Im Laufe der Geschichte war Titan (Element) ein Thema von großem Interesse und Kontroversen. Seit seiner Einführung hat Titan (Element) die Aufmerksamkeit von Akademikern, Wissenschaftlern, Künstlern und Neugierigen im Allgemeinen auf sich gezogen. Seine Auswirkungen auf die Gesellschaft und das tägliche Leben der Menschen sind unbestreitbar und führen zu ständigen Debatten und Überlegungen. In diesem Artikel werden wir verschiedene Aspekte und Perspektiven im Zusammenhang mit Titan (Element) untersuchen und seinen Einfluss in verschiedenen Bereichen und seine Entwicklung im Laufe der Zeit analysieren. Darüber hinaus werden wir untersuchen, wie Titan (Element) auch heute noch relevant ist und wie es auch in Zukunft einen bleibenden Eindruck hinterlassen wird.
Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Allgemein | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Name, Symbol, Ordnungszahl | Titan, Ti, 22 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elementkategorie | Übergangsmetalle | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Gruppe, Periode, Block | 4, 4, d | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Aussehen | silbrig metallisch | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
CAS-Nummer | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
EG-Nummer | 231-142-3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ECHA-InfoCard | 100.028.311 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomar | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atommasse | 47,867(1) u | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomradius (berechnet) | 140 (176) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kovalenter Radius | 160 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronenkonfiguration | [Ar] 3d2 4s2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1. Ionisierungsenergie | 6.828120(12) eV ≈ 658.81 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2. Ionisierungsenergie | 13.5755(25) eV ≈ 1309.84 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3. Ionisierungsenergie | 27.49171(25) eV ≈ 2652.55 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4. Ionisierungsenergie | 43.26717(19) eV ≈ 4174.65 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
5. Ionisierungsenergie | 99.299(12) eV ≈ 9580.9 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Physikalisch | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Aggregatzustand | fest | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kristallstruktur | hexagonal (bis 882 °C, darüber kubisch) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dichte | 4,50 g/cm3 (25 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Mohshärte | 6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Magnetismus | paramagnetisch (Χm = 1,8 · 10−4) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Schmelzpunkt | 1941 K (1668 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Siedepunkt | 3533 K (3260 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Molares Volumen | 10,64 · 10−6 m3·mol−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Verdampfungsenthalpie | 427 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Schmelzenthalpie | 18,7 kJ·mol−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Schallgeschwindigkeit | 4140 m·s−1 bei 293,15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Spezifische Wärmekapazität | 523 J·kg−1·K−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Austrittsarbeit | 4,33 eV | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektrische Leitfähigkeit | 2,5 · 106 S·m−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Wärmeleitfähigkeit | 22 W·m−1·K−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Mechanisch | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
E-Modul | 105 GPa (= 105 kN/mm2) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Poissonzahl | 0,34 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Chemisch | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Oxidationszustände | +2, +3, +4 = stabil | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Normalpotential | −0,86 V (TiO2+ + 2 H+ + 4 e− → Ti + H2O) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronegativität | 1,54 (Pauling-Skala) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Isotope | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Weitere Isotope siehe Liste der Isotope | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
NMR-Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Sicherheitshinweise | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. |
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 korrosions- und temperaturbeständig sowie mechanisch fest und duktil.
Titan wird heute üblicherweise zu den Leichtmetallen gezählt. Mit einer Dichte von 4,50 g/cm3 bei Raumtemperatur ist es das schwerste Element dieser Kategorie und liegt damit nahe an der heute meist verwendeten Grenze zwischen Leicht- und Schwermetallen von 5 g/cm3.
In der Erdkruste gehört Titan zu den zehn häufigsten Elementen, kommt jedoch fast ausschließlich chemisch gebunden als Bestandteil von Mineralen vor. Nur in wenigen Lagerstätten ist das Auftreten von elementarem Titan nachgewiesen.
