Titanium: Het element

Titanium is een scheikundig element met symbool Ti en atoomnummer 22. Het is een zilverkleurige glanzend overgangsmetaal, lage dichtheid gecombineerd met hoge sterkte. Het is goed bestand tegen corrosie in zeewater, koningswater en chloor. Titanium werd ontdekt door William Gregor in 1791 en vernoemd naar de titanen uit de Griekse mythologie. Het element wordt gevonden in vooral de mineralen rutiel en ilmeniet. Het is aanwezig in levende wezens, rotsen, water en de bodem. De twee meest nuttige eigenschappen van het metaal zijn corrosiebestendigheid en de hoogste sterkte-gewicht verhouding van de metalen. In gelegeerd toestand is titaan sterk als staal, maar veel lichter.

Allotropen

Er zijn twee allotropische vormen en vijf natuurlijk voorkomende isotopen van dit element, 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti en 50Ti. 48Ti komt het meest voor (73,8%). Hoewel ze hetzelfde aantal valentie-elektronen hebben en in dezelfde groep in het periodiek systeem zitten, verschillen titanium en zirkonium in chemische en fysische eigenschappen.

Algemene eigenschappen

Fysische eigenschappen

Chemische eigenschappen

Mechanische eigenschappen

Isotopen

Natuurlijk voorkomende titanium zijn 5 stabiele isotopen: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti en 50Ti, met 48Ti als de meest voorkomende (73,8%). Elf radioisotopen zijn gekarakteriseerd, de meest stabiele zijn 44Ti met een halveringstijd van 63 jaar, 45Ti met een halfveringstijd van 185 minuten, 51Ti met 5,7 minuten en 52Ti met 1,7 minuten. Alle resterende radioactieve isotopen hebben halveringstijden van minder dan 33 seconden en de meerderheid van deze hebben halveringstijden minder dan een halve seconde. Titanium wordt radioactief na bombardement met deuteronen, en zendt vooral positronen en gammastralen uit.

Meest stabiele isotopen

Vóórkomen van het element titanium

Productie van rutiel en ilmeniet in 2011

Titanium is wegens zijn reactieve aard in de natuur gebonden aan andere elementen. Het is de negende meest voorkomende element in de aardkorst. Het is aanwezig in stollingsgesteenten en de daarvan afgesleten sedimenten, maar ook in levensvormen en in natuurlijke wateren. Ongeveer 200.000 ton titaanspons wordt per jaar geproduceerd. Totale reserves van titanium worden geschat op 600 miljoen ton.

Toelichting bij fysische eigenschappen

• Element titanium bekend om zijn hoge sterkte-gewichtsverhouding en corrosievastheid.
• Het relatief hoog smeltpunt 1650 ° C maakt het bruikbaar als vuurvast metaal.
• Het is paramagnetisch en heeft lage elektrische- en thermische geleidbaarheid.
• Commercieel (99,2% zuiver) titaan heeft een treksterkte van circa 434 MPa, gelijk aan die van gewone constructie stalen, maar het is veel lichter. Titanium is ongeveer de helft zwaarder dan aluminium, maar meer dan tweemaal zo sterk als de bekende aluminiumlegering 6061-T6.
• Het is goed te verspanen maar vereist vakmanschap, scherp gereedschap en de juiste koeling.
• Titaanlegeringen heeft een lagere stijfheid (lagere elasticiteitsmodules) dan constructiematerialen zoals staal en aluminiumlegeringen.
• Het metaal heeft een hexagonale alfa structuur die verandert in een Kubisch ruimtelijk gecentreerd beta vorm bij 882 °C.

Toelichting op de chemische eigenschappen

• Titaan en zijn legeringen oxideren onmiddellijk na blootstelling aan lucht. Stikstof werkt op dezelfde wijze er vormt zich een nitride in het oppervlak.
• Titanium reageert met zuurstof bij 1200 ° C in lucht en bij 610 ° C in zuivere zuurstof en vormt dan titaandioxide (TiO2).
• Het reageert traag met water en lucht als het een passieve en oxidelaag heeft die het onderliggende metaal tegen verdere oxidatie beschermt.
• Titaan heeft een uitstekende weerstand tegen corrosie vanwege de beschermende oxide laag. Het is bestand tegen aantasting door verdund zwavelzuur, zoutzuur, chloride oplossing en de meeste organische zuren, het wordt echter aangetast door geconcentreerde zuren.
• Het metaal brandt voordat het smeltpunt wordt bereikt. Smelten is alleen mogelijk in inerte atmosfeer of in vacuüm.
• Bij 550 ° C reageert het met chloor. Het reageert ook met de andere halogenen.
• Titanium brandt in zuiver stikstofgas, vormt bij 800 ° C titaniumnitride, die brosheid veroorzaakt.

