Titan (prvek)

Titan
46	Ti
	22
	↓ Periodická tabulka ↓
Obecné
Název, značka, číslo	Titan, Ti, 22
Cizojazyčné názvy	lat. Titanium
Skupina, perioda, blok	4. skupina, 4. perioda, blok d
Chemická skupina	Přechodné kovy
Koncentrace v zemské kůře	5 700 až 6 300 ppm
Koncentrace v mořské vodě	0,001 mg/l
Vzhled	Šedý až stříbřitě bílý, lehký kov
Identifikace
Registrační číslo CAS	7440-32-6
Atomové vlastnosti
Relativní atomová hmotnost	47,867
Atomový poloměr	147 pm
Kovalentní poloměr	160 pm
Iontový poloměr	68 pm
Elektronová konfigurace	[Ar] 3d2 4s2
Oxidační čísla	I, II, III, IV
Elektronegativita (Paulingova stupnice)	1,54
Ionizační energie
První	658,8 kJ/mol
Druhá	1309,8 kJ/mol
Třetí	2652,5 kJ/mol
Čtvrtá	4324 kJ/mol
Látkové vlastnosti
Krystalografická soustava	Hexagonální
Molární objem	10,64×10−6 m3/mol
Mechanické vlastnosti
Hustota	4,506 g/cm3
Skupenství	Pevné
Tvrdost	6,0
Tlak syté páry	100 Pa při 2403K
Rychlost zvuku	5290 m/s
Termické vlastnosti
Tepelná vodivost	21,9 W⋅m−1⋅K−1
Termodynamické vlastnosti
Teplota tání	1667,85 °C (1 941 K)
Teplota varu	3286,85 °C (3 560 K)
Skupenské teplo tání	14,15 kJ/mol
Skupenské teplo varu	425 kJ/mol
Měrná tepelná kapacita	523 Jkg-1K-1
Elektromagnetické vlastnosti
Elektrická vodivost	2,38×106 S/m
Měrný elektrický odpor	420 nΩ·m
Standardní elektrodový potenciál	-1,63 V
Magnetické chování	Paramagnetický
Bezpečnost
R-věty	R17, R36/37/38
S-věty	S26
Izotopy
Není-li uvedeno jinak, jsou použity; jednotky SI a STP (25 °C, 100 kPa).

Titan, chemická značka Ti, (lat. Titanium) je šedý až stříbřitě bílý, lehký kov, poměrně hojně zastoupený v zemské kůře. Je poměrně tvrdý a mimořádně odolný proti korozi i ve slané vodě. Při teplotách pod 0,39 K se stává supravodičem I typu. Jeho výrazně většímu technologickému uplatnění brání doposud vysoká cena výroby čistého kovu. Hlavní uplatnění nalézá jako složka různých slitin a protikorozních ochranných vrstev, ve formě chemických sloučenin slouží často jako složka barevných pigmentů.

Objev prvku

Titan byl objeven roku 1791 anglickým chemikem Williamem Gregorem v minerálu ilmenitu a poprvé pojmenován Martinem H. Klaprothem roku 1795. Izolován byl až v roce 1910 M. A. Hunterem zahříváním chloridu titaničitého TiCl₄ s kovovým sodíkem v ocelové tlakové nádobě.

Základní fyzikálně-chemické vlastnosti

Titan je šedý až stříbřitě bílý, lehký a tvrdý kov. Je dobrým vodičem tepla i elektřiny. Vyznačuje se mimořádnou chemickou stálostí – je zcela netečný k působení vody a atmosférických plynů a odolává působení většiny běžných minerálních kyselin i roztoků alkalických hydroxidů. Zvolna se rozpouští v horké kyselině chlorovodíkové, naopak kyselina dusičná jeho povrch pasivuje. Pro jeho rozpouštění je nejúčinnější kyselina fluorovodíková nebo její směsi s jinými minerálními kyselinami.

Za zvýšených teplot však titan přímo reaguje s většinou nekovů, například s vodíkem, kyslíkem, dusíkem, uhlíkem, borem, křemíkem, sírou a halogeny.

Ve sloučeninách se vyskytuje v mocenství Ti^III a Ti^IV. Sloučeniny čtyřmocného titanu jsou neomezeně stálé, sloučeniny Ti^III jsou silnými redukčními činidly a působením vzdušného O₂ rychle přecházejí na Ti^IV.