Titan wurde 1791 in England von dem Geistlichen und Amateurchemiker William Gregor im Titaneisen entdeckt. Nur zwei Jahre nach der Veröffentlichung von Gregors Entdeckung trennte der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth von einer in Boinik (Ungarn) gefundenen Probe roten Schörls das Mineral Rutil (TiO2) ab. Als er seine Ergebnisse 1795 veröffentlichte, verwies er auf Gregors Arbeit und die Ähnlichkeit des von ihm gefundenen Oxids und bezeichnete Gregors Mineral als „Eisenhaltiges Titanit aus Cornwall“. Er gab damit dem Element – angelehnt an das griechische Sagengeschlecht der Titanen – seinen heutigen Namen.
Es gelang jedoch erst im Jahre 1831 Justus von Liebig, aus dem Erz unreines metallisches Titan in Form eines dunkelvioletblaues Pulvers oder von zusammenhängenden kupferglänzenden Blättern zu gewinnen.
Die Herstellung von reinem Titan gelang erstmals 1875 dem russischen Chemiker Dmitri Kirillowitsch Kirillow. Seine Veröffentlichung unter dem Namen „Forschungen über Titan“ (russisch Исследования над титаном), in dem er die Ergebnisse seiner Experimente zur Isolierung von reinem Titan behandelte, blieb jedoch unbeachtet. Im Jahr 1887 gelang Lars Fredrik Nilson (Entdecker des Elements Scandium) und Otto Pettersson (Chemieprofessoren an der Universität Uppsala bzw. der Universität Stockholm) die Herstellung von Titan mit einer Reinheit von 95 Prozent, indem sie Titantetrachlorid mit Natrium in einem luftdichten Stahlzylinder reduzierten. Dabei entstanden gelbe Schuppen mit bläulicher Oberfläche. Der französischen Chemiker Henri Moissan veröffentlichte 1895 ein Verfahren, mit dem er Titan mit einer Reinheit von 97 % gewinnen konnte. Zu 99,9 % reines Titan stellte 1910 erstmals Matthew A. Hunter (1878–1961) mit dem Hunter-Verfahren her, indem er in einer Stahlbombe Titantetrachlorid (Titan(IV)-chlorid) mit Natrium auf 700 °C bis 800 °C erhitzte. Doch auch seine gewonnene Materialprobe war durch vorhandene Verunreinigungen bei normalen Temperaturen spröde und ließ sich nur bei Rotglut gut formen. Erst 1925 konnten Anton Eduard van Arkel und Jan Hendrik de Boer mit Hilfe des Van-Arkel-de-Boer-Verfahrens Titan von hoher Reinheit darstellen, welches sich als auffällig duktil zeigte.
Ende der 1930er Jahre entwickelte William Justin Kroll schließlich ein für die Technik geeignetes Verfahren, den sogenannten Kroll-Prozess, das 1940 patentiert wurde. In der Folge konnte durch Einführung der großtechnischen Reduktion von Titantetrachlorid mit Magnesium das Titan für kommerzielle Anwendungen erschlossen werden. Die erste Pilotanlage welche 100 lb Stücke (je ca. 45 kg) produzieren konnte, wurde 1944 in Boulder City, Nevada, USA, errichtet.
In den Vereinigten Staaten stiegen Ende der 1940er/Anfang der 1950er Jahre mehrere Unternehmen mit starker staatlicher Unterstützung in das Titangeschäft ein. So steigerte eine 1947 von DuPont errichtete Pilotanlage die Produktion bis 1952 auf 800 t Titanschwamm pro Jahr. Im Vereinigten Königreich begann die Imperial Chemical Industries Ltd. 1948 mit der Produktion von Titanschwamm. In Kontinentaleuropa wurde das Schmelzen und die Herstellung von Barren etwa 1955 begonnen und durch Unternehmen in Frankreich, Deutschland und Schweden durchgeführt. Die Geburtsstunde der sowjetischen Titanindustrie war das Jahr 1950 und die Produktion von Titanschwamm nach dem Kroll-Prozess begann im Jahr 1954. Auch in Japan begann ab 1952 die Produktion von Titanschwamm.
