Titán (elem)

Fizikai tulajdonságai

A titán nagy mechanikai szilárdságú, alacsony sűrűségű és (főleg oxigénmentes környezetben) jól alakítható,^[2] fénylő, ezüstfehér fém,^[9] mely főként nagy szilárdság-sűrűség arányáról ismert.^[7] Viszonylag magas olvadáspontja (1650 °C) jó tűzálló fémmé teszi. A titán paramágneses tulajdonságú és a többi fémhez viszonyítva gyenge hő- és elektromos vezető.^[2]

A kereskedelmi tisztaságú (99,2 %-os) titán szakítószilárdsága körülbelül 434 MPa, ami megegyezik a közönséges, gyengébb minőségű acélok szakítószilárdságával, de a titán ezeknél kisebb sűrűségű. A titán 60 %-kal nehezebb az alumíniumnál, de több mint kétszer olyan erős,^[6] mint a leggyakrabban használt 6061-T6 alumíniumötvözet. Egyes titánötvözetek, például a Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo (BETA-C) szakítószilárdsága az 1400 MPa-t is meghaladhatja.^[10] 430 °C feletti hőmérsékleten viszont a titán szilárdsága csökken.^[11]

A titán nem olyan kemény, mint egyes hőkezelt acélok, nem mágneses, és a többi fémnél kevésbé vezeti a hőt és az elektromosságot. Rossz hővezetése megnehezíti megmunkálását, mert a forgács csak a fejlődő hő mintegy negyedét vezeti el, a fennmaradó rész közvetlenül melegíti a szerszámot. Ezért a megmunkáláshoz hőálló keményfém szerszámanyag és hatékony hűtés kell. Az acélszerkezetekhez hasonlóan a titánból készült szerkezeteknek is van kifáradási határértékük, ami garantálja a hosszú élettartamot egyes alkalmazásoknál.^[9] Hosszabb használatot a gyógyászatban is eredményez, hiszen a titán lényegesen könnyebb, mint az acél de az ötvözet típusától függően az acéléval azonos szilárdságot ad. További előnye, hogy eközben a súlya csak körülbelül negyven százaléka annak, miközben biokompatibilis az emberi testbe beültetése esetén, például emiatt a kilökődés kockázata is kisebb.^[12]

A fémnek két allotrop módosulata létezik, a hexagonális rácsszerkezetű α-módosulat és a tércentrált kockarácsú β-módosulat, ami 882 °C-on képződik az α-módosulatból.^[11] Az α-módosulat hőkapacitása erre az átmeneti hőmérsékletre való melegítéskor drasztikusan nő, de utána ismét lecsökken és közel állandó marad a β-módosulatnál a hőmérséklettől függetlenül.^[11] A cirkóniumhoz és a hafniumhoz hasonlóan egy omega-módosulat is létezik, ami nagy nyomáson stabil, de normális nyomáson metastabil. Ez a módosulat általában hexagonális (ideális), vagy trigonális (torzult).^[13]

Kémiai tulajdonságai

Az alumíniumhoz és a magnéziumhoz hasonlóan a titánon és ötvözetein levegő hatására azonnal oxidréteg alakul ki. A titán könnyedén reagál oxigénnel levegőn 1200 °C-on, tiszta oxigénben pedig 610 °C-on titán-dioxidot képezve.^[7] Vízzel és a levegővel közönséges körülmények közt nem, vagy csak lassan reagál a felületén kialakuló passzív oxidréteg miatt, ami megvédi a fémet a további oxidációtól.^[2] Ez a védőréteg kialakulásakor mindössze 1–2 nanométer vastag, de lassan növekszik és négy év alatt 25 nanométeres vastagságot ér el.^[15]

A passzivációnak köszönhetően a titán kitűnően ellenáll a korróziónak, közel ugyanannyira, mint a platina. A titán ellenálló a híg kénsavval, a sósavval, a klorid-oldatokkal és a legtöbb szerves savval szemben.^[3] A forró tömény ásványi savak viszont megtámadják, a hidrogén-fluorid pedig jól oldja.^[16] Negatív standardpotenciáljából következően a titán termodinamikailag egy igen reaktív fém, normál atmoszférában már az olvadáspontja előtt elég. Így az olvasztása egyedül inert atmoszférában, vagy vákuumban lehetséges. 550 °C-on reagál a klórgázzal.^[3] Emellett reagál a többi halogénnel is és megköti a hidrogént.^[4]

