Titani

element químic amb nombre atòmic 22

El titani és l'element químic de símbol Ti i nombre atòmic 22. En la natura, es troba únicament en forma d'òxid. Es pot reduir per produir un metall de transició argentat, lluent, de baixa densitat i alta resistència que resisteix la corrosió en aigua de mar, aigua règia i clor.

Titani
22Ti
escandititanivanadi
-

Ti

Zr
Aspecte
Gris-blanc argentat metàl·lic

Titani sòlid


Línies espectrals del titani
Propietats generals
Nom, símbol, nombre Titani, Ti, 22
Categoria d'elements Metalls de transició
Grup, període, bloc 44, d
Pes atòmic estàndard 47,867(1)
Configuració electrònica [Ar] 4s2 3d2
2, 8, 10, 2
Configuració electrònica de Titani
Propietats físiques
Fase Sòlid
Densitat
(prop de la t. a.)
4,506 g·cm−3
Densitat del
líquid en el p. f.
4,11 g·cm−3
Punt de fusió 1.941 K, 1.668 °C
Punt d'ebullició 3.560 K, 3.287 °C
Entalpia de fusió 14,15 kJ·mol−1
Entalpia de vaporització 425 kJ·mol−1
Capacitat calorífica molar 25,060 J·mol−1·K−1
Pressió de vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
a T (K) 1.982 2.171 (2.403) 2.692 3.064 3.558
Propietats atòmiques
Estats d'oxidació 4, 3, 2, 1[1]
(òxid amfòter)
Electronegativitat 1,54 (escala de Pauling)
Energies d'ionització
(més)
1a: 658,8 kJ·mol−1
2a: 1.309,8 kJ·mol−1
3a: 2.652,5 kJ·mol−1
Radi atòmic 147 pm
Radi covalent 160±8 pm
Miscel·lània
Estructura cristal·lina Hexagonal
Titani té una estructura cristal·lina hexagonal
Ordenació magnètica Paramagnètic
Resistivitat elèctrica (20 °C) 420 nΩ·m
Conductivitat tèrmica 21,9 W·m−1·K−1
Dilatació tèrmica (25 °C) 8,6 µm·m−1·K−1
Velocitat del so (barra prima) (t. a.) 5,090 m·s−1
Mòdul d'elasticitat 116 GPa
Mòdul de cisallament 44 GPa
Mòdul de compressibilitat 110 GPa
Coeficient de Poisson 0,32
Duresa de Mohs 6,0
Duresa de Vickers 970 MPa
Duresa de Brinell 716 MPa
Nombre CAS 7440-32-6
Isòtops més estables
Article principal: Isòtops del titani
Iso AN Semivida MD ED (MeV) PD
44Ti sin 63 a ε - 44Sc
γ 0,07D
0,08D
-
46Ti 8,0% 46Ti és estable amb 24 neutrons
47Ti 7,3% 47Ti és estable amb 25 neutrons
48Ti 73,8% 48Ti és estable amb 26 neutrons
49Ti 5,5% 49Ti és estable amb 27 neutrons
50Ti 5,4% 50Ti és estable amb 28 neutrons

Se situa en el grup 4 de la taula periòdica dels elements. És abundant en l'escorça terrestre, on es troba, en forma d'òxid, en l'escòria de certs minerals de ferro i en cendres d'animals i plantes. El metall és de color gris fosc, de gran duresa, resistent a la corrosió i de propietats físiques semblants a les de l'acer; s'usa en la fabricació d'equips per a la indústria química i, aliat amb el ferro i altres metalls, s'empra en la indústria aeronàutica i aeroespacial.

Història modifica

 
Sorra d'ilmenita.

El primer mineral de titani fou descobert el 1791 en una remota vila de Cornualla, al sud-oest d'Anglaterra, pel reverend William Gregor (1761-1817), que era el vicari de Creed. Gregor observà que una sorra negra que havia trobat al costat d'un rierol a la parròquia veïna de Manaccan era atreta per un imant. L'analitzà tan bé com pogué i deduí que estava composta per dos òxids metàl·lics, un l'òxid de ferro, que explicava les propietats magnètiques, i un altre que no ho era atret, i que no pogué identificar. Gregor conclogué que havia descobert un metall desconegut fins aleshores i ho comunicà a la Royal Geological Society of Cornwall, i també a l'edició de 1791 de la revista alemanya de ciència, Crell's Annalen, on suggerí anomenar el nou mineral manaccanita, en honor al nom de la parròquia on l'havia trobat. És un mineral posteriorment anomenat ilmenita  . Si hagués estat capaç d'aïllar el metall, i demostrar que era un element «nou», es diu que hauria pensat a anomenar-lo manaccin.[2]

 
Martin Heinrich Klaproth.

