Titanium

Titaan staat bekend om de goede corrosiebestendige eigenschappen (bijna net zo resistent als platina) omdat het bedekt wordt door een dun hard en inert laagje titaanoxide dat minstens enkele nanometers dik is. Titanium heeft een gunstige sterkte-massaverhouding. Titaan is net zo sterk als staal, maar heeft slechts 60% van de dichtheid. Zoals meer metalen is titaan brandbaar in zuurstof, maar het is het enige metaal dat brandt in een atmosfeer van zuivere stikstof.

Titaan komt op aarde in ruime mate voor in mineralen. Het vormt 0,6% van de massa van de aardkorst en is daarmee 9e op de ranglijst van meest voorkomende elementen na O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na en K. De bekendste titaanhoudende mineralen zijn ilmeniet en rutiel. Belangrijke vindplaatsen van titaanerts bevinden zich in Australië, Zuid-Afrika, Scandinavië, Noord-Amerika en Maleisië. In meteorieten worden soms hoge concentraties titaan gemeten. Stenen die Apollo 17 van de Maan terugbracht bestonden voor 12,1% uit titaandioxide. In lage concentraties komt titanium ook voor in steenkool, planten en dieren. Op commerciële schaal wordt titaan tegenwoordig verkregen door TiCl4 te reduceren met magnesium, een ingewikkeld en kostbaar proces dat in 1946 door William Justin Kroll is ontwikkeld. Een andere techniek die sinds het einde van de twintigste eeuw in opkomst is, is de "FFC-Cambridge"-techniek waarbij titaandioxide wordt gebruikt.

Titanium is het negende meest voorkomende element in de aardkorst (0,63% in massa) en het zevende meest voorkomende metaal. Het is aanwezig als oxiden in de meeste stollingsgesteenten, in sedimenten die daarvan zijn afgeleid, in levende wezens en natuurlijke waterlichamen. Van de 801 soorten stollingsgesteenten die zijn geanalyseerd door de United States Geological Survey, bevatten er 784 titanium. Het aandeel in bodems is ongeveer 0,5 tot 1,5%. Veel voorkomende titaniumhoudende mineralen zijn anataas, brookiet, ilmeniet, perovskiet, rutiel en titaniet (sfheen). Akaogiiet is een uiterst zeldzaam mineraal dat uit titaniumdioxide bestaat. Van deze mineralen hebben alleen rutiel en ilmeniet economische betekenis, hoewel zelfs deze moeilijk te vinden zijn in hoge concentraties. Ongeveer 6,0 en 0,7 miljoen ton van deze mineralen werden in respectievelijk 2011 gewonnen. Belangrijke titaniumhoudende ilmenietafzettingen bevinden zich in West-Australië, Canada, China, India, Mozambique, Nieuw-Zeeland, Noorwegen, Sierra Leone, Zuid-Afrika en Oekraïne. Ongeveer 186 duizend ton titanium metaal spons werden geproduceerd in 2011, voornamelijk in China (60.000 ton), Japan (56.000 ton), Rusland (40.000 ton), Verenigde Staten (32.000 ton) en Kazachstan (20.700 ton). Totale reserves van titanium worden geschat op meer dan 600 miljoen ton. De concentratie van titanium is ongeveer 4 picomolair in de oceaan. Bij 100 °C wordt de concentratie van titanium in water geschat op minder dan 10 M bij pH 7. De identiteit van titaniumsoorten in waterige oplossing blijft onbekend vanwege de lage oplosbaarheid en het gebrek aan gevoelige spectroscopische methoden, hoewel alleen de 4+ oxidatietoestand stabiel is in lucht. Er is geen bewijs voor een biologische rol, hoewel zeldzame organismen bekend zijn die hoge concentraties titanium accumuleren. Titanium komt voor in meteorieten en is gedetecteerd in de zon en in M-type sterren (het koelste type) met een oppervlaktetemperatuur van 3.200 °C (5.790 °F). Rotsen die teruggebracht zijn van de maan tijdens de Apollo 17 missie bestaan uit 12,1% TiO2. Het wordt ook gevonden in as van steenkool, planten en zelfs het menselijk lichaam. Natuurlijke titanium (puur metallisch) is zeer zeldzaam.

