Titan

Sicherheitshinweise

GHS-Gefahrstoffkennzeichnung
Pulver

Gefahr

Entzündet sich in Berührung mit Luft von selbst.
In großen Mengen selbsterhitzungsfähig; kann in Brand geraten.

Von Hitze, heißen Oberflächen, Funken, offenen Flammen und anderen Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen.
Keinen Kontakt mit Luft zulassen.
Schutzhandschuhe/ Schutzkleidung/ Augenschutz/ Gesichtsschutz/ Gehörschutz/ … tragen.

Titan ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Ti und der Ordnungszahl 22. Es gehört zu den Übergangsmetallen und steht im Periodensystem in der 4. Nebengruppe (4. IUPAC-Gruppe) oder Titangruppe. Das Metall ist weiß-metallisch glänzend, hat eine geringe Dichte, ist dehnbar, korrosions- und temperaturbeständig.

Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Titan, Ti, 22
Serie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	4, 4, d
Aussehen	silbrig metallisch
CAS-Nummer	7440-32-6
EG-Nummer	231-142-3
ECHA-InfoCard	100.028.311
Massenanteil an der Erdhülle	0,41 %
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	hexagonal (bis 882 °C, darüber kubisch-raumzentriert)
Dichte	4,507 g/cm³
Mohshärte	6
Magnetismus	paramagnetisch
Schmelzpunkt	1941 K (1668 °C)
Siedepunkt	3560 K (3287 °C)
Schallgeschwindigkeit	4140 m/s bei 293,15 K

Titan wird heute üblicherweise zu den Leichtmetallen gezählt. Mit einer Dichte von 4,50 g/cm³ bei Raumtemperatur ist es deren schwerstes, liegt nahe an der heute meist verwendeten Grenze zwischen Leicht- und Schwermetallen von 5 g/cm³, sowie genau an der früher üblichen von 4,5 g/cm³.

In der Erdkruste gehört Titan zu den zehn häufigsten Elementen, kommt jedoch fast ausschließlich chemisch gebunden als Bestandteil von Mineralien vor. Aus mehreren Lagerstätten ist jedoch das Auftreten von elementarem Titan nachgewiesen.

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 großtechnisch durchgeführten 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. 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). Zur Herstellung von bearbeitbaren Legierungen muss der erhaltene Titanschwamm im Vakuum-Lichtbogenofen umgeschmolzen werden.

Größter Produzent von Titan und Titanlegierungen ist die VSMPO-AVISMA.

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 zu 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. Titan ist als Pulver feuergefährlich. 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.

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.

Während metallisches Titan wegen der hohen Herstellungskosten oft anspruchsvollen technischen Anwendungen vorbehalten bleibt, sind Titanverbindungen relativ preiswert. das ungiftige Farbpigment Titandioxid ist 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.

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.

Anwendungsbeispiele

Verbindungen des Titans mit Bor, Kohlenstoffoder Stickstofffinden Verwendung als Hartstoffe. Auch zur Herstellung von Cermets, Verbundwerkstoffen aus Keramik und Metall, werden Titanverbindungen eingesetzt.

Anwendungen in Seewasser und chloridhaltigen Medien
Einbauteile in Meerwasserentsalzungsanlagen
Bauteile für die Eindampfung von Kaliumchlorid-Lösungen
Apparate in Anlagen der Chlorchemie
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 Magneten von Teilchenbeschleunigern)
Verschleißteile in Lötanlagen, direkter Kontakt mit Elektrolot bis 500 °C
Federn in Fahrgestellen von Kraftfahrzeugen
Schmuckindustrie
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
in Dampfturbinen für die am stärksten belasteten Schaufeln des Niederdruckteiles
als Biomaterial für Implantate in der Medizintechnik wegen seiner sehr guten Korrosionsbeständigkeit im Gegensatz zu anderen Metallen. Eine immunologische Abstoßungsreaktion gibt es nicht.
als Beschichtungsmetall in der Halbleiterindustrie sowohl in fester Form (Targets) als auch als gasfömige Verbindungen (CVD).

Basierend auf einem Artikel in

Wikipedia.de