Quatre anys més tard, el 1795, l'eminent científic alemany Martin Heinrich Klaproth (1743–1817), de Berlín, redescobrí el mateix element, i l'anomenà titani, derivat dels Titans, fills d'Urà i Gea, de la mitologia grega. Elegí aquest nom perquè en si mateix no tenia cap significat, per tant, «no podia donar lloc a cap idea errònia». Klaproth obtingué l'òxid metàl·lic d'una mostra de rútil  , que li havien enviat des d'Hongria. Quan li parlaren del descobriment anterior de Gregor, investigà una mostra d'ilmenita i confirmà que també contenia el mateix òxid metàl·lic.[2][3]

 
La caiguda dels Titans, de Jacob Jordaens (1593-1678). Museu del Prado.

Tot i que Klaproth intentà de forma persistent reduir l'òxid, no ho aconseguí. De fet, és impossible extreure el titani del seu òxid mitjançant l'escalfament amb carbó, ja que mentre que aquest reacciona per eliminar l'oxigen, també reacciona amb el titani per produir carbur de titani.[2] El neozelandès Matthew Albert Hunter (1878–1961) preparà per primera vegada, l'any 1910,[4] titani metàl·lic pur (amb una puresa del 99,9 %) escalfant tetraclorur de titani   amb sodi entre 700 °C i 800 °C en un reactor d'acer, amb un procés que seria conegut com a procés Hunter.[3]

El titani com a metall s'emprà fora del laboratori fins que el 1946 William Justin Kroll (1889–1973), un metal·lúrgic luxemburguès, desenvolupà un mètode per a poder produir-lo comercialment mitjançant la reducció del tetraclorur de titani amb magnesi a 800-850 °C, i aquest és el mètode utilitzat avui en dia (procés de Kroll).[5]

 

Abundància i obtenció modifica

 
Anatasa   damunt albita.

El titani com a metall no es troba lliure en la naturalesa, però és el novè element en abundància en l'escorça terrestre i el quart metall més abundant,[3] present en la majoria de les roques ígnies i sediments derivats d'elles. El titani també és present en meteorits i en el Sol. Les roques obtingudes durant la missió lunar Apollo 17 de la NASA van mostrar una presència del 12,1 % d'òxid de titani(IV). Les anàlisis de les roques obtingudes durant missions anteriors del programa Apollo mostren percentatges més baixos. Les bandes d'òxid de titani són prominents en l'espectre d'estels de tipus M o nanes rojes, els estels més abundants a l'univers.[6]

Es coneixen quatre-cents trenta-set minerals que contenen titani. Els que el tenen amb més d'un 50 % són: osbornita   (77,37 %), hongquiïta   (74,95 %), tistarita   (63,77 %), anatasa, brookita, IMA2007-058 i rútil   (cadascun 59,94 %).[7]

 
Rútil  .

De tots els minerals que contenen titani només la ilmenita  , el leucoxè i el rútil tenen una significativa importància econòmica. Els principals productors mundials són la Xina amb 3 400 t d'ilmenita el 2022, Moçambic amb 1 200 t, Sud-àfrica amb 900 t i Austràlia amb 600 t. Les reserves mundial d'ilmenita es calculen en 650 000 t i de rútil 49 000 t.[8]

El titani metall es produeix comercialment per mitjà de la reducció de tetraclorur de titani amb magnesi a uns 800 °C sota atmosfera d'argó (si no reaccionaria amb l'oxigen i el nitrogen de l'aire); aquest procés fou desenvolupat el 1946 pel metal·lúrgic estatunidenc d'origen luxemburguès William Justin Kroll (1889-1973) i es continua coneixent com a procés de Kroll.[3] D'aquesta manera s'obté un producte porós conegut com a esponja de titani que posteriorment es purifica i compacta per a obtenir el producte comercial.

A fi de pal·liar el gran consum energètic del procés Kroll (de l'orde d'1,7 vegades el requerit per l'alumini) es troben en desenvolupament procediments d'electròlisi en sals foses (clorurs o òxids) que encara no han trobat aplicació comercial.[9]

Si és necessari obtindre titani més pur es pot emprar un mètode, només aplicable en petites quantitats (a escala de laboratori) per mitjà del mètode de van Arkel i de Boer. Aquest mètode es basa en la reacció de titani amb iode a una determinada temperatura per a donar tetraiodur de titani i la seva posterior descomposició a una temperatura distinta per a tornar a donar el metall.[10]

Propietats modifica

 
Titani.

