Tytan (Ti, łac. titanium) - pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych w układzie okresowym o liczbie atomowej 22. Lekki, posiada wysoką wytrzymałość mechaniczną, odporny na korozję (w tym również wody morskiej i chloru), o szarawym kolorze. Jest dodawany jako dodatek stopowy do żelaza, aluminium, wanadu, molibdenu i innych. Jego stopy są wykorzystywane w przemyśle lotniczym (silniki odrzutowe, promy kosmiczne), militarnym, procesach metalurgicznych, motoryzacyjnym, medycznym (protezy dentystyczne, ortopedyczne klamry), sportów ekstremalnych i innych. Występuje w skorupie ziemskiej w postaci minerałów: ilmenitu, rutylu i tytanitu. Metaliczny tytan otrzymujemy przez przerób rud w procesie Krolla. Jego najbardziej rozpowszechniony związek - dwutlenek tytanu znajduje zastosowanie w produkcji białych pigmentów. Inne związki zawierające tytan to czterochlorek tytanu używany do zasłon dymnych oraz jako katalizator i trójchlorek tytanu, który znajduje zastosowanie jako katalizator w produkcji polipropylenu. Dwie najbardziej użyteczne własności tytanu to jego odporność na korozje oraz najwyższy stosunek wytrzymałości mechanicznej do jego ciężaru. Znane są dwie odmiany alotropowe pierwiastka. Posiada pięć trwałych izotopów o masach atomowych od 46 do 50. Właściwości chemiczno-fizyczne tytanu są podobne do cyrkonu.

Własności

Fizyczne

• pierwiastek metaliczny

• o wysokiej wytrzymałości mechanicznej w stosunku do niskiego ciężaru.

• stosunkowo lekki (gęstość 4507 kg/m³)

• przy wysokiej czystości ciągliwy

• ma wysoką temperaturą topnienia: 1649°C.

• jest błyszczący, posiada biały, metaliczny kolor

• handlowy tytan o czystości 99,2% posiada dużą wytrzymałość na rozciąganie, porównywalną z rozciągalnością stopów stali, jednak jest lżejszy od nich o 45%.

• jest cięższy od aluminium, ale charakteryzuje się ponad dwukrotnie większą wytrzymałością mechaniczną

• posiada wysoką twardość (jednak nie tak wysoką jak niektóre hartowane stale)

• trudno się obrabia mechanicznie

• posiada dwie odmiany alotropowe:

• Ti-α - krystalizujący w układzie heksagonalnym do temperatury 882

• Ti-β - krystalizujący w układzie regularnym przestrzennie centrowanym powyżej 882°C

Chemiczne

• doskonała odporność na korozję; prawie taka sama jak platyny

• ddporność na działanie środowiska kwaśnego (kwasu siarkowego, kwasu solnego i większości kwasów organicznych), chloru gazowego oraz roztworów zasadowych

• czysty tytan nie jest rozpuszczalny w wodzie, rozpuszczają go stężone kwasy

• jako jeden z nielicznych pierwiastków reaguje z czystym azotem tworząc azotek tytanu (powyżej 800 °C)

• jest paramagnetykiem (słabo przyciągany przez magnes)

• ma stosunkowo niską przewodność elektryczną i cieplną.

• ulega pasywacji na skutek kontaktu z tlenem

• eksperymenty wykazały radioaktywność tytanu.

Tytan zawsze występuje w rudach innych pierwiastków, najczęściej w skałach magmowych oraz osadowych. Jest szeroko rozpowszechniony, występuje głównie pod postacią minerałów: anatazytu, brukitu, ilmenitu, perowskitu, rutylu, tytanitu (sfen) oraz w wielu rudach żelaza. Jest zawarty w meteorytach, jego obecność zauważono na Słońcu i gwiazdach typu M

Produkcja

Otrzymywanie metalicznego tytanu zachodzi w pięciu głównych etapach:

• przeróbka rud tytanu;

• otrzymywanie czterochlorku tytanu TlCl₄;

• proces Krolla - redukcja TlCl₄ magnezem;

• oczyszczanie tytanu - proces jodkowy;

• topienie tytanu.

Ponieważ tytan reaguje z tlenem przy wysokich temperaturach (610°C), nie może być otrzymywany przez redukcję dwutlenku tytanu. Dlatego do celów handlowych stosuje się proces Krolla, który jest złożony i drogi. Przemysłowa produkcja czterochlorku tytanu polega na chlorowaniu przy jednoczesnej redukcji zbrykietowanego z węglem surowca tytanowego (rutylu lub ilmenitu) w szybowym piecu elektrycznym.