A titán azon kevés elemek egyike, melyek tiszta nitrogéngázban égnek: a reakció 800 °C-on megy végbe és titán-nitrid keletkezik, amelyre a törékenység jellemző.^[17] Az oxigénnel, nitrogénnel és néhány más gázzal való nagyfokú reakcióképessége miatt az úgynevezett titán-szublimációs szivattyúkban fel lehet használni olcsó és megbízhatóan ultranagy vákuum kialakítására.

Izotópjai

Bővebben: A titán izotópjai

A természetben előforduló titán (Ti) öt stabil izotópból áll: ⁴⁶Ti, ⁴⁷Ti, ⁴⁸Ti, ⁴⁹Ti és ⁵⁰Ti, ezek közül a ⁴⁸Ti részaránya a legmagasabb (természetes előfordulása 73,8%). Huszonegy radioizotópját írták le, ezek közül a legstabilabbak: ⁴⁴Ti (felezési ideje 60 év), ⁴⁵Ti (felezési ideje 184,8 perc), ⁵¹Ti (5,76 perces felezési idő) és ⁵²Ti (felezési ideje 1,7 perc). A többi radioaktív izotóp felezési ideje 33 másodpercnél kevesebb, többségüké a fél másodpercet sem éri el.^[8] A legkevésbé a ⁶¹Ti stabil, felezési ideje valamivel több mint 300 nanomásodperc.

A titánizotópok atomtömege 38,01 (³⁸Ti) és 62,99 (⁶³Ti) atomi tömegegység közé esik. A leggyakoribb (⁴⁸Ti) izotópnál könnyebbek főként elektronbefogással, a nehezebbek β⁻-bomlással alakulnak át. A ⁴⁸Ti előtti izotópok elsődleges bomlásterméke főként szkandium-, a nehezebbeké elsősorban vanádiumizotóp.^[8]

A titán deutérium-atommagokkal való bombázáskor radioaktívvá válik, főként pozitronok és gamma-sugárzás kibocsátása közben.^[3]

A titánt William Gregor lelkész és amatőr geológus fedezte fel 1791-ben Cornwallban, a helyi Helford folyóból származó homokot vizsgálva.^[18] A homokból mágnessel sikerült elkülönítenie egy fekete színű anyagot,^[18] amit ma ilmenitnek neveznek.^[4] Az anyagból sósavval kioldotta a vasat, de a hátramaradó 45,25%-nyi fehér színű fém-oxidot képtelen volt azonosítani.^[19] Miután ráébredt arra, hogy az ismeretlen oxid egy olyan fémet tartalmazott, ami nem egyezett egy ismert elemmel sem, Gregor felfedezéséről beszámolt a Cornwalli Királyi Geológiai Társaság előtt, valamint egy német tudományos folyóiratban, a Crell's Annalen-ben.^[18][20][21]

Nagyjából ugyanebben az időben Franz-Joseph Müller von Reichenstein előállított egy hasonló vegyületet, de nem tudta azonosítani.^[4] Az oxidot Gregortól függetlenül 1795-ben Martin Heinrich Klaproth porosz vegyész újra felfedezte a felvidéki Bajmócskáról származó rutilban.^[18][22] Klaproth felfedezte, hogy az oxid egy új elemet tartalmazott, és azt a titánokról nevezte el. Ők a görög mitológiában Gaia és Uranosz gyermekei, az erő megtestesítői voltak, akiket Kronosz bukása után arra kárhoztattak, hogy a Föld mélyének rejtett tüzei között éljenek.^[23] Miután értesült Gregor korábbi felfedezéséről, megszerzett egy mintát a vizsgált anyagból és bebizonyította, hogy az tényleg titánt tartalmazott.