TiN coating

Oxidatietoestand 4+ komt het meest voor in de titanium chemie, (verbindingen in de oxidatietoestand +3 komen eveneens voor). Titaan (IV) verbindingen hebben een sterke covalente binding. (TiN) is een hard ceramisch materiaal, gebruikt als coating op titanium legeringen, staal en aluminium delen om de oppervlakte eigenschappen te verbeteren.

Oxiden, sulfiden, en alkoxiden

• De belangrijkste oxide is TiO2
• Titanaten verwijzen naar titaan verbindingen, zoals bariumtitanaat (BaTiO3). Dit materiaal vertoont piëzo-elektrische eigenschappen en wordt gebruikt als een omzetter van geluid in elektriciteit en andersom. Vele mineralen zijn titanaten, zoals ilmeniet (FeTiO3).
• Star saffieren en robijnen krijgen hun glans door de aanwezigheid van titaandioxide onzuiverheden.
• De alkoxiden van titaan (IV), bereid door reactie van TiCl4 met alcoholen, zijn kleurloze verbindingen. Zij zijn industrieel bruikbaar voor het afzetten vaste TiO2 via de sol-gel-werkwijze.
• Titanium vormt diverse sulfiden zoals TiS2. Het heeft een gelaagde structuur en wordt toegepast als kathode in lithiumbatterijen.
• De sulfiden van titanium zijn instabiel en hebben de neiging te hydrolyseren tot oxide met vrijkomen van waterstofsulfide.

Nitriden, carbiden

Titanium nitride (TiN), met een hardheid gelijk aan saffier en carborundum (9.0 op de Mohs schaal) wordt meestal gebruikt voor het bekleden van snijgereedschappen zoals boren. Het wordt ook gebruikt als goudkleurige decoratieve afwerking, en in semiconductor fabricage. Titaancarbide, die erg hard is, is te vinden in hoge-temperatuur-snijgereedschappen en coatings.

Titanium (III) verbindingen zijn violet, geïllustreerd door de waterige oplossing van titanium trichloride.

Halogeniden

• Onder temperatuur en druk, kan titanium poeder worden gebruikt om sterke, lichtgewicht voorwerpen variërend van pantserplaten en componenten voor de luchtvaartindustrie te maken.
• Titaantetrachloride (titaan (IV) chloride, TiC4 is een kleurloze vluchtige vloeistof, die in de lucht hydrolyseert met spectaculaire uitstoot van witte wolken. Via Kroll proces wordt TiCl4 geproduceerd in de omzetting van titaniumdioxide, bijvoorbeeld voor toepassing in witte verf.
• Titanium (III) en titaan (II) vormen ook stabiel chloriden. Een opmerkelijk voorbeeld is titaan (III) chloride (TiCl3), die wordt gebruikt als een katalysator voor de productie van polyolefinen en als reducerende stof in de organische chemie.
• Vanaf beginjaren 1950, werd titanium gebruikt voor militaire luchtvaart doeleinden.
• Gedurende de Koude Oorlog, werd titanium beschouwd als een strategisch materiaal door de VS, en een grote voorraad van titanium spons werd gehandhaafd. Met ingang van 2009, wordt titanium spons metaal in zes landen geproduceerd namelijk in China, Japan, Rusland, Kazachstan, VS en Oekraïne in volgorde van omzet.

Verwerking van titanium en zijn legeringen

ASTM erkent 31 kwaliteiten van titanium en legeringen, waarvan 1 tot en met 4 commercieel zuiver zijn (ongelegeerd). Deze vier onderscheiden door hun verschillende mate van treksterkte als functie van zuurstofgehalte, kwaliteit 1 is de taaiste met laagste treksterkte bij zuurstofgehalte van 0,18% en kwaliteit 4 het minst taaie met hoogste treksterkte bij een zuurstofgehalte van 0.40%. De andere cijfers zijn legeringen, ontworpen voor specifieke doeleinden, met nadruk op taaiheid, of sterkte, of hardheid, of elektrische weerstand, of corrosiebestendigheid of op een combinatie van deze eigenschappen.

