Titan (Element)

Eigenschaften
[Ar] 3d2 4s2 22 Ti Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Titan, Ti, 22
Serie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	4, 4, d
Aussehen	silbrig metallisch
Massenanteil an der Erdhülle	0,41 %
Atomar
Atommasse	47,867 u
Atomradius (berechnet)	140 (176) pm
Kovalenter Radius	136 pm
Van-der-Waals-Radius	pm
Elektronenkonfiguration	[Ar] 3d2 4s2
Elektronen pro Energieniveau	2, 8, 10, 2
1. Ionisierungsenergie	658,8 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1309,8 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	2652,5 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie	4174,6 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Modifikationen
Kristallstruktur	hexagonal (bis 882 °C, darüber krz)
Dichte	4,507 g/cm3
Mohshärte	6
Magnetismus	paramagnetisch
Schmelzpunkt	1941 K (1668 °C)
Siedepunkt	3560 K (3287 °C)
Molares Volumen	10,64 · 10-6 m3/mol
Verdampfungswärme	421 kJ/mol
Schmelzwärme	15,45 kJ/mol
Dampfdruck	0,49 Pa bei 1933 K
Schallgeschwindigkeit	4140 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	520 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	2,34 · 106 S/m
Wärmeleitfähigkeit	21,9 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	+3, +4
Oxide (Basizität)	TiO2 (amphoter)
Normalpotential	1,3 V (TiO2 + 4H+ + 4e- → Ti + 2H2O)
Elektronegativität	1,54 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP 44Ti {syn.} 49 a ε 0,268 44Sc 45Ti {syn.} 184,8 m ε 2,062 45Sc 46Ti 8,0 % Stabil 47Ti 7,3 % Stabil 48Ti 73,8 % Stabil 49Ti 5,5 % Stabil 50Ti 5,4 % Stabil 51Ti {syn.} 5,76 m β− 2,471 51V 52Ti {syn.} 1,7 m β− 1,973 52V
NMR-Eigenschaften
Spin γ in rad·T−1·s−1 E fL bei B = 4,7 T in MHz 47Ti -5/2 1,508· 107 0,00209 11,3 49Ti -7/2 1,508· 107 0,00376 11,3
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung
Pulver F Leichtent- zündlich Xi Reizend [1]
R- und S-Sätze	R: 17-36/37/38 (Pulver)[1]
	S: 26(Pulver)[1]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Titan ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Ti und der Ordnungszahl 22. Es gehört zu den Übergangsmetallen. Leicht, fest, dehnbar, weiß-metallisch glänzend und korrosionsbeständig ist es besonders für Anwendungen geeignet, bei denen es auf hohe Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und geringes Gewicht ankommt.

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Geschichte

Titan wurde 1791 in England von dem Geistlichen und Amateurchemiker William Gregor im Titaneisen entdeckt. Mehrere Jahre später entdeckte es der deutsche Chemiker Heinrich Klaproth im Rutilerz erneut. 1795 benannte er das neue Element Titan.

Reines Titanmetall (99,9 %) stellte 1910 erstmals Matthew A. Hunter her, indem er in einer Stahlbombe Titantetrachlorid mit Natrium auf 700 bis 800 °C erhitzte.

Erst die Einführung der großtechnischen Reduktion von Titantetrachlorid mit Magnesium (Kroll-Prozess durch William Justin Kroll 1946) erschloss das Titan für kommerzielle Anwendungen.

Vorkommen

Titan kommt in der Lithosphäre nur in Verbindungen mit Sauerstoff als Oxid vor. Es ist keineswegs selten, steht es doch an 10. Stelle der Elementhäufigkeit in der Erdkruste. Meist ist es aber nur in geringer Konzentration vorhanden.

Wichtige Mineralien sind :

• Ilmenit (Titaneisenerz)
• Leukoxen, ein eisenarmes Ilmenit
• Rutil TiO₂
• Titanit (Sphen) CaTi[SO₄]O
• Titanate wie Bariumtitanat (BaTiO₃)
• Begleiter in Eisenerzen

Die Hauptvorkommen liegen in Australien, Skandinavien, Nordamerika und Malaysia.

Meteoriten können Titan enthalten. In der Sonne und in Sternen der Spektralklasse M wurde ebenfalls Titan nachgewiesen. Gesteinsproben der Mondmission Apollo 17 enthielten bis zu 12,1 % TiO₂. Auch in Kohlenaschen, Pflanzen und im menschlichen Körper ist es enthalten.