A ma ismert eljárások a titán különféle érceiből való előállítására költségesek és sok munkát igényelnek. Az érc szénnel való hevítéssel történő redukálása (mint a nyersvasgyártásban) nem lehetséges, mert a titán reagál a szénnel titán-karbidot alkotva.^[18] A fémet szennyezett formában először Jöns Jakob Berzelius állította elő 1825-ben, de nagy tisztaságú (99,9%-os) titánt először csak 1910-ben Matthew A. Hunter állított elő a TiCl₄ nátriummal 700–800 °C-on és nagy nyomáson való hevítésével,^[24] ezt ma Hunter-eljárásként ismerik.^[3] A titánt a laboratóriumon kívül nem nagyon használták egészen 1932-ig, amikor William Justin Kroll felfedezte, hogy titán-tetraklorid (TiCl₄) kalciummal való redukálásával is elő lehet azt állítani.^[25] Nyolc évvel később az eljárást magnéziummal és nátriummal is véghez vitte.^[25] Bár ma is zajlik a kutatás költséghatékonyabb módszerek kidolgozására, a Kroll-eljárás még mindig a legelterjedtebb mód a titán előállítására.^[3][4]

Nagyon nagy tisztaságú fémet kis mennyiségben először akkor állítottak elő, amikor Anton Eduard van Arkel és Jan Hendrik de Boer 1925-ben a titánt jóddal reagáltatta, majd a keletkező tetrajodidot elpárologtatás után izzó fémszálon bontotta, így tiszta fémet nyerve.^[26]

Az 1950-es és 60-as években a Szovjetunió úttörő módon kezdte alkalmazni a titánt katonai célokra és tengeralattjárókban (Alfa-osztály, K-278 Komszomolec)^[27] a hidegháborúhoz kapcsolódó programjai részeként.^[28] Az 1950-es évektől kezdődően a titánt kiterjedten kezdték használni a katonai repülőgépeknél, különösen a nagyteljesítményű sugárhajtóművekben kezdve a F–100 Super Sabre-rel, a Lockheed A-12-vel és a SR–71 Blackbirddel. Felismerve a titán stratégiai fontosságát,^[29] az Amerikai Védelmi Minisztérium támogatta a fém termelésének üzleti alapokra helyezésére irányuló korai törekvéseket.^[30]

A hidegháború alatt az Amerikai Egyesült Államok kormánya a titánra stratégiai erőforrásként tekintett és ezért hatalmas készletet halmoztak fel belőle, ami csak a 2000-es évekre fogyott el.^[31] 2006-os adatok szerint a világ legnagyobb termelője, az oroszországi központú VSMPO-Avisma cég világpiaci részesedését 29%-ra becsülik.^[32] 2015-ben titán-fémszivacsot hat országban gyártottak, ezek a termelés sorrendjében: Kína, Japán, Oroszország, Kazahsztán, az Egyesült Államok, Ukrajna és India.^[33][34]

2006-ban a DARPA 5,7 millió dollárral jutalmazott egy két cégből álló konzorciumot egy új eljárás kifejlesztéséért, amivel titánport lehet előállítani. Nagy nyomáson és hőmérsékleten a porból erős és könnyű tárgyakat lehet gyártani a páncélzattól kezdve a repülőgép- és űrhajóalkatrészeken át az autóipar és kémiai feldolgozóipar számára szükséges alkatrészekig.^[35]

A titán oxidációs száma a vegyületeiben leggyakrabban +4,^[36] ritkábban +2 vagy +3.^[37] A titán vegyületei általában oktaéderes koordinációjak, ez alól kivétel a tetraéderes szerkezetű TiCl₄. A +2-es oxidációs számú titánt tartalmazó titánvegyületek ionosak, a magasabb oxidációs fokú titánvegyületek többnyire kovalens jellegűek. A titán(III)-sók redukáló hatásúak, az analitikában redukálószerként használják őket. A legtöbb átmenetifémmel ellentétben a titán egyszerű akvakomplexei nem ismertek.

