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Titan (Element)

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Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Titan, Ti, 22
Serie Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block 4, 4, d
Aussehen silbrig metallisch
CAS-Nummer 7440-32-6
Massenanteil an der Erdhülle 0,56 %
Atomar
Atommasse 47,867 u
Atomradius (berechnet) 140 (176) pm
Kovalenter Radius 136 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
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 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit 21,9 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände +2, +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 min 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 min β− 2,471 51V
52Ti

{syn.}

 1,7 min 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)[1]

Pulver

Leichtentzündlich Reizend
Leicht-
entzündlich		 Reizend
(F) (Xi)
R- und S-Sätze R: 17-36/37/38
S: 26(Pulver)
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, ist weiß-metallisch glänzend, leicht, fest, dehnbar, korrosions- und temperaturbeständig. Es ist daher besonders für Anwendungen geeignet, bei denen es auf hohe Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und geringes Gewicht ankommt. Aufgrund des komplizierten Herstellungsprozesses ist Titan zehnmal so teuer wie herkömmlicher Stahl.

Inhaltsverzeichnis

[Bearbeiten] Geschichte

Titan wurde 1791 in England von dem Geistlichen und Amateurchemiker William Gregor im Titaneisen entdeckt. 1795 entdeckte es der deutsche Chemiker Heinrich Klaproth im Rutilerz ebenfalls und gab dem Element - angelehnt an das griechische Göttergeschlecht der Titanen - seinen heutigen Namen.

Es gelang jedoch erst im Jahre 1831 Justus von Liebig, aus dem Erz das metallische Titan zu gewinnen.[2] 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 in den 1940er Jahren gelang es William Justin Kroll mit dem Kroll-Prozess, durch Einführung der großtechnischen Reduktion von Titantetrachlorid mit Magnesium das Titan für kommerzielle Anwendungen zu erschließen.

[Bearbeiten] Vorkommen

Titan kommt in der Erdkruste nur in Verbindungen mit Sauerstoff als Oxid vor. Es ist keineswegs selten, steht es doch mit einem Gehalt von 0,56 % an 9. Stelle der Elementhäufigkeit in der kontinentalen Erdkruste.[3] Meist ist es aber nur in geringer Konzentration vorhanden.

Wichtige Mineralien sind:

Die Hauptvorkommen liegen in Australien, Skandinavien, Nordamerika, dem Ural 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.


Titan-Produktion in Tausend Tonnen[4]
Rang Land 2003
 2004
 2005
1 Australien Australien 1 300 2 110 2 230
2 Südafrika Südafrika 1 070 1 130 1 130
3 Kanada Kanada 810 870 870
4 China China 400 840 820
5 Norwegen Norwegen 380 370 420

[Bearbeiten] Gewinnung

Titan Crystal Bar, 99,995%, hergestellt nach dem Van-Arkel-de-Boer-Verfahren

Reines Titan kommt in der Erde kaum vor. Titan wird aus Ilmenit oder Rutil gewonnen. Der dabei verwendete Herstellungsprozess ist sehr aufwändig, was sich im hohen Preis für Titan niederschlägt. So kostete im Jahre 2008 eine Tonne Titanschwamm durchschnittlich 12.000 Euro.[2]

Der Herstellungsprozess ist seit Entdeckung der Kroll-Prozesses fast unverändert. Meist vom Ilmenit oder Rutil ausgehend, wird angereichertes Titandioxid in der Hitze mit Chlor zu Titantetrachlorid umgesetzt. Anschließend erfolgt eine Reduktion zum Titan durch flüssiges Magnesium. Zur Herstellung von bearbeitbaren Legierungen muss der dabei erhaltene Titanschwamm im Vakuum-Lichtbogenofen umgeschmolzen werden.

Größter Produzent von Titan und Titanlegierungen ist die VSMPO-AVISMA mit Firmensitz in Werchnjaja Salda bzw. Jekaterinburg im Ural, welche sich seit 12. September 2006 indirekt durch die Holding Rosoboronexport in russischem Staatsbesitz befindet.