Propietats físiques modifica

El titani és un element metàl·lic amb un punt de fusió de 1 668 °C, un punt d'ebullició de 3 287 °C i una densitat de 4,51 g/cm³.[6] Presenta una estructura hexagonal compacta, és dur, refractari i bon conductor de l'electricitat i la calor. Quan és pur, és un metall fort, brillant i blanc metàl·lic d'una relativa baixa densitat. Posseeix excel·lents propietats mecàniques i a més té l'avantatge, enfront d'altres metalls de propietats mecàniques semblants, de ser relativament lleuger. De fet té la major proporció duresa-densitat de tots els metalls.[3]

Propietats químiques modifica

 
Nitrur de titani  .

El titani presenta els estats d'oxidació 2, 3 i 4 i la seva configuració electrònica és [Ar]3d24s2. Exposat a l'aire queda recobert d'una capa d'òxid que normalment el fa inactiu (passivació) i és, per tant, resistent a la corrosió. Tanmateix, una vegada que el titani comença a cremar a l'aire, es crema amb una espectacular flama blanca per formar òxid de titani(IV)   i nitrur de titani  . El titani fins i tot crema en nitrogen pur per formar nitrur de titani.[11]

 
 

El titani reaccionarà amb el vapor d'aigua formant l'òxid de titani(IV) i l'hidrogen, segons la reacció:[11]

 
 
Clorur de titani(IV).

Els halògens reaccionen amb el titani en escalfar-se per formar halogenurs de titani(IV). La reacció amb fluor requereix escalfar a 200 °C. Les reaccions són:[11]

 
 
 
 

A temperatures elevades pot reaccionar fàcilment també amb l'hidrogen, el bor i altres no metalls.

És resistent a temperatura ambient a l'àcid sulfúric diluït i a l'àcid clorhídric diluït, així com a altres àcids orgànics; també és resistent a les bases, fins i tot a altes temperatures. No obstant es pot dissoldre en àcids en calent. Així mateix, es dissol bé en àcid fluorhídric o amb fluorurs en àcids. L'àcid fluorhídric aquós diluït reacciona amb el titani per formar l'anió complex   juntament amb l'hidrogen. La reacció és:[11]

 

Isòtops modifica

Es troben cinc isòtops estables en la naturalesa: Ti-46, Ti-47, Ti-48, Ti-49 i Ti-50, sent el Ti-48 el més abundant (73,8%). S'han caracteritzat vint-i-tres radioisòtops que van del de nombre màssic 38 al 63, sent els més estables el titani 44, amb un període de semidesintegració de t½ = 60,25 anys i es desintegra per captura electrònica; i el titani 45 amb t½ = 184,8 minuts, que es desintegra per emissió d'un positró (desintegració β+). Per a la resta, els seus períodes de semidesintegració són inferiors als 6 minuts, i la majoria de menys de mig segon.[12]

Aplicacions modifica

 
Broca recoberta de nitrur de titani.

Indústria metal·lúrgica modifica

 
Bicicleta amb quadre de titani.

A causa de la seva força, baixa densitat i el que pot aguantar temperatures relativament altes, els aliatges de titani s'empren en avions i míssils. També es troba en diferents productes de consum, com a pals de golf, bicicletes, etcètera.[3] El titani es mescla generalment amb alumini, ferro, manganès, molibdè i altres metalls.A causa de la seva gran resistència a la corrosió es pot aplicar en casos en què estarà en contacte amb l'aigua del mar, per exemple, en aparells o hèlices. També es pot emprar en plantes dessalinitzadores.

 
Rellotge fabricat en titani.

Indústria química modifica

Aproximadament el 95% del titani es consumeix com a òxid de titani(IV), un pigment blanc permanent que s'empra en pintures, pasta de dents, medicaments, plàstics i, fins i tot, en menjars com salses o formatges. En pintures s'utilitzen en reflectors pel fet que reflecteixen molt bé la radiació infraroja. Aixímateix es fa servir per aconseguir un color blanc brillant en els focs artificials.[3]

Construcció modifica

 
Museu Guggenhein de Bilbao.

El diòxid de titani absorbeix la llum ultraviolada, alliberant ions hidròxid (OH), que actuen com a radicals lliures, pel que s'utilitzen en superfícies autonetejables com finestres de vidre i vernís per a rajoles d'hospitals, reduint les taxes d'infecció per bacteris letals. Per aquest mateix motiu s'utilitza en cremes solars.També s'han emprat làmines primes de titani per a recobrir alguns edificis, com per exemple el Museu Guggenheim de Bilbao.[3]

Medicina modifica

Es considera que és fisiològicament inert, per la qual cosa el metall s'empra en pròtesis de titani, consistents en caragols de titani pur que han estat tractats superficialment per a millorar la seva oseointegració; per exemple, s'utilitza en la cirurgia maxil·lofacial a causa d'aquestes bones propietats. S'utilitza per a implants mèdics, per a bombes per cors artificials i per caixes de marcapassos.[3] Alguns compostos de titani poden tenir aplicacions en tractaments contra el càncer. Per exemple, el clorur de titanocè en el cas de tumors gastrointestinals i de mama.