Gewinnung

Reines Titan kommt in der Erde kaum vor. Titan wird aus Ilmenit oder Rutil gewonnen. Der dabei verwendete Herstellungsprozess (s.u.) ist sehr aufwendig, was sich im hohen Preis für Titan niederschlägt.

Meist vom Ilmenit oder Rutil ausgehend, wird angereichertes Titandioxid mit Chlor zu Titantetrachlorid in der Hitze umgesetzt. Anschließend erfolgt eine Reduktion zum Titan durch flüssiges Magnesium (Kroll-Prozess nach William Justin Kroll). Zur Herstellung von bearbeitbaren Legierungen muss der erhaltene Titanschwamm im Vakuum-Lichtbogenofen umgeschmolzen werden.

Größter Produzent von Titan und Titanlegierungen ist die VSMPO-AVISMA, Berezniki (nahe Ural) ^[2], welche sich seit 12. September 2006 indirekt durch die Holding Rosoboronexport in russischem Staatsbesitz befindet.

Eigenschaften

  Titan bildet an Luft eine äußerst beständige oxidische Schutzschicht aus, die es in vielen Medien korrosionsbeständig macht. Bemerkenswert ist die hohe Festigkeit bei einer relativ geringen Dichte. Oberhalb einer Temperatur von 400 °C gehen die Festigkeitseigenschaften aber schnell zurück. Hochreines Titan ist duktil. Bei höheren Temperaturen versprödet es durch Aufnahme von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff sehr schnell. Zu beachten ist auch die hohe Reaktivität von Titan mit vielen Medien bei erhöhten Temperaturen oder erhöhtem Druck, wenn die Passivschicht dem chemischen Angriff nicht gewachsen ist. Hier kann die Reaktionsgeschwindigkeit bis zur Explosion anwachsen. In reinem Sauerstoff bei 25 °C und 25 bar verbrennt Titan von einer frischen Schnittkante ausgehend vollständig zum Titandioxid. Bei Temperaturen oberhalb von 880 °C reagiert es mit Sauerstoff, bei Temperaturen ab 550 °C mit Chlor trotz Passivierungsschicht. Titan reagiert („brennt“) auch mit reinem Stickstoff, was bei Hitzeentwicklung wie zum Beispiel bei spanender Bearbeitung unbedingt beachtet werden muss.

In verdünnter Schwefelsäure, Salzsäure, chloridhaltigen Lösungen und den meisten organischen Säuren ist Titan beständig. Wegen der Explosionsgefahr sind bei Anwendungen in Chlorgas die Betriebsbedingungen strikt einzuhalten.

Die mechanischen Eigenschaften und das korrosive Verhalten lassen sich durch meist geringfügige Legierungszusätze von Aluminium, Vanadium, Mangan, Molybdän, Palladium, Kupfer, Zircon und Zinn erheblich verbessern.

Durch Beschuss mit Deuteronen (= Ionen des Deuteriums) wird Titan radioaktiv. Es emittiert dann Positronen und Gammastrahlung. Unterhalb von 880 °C liegt Titan in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung vor. Oberhalb von 880 °C bildet sich eine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur aus.

Theoretisch ist die Bildung von Titansäure Ti(OH)₄ durch Reaktion von Titandioxid mit Wasser möglich. Aber wegen der starken Neigung von Titan, mit Sauerstoff das außerordentlich stabile Titandioxid zu bilden, zerfällt Titansäure sofort zu Titandioxid und Wasser. Die Bildung von Titansäure ist ohnehin sehr unwahrscheinlich. Stabile Titansäure ist nur unter extremen oder besonderen Bedingungen denkbar. Titandioxid hingegen ist so stabil, dass es nicht einmal von konzentrierter Salzsäure angegriffen werden kann.

Verbindungen

Während metallisches Titan wegen der hohen Herstellungskosten oft anspruchsvollen technischen Anwendungen vorbehalten bleibt, ist das relativ preiswerte und ungiftige Farbpigment Titandioxid ein Begleiter des alltäglichen Lebens geworden. Praktisch alle heutigen weißen Kunststoffe und Farben, auch Lebensmittelfarben (Titanweiß in Lebensmitteln als E 171 zu finden), enthalten Titandioxid. Aber auch im Bereich der Elektro- und Werkstofftechnik und neuerdings auch in der Herstellung von Hochleistungs-Akkumulatoren für den Fahrzeug-Antrieb (Lithiumtitanat) werden Titanverbindungen eingesetzt.