Reakcje zachodzące podczas procesu Krolla:

2TiFeO₃ + 7Cl₂ + 6C -^{(900 °C)}→ 2TiCl₄ + 2FeCl₃ + 6CO

TiCl₄ + 2Mg -^{(1100 °C)}→ 2MgCl₂ + Ti

Techniczny tytan otrzymany w procesie Krolla powinien być rafinowany. Zasada procesu pozwalającego na otrzymanie czystego tytanu polega na rozkładzie termicznym czterojodku tytanu.

TiI₄ → Ti + 2I₂

W wysokich temperaturach (około 1400°C) i przy określonym ciśnieniu reakcja ta przebiega w kierunku dysocjacji czterojodku tytanu, natomiast niskie temperatury sprzyjają syntezie i tworzeniu TiI₄. Zaletą tego procesu jest otrzymanie czystego tytanu nie zawierającego domieszek (tlen, azot, węgiel) obniżających jego własności mechaniczne.

Proces topienia tytanu stanowi poważny problem. Trudności sprawiają wysoka temperatura topienia tytanu (1668°C) i jego duża aktywność chemiczna w tej temperaturze. Dodatkową niedogodność stanowi fakt, że stopiony tytan reaguje z nieomal wszystkimi materiałami ogniotrwałymi. Jedynie dwutlenek toru, rekrystalizowany tlenek wapnia i grafit są odporne na jego działanie. Topienie tytanu odbywa się w piecach łukowych, indukcyjnych, plazmowych oraz elektronowych. Przy czym najbardziej przyszłościowe wydaje się topienie elektronowe.

Związki chemiczne tytanu

Tytan w związkach chemicznych występuje na +4 stopniu utlenienia. Dwutlenek tytanu TiO2 jest najpopularniejszym związkiem tytanu. Znajduje on bardzo szerokie zastosowanie:

• przemysł metalurgiczny - do produkcji elektrod, stopów, radioelementów ceramicznych;

• przemysł barw i lakierów - bardzo dobra intensywność kolorów;

• przemysł papierniczy - wysoka jakość białego papieru;

• przemysł włókien szklanych - zastosowanie dzięki nietoksyczności, małej reaktywności chemicznej;

• przemysł wyrobów gumowych - do produkcji naturalnego i sztucznego kauczuku.

Czterochlorku tytanu TiCl₄ jest bezbarwną cieczą, używaną w procesie produkcji dwutlenku tytanu do farb lub redukowany magnezem bezpośrednio do tytanu. Tytan tworzy również trójchlorek tytanu TiCl₃, który jest używany jak czynnik redukcyjny.

Izotopy

Występujący w przyrodzie tytan posiada pięć stabilnych izotopów: ₄₆Ti, ₄₇Ti, ₄₈Ti, ₄₉Ti oraz ₅₀Ti, które stanowią 73,8% wszystkich izotopów. Jedenaście znanych izotopów charakteryzuje promieniotwórczość. Najbardziej stabilnym z radioaktywnych izotopów jest ₄₄Ti, dalej ₄₅Ti, ₅₁Ti, ₅₂Ti. Izotopy mają masę atomową od 39,99 do 57,966u.

Zastosowanie tytanu

Pigmenty i powłoki

Około 95% z wydobytych z Ziemi rud tytanowych jest przeznaczonych na otrzymywanie dwutlenku tytanu TiO₂, jego intensywna biała barwa używana jest w farbach jako pigment, papierze, paście do zębów oraz chirurgii plastycznej. Używany również jako dodatek do cementu, w kamieniach szlachetnych oraz jako dodatek wzmacniający kompozyty grafitowe stosowane do wędek oraz kijów golfowych. Proszek TiO₂ jest chemicznie obojętny, jest nieprzezroczysty. W stanie wolny występuje pod postacią minerałów. Farba wytworzona z dwutlenku tytanu jest odporna na niskie temperatury oraz na działanie środowiska morskiego. Czysty dwutlenek tytanu ma bardzo wysoki wskaźnik załamywania światła oraz rozczepienia (wyższy niż diament). Jest wykorzystywany jako filtr oczyszczający powietrze, stosowany również jako błona naniesiona na okna chroniąca przed działaniem promieni UV.

Stale mikrostopowe o podwyższonej wytrzymałości

Są to stale posiadające zmniejszoną zawartość węgla, a także obniżony poziom zanieczyszczeń (siarka, fosfor), o podwyższonej zawartości manganu, w których przez dodawanie niewielkich ilości dodatków stopowych, takich jak: tytan, niob i wanad uzyskuje się znaczny wzrost własności wytrzymałościowych. Działanie tytanu związane jest z tworzeniem z azotem i węglem bardzo stabilnych węglików i azotków. Jego dodatek do stali w ilości 0,01-0,02% powoduje wydzielenie podczas walcowania na granicach ziaren austenitu przede wszystkim azotku tytanu, który nie pozwala na rozrost ziaren austenitu nawet w temperaturze 1200°C. Tytan również wpływa pozytywnie na spawalność blach. Stale zawierające oprócz niobu dodatek tytanu w ilości około 0,015% o wytrzymałości blisko 500 MPa stosowane są na rurociągi pracujące w warunkach arktycznych (obniżenie progu kruchości w niskich temperaturach).