In den frühen 1950er Jahren wurden Titanlegierungen mit verbesserten Eigenschaften durch Zusatz von Aluminium, Mangan und Vanadium entdeckt. So die Legierungen Ti-8Mn, Ti-4Al-4Mn (1951) und die viel verwendete Legierung Ti-6Al-4V (1954), die von Crucible Steel patentiert und zuerst im Triebwerk Pratt & Whitney J57 für die Lockheed U-2 eingesetzt wurde. Die erste Beta-Legierung, B120VCA (Ti-13V-11Cr-3Al), wurde ebenfalls von Crucible Steel entwickelt und in großem Umfang für das Aufklärungsflugzeug SR-71 (1955) verwendet. Siliziumzusätze für den Einsatz bei höheren Temperaturen wurden 1956 in Großbritannien eingeführt. Im Rolls-Royce Avon-Triebwerk wurde bereits ab 1954 Ti-2Al-2Mn verwendet. Zur etwa gleichen Zeit fand Titan als Material in korrosiven Umgebungen und für medizinische Implantate Anwendung.
Seit diesen Jahren stieg die Produktion von Titanlegierungen für Flugzeuge stark an und erreichte zwischen 2003 und 2007, mit der Einführung des Airbus A380, des Joint Strike Fighter (JSF, F-35) und der Boeing 787 (sowie den militärischen Konflikten im Irak und in Afghanistan), einen Höchstwert.
Titan kommt in der Erdkruste kaum in elementarer, d. h. metallischer Form, sondern beinahe ausschließlich als Bestandteil von chemischen Verbindungen vor. Es ist keineswegs selten, steht es doch mit einem Gehalt von 0,565 % an 9. Stelle der Elementhäufigkeit in der kontinentalen Erdkruste. Meist ist es nur in geringer Konzentration vorhanden.
Die wichtigsten Minerale, die Titan enthalten, sind aufgrund dessen hoher Sauerstoffaffinität oxidische Verbindungen wie:
Die bekannten Hauptvorkommen liegen in Australien, China, Norwegen, Indien, Russland, Ukraine, Brasilien, Kanada und Südafrika. Im Jahr 2010 wurden auch in Paraguay Lagerstätten entdeckt, die aber bisher kaum genutzt werden. 2020 wurden weltweit 8,4 bis 8,6 Millionen Tonnen Titan (gemessen als TiO2) abgebaut. Hauptabbauland war China, weitere große Abbauländer waren Australien, Mosambik, Südafrika, Kanada und die Ukraine. 90 % der abgebauten Titanminerale waren dabei Ilmenit und der Großteil wurde zur Erzeugung von TiO2-Pigmenten für Farbstoffe, Papier und Kunststoffe verwendet. In den USA betrug dieser Anteil 2021 95 %, aus den restlichen 5 % wurden Überzüge für Schweißstäbe, Carbide, Chemikalien oder metallisches Titan hergestellt. Titan steht auf der Liste kritischer Rohstoffe der USA und wurde 2020 auch von der EU neu in die Liste kritischer Rohstoffe aufgenommen.
Meteoriten können Titan enthalten. In der Sonne und in Sternen der Spektralklasse M wurde ebenfalls Titan nachgewiesen. Auf dem Erdmond sind ebenso Vorkommen vorhanden. Gesteinsproben der Mondmission Apollo 17 enthielten bis zu 12,1 % Titan(IV)-oxid. Auch in Kohleaschen und Pflanzen ist es enthalten.