Oxidok és szulfidok

A titán oxidjai közül messze a legfontosabb a titán-dioxid (TiO₂), egy fehér színű, vízben oldhatatlan, atomrácsos jellegű szilárd vegyület. Savakkal, lúgokkal szemben ellenálló, a tömény kénsav oldja, a reakcióban titán(IV)-szulfát (Ti(SO₄)₂) keletkezik. A titán-dioxid szobahőmérsékleten három módosulat - az anatáz, a rutil és a brookit formájában fordul elő. Mindhárom módosulat polimer szerkezetet alakít ki, ahol a titánatomokat oktaéderes elrendeződésben hat oxigénatom veszi körül, melyek mindegyike egy-egy további titánhoz kapcsolódik. A három módosulat közül a rutil a leggyakoribb mind a természetben, mind a kereskedelmi termékek között és melegítés hatására a másik két módosulat is rutillá alakul.^[38]

Bár a titán-dioxid meglehetősen inert vegyület, de magas hőmérsékletre hevítve és sztöchiometrikus mennyiségű alkalmas oxiddal megömlesztve vagy elégetve számos vegyes oxidot, vagyis titanátot lehet előállítani. A titanátoknak két típusa létezik, az ortotitanátok (M₂^IITiO₄) és a metatitanátok (M^IITiO₃). Ha a fémion mérete közel azonos a titán(IV)-ion méretével (magnézium, mangán, vas, kobalt, vagy nikkel esetén), akkor a metatitanát szerkezete ilmenit (FeTiO₃) típusú, ha viszont annál lényegesen nagyobb (kalcium, stroncium, vagy bárium esetén), akkor inkább perovszkit (CaTiO₃) szerkezet alakul ki.Ez utóbbira példa a bárium-titanát, ahol a nagy méretű bárium-ion oly mértékben kitágítja a perovszkitrácsot, hogy a titán túl kicsi lesz ahhoz, hogy kitöltse az oktaéderes térközöket, és ez ferroelektromos és piezoelektromos tulajdonságot eredményez.^[38] A csillagzafírok és a rubinok aszterizmusáért (csillagszerű fényvisszaverődésért) a titán-dioxid szennyeződések a felelősök.^[15]

A titánnak jó néhány redukált oxidja is ismert. A Ti₃O₅, amely Ti(IV)-Ti(III) vegyes oxidként írható le egy kékesfekete félvezető anyag, ami TiO₂-ból hidrogénnel való redukcióval állítható elő 900 °C-on,^[39] és az iparban a felületek titán-dioxiddal való gőzfázisú bevonására használható.^[40] Ismert még a titán(III)-oxid (Ti₂O₃), egy korund szerkezetű, sötét ibolyaszínű anyag, melyet a titán-dioxid és titán 1600 °C-on végbemenő reakciójával lehet előállítani; illetve a titán(II)-oxid, egy bronzszínű, nemsztöchiometrikus, kősó szerkezetű vegyület.^[41]

A TiCl₄ alkoholokkal való reakciójával előállítható titán(IV)-alkoxidok (alkanoátok) színtelen vegyületek, melyek vízzel reagálva titán-dioxiddá alakulnak. Ezeket a vegyületek az iparban szilárd TiO₂ rétegek előállítására használhatók a szol-gél módszer útján. A titán-izopropoxidot királis szerves vegyületek szintézisében használják a Sharpless-epoxidálás során.

A titán számos szulfidot is alkot, de közülük egyedül a titán-diszulfid kapott nagyobb figyelmet. A titán-diszulfid réteges szerkezetet alakít ki, és korábban lítiumelemek katódjaként alkalmazták. Mivel a Ti(IV) egy "kemény kation", a titán szulfidjai instabilak és hidrogén-szulfid felszabadulása mellett hajlamosak oxidokká hidrolizálni.

Boridok, karbidok és nitridek

A titán-borid (TiB₂), a titán-karbid (TiC) és a titán-nitrid (TiN) kiemelkedően nagy keménységű, kémiailag inert tűzálló anyagok. Olvadáspontjuk megközelíti, vagy meghaladja a 3000 °C-ot (TiB₂: 2980 °C, TiC: 3160 °C, TiN: 2930 °C), Mohs-keménységük eléri a 9,0-s értéket, ami egyenlő a korund keménységével.^[42] Nagy keménységük és hőálló képességük miatt kopásálló bevonatok készítésére alkalmazzák őket, például vágószerszámoknál, fúrófejeknél, turbinalapátoknál, égetőkamráknál és rakétafúvókáknál.^[43][44] Emellett használják még őket magas hőmérsékletű reaktoredények, párologtató csészék, tégelyek és szivattyúlapátok gyártására, valamint elektromos hőmérők burkolására. A titán-nitridet arany színe miatt dekoratív bevonatok készítésére, illetve a mikroelektronikában a félvezetőgyártásban is használják.^[45]

