Titan wurde 1791 in Cornwall, Großbritannien, von William Gregor entdeckt und von Martin Heinrich Klaproth nach den Titanen der griechischen Mythologie benannt. Das Element kommt in einer Reihe von Mineralvorkommen vor, hauptsächlich Rutil und Ilmenit, die in der Erdkruste und Lithosphäre weit verbreitet sind. Es kommt in fast allen Lebewesen sowie in Gewässern, Felsen und Böden vor. Das Metall wird durch die Kroll- und Hunter-Verfahren aus seinen wichtigsten Mineralerzen extrahiert. Die am weitesten verbreitete Verbindung, Titandioxid, ist ein beliebter Photokatalysator und wird zur Herstellung von Weißpigmenten verwendet. Andere Verbindungen umfassen Titantetrachlorid (TiCl4), ein Bestandteil von Rauchvorhängen und Katalysatoren; und Titantrichlorid (TiCl3), das als Katalysator bei der Herstellung von Polypropylen verwendet wird.
Titan kann unter anderem mit Eisen, Aluminium, Vanadium und Molybdän legiert werden, um starke, leichte Legierungen für die Luft- und Raumfahrt (Düsentriebwerke, Raketen und Raumfahrzeuge), das Militär und industrielle Prozesse (Chemikalien und Petrochemikalien, Entsalzungsanlagen, Zellstoff, und Papier) Automobil, Landwirtschaft (Landwirtschaft), medizinische Prothesen, orthopädische Implantate, zahnärztliche und endodontische Instrumente und Feilen, Zahnimplantate, Sportartikel, Schmuck, Mobiltelefone und andere Anwendungen.
Die beiden nützlichsten Eigenschaften des Metalls sind die Korrosionsbeständigkeit und das Verhältnis von Festigkeit zu Dichte, das höchste aller metallischen Elemente. In seinem unlegierten Zustand ist Titan so stark wie manche Stähle, aber weniger dicht. Es gibt zwei allotrope Formen und fünf natürlich vorkommende Isotope dieses Elements, 46Ti bis 50Ti, wobei 48Ti am häufigsten vorkommt (73,8 Prozent).
Physikalische Eigenschaften
Als Metall ist Titan für sein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bekannt. Es ist ein starkes Metall mit geringer Dichte, das ziemlich duktil (insbesondere in einer sauerstofffreien Umgebung), glänzend und metallisch-weißer Farbe ist. Der relativ hohe Schmelzpunkt (1.668 Grad oder 3,0 34 Grad F) macht es als hochschmelzendes Metall nützlich. Es ist paramagnetisch und hat im Vergleich zu anderen Metallen eine relativ geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Titan ist supraleitend, wenn es unter seine kritische Temperatur von 0,49 K abgekühlt wird.
Kommerziell reine (zu 99,2 Prozent reine) Titansorten haben eine Zugfestigkeit von etwa 434 MPa (63,000 psi), was der von gewöhnlichen minderwertigen Stahllegierungen entspricht, aber weniger dicht ist. Titan ist 60 % dichter als Aluminium, aber mehr als doppelt so stark wie die am häufigsten verwendete 6061-T6-Aluminiumlegierung. Bestimmte Titanlegierungen (z. B. Beta C) erreichen Zugfestigkeiten von über 1.400 MPa (200, 000 psi). Titan verliert jedoch an Festigkeit, wenn es über 430 Grad (806 Grad F) erhitzt wird.
Titan ist nicht so hart wie einige wärmebehandelte Stahlsorten; es ist nicht magnetisch und ein schlechter Wärme- und Stromleiter. Die maschinelle Bearbeitung erfordert Vorsichtsmaßnahmen, da das Material scheuern kann, wenn keine scharfen Werkzeuge und geeignete Kühlmethoden verwendet werden. Wie Stahlkonstruktionen haben solche aus Titan eine Ermüdungsgrenze, die bei manchen Anwendungen eine lange Lebensdauer garantiert.
Das Metall ist ein dimorphes Allotrop einer hexagonalen Form, das sich bei 882 Grad (1.620 Grad F) in eine kubisch-raumzentrierte (Gitter-)Form ändert. Die spezifische Wärme der Form nimmt dramatisch zu, wenn sie auf diese Übergangstemperatur erhitzt wird, fällt dann aber ab und bleibt unabhängig von der Temperatur für die Form ziemlich konstant.