• Bariumtitanat, BaTiO₃
• Lithiumtitanat
• Titan(III)-chlorid, TiCl₃
• Titanborid, TiB
• Titancarbid, TiC
• Titannitrid, TiN
• Titan(IV)-chlorid, TiCl₄
• Titan(IV)-oxid (Titanweiß), TiO₂
• Titan(IV)-oxidsulfat (Titanylsulfat), TiOSO₄
• Ferrotitan
• Nitinol, ein Memory-Metall
• Titanhydrid, TiH₂ – speichert aufgrund seiner großen Dichte doppelt so viel Wasserstoff wie flüssiger Wasserstoff

Titanlegierungen

Titan-Legierungen werden häufig nach dem US-amerikanischen Standard ASTM mit Grade 1 bis 35 charakterisiert. Grade 1 bis 4 bezeichnet Rein-Titan verschiedener Reinheitsgrade^[3].

Rein-Titan hat die Luftfahrt-Werkstoff-Nummer 3.7034, der häufig auch für Turbolader-Schaufeln eingesetzte^[4] Werkstoff Ti-6Al-4V (6% Aluminium, 4% Vanadium, ASTM: Grade 5) hat die Nummer 3.7164.

Die Luftfahrt-Werkstoff-Nummern von Titanwerkstoffen beginnen mit einer 3.

Weitere wichtige Titanlegierungen, die hauptsächlich in der Luftfahrtindustrie eingesetzt werden:

In Verbindung mit Nickel ist es eine sogenannte Formgedächtnis-Legierung.

Verwendung

 Titan wird vor allem als Legierungsbestandteil für Stahl verwendet. Es verleiht Stahl eine hohe Zähigkeit, Festigkeit und Duktilität. Titanstähle haben auch ein gutes Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit. Titan selbst hat ebenfalls eine hohe Temperaturbeständigkeit, Festigkeit sowie eine geringe Dichte.

Anwendungen in Seewasser und chloridhaltigen Medien

• Schiffs-Propellerteile wie Wellen, sowie Verspannungen für maritime Anwendungen
• Einbauteile in Meerwasserentsalzungsanlagen
• Bauteile für die Eindampfung von Kaliumchlorid-Lösungen
• Anoden von HGÜ-Seekabelübertragungen
• Apparate in Anlagen der Chlorchemie

Outdoor-Ausrüstung

• (Taucher-)Messer mit Titan- oder Titanlegierungsklingen, ebenso Essbestecke
• als Zeltheringe (hohe Festigkeit trotz geringen Gewichts)

Verwendung in Form von Verbindungen

• Herstellung relativ weicher künstlicher Edelsteine
• Titandotierte Saphir-Einkristalle dienen als aktives Medium im Titan-Saphir-Laser für ultrakurze Pulse im Femtosekunden-Bereich
• als Titantetrachlorid zur Herstellung von Glasspiegeln und künstlichem Nebel
• Bildung von intermetallischen Phasen (Ni₃Ti) in hochwarmfesten Nickellegierungen
• supraleitende Niob-Titan-Legierungen (z.B. als supraleitende Kabel in Elektromagneten von HERA bei DESY)
• in der Pyrotechnik
• über 90 % der Titanerzförderung wird hauptsächlich nach dem Chlorid- und im geringeren Maße nach dem Sulfatverfahren zu Titandioxid verarbeitet

Verbindungen des Titans mit Bor, Kohlenstoff oder Stickstoff finden Verwendung als Hartstoffe. Auch zur Herstellung von Cermets, Verbundwerkstoffen aus Keramik und Metall, werden Titanverbindungen eingesetzt.

