkstoffnummer 3.7034, der häufig auch für Turbolader-Schaufeln eingesetzte[4] Werkstoff Ti-6Al-4V (6% Aluminium, 4% Vanadium, ASTM: Grade 5) hat die Nummer 3.7164.

Weitere wichtige Titanlegierungen, die hauptsächlich in der Luftfahrtindustrie eingesetzt werden:

Bezeichnung chem. Zusammensetzung Elastizitätsmodul in GPa Dichte in g·cm−3
Ti6246 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 125,4 4,51
Ti6242 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 4,50

In Verbindung mit Nickel ist es eine sogenannte Formgedächtnis-Legierung.

Verwendung

Titan-Schaufeln eines Strahltriebwerkes
Armbanduhr mit Titan-Armband/-Gehäuse

Titan wird vor allem als Mikrolegierungsbestandteil für Stahl verwendet. Es verleiht Stahl bereits in Konzentrationen von 0,01-0,1 Massen% eine hohe Zähigkeit, Festigkeit und Duktilität. In rostfreien Stählen verhindert Titan die interkristalline Korrosion. Titan hat eine hohe Temperaturbeständigkeit, Festigkeit sowie eine geringe Dichte.

Anwendungen in Seewasser und chloridhaltigen Medien
Outdoor- und Sportartikel
  • bei hochwertigen Fahrrädern in Verbindung mit Aluminium und Vanadium als Rahmenmaterial
  • (Taucher-)Messer mit Titan- oder Titanlegierungsklingen, ebenso Essbestecke
  • als Zeltheringe (hohe Festigkeit trotz geringen Gewichts)
  • bei Golfschlägern als Schlägerkopf
  • bei Tennisschlägern im Rahmen
  • beim Stockschießen als äußerst stabiler Stab beim Eisstockstiel
  • als besonders leichte Eisschraube beim Bergsteigen
  • als Lacrosse-Schaft für höhere Festigkeit bei geringerem Gewicht
Verwendung in Form von Verbindungen
  • Herstellung relativ weicher künstlicher Edelsteine
  • Titandotierte Saphir-Einkristalle dienen als aktives Medium im Titan-Saphir-Laser für ultrakurze Pulse im Femtosekunden-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 Elektromagneten von HERA bei DESY)
  • in der Pyrotechnik
  • über 90 % der Titanerzförderung wird hauptsächlich nach dem Chlorid- und im geringeren Maße nach dem Sulfatverfahren zu Titandioxid verarbeitet

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.

Die SR-71 besteht zum größten Teil aus Titan
Konstruktionsteile
  • Verschleißteile in Lötanlagen, direkter Kontakt mit Elektrolot bis 500 °C
  • Federn in Fahrgestellen von Kraftfahrzeugen
  • in Flugzeugen und Raumschiffen für besonders beanspruchte Teile, die trotzdem leicht sein müssen (Außenhaut bei Überschallgeschwindigkeit, Turbinenschaufeln und Triebwerksteilen)
  • 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 der zivilen Luftfahrt, in der militärischen Luftfahrt zum Einsatz. Dies führte dazu, dass zu Hochzeiten der sowjetischen Rüstungsproduktion ein Großteil der weltweiten Titanproduktion sowohl in Russland produziert als auch wieder verbaut wurde.
Medizin
Elektronik
  • Im Jahre 2002 brachte die Firma Nokia das Handy 8910 und ein Jahr später das Handy 8910i auf den Markt, welche über ein Gehäuse aus Titan verfügen.
  • Im April 2002 brachte die Firma Apple Inc. das Notebook "PowerBook G4" auf den Markt. Das gesamte Gehäuse war aus Titan gefertigt und besaß in der 15,2" Bildschirm Ausführung bei einer Dicke von 1" ein Gewicht von nur 2,4 kg.
  • Einige Notebooks von IBM (jetzt Lenovo) besitzen ein titanverstärktes Kunststoffgehäuse oder einen Gehäuserahmen aus einem Titan-Magnesium-Verbundstoff.
Sonstige Anwendungsgebiete

Nachweis

TiO2+ bildet mit Wasserstoffperoxid einen charakteristischen gelb-orangenen Komplex (Triaquohydroxooxotitan(IV)-Komplex), der auch zum photospektrometrischen Nachweis geeignet ist.

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

Titan ist als Pulver feuergefährlich, kompakt ungefährlich. 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.

Einzelnachweise

  1. ↑ Sicherheitsdatenblatt (alfa-aesar)
  2. ↑ David R. Lide (ed.): CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85. Auflage, CRC Press, Boca Raton, Florida, 2005. Section 14, Geophysics, Astronomy, and Acoustics; Abundance of Elements in the Earth's Crust and in the Sea.
  3. ↑ http://www.pangas.ch/international/web/lg/ch/likelgchpangasde.nsf/repositorybyalias/pangas_titanschweisstechnik_d/$file/PanGas_Titanschweisstechnik_D.pdf
  4. ↑ Firmenangaben Keller & Kalmbach

Literatur

  • Gerd Lütjering, James C. Williams: Titanium. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-71397-5
  • Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente - das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. Hirzel, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3
Commons: Titan (Element) – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Titan – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

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