Altres modifica

S'empra per a obtenir pedres precioses artificials.També pel fet de ser inert i a més poder-se pintar, s'empra com a material de pírcings. El clorur de titani(IV) s'usa per a irisar el vidre i pel fet que en contacte amb l'aire forma molt de fum, s'empra per a formar artificialment pantalles de fum.

Generalment, els isòtops de dubni actualment són produïts per bombardeig d'isòtops de bismut 209 amb projectils de titani, per exemple l'isòtop dubni 258:[13]

 

Precaucions modifica

La pols metàl·lica del titani és pirofòrica. D'altra banda, es creu que les seves sals no són especialment perilloses. No obstant això, els seus clorurs, com clorur de titani(III) o clorur de titani(IV), es consideren corrosius. El titani té també la tendència a acumular-se en els teixits biològics. En principi, no s'observa que desenvolupi cap paper biològic.[14]

Referències modifica

  1. Andersson, N. et al. «Emission spectra of TiH and TiD near 938 nm». J. Chem. Phys., 118, 2003, pàg. 10543. Bibcode: 2003JChPh.118.3543A. DOI: 10.1063/1.1539848.
  2. 2,0 2,1 2,2 Emsley, John. Nature's building blocks : an A-Z guide to the elements. Oxford: Oxford University Press, 2001. ISBN 0-19-850341-5. 
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 Challoner, Jack. Los elementos. La nueva guía ilustrada de los componentes básicos del universo. (en castellà). Alcobendas: LIBSA, 2018, p. 41,42. ISBN 9788466236669. 
  4. Hunter, M.A. «The Preparation of Pure Titanium». Journal of the Institute of Metals, 3, 4, 1910, pàg. 414-425.
  5. Kloprogge, J. Theo. The periodic table: nature's building blocks. An introduction to the naturally occurring elements, their origins and their uses. Amsterdam: Elsevier, 2021. ISBN 978-0-12-821538-8. 
  6. 6,0 6,1 William M. Haynes. CRC handbook of chemistry and physics: a ready-reference book of chemical and physical data.. 95th edition. Boca Raton, Florida: CRC Press, 2014. ISBN 978-1-4822-0867-2. 
  7. Barthelmy, David. «Mineral Species sorted by the element Ti Titanium». Mineralogy Database, 1997-2014. [Consulta: 19 abril 2023].
  8. «Titanium Statistics and Information» (en anglès). U.S. Geological Survey, Gener 2023. [Consulta: 19 abril 2023].
  9. Dring, K.; Rosenkilde, C. «Production of titanium and titanium alloys by electrochemical reduction of oxide precursors» (en anglès). Materials Technology, 22, 2, 2007-09, pàg. 62–65. DOI: 10.1179/175355507X214050. ISSN: 1066-7857.
  10. van Arkel, A. E.; de Boer, J. H. «Darstellung von reinem Titanium-, Zirkonium-, Hafnium- und Thoriummetall» (en alemany). Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 148, 1, 25-09-1925, pàg. 345–350. DOI: 10.1002/zaac.19251480133. ISSN: 0863-1786.
  11. 11,0 11,1 11,2 11,3 Winter, Mark. «Titanium. The essentials». WebElements. The University of Sheffield and WebElements Ltd, 1993-2023. [Consulta: 19 abril 2023].
  12. «Z = 22». NuDat 3. National Nuclear Data Center (NNDC) at Brookhaven National Laboratory. [Consulta: 19 abril 2023].
  13. Moody, K.J.. «Synthesis of Superheavy Elements». A: Matthias Schädel, Dawn Shaughnessy. The Chemistry of Superheavy Elements (en anglès). 2a edició. Berlín: Springer Science & Business Media, 2014. ISBN 978-3-642-37466-1. 
  14. Kim, Kyeong Tae; Eo, Mi Young; Nguyen, Truc Thi Hoang; Kim, Soung Min «General review of titanium toxicity» (en anglès). International Journal of Implant Dentistry, 5, 1, 2019-12, pàg. 10. DOI: 10.1186/s40729-019-0162-x. ISSN: 2198-4034. PMC: PMC6409289. PMID: 30854575.

Enllaços externs modifica