Konstruktionsteile

• Verschleißteile in Lötanlagen, direkter Kontakt mit Elektrolot bis 500 °C
• Federn in Fahrgestellen von Kraftfahrzeugen
• Schmuck und Brillengestelle aus Titan
• Münzen mit Titankern (z.B. aus Österreich zwei 100-Schilling-Münzen)
• in Flugzeugen und Raumschiffen für besonders beanspruchte Teile, die trotzdem leicht sein müssen (Außenhaut bei Überschallgeschwindigkeit, Turbinenschaufeln und Triebwerksteile)
• bei hochwertigen Fahrrädern in Verbindung mit Aluminium und Vanadium als Rahmenmaterial
• bei Golfschlägern als Schlägerkopf
• bei Tennisschlägern im Rahmen
• beim Stockschießen als äußerst stabiler Stab beim Eisstockstiel
• in Dampfturbinen für die am stärksten belasteten Schaufeln des Niederdruckteiles
• in der Rüstung: Viele U-Boote der ehemaligen Sowjetunion hatten Druckkörper aus einer Titanlegierung (z.B. Mike-Klasse, Alfa-Klasse, Typhoon-Klasse oder Delta-Klasse). Daneben kommt Titan, stärker als bei der zivilen Luftfahrt, in der militärischen Luftfahrt zum Einsatz. Dies führte dazu, dass zu Hochzeiten der sowjetischen Rüstungsproduktion ein Großteil der weltweiten Titanproduktion sowohl in Russland produziert als auch wieder verbaut wurde.

Medizin

• als Biomaterial für Implantate in der Medizintechnik und Zahnheilkunde (Zahnimplantate, jährlich ca. 200.000 Stück allein in Deutschland) wegen seiner sehr guten Korrosionsbeständigkeit im Gegensatz zu anderen Metallen. Eine immunologische Abstoßungsreaktion (Implantatallergie) gibt es nicht. Auch bei Zahnkronen und Zahnbrücken wird es wegen der erheblich niedrigeren Kosten im Vergleich zu Goldlegierungen verwendet. In der chirurgischen Orthopädie bei metallischen Beinprothesen (künstliche Hüftendoprothesen) und Hüftkopfersatz, Kniegelenksersatz nach Arthrose wird es massenhaft eingesetzt. Die Titan-Oxidschicht ermöglicht das feste Anwachsen von Knochen an das Implantat (Osseointegration) und ermöglicht damit den festen Einbau des künstlichen Implantates in den menschlichen Körper.
• In der Mittelohrchirurgie findet Titan als Material für Gehörknöchelchenersatz-Prothesen und für Paukenröhrchen bevorzugte Verwendung.

Elektronik

• als Beschichtungsmetall in der Halbleiterindustrie sowohl in fester Form (Targets) als auch als gasfömige Verbindungen (CVD).

Nachweis

TiO²⁺ bildet mit Wasserstoffperoxid einen charakteristischen gelb-orangenen Komplex (Triaquohydroxooxotitan(IV)-Komplex), der auch zum photospektrometrischen Nachweis geeignet ist.

Normen

Titan und Titanlegierungen sind unter anderem genormt in:

• DIN 17850, Ausgabe:1990-11 Titan; Chemische Zusammensetzung
• ASTM B 348: Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy, Bars and Billets
• ASTM B 265: Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy, Sheets and Plates
• ASTM F 67: Standard Specification for Unalloyed Titanium, for Surgical Implant Applications
• ASTM F 136: Standard Specification for Wrought Titanium-6Aluminum-4Vanadium ELI (Extra Low Interstitial) Alloy for Surgical Implant Applications
• ASTM B 338: Standard Specification for Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Tubes for Condensers and Heat Exchangers
• ASTM B 337: Specification for Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Pipe

Sicherheitshinweise

Titan ist als Pulver feuergefährlich, kompakt ungefährlich. Die meisten Titansalze gelten als harmlos. Unbeständige Verbindungen wie Titantrichlorid sind stark korrosiv, da sie mit Spuren von Wasser Salzsäure bilden.

Titantetrachlorid wird in Nebelkerzen und Nebelgranaten eingesetzt; es reagiert mit der Luftfeuchte und bildet einen weißen Rauch aus Titandioxid, außerdem Salzsäurenebel.

Im Körpergewebe neigt Titan zur Anreicherung. Eine biologische Rolle des Titans im menschlichen Körper ist zur Zeit nicht bekannt.

Quellen

1. ↑ ^{a b c} Sicherheitsdatenblatt (alfa-aesar)
2. ↑ Avisma
3. ↑ http://www.pangas.ch/international/web/lg/ch/likelgchpangasde.nsf/repositorybyalias/pangas_titanschweisstechnik_d/$file/PanGas_Titanschweisstechnik_D.pdf
4. ↑ Firmenangaben Keller & Kalmbach