Stale maraging (SM)

Stale maraging zawierają 20-25% Ni z dodatkami 1,3-1,6% Ti, 0,15-0,30% Al, 0,3-0,5% Nb. Tytan w tych stopach stanowi składnik umacniający, dzięki tworzeniu w czasie starzenia licznych dyspersyjnych wydzieleń (Ni₃Ti, NiTi i inne). Stale SM stosuje się w budowie statków kosmicznych, w lotnictwie, w przemyśle zbrojeniowym, budowie maszyn i urządzeń, wały napędowe samochodów wyścigowych, elementy wagonów kolejowych. Jedną z najistotniejszych własności tytanu jest jego odporność na działanie wody morskiej. Wykorzystano to zostało do budowy rurociągów transportujących wodę używaną do chłodzenia rafinerii i zakładów chemicznych pracujących w pobliżu morza. Z końcem lat 90 XXw. na świecie zainstalowanych było blisko 100 milionów metrów bieżących rurociągów wykonanych z tytanu. Tytan stosuje się też do produkcji pomp wody morskiej, śrub okrętowych i zaworów, a dzięki swym paramagnetycznym właściwościom do budowy "niemagnetycznych" statków badawczych, używanych do pomiaru geofizycznych. Stopy tytanu ze względu na swą odporność na korozję, jak i możliwość przenoszenia dużych ciśnień (praca na głębokości do 3700 m), uważane są za najbardziej perspektywiczny materiał na kadłuby okrętów podwodnych i batyskafów.

Architektura i zastosowania konsumenckie

Tytan znajduje zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, a w szczególności w branży samochodów sportowych i motocykli. Tytan jest jeszcze zbyt drogim metalem, aby był używany w najpopularniejszych samochodach (o niewygórowanej cenie). Od 1999 dostępne są młotki z obuchem tytanowym. Ich lekka waga umożliwia zastosowanie dłuższego trzonka, dzięki czemu wbijanie gwoździ staje się szybsze i skuteczniejsze oraz mniej męczące. Tytan niweluje wstrząsy przenoszone z narzędzia na wbijającego. Tytan i jego stopy wykorzystywane są do produkcji sprzętu sportowego. Stosuje się je wszędzie tam, gdzie konieczne jest uzyskanie dużej wytrzymałości przy minimalnej masie wyrobu. Najpopularniejsze wyroby tytanowe to: sprzęt alpinistyczny, ramy rowerowe, rakiety tenisowe, wyczynowe sanki, narty, kije golfowe, kije hokejowe, kije do krykieta, osłony hełmów do rubby czy sprzęt wędkarski. Stopy tytanu można znaleźć w oprawkach okularów (lekkie, wytrzymałe i nie powodujące alergii skórnej ale o wysokiej cenie) czy w podkowach głównie dla koni wyścigowych oraz sporadycznie zaprzęgowych. Stopy tytanu stosuje się do produkcji osprzętu w żeglarstwie. Tytan bywa stosowany w rozwiązaniach architektonicznych. Przykładem mogą być Muzeum Guggenheima w Bilbao i Cerritos Millennium Library (pierwsze budynki w Ameryce Północnej i Europie pokryte panelami tytanowymi). Tytan wykorzystywany jest przez artystów do tworzenia rzeźb (czterdziestometrowy pomnik Jurija Gagarina w Moskwie), detali dekoracyjnych oraz w elementach mebli. Tytan znajduje zastosowanie w produkcji broni palnej, gdzie zastępuje stal i stopy aluminium (np. bęben rewolweru).

Inżynieria biomedyczna

Właściwości biologiczne i fizykochemiczne tytanu spowodowały znaczący przełom w biomedycynie. Tytan stosowany jest w protetyce dentystycznej. Nie wywołuje reakcji alergicznych i jest odporny na korozje. Do leczenia złamań kości stosuje się stopy tytanu z Al, Nb i Ta oraz tytanu z Al i Nb. Innym zastosowaniem stopów Ni-Ti są płytki implantacyjne oraz urządzenia do leczenia zgryzu u dzieci. Tytan wykorzystywany jest również w produkcji narzędzi chirurgicznych, wózki inwalidzkich oraz kul. Ponieważ tytan nie jest ferromagnetykiem pacjenci z implantami tytanowymi mogą być bezpiecznie badani tomografem MRI (Obrazowanie rezonansu magnetycznego). Metal ten zyskuje coraz większą popularność w piercingu jako materiał na (kolczyki, ćwieki itp.) a jego kolor można odpowiednio zmieniać poprzez anodowanie.

---