Výskyt a výroba

Titan je sedmým nejrozšířenějším kovem v zemské kůře, jeho obsah je odhadován na 5,7 – 6,3 g/kg. V mořské vodě je díky své chemické stálosti přítomen pouze v koncentraci 0,001 mg/l. Ve vesmíru připadá na jeden atom titanu 1 milion atomů vodíku.

V malém množství je titan obsažen ve většině minerálů a mezi jeho nejvýznamnější rudy patří ilmenit – (FeTiO₃ oxid železnato-titaničitý) a rutil (TiO₂ – oxid titaničitý). Významné zásoby těchto minerálů se nacházejí v Austrálii, Severní Americe, Skandinávii a Malajsii. Významně je titan zastoupen i na měsíčním povrchu – horniny, které získala mise Apollo 17 obsahují přibližně 12 % TiO₂.

Přes své vysoké zastoupení v zemské kůře byl čistý kovový titan po dlouhou dobu velmi vzácným a drahým materiálem. Důvodem je skutečnost, že běžné hutní metody, které se využívají k výrobě jiných kovů, jsou v případě titanu neúčinné díky ochotě titanu reagovat za zvýšené teploty s kyslíkem, vodíkem, uhlíkem a dusíkem.

V současné době se při průmyslové výrobě titanu používá především tzv. Krollův proces. Přitom se nejprve pyrolýzou ilmenitu nebo rutilu s uhlíkem a chlorem získává chlorid titaničitý TiCl₄. Po přečištění se jeho páry redukují hořčíkem v inertní argonové atmosféře při teplotě kolem 800 °C.

TiCl₄ + 2 Mg → Ti + 2 MgCl₂

Titan vzniklý touto reakcí je tuhá, pórovitá látka, která se po odstranění chloridu hořečnatého a nezreagovaného hořčíku dále čistí.

Použití

Praktické využití elementárního titanu vyplývá především z jeho mimořádné chemické odolnosti a malé hustoty. Je přitom třeba vzít v úvahu, že výroba titanu je v současné době relativně značně finančně náročná a provozní nasazení titanových komponentů je účelné pouze v případech, kdy není možno použít levnější alternativu na bázi slitin hliníku a hořčíku – duralů.

Již od počátku průmyslové výroby kovového titanu spočívalo těžiště jeho využití v kosmických technologiích a speciálních aplikacích leteckého průmyslu. Titan a jeho slitiny jsou proto základním materiálem při výrobě skeletů nebo povrchových ochranných štítů kosmických objektů (družice, vesmírné sondy a vesmírné stanice). V leteckém průmyslu nacházejí využití při výrobě zvláště namáhaných součástí letadel, tedy především při konstrukci vojenských stíhacích letounů a dnes i při konstrukci komerčních dopravních letounů.

Díky své vysoké chemické netečnosti se titan v okolním prostředí nevyskytuje v takové formě, která by mohla být metabolizována živými organizmy. Není proto známo žádné zapojení titanu do enzymatických reakcí nebo jejich jiné biologické uplatnění.

Naopak vysoká odolnost titanu je využívána při výrobě některých chirurgických nástrojů a v současné době jsou modní piercingové ozdoby pokryté titanem pro jejich zdravotní nezávadnost a současně žádaný vzhled.

Titan, ve formě čistého titanu nebo titanové slitiny (Ti-6Al-4V) se používá jako implantát za kostní tkáně v ortopedii, neurochirurgii, stomatologii, nebo v obličejové a plastické chirurgii. V současnosti je titan preferován zejména pro fyzikálně-chemické vlastnosti, mechanickou pevnost a dobrou korozivzdornost.^[1]

V chemickém průmyslu je titan stále populárnějším materiálem pro výrobu nebo pouhou vystýlku chemických reaktorů, které pracují v extrémních podmínkách a vyžadují vysokou odolnost proti korozi.

Titan je stále častěji používán v zařízeních, která dlouhodobě pracují ve styku s mořskou vodou. Mohou to být součásti lodí nebo ponorek (lodní šrouby), ale i komponenty průmyslových celků, sloužících k odsolování (desalinaci) mořské vody.

V běžném každodenním životě se s titanem můžeme setkat například jako s materiálem pro výrobu luxusních náramkových hodinek nebo částí šperků. Titan se používá těž na výrobu golfových holí, luxusních rámů jízdních kol, nebo kvalitních sluchátek.