Alle lassen van titanium worden uitgevoerd in een inerte atmosfeer van argon of helium om te beschermen tegen verontreiniging door atmosferische gassen zoals zuurstof, stikstof of waterstof. Besmetting veroorzaken materiaal fouten, zoals brosheid.
Commercieel zuiver plaat product gemakkelijk gevormd worden, maar verwerkt moet rekening houden met het feit dat het metaal een "geheugen" heeft en dus neigt tot terugveren. Dit geldt met name voor bepaalde legeringen met hoge sterkte. Titanium kan niet worden gesoldeerd zonder eerst plaatselijk een metaal aan te brengen dat soldeerbaar is. Titanium kan worden bewerkt met dezelfde machines en dezelfde processen als roestvast staal.

Toepassingen

• Meest voorkomende verbinding titaandioxide, wordt gebruikt bij vervaardiging van wit pigment. Andere verbindingen zijn titaantetrachloride (TiCl4) component van katalysatoren, en titaantrichloride (TiCl3) als katalysator bij de productie van polypropyleen.
• Titanium kan worden gelegeerd met ijzer, aluminium, vanadium, molybdeen, en andere elementen, sterke, lichtgewicht legeringen voor de ruimtevaart (straalmotoren, raketten en ruimtevaartuigen), militaire, industriële proces (chemische en petrochemische, ontziltingsinstallaties en productie van pulp en papier), auto industrie, voedsel industie, medische prothesen, orthopedische implantaten, tandheelkundige en endodontische instrumenten, tandheelkundige implantaten, sportartikelen, sieraden, mobiele telefoons, enzovoort.
• Titanium wordt gebruikt bij staalproductie als legeringselement (ferro-titanium) als deoxidizer en in roestvaststaal om koolstofgehalte te verlagen.
• Titanium vaak gelegeerd met aluminium voor een fijnere korrel, verder onder andere met vanadium, koper (verharden), ijzer, mangaan, molybdeen.
• Poedervormige titanium wordt gebruikt in pyrotechnics als een bron van heldere brandende deeltjes.

Titaandioxide is de meest gebruikte van titaanverbinding

Ongeveer 95% van titanium erts gewonnen uit de aarde is bestemd voor titaniumdioxide (TiO2) een intens witte vaste pigment in verven, papier, tandpasta en kunststoffen. Het wordt ook gebruikt in cement, in edelstenen, als optische opacifier (opaciteit is doorschijnendheid) in document en een versterkingsmiddel in vishengels en golfclubs.

TiO2 poeder is chemisch inert, bestand tegen fading in zonlicht en is zeer opaak (ondoorschijnend): dit maakt het mogelijk om een zuivere en heldere witte kleur aan de bruine of grijze chemicaliën die in meeste huishoudelijke kunststof verwerkt wordt. Paint gemaakt met titaandioxide is ook temperatuur vast en bestand tegen zeewater. Pure titaandioxide heeft een hoge brekingsindex en een optische dispersie hoger dan diamant. Behalve wat een zeer belangrijke pigment titaandioxide wordt ook gebruikt in zonnebrandmiddelen vanwege zijn vermogen om de huid te beschermen.

Luchtvaart en marine

Vanwege hun hoge treksterkte/gewichts verhouding, een hoge weerstand tegen corrosie, vermoeidheids weerstand, en het vermogen hoge temperaturen te weerstaan zonder kruipen, worden titaan legeringen gebruikt in vliegtuigen, bepantsering, marineschepen, ruimtevaartuigen en raketten. Voor deze toepassingen titaan gelegeerd met aluminium, zirkoon, nikkel, vanadium en andere elementen wordt gebruikt voor een verscheidenheid van componenten inclusief kritische constructiedelen. In feite is ongeveer twee derde van alle titanium geproduceerde gebruikt in motoren en frames vliegtuigen. Titanium 6AL-4V legering is goed voor bijna 50% van alle legeringen toegepast in vliegtuigen.