Halogenidek

A titán legjelentősebb halogénvegyületei a titán(II)-klorid (TiCl₂) és a titán-tetraklorid (TiCl₄). A TiCl₂ szilárd halmazállapotú, rétegrácsos szerkezetű ionvegyület. A TiCl₄ folyékony halmazállapotú, molekularácsos vegyület. A TiCl₄ füstöl, és nedves levegőn teljesen hidrolizál, a reakcióban TiO₂ (titán-dioxid, titán(IV)-oxid) keletkezik.^[46] Vizes sósavoldatban különböző intermedier hidrolízistermékek, például TiOCl₂ (titanil-klorid) is keletkezhetnek.^[47]

${\displaystyle \mathrm {TiCl_{4}+2\ H_{2}O\rightarrow 4\ HCl+TiO_{2}} \,\!}$

${\displaystyle \mathrm {TiCl_{4}+H_{2}O\rightarrow 2\ HCl+TiOCl_{2}} \,\!}$

A Kroll-eljárásban a titán-tetrakloridot a klórgáz hevített titán-dioxid fölötti átvezetésével, redukálószer (például szén) jelenlétében állítják elő.^[48] A szerves kémiában széles körben alkalmazzák Lewis-savként, például a Mukaiyama-aldol addícióban.^[49] A van Arkel-eljárás során titán-tetrajodidot (TiI₄) állítanak elő a nagytisztaságú titán fém előállítása céljából.

A titán(III) és titán(II) stabil kloridjai is léteznek. A titán(III)-kloridot (TiCl₃) például poliolefinek gyártásában katalizátorként, a szerves kémiában pedig redukálószerként alkalmazzák.

Fémorganikus vegyületek

A titánvegyületek polimerizációs katalizátorként való jelentős szerepük miatt a Ti-C kötést tartalmazó vegyületeket intenzíven tanulmányozták. A legközönségesebb titánorganikus komplex vegyület a titanocén-diklorid ((C₅H₅)₂TiCl₂). Hasonló vegyületei a Tebbe-reagens és a Petasis-reagens. A titán karbonil komplexeket is alkot, ilyen például a titanocén-dikarbonil ((C₅H₅)₂Ti(CO)₂).^[50]

A rutil és ilmenit termelése 2011-ben (Oroszország nélkül)^[51]

Ország	ezer tonna	az összes %-a
Ausztrália	1300	19,4
Dél-afrikai Köztársaság	1160	17,3
Kanada	700	10.4
India	574	8.6
Mozambik	516	7,7
Kína	500	7,5
Vietnam	490	7,3
Ukrajna	357	5,3
Világ összesen	6700	100

A legnagyobb termelők 2022-ben (ilmenit + rutil, 1000 t, Oroszország nélkül):^[52]

• Kína — 3400 + 0
• Mozambik — 1200 + 8
• Dél-Afrika — 900 + 95

• Ausztrália — 660 + 190
• Szenegál — 520 + 90
• Kanada — 470 + 0
• Norvégia — 420 + 0
• Madagaszkár — 300 + 0

• Ukrajna — 200 + 59
• USA — 200

• India — 200 + 11

• Kenya 180 + 73

A földkéreg 0,63 tömegszázalékát kitevő^[19] titán nagyon gyakori elem: a kilencedik leggyakoribb az összes elem közül, a fémek közül a hetedik, az átmenetifémek közül pedig a második leggyakoribb. Régen ennek ellenére kevéssé ismerték, ami annak tulajdonítható, hogy a tiszta fémet igen nehéz volt előállítani, emellett dúsulásra kevéssé hajlamos. Oxidjai előfordulnak a legtöbb magmás kőzetben és az azok lepusztulásávak képződő üledékekben, az élőlényekben és a természetes vizekben.^[2][3] Az Amerikai Földtani Intézet által tanulmányozott 801-féle magmás kőzetből 784 tartalmazott kimutatható mennyiségű titánt. A talajban a tömegaránya hozzávetőlegesen 0,5–1,5%.^[19]