USA v období „studené války“ ještě nezvládaly technologii průmyslové výroby titanu, proto nakupovaly tento materiál pomocí prostředníků od SSSR. Příkladem je například špionážní letoun SR-71, jehož drak je kompletně vyroben z titanu nakoupeného v tehdejším Sovětském svazu.(zdroj: americký dokument „Letadla, která změnila svět 1“, Arrow International media Ltd. and Smithsonian Networks L.L.C).^[zdroj?]

Sloučeniny

Ve sloučeninách se titan vyskytuje v mocenství Ti^III a Ti^IV, z nichž pouze sloučeniny čtyřmocného titanu jsou neomezeně stálé.

Prakticky nejvýznamnější sloučeninou titanu je oxid titaničitý TiO₂. Je to velmi stabilní sloučenina, která se v krystalickém stavu vyskytuje ve 3 krystalických modifikacích, kterým odpovídají 3 různé minerály – rutil, anatas a brookit. Pro praktické použití je však nejvíce vhodná amorfní prášková forma, nazývaná titanová běloba. Tento bílý pigment je mimořádně stálý, zdravotně zcela nezávadný s vysokou krycí schopností a patří proto mezi nejkvalitnější dostupné bílé pigmenty. Praktické použití nachází jak při výrobě barev, tak ve sklářském a keramickém průmyslu, používá se i při výrobě vysoce kvalitního papíru, jako plnivo při výrobě plastických hmot a někteří výrobci jej přidávají i do zubních past. Díky tomu, že prochází trávícím traktem nepozměněn, je používán i v potravinářském průmyslu k bělení mléka. Odhaduje se, že oxid titaničitý tvoří více než 90 % celosvětové spotřeby produktů z titanu.
Chlorid titaničitý TiCl₄ je bezbarvá kapalina o bodu varu 137 °C. Je základním meziproduktem při přípravě čistého titanu Krollovým procesem. Při kontaktu s atmosférickou vlhkostí dochází k jeho postupné hydrolýze podle rovnice:

TiCl₄ + 2 H₂O → TiO₂ + 4 HCl

Vznikající TiO₂ vytváří intenzivní bílý dým, který není prakticky toxický. Uvedený jev nachází využití v pyrotechnice při výrobě zadýmovacích granátů, při vytváření umělé mlhy (například při natáčení filmů) nebo při leteckých show.

TiCl₄ také slouží jako katalyzátor (Ziegler-Natta. NP v roce 1963) při polymeracích nenasycených uhlovodíků.

Chlorid titanitý TiCl₃ se používá v titanometrii. Má redukční účinky. Lze taktéž použít jako Ziegler-Nattův katalyzátor.
Nitrid titanu (TiN) patří k jedněm z nejtvrdších známých látek, její tvrdost je 9 na 10stupňové Mohsově stupnici tvrdosti. Jeho aplikací jsou brusné materiály, ale i povlakování nástrojů, kdy je na povrchu nástroje určeného pro extrémní fyzické namáhání vytvořena tenká ochranná vrstva TiN.
Karbid titanu (TiC) má podobné vlastnosti jako TiN a spolu s ním je využíván při výrobě cermetů i k povlakování nástrojů.
Superpružné Ti-Cu slitiny. Drát z této slitiny lze ohnout do pravého úhlu, přičemž nedochází k plastické deformaci.
Slitiny s tvarovou pamětí Ni-Ti. Drát z této slitiny si „pamatuje“ předchozí stav před deformací. Po dodání energie (ohřevu) se vrací do původního tvaru.

Titanová houba získaná Krollovým procesem
Vysoce čistý Titan s viditelnými krystaly
Náramkové hodinky vyrobené z titanu
Vrták povlakovaný nitridem titanu

Literatura

Cotton F.A., Wilkinson J.:Anorganická chemie, souborné zpracování pro pokročilé, ACADEMIA, Praha 1973
Holzbecher Z.:Analytická chemie, SNTL, Praha 1974

Reference

↑ Březovská I.: Bakalářská práce. VŠCHT, Praha 2007

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu titan na Wikimedia Commons
Slovníkové heslo titan ve Wikislovníku
(česky) Chemický vzdělávací portál
Metal of the gods

[1] Březovská I.: Bakalářská práce. VŠCHT, Praha 2007

[1]