Door zijn hoge weerstand tegen corrosie onder andere in zeewater, wordt titanium gebruikt om schroefassen te maken en toegepast in warmtewisselaars van ontziltingsinstallaties. De voormalige Sovjet-Unie ontwikkelde technieken voor het maken van onderzeeboten met rompen van titanium legeringen.

Industrie

Gelaste titanium pijp en procesapparatuur (warmtewisselaars, tanks, procesvaten, kleppen) worden gebruikt in de chemische en petrochemische industrie wegens corrosievastheid.

De pulp- en papierindustrie maakt gebruik van titanium in procesapparatuur blootgesteld aan agressieve media zoals natriumhypochloriet of natte chloorgas in de blekerij.

Consument en architectuur

• Titanium metaal wordt gebruikt in de autoindustrie, met name in de auto- en motorsport, waar gewicht belangrijk is met behoud van sterkte.
• Titanium wordt gebruikt in veel sportartikelen: tennisrackets, golfclubs, cricket, hockey, en voetbal helm grills.
• Titanium fietsen worden gebruikt door raceteams.
• Titaanlegeringen worden toepast in brilmonturen. Dit resulteert in een duurder, maar duurzaam en sterk lichtgewicht frame, en veroorzaakt geen huidirritatie.
• Veel backpackers gebruiken titanium uitrusting, waaronder pannen, eetgerei, lantaarns. Deze titanium producten zijn aanzienlijk lichter als de conventionele uitrusting wat voor de bachpackers erg belangrijk is.
• Titanium voor hoefijzers van paarden in de paardensport.
• Guggenheim Museum en het Cerritos Millennium Bibliotheek waren de eerste gebouwen in Europa en Noord-Amerika, bekleed met titanium panelen.
• Vanwege zijn sterkte, laag gewichten corrosievastheid worden titaniumlegeringen gebruikt voor de vervaardiging van pistoolframes en revolvercilinders.
• Sommige duurdere gereedschappen worden vanwege lager gewicht en corrosiebestendigheid, zoals shovels en zaklampen, gemaakt van titaniumlegeringen.

Juwelen

Door zijn duurzaamheid, is titanium populair voor sieraden (titanium ringen). Zijn inertie maakt het bij uitstek geschikt voor mensen met allergieën of degenen die sieraden dragen in omgevingen als zwembaden. Titanium kan ook legeringselement in goud zijn.

Sommige kunstenaars werken met titanium aan kunstwerken, zoals sculpturen, decoratieve objecten en meubels. De inertheid en vermogen om aantrekkelijk te kleuren maakt titanium populair voor gebruik als piercing. Titanium worden geanodiseerd in verschillende kleuren, waarbij de dikte van de oxidelaag varieert en interferentie strepen veroorzaakt.

Medisch

• Omdat titanium biocompatibel (d.w.z. tast weefsel niet aan en wordt niet door weefsel afgestoten), heeft het medische toepassingen. Titanium wordt vaak gelegeerd met 4-6% aluminium en circa 4% vanadium.
• Titanium heeft het inherente vermogen tot osseo-ïntegratie,(bot en implantaat groeien in elkaar) waardoor het gebruik in de tandheelkundige implantaten die kan duren voor meer dan 30 jaar. Deze eigenschap is ook nuttig voor orthopedische implantaten. Deze profiteren van titanium lagere elasticiteitsmodulus nauwer overeenkomt met dat van het bot.
• Titanium wordt ook gebruikt voor de chirurgische instrumenten, evenals rolstoelen, krukken en andere producten waar een hoge sterkte en laag gewicht is gewenst.
• Door de grote corrosieweerstand, zijn titanium containers geschikt voor opslag van radioactief afval.

Volksgezondheid

Titanium is niet giftig, en heeft geen natuurlijke rol in het menselijk lichaam. Een geschatte hoeveelheid van 0,8 mg titaan wordt ingenomen door mensen per dag.

Als poeder of in de vorm van spaanders, is titaan brandgevaarlijk en wanneer in lucht verwarmd explosie gevaarlijk. Titanium kan vlam vatten als een niet-geoxideerde oppervlak in contact komt met vloeibare zuurstof. Deze oppervlakken kunnen ontstaan door mechanische beschadiging. Dit beperkt toepassing van titaan voor gebruik in vloeibare zuurstof systemen.