Wird reinstes Titan gewünscht so wird das Van-Arkel-de-Boer-Verfahren angewendet.

[Bearbeiten] Eigenschaften

Titanzylinder, Reintitan

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. Trotz Passivierungsschicht reagiert es bei Temperaturen oberhalb von 880 °C mit Sauerstoff, bei Temperaturen ab 550 °C mit Chlor. Titan reagiert („brennt“) auch mit reinem Stickstoff, was zum Beispiel bei spanender Bearbeitung wegen der Hitzeentwicklung unbedingt beachtet werden muss.

Gegen verdünnte Schwefelsäure, Salzsäure, chloridhaltige Lösungen und die 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, Zirconium und Zinn erheblich verbessern.

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 wird.

[Bearbeiten] Verbindungen

Während metallisches Titan wegen der hohen Herstellungskosten nur 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 enthalten Titandioxid (es ist in Lebensmitteln als E 171 zu finden). Aber auch im Bereich der Elektro- und Werkstofftechnik und neuerdings auch in der Herstellung von Hochleistungs-Akkumulatoren für den Fahrzeug-Antrieb (Lithium-Titanat-Akku) werden Titanverbindungen eingesetzt.

[Bearbeiten] 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[5].

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

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

Bezeichnung chem. Zusammensetzung Elastizitätsmodul in GPa Dichte in g·cm−3
Ti6246 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 125,4 4,51
Ti6242 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 4,50

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

[Bearbeiten] Verwendung

Titan-Verdichterschaufeln eines Strahltriebwerkes
Armbanduhr mit Titan-Armband/-Gehäuse

Titan wird vor allem als Mikrolegierungsbestandteil für Stahl verwendet. Es verleiht Stahl bereits in Konzentrationen von 0,01–0,1 Massenprozent eine hohe Zähigkeit, Festigkeit und Duktilität. In rostfreien Stählen verhindert Titan die interkristalline Korrosion.

Anwendungen in Seewasser und chloridhaltigen Medien
Outdoor- und Sportartikel
Verwendung in Form von Verbindungen

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.

Die SR-71 besteht zum größten Teil aus Titan
Konstruktionsteile
Medizin
Elektronik
Sonstige Anwendungsgebiete

[Bearbeiten] Nachweis

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

[Bearbeiten] Normen

Titan und Titanlegierungen sind unter anderem genormt in:

[Bearbeiten] 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.

Biologische Nachteile des Titans im menschlichen Körper sind zur Zeit nicht bekannt. So lösten die bisher aus Titan hergestellten Hüftgelenke oder Kieferimplantate, im Gegensatz zu Nickel, keinerlei Allergien aus.[2]

[Bearbeiten] Einzelnachweise

  1. ↑ Sicherheitsdatenblatt (alfa-aesar)
  2. ↑ a b c Alexander Stirn: Vom Triebwerk bis zum Campanile. In: SZ Nr. 95/2009, S.22. Süddeutsche Zeitung, 25. April 2009. Abgerufen am 28. April 2009.
  3. ↑ David R. Lide (ed.): CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85. Auflage, CRC Press, Boca Raton, Florida, 2005. Section 14, Geophysics, Astronomy, and Acoustics; Abundance of Elements in the Earth's Crust and in the Sea.
  4. ↑ [1] MSN.Encarta
  5. ↑ Artikel über Titanschweißtechnik (Pdf-Format)
  6. ↑ Firmenangaben Keller & Kalmbach

[Bearbeiten] Literatur

[Bearbeiten] Weblinks

Commons Commons: Titan (Element) – Bilder, Videos und Audiodateien
Wiktionary Wiktionary: Titan – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik
Periodensystem der Elemente
H   He
Li Be   B C N O F Ne
Na Mg   Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc   Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga
As
Br Kr
Rb Sr Y   Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn
Te I Xe
Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi
Rn
Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo

Alkalimetalle Erdalkalimetalle Lanthanoide Actinoide Übergangsmetalle Metalle Halbmetalle Nichtmetalle Halogene Edelgase
 

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