Chemische Eigenschaften
Wie Aluminium und Magnesium oxidiert die Oberfläche von Titanmetall und seinen Legierungen sofort, wenn es Luft ausgesetzt wird, um eine dünne, nicht poröse Passivierungsschicht zu bilden, die das massive Metall vor weiterer Oxidation oder Korrosion schützt. Diese Schutzschicht ist zu Beginn nur 1–2 nm dick, wächst aber langsam weiter und erreicht in vier Jahren eine Dicke von 25 nm. Diese Schicht verleiht Titan eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, die fast der von Platin entspricht.
Titan ist in der Lage, Angriffen durch verdünnte Schwefel- und Salzsäure, Chloridlösungen und die meisten organischen Säuren zu widerstehen. Allerdings wird Titan durch konzentrierte Säuren angegriffen. Wie durch sein negatives Redoxpotential angezeigt wird, ist Titan thermodynamisch ein sehr reaktives Metall, das in einer normalen Atmosphäre bei niedrigeren Temperaturen als dem Schmelzpunkt brennt. Das Schmelzen ist nur in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum möglich. Bei 550 Grad (1.022 Grad F) verbindet es sich mit Chlor. Es reagiert auch mit den anderen Halogenen und absorbiert Wasserstoff.
Titan reagiert leicht mit Sauerstoff bei 1.200 Grad (2.190 Grad F) in Luft und bei 610 Grad (1.130 Grad F) in reinem Sauerstoff und bildet Titandioxid. Titan ist eines der wenigen Elemente, das in reinem Stickstoffgas brennt und bei 800 Grad (1.470 Grad F) reagiert, um Titannitrid zu bilden, das Versprödung verursacht. Aufgrund seiner hohen Reaktivität mit Sauerstoff, Stickstoff und vielen anderen Gasen ist Titan, das aus Filamenten verdampft wird, die Basis für Titan-Sublimationspumpen, in denen Titan als Scavenger für diese Gase dient, indem es sich chemisch an sie bindet. Solche Pumpen erzeugen kostengünstig extrem niedrige Drücke in Ultrahochvakuumsystemen.
Auftreten
Titan ist das neunthäufigste Element in der Erdkruste (0,63 Massenprozent) und das siebthäufigste Metall. Es kommt als Oxide in den meisten Eruptivgesteinen, in daraus gewonnenen Sedimenten, in Lebewesen und in natürlichen Gewässern vor. Von den 801 Arten von Eruptivgestein, die vom United States Geological Survey analysiert wurden, enthielten 784 Titan. Sein Anteil in Böden beträgt etwa 0,5 bis 1,5 Prozent.
Übliche titanhaltige Mineralien sind Anatas, Brookit, Ilmenit, Perowskit, Rutil und Titanit (Sphen). Akaogiit ist ein extrem seltenes Mineral, das aus Titandioxid besteht. Von diesen Mineralen haben nur Rutil und Ilmenit wirtschaftliche Bedeutung, doch auch sie sind in hohen Konzentrationen schwer zu finden. Etwa 6,0 bzw. 0,7 Millionen Tonnen dieser Mineralien wurden 2011 abgebaut. Bedeutende titanhaltige Ilmenitvorkommen gibt es in Westaustralien, Kanada, China, Indien, Mosambik, Neuseeland, Norwegen, Sierra Leone, Südafrika und der Ukraine. Etwa 210,000 Tonnen Titanmetallschwämme wurden im Jahr 2020 produziert, hauptsächlich in China (110,000 t), Japan (50,000 t), Russland (33,{{ 15}} t) und Kasachstan (15, 000 t). Die Gesamtreserven an Anatas, Ilmenit und Rutil werden auf über 2 Milliarden Tonnen geschätzt.
Die Titankonzentration im Ozean beträgt etwa 4 Picomolar. Bei 100 Grad wird die Konzentration von Titan in Wasser auf weniger als 10−7 M bei pH 7 geschätzt. Die Identität von Titanspezies in wässriger Lösung bleibt wegen ihrer geringen Löslichkeit und des Fehlens empfindlicher spektroskopischer Methoden unbekannt, obwohl nur die Die Oxidationsstufe 4 plus ist an der Luft stabil. Es gibt keine Beweise für eine biologische Rolle, obwohl bekannt ist, dass seltene Organismen hohe Konzentrationen von Titan anreichern.
Titan ist in Meteoriten enthalten und wurde in der Sonne und in Sternen vom Typ M (der kühlste Typ) mit einer Oberflächentemperatur von 3.200 Grad (5.790 Grad F) nachgewiesen. Gesteine, die während der Apollo-17-Mission vom Mond zurückgebracht wurden, bestehen zu 12,1 Prozent aus TiO2. Natives Titan (reines Metall) ist sehr selten.
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