Titan

Titán (lat. titanium) jest chemicznym pierwiastkiem w układzie okresowym pierwiastków, który ma oznaczenie Ti i liczba protonową 22. Jest to lekki, twardy, błyszczący metal przejściowy o srebrzystym wyglądzie, odporne na korozję (nawet w wodzie morskiej, w kwasach, czy w obecności chloru). W przyrodzie tytan występuje wyłącznie w postaci związków, najbardziej rozpowszechnionymi minerałami są rutil i ilmenit.

Tytan jest używany jako składnik tworzących twardy i lekki stopów (z żelazem, glinem, wanadem, molibdenem i wieloma innymi pierwiastkami), które mają szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu (w kosmonautyce, wojsku, lotnictwie, budowie maszyn, przemyśle chemicznym, medycynie itd.). Tlenek tytanu (IV) jest używany jako biały pigment (pod nazwą tlenek tytanu), a także jako składnik past do zębów i jako fotokatalizator.

Historia

Tytan jako nowy pierwiastek po raz pierwszy zidentyfikował amatorski geolog William Gregor (z zawodu duchowny, a później wikary parafii Creed w Cornwallii) w roku 1791, który zauważył, że czarny piasek z osadów w sąsiedniej miejscowości Manaccan był przyciągany magnesem. Ten piasek był minerałem ilmenitem, a jego analizą Gregor stwierdził, że składa się z dwóch tlenków - żelaza i nowego, do tej pory niesprawdzanego pierwiastka (tlenek tytanu (IV)). Odkrycie to poinformował Królewskiemu Towarzystwu Geologicznemu Cornwallii (Royal Geological Society of Cornwall) i opublikował również w niemieckim czasopiśmie naukowym Creel's Annalen.

Około tego samego czasu węgierski mineralog Franz-Joseph Müller von Reichenstein przygotował ten sam związek, ale nie potrafił go zidentyfikować. Tlenek tytanu (IV) odkrył ponownie w roku 1795 niemiecki chemik Martin Heinrich Klaproth w rutyle z Węgier (dokładniej z lokalizacji przy Revúču na terenie dzisiejszej Słowacji), który potwierdził, że jest to tlenek nowego pierwiastka i ten pierwiastek nazwał od Titanów z mitologii greckiej. Kiedy się dowiedział o wcześniejszym odkryciu Gregora, potwierdził, że w czarnych piaskach z Manaccanu znajduje się również ten sam pierwiastek.

Sam produkcja czystego tytanu jednak się powiodła dopiero w roku 1910 Matthewowi Hunterowi, który przygotował metal o czystości 99,9% poprzez redukcję chlorku tytanu (IV) sodem w temperaturze 700 do 800 °C. Tytan bowiem w podwyższonej temperaturze reaguje z węglem, więc klasyczne metody redukcji rud koksem nie powiodły się. Redukcja sodem była jednak bardzo kosztowna i ilość tytanu wyprodukowanego w tym procesie wystarczyła tylko na eksperymenty laboratoryjne. Dopiero w roku 1932 luksemburski metalurg William Kroll zastąpił sód wapniem, a po 9 latach magnezem i tytan zaczął być produkowany przemysłowo. Proces Krolla jest używany do produkcji tytanu do dziś, mimo że istnieją również tańsze metody przygotowania

Właściwości chemiczne
Najważniejszą właściwością tytanu jest jego odporność na korozję, jak również nierozpuszczalność w większości roztworów rozcieńczonych kwasów, choć w stężonych kwasach się rozpuszcza. Z wartością E° −0,42 V powinien wypierać wodór z wody, ale ta reakcja praktycznie nie zachodzi. Na powierzchni bowiem tworzy się pasywna warstwa tlenku tytanu (IV), która zapobiega dalszej korozji.

Podczas podwyższonej temperatury na powietrzu na tytanie tworzy się pasywna i ochronna warstwa tlenku zapobiegająca korozji, ale w temperaturze pokojowej odpiera korozję. Jeśli się na powietrzu podgrzeje do temperatury 610 °C lub wyższej, spala się z tworzeniem tlenku tytanu (IV); i jest jednym z niewielu pierwiastków, które spalają się również w czystym azotowym środowisku (spala się w 800 °C). Tytan odpiera rozcieńczony kwas siarkowy i kwas solny, jak również gazowy chlor i większość kwasów organicznych.

Eksperymenty wykazały, że naturalny tytan staje się promieniotwórczy, gdy jest strzelany deuteronami, emitując głównie pozytrony i twardą promienność gamma. Rozgrzany do czerwieni łączy się z tlenem i w temperaturze 550 °C łączy się również z chlorem. Reaguje również z innymi halogenami i wchłania wodór.

Zastosowanie
Praktyczne zastosowanie pierwiastkowego tytanu wynika przede wszystkim z jego niezwykłej odporności chemicznej i małej gęstości. Należy zauważyć, że produkcja tytanu jest obecnie stosunkowo finansowo kosztowna, a zastosowanie komponentów tytanowych jest uzasadnione tylko w przypadkach, gdy nie można użyć tańszej alternatywy na bazie stopów glinu i magnezu – durali.

Od początku przemysłowej produkcji metalicznego tytanu jego zastosowanie skupiało się na technologiach kosmicznych i specjalnych aplikacjach lotnictwa. Tytan i jego stopy są więc podstawowym materiałem przy produkcji szkieletów lub powierzchniowych ekranów ochronnych obiektów kosmicznych (satelitów, sond kosmicznych i stacji kosmicznych). W przemyśle lotniczym znajdują zastosowanie przy produkcji znacząco obciążonych części samolotów, czyli przede wszystkim przy konstrukcji wojskowych myśliwców i dziś również przy konstrukcji komercyjnych samolotów pasażerskich.

W przemyśle chemicznym tytan jest coraz bardziej popularnym materiałem do produkcji lub prostego wycieniania reaktorów chemicznych, które pracują w ekstremalnych warunkach i wymagają wysokiej odporności na korozję.

Tytan jest coraz częściej używany w urządzeniach, które długoterminowo pracują w kontakcie z wodą morską. Mogą to być części statków lub podwodników (śruby okrętowe), a także komponenty przemysłowych systemów, służących do odsoleń (desalinacji) wody morskiej.

W codziennym życiu spotykamy się z tytanem np. jako materiałem do produkcji luksusowych zegarków na ręce lub części biżuterii.