Titan (prvek)

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. 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 bombě.

Základní fyzikálně-chemické vlastnosti

kovový elementární 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 HCl, naopak kyselina dusičná jeho povrch pasivuje. Pro jeho rozpouštění je nejúčinnější kyselina fluorovodíková HF 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 TiIII a TiIV. Sloučeniny čtyřmocného titanu, jsou neomezeně stálé, sloučeniny TiIII jsou silnými redukčními činidly a působením vzdušného O2 rychle přecházejí na TiIV.

Výskyt a výroba
Titan je sedmým nejrozšířenějším kovem v zemské kůře, jeho obsah se odhaduje 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.

Pro zajímavost lze uvést, že v 50. a 60. letech 20. století, byla výroba kovového titanu soustředěna prakticky pouze do Sovětského svazu. Zde byl postup jeho výroby přísně utajován a titan byl v probíhající Studené válce považován za jednu ze základních strategických surovin. Teprve později, byl výrobní postup špionážně odhalen a předán do západní Evropy a USA.

Sloučeniny
Ve sloučeninách se titan vyskytuje v mocenství TiIII a TiIV, 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 se 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 TiN2, patří k jedněm z nejtvrdších známých látek a převyšuje svou tvrdostí i korund, 9. prvek z 10-stupňové Mohsovy stupnice tvrdosti. Jeho aplikací, jsou brusné materiály, ale i povrchová úprava titanových nástrojů – nitridování, kdy je na povrchu nástroje určeného pro extrémní fyzické namáhání, vytvořena tenká ochranná vrstva TiN2.
Superpružné Ti-Cu slitiny. Drát z této slitiny, lze ohnout do pravého úhlu, přičemž nedochází k deformaci (= vrátí se do původního stavu).



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 letadel.

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 čelistní a obličejové 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.