Gyakori ásványai az anatáz, a brookit, az ilmenit, a perovszkit, a rutil és a titanit.^[15] Közülük a rutilnak és az ilmenitnek van gazdasági jelentősége, de még ezeket is nehéz nagyobb koncentrációban föllelni. Ezekből az ásványokból 6,0, illetve 0,7 millió tonnányit termeltek 2011-ben.^[51] Jelentős ilmenitlelőhelyek vannak Nyugat-Ausztráliában, Kanadában, Kínában, Indiában, Mozambikban, Új-Zélandon, Norvégiában, Ukrajnában és Dél-Afrikában.^[15] 2011-ben körülbelül 186 000 tonna titán fémhabot állítottak elő, ebből a legtöbbet Kínában (60 000 tonnát), Japánban (56 000), Oroszországban (40 000), az Amerikai Egyesült Államokban (32 000) és Kazahsztánban (20 700). Magyarországon a nyirádi bauxitércben is jelen van; ipari előállításával Gillemot László professzor foglalkozott először. Munkájáért 1957-ben Kossuth-díjat kapott, a kohászati kutatási eredményei alapján a Szovjetunióba szállított magyar bauxitból jelentős mennyiségű titánt nyertek ki.^[53]

Az óceánokban a titán koncentrációja körülbelül 4 pikomólos. 100 °C-on a titán koncentrációja a vízben kevesebb mint 10⁻⁷ M 7-es pH-nál. A vizes oldatokban lévő titánionokat a titán kis oldhatósága és az érzékeny spektroszkópiai módszerek hiánya miatt nem ismerjük. Humánbiológiai szerepe nem igazolt, bár egyes élőlények koncentráciit halmozzák fel.^[54]

Kimutatták meteoritokból, a Napból és az M színképtípusú csillagokból^[3] — ezek a leghidegebb csillagok, amelyek felszíni hőmérséklete mindössze 3200 °C.^[23] Az Apollo–17 küldetésen a Holdról hozott kőzetek körülbelül 12,1 % titán-dioxidot tartalmaztak.^[3] Megtalálható még a kőszén hamujában, növényekben, sőt az emberi testben is. A tiszta, elemi titán nagyon ritka a természetben.^[55]

1932-ben a luxemburgi William Justin Kroll állította elő a titán-kloridot fém kalciummal (Ca), majd később magnéziummal (Mg), illetve nátriummal reagáltatva. Ezen eljárások költségessége megakadályozta a titán kereskedelmi hasznosítását, pedig azt kedvező tulajdonságai (kis sűrűség, jó mechanikai szilárdság, előnyös ötvöző tulajdonságok) indokolták. Fő felhasználási területe még ma is a repülőgépipar, mind sugárhajtóművek, mind repülőgépsárkányok részeinek előállításához, de széleskörűen használják vegyipari berendezések és hajók gyártásához is. A gyógyászatban az implantátum anyagaként alkalmazzák, mivel a tiszta, ötvözetlen titánt az élő szervezet elfogadja. Előállítására még ma is a Kroll-módszer a legelterjedtebb: ilmenitet vagy rutilt hevítenek klór (Cl₂) és szén (C) jelenlétében 900 °C-on:

${\displaystyle \mathrm {2\ FeTiO_{3}+7\ Cl_{2}+6\ C\rightarrow 2\ TiCl_{4}+2\ FeCl_{3}+6\ CO} \,\!}$

A TiCl₄ argonatmoszférában zárt kemencében magnéziumolvadékkal 900 °C-on redukálható:

${\displaystyle \mathrm {TiCl_{4}+2\ Mg\rightarrow Ti+2\ MgCl_{2}} \,\!}$

A titán allergénmentes fémként ismert, de azért egyseknél a titánból készült implantátum vagy ékszer is okozhat allergiás reakciót.^[56]

Ez a szócikk részben vagy egészben a Titanium című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

• Nyilasi János: Szervetlen kémia. Budapest: Gondolat. 1975. 175–176. o.  

• A Wikimédia Commons tartalmaz Titán témájú kategóriát.
• a magyar Wikipédia titánt tartalmazó vegyületeinek listája külső keresővel