Omdat het metaal sterk, licht en erg corrosiebestendig is, en bovendien bestand tegen extreme temperatuurschommelingen, worden titaniumlegeringen veel toegepast bij de constructie van vliegtuigen en raketten. Daarnaast wordt titanium veel voor sieraden gebruikt. Voornamelijk omdat het sterk, anti-allergeen en goed bewerkbaar is. Titanium wordt hoofdzakelijk (ongeveer 95%) gebruikt in de vorm van titaniumdioxide (TiO2); een intens wit pigment (titaanwit) in verf, papier, kauwgom en kunststoffen. Verf met titaniumdioxide reflecteert infrarood licht zeer goed, waardoor het veel wordt gebruikt in de astronomie. Als legering in fietsen, golfclubs, brilmonturen, laptopbehuizingen en horlogekasten en -banden en huissleutels vanwege de kleine massadichtheid. Als materiaal voor prothesen, bijvoorbeeld voor een heupimplantaat, omdat het biologisch inert is: het menselijk lichaam stoot dit niet af en het is niet giftig. In scheepsschroeven vanwege de goede bestendigheid tegen zeewater. In een platenwarmtewisselaar, bijvoorbeeld wanneer deze wordt toegepast om te koelen door middel van zeewater. Titaantetrachloride (TiCl4, een kleurloze vloeistof) wordt gebruikt voor de productie van titaan volgens het chlorideprocedé. Daarbij verhit men TiO2, gemengd met grafiet, in een oven in een stroom chloor. Na afkoeling condenseert het titaantetrachloride. Dat kan, bijvoorbeeld door natrium, gereduceerd worden tot titaan. Titaantetrachloride is, in tegenstelling tot het dioxide, een uiterst gevaarlijke stof; het veroorzaakt een dichte nevel als het in aanraking komt met vocht uit de lucht. TiCl4 is een essentieel onderdeel van Ziegler-Natta-katalysatoren. Titaandioxide, in nevelvorm, wordt nu ook gebruikt als bedekkende laag op de oppervlakte van gebouwen of als ingrediënt in plastieken, stoffen en keramiektegels. Op deze wijze gebruikt doet het dienst als katalysator om de verontreinigende stoffen van voertuiguitlaten te ontbinden en 'op te eten'. Deze techniek maakt ook de muren schoon en zuivert de lucht ten voordele van de astmapatiënten. Als constructiemateriaal in ontziltingsinstallaties om zeewater via destillatie om te zetten in drinkwater vanwege de corrosiebestendigheid. Titaniumnitride (TiN) is een extreem hard (Vickershardheid 1800–2100) keramisch materiaal, vaak gebruikt als coating om de oppervlakte-eigenschappen te verbeteren van titaniumlegeringen en stalen en aluminium onderdelen. Onbewerkt is TiN een bruin poeder. TiN wordt aangebracht als een dunne laag van meestal minder dan 5 µm en wordt gebruikt voor het beschermen van snij- en glijoppervlakken, of - vanwege het goudkleurige uiterlijk - voor decoratieve doeleinden en als een niet-toxische buitenlaag voor medische implantaten. Titaniumcarbide (TiC) is een extreem hard (Mohshardheid 9-9.5) vuurvast keramisch materiaal, vergelijkbaar met wolfraamcarbide. Onbewerkt is TiC een zwart poeder. TiC wordt gebruikt in cermets, die gebruikt worden om met hoge snijsnelheid staal te bewerken. TiC wordt ook gebruikt als een slijtvaste coating op metalen voorwerpen zoals bv. gereedschappen en als hitteschild voor ruimtevaartuigen.