Land | 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | 2020 |
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(in Tonnen TiO2) | |||||
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1.070.000 | 993.000 | 875.250 | 780.465 | 830.800 |
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37.660 | 66.930 | 73.090 | 81.650 | 61.940 |
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550.000 | 670.000 | 620.000 | 550.000 | 480.000 |
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1.196.000 | 1.242.000 | 1.932.000 | 2.306.900 | 2.911.800 |
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341.400 | 167.800 | 172.700 | 205.200 | 205.000 |
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3.340 | 30.630 | 30.000 | 4.880 | 5.000 |
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66.600 | 65.000 | 65.000 | 60.000 | 28.000 |
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339.480 | 345.560 | 340.150 | 262.660 | 256.410 |
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91.800 | 122.670 | 117.250 | 162.790 | 158.340 |
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152.100 | 230.700 | 214.000 | 258.800 | 220.500 |
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5.990 | 8.500 | 12.600 | 6.930 | 7.010 |
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731.200 | 725.200 | 701.400 | 786.900 | 874.000 |
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260.000 | 238.200 | 176.370 | 211.280 | 229.780 |
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18.880 | 2.900 | 3.000 | 3.100 | 3.000 |
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238.120 | 280.320 | 287.940 | 281.030 | 291.740 |
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156.570 | 190.480 | 145.400 | 165.180 | 135.930 |
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950.000 | 1.090.000 | 1.000.000 | 970.000 | 950.000 |
![]() |
16.510 | 30.630 | 35.670 | 25.940 | 11.150 |
![]() |
0 | 4 | 23 | 64 | 84 |
![]() |
4.750 | 6.370 | 6.175 | 6.130 | 6.455 |
![]() |
339.800 | 430.300 | 518.950 | 564.050 | 537.430 |
![]() |
55.000 | 66.000 | 100.000 | 100.000 | 100.000 |
![]() |
109.620 | 117.160 | 122.250 | 112.680 | 119.810 |
Gesamt | 6.734.820 | 7.120.354 | 7.549.218 | 7.906.629 | 8.424.179 |
Reines, metallisches Titan kommt in Lagerstätten kaum vor und wird deshalb aus Titaneisenerz (Ilmenit) oder Rutil gewonnen. Der dabei verwendete Herstellungsprozess ist sehr aufwendig, was sich im hohen Preis für Titan niederschlägt. Der Weltmarktpreis ist Schwankungungen unterworfen, insbesondere seit dem Boykott westlicher Staaten gegen Russland. Titan in Barrenform war Ende 2023 für rund 10,5 US$ pro kg aus China erhältlich und damit günstiger als noch im Jahr 2022. Titan als Metall und auch seine Legierungen sind generell teurer als Aluminiumlegierungen oder Stähle.
Seit Entdeckung des Kroll-Prozesses ist die Herstellung fast unverändert. Meist vom Ilmenit oder Rutil ausgehend, wird Titandioxid in der Hitze mit Chlor und Kohle zu Titantetrachlorid und Kohlenstoffmonoxid umgesetzt (siehe chemische Formeln und Abbildung). Anschließend erfolgt mit flüssigem Magnesium die elektrochemische Reduktion des Titantetrachlorids zu Titan-Schwamm. Pro Tonne Titan werden etwa 55.000 kWh elektrische Energie benötigt, was circa 3,7 mal soviel ist wie bei der ebenfalls energieintensiven Aluminiumherstellung mit rund 15.000 kWh/t. Das Verfahren ist nur in Ländern mit geringen Kosten für elektrische Energie rentabel, also nicht in Mitteleuropa. Deshalb ist Recycling wirtschaftlich und ökologisch besonders sinnvoll.
Im letzten Reaktionsschritt kann alternativ Natrium statt Magnesium verwendet werden.
Zur Herstellung von kompaktem Metall wird der poröse Titanschwamm im Vakuum-Lichtbogenofen oder seltener mit dem Elektronenstrahl bei über 1700 °C umgeschmolzen. Dieser Prozess ist technologisch sehr anspruchsvoll, da Titan im glühenden Zustand so reaktionsfreudig ist, dass es mit fast allen Materialien, mit denen es in Kontakt kommt, verunreinigt wird. Diese Verunreinigung kann zur Versprödung und zum Verlust der nützlichen Eigenschaften führen. Folglich ist es eine Herausforderung, ein geeignetes Material zu finden, das Titan im geschmolzenen Zustand enthält und Verunreinigungen vermeidet. Schon in den 1950er-Jahren kamen Metallurgen zu der Erkenntnis, dass man Titan nicht in einem üblichen keramischen Tiegel schmelzen kann, weil es der Keramik Sauerstoff entzieht. Auch in Graphit lässt es sich nicht folgenlos schmelzen, weil es mit dem Kohlenstoff reagiert und das Metall dadurch spröde wird. Deshalb werden u. a. wassergekühlte Kupfertiegel verwendet.
Land | 2019 | 2020 |
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(in Tonnen) | ||
![]() |
85.000 | 123.000 |
![]() |
250 | 250 |
![]() |
49.000 | 49.200 |
![]() |
16.000 | 15.000 |
![]() |
44.000 | 31.000 |
![]() |
100 | 2.800 |
![]() |
8.000 | 5.000 |
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Geschäftsgeheimnis | Geschäftsgeheimnis |
Gesamt ohne USA (gerundet) | 200.000 | 230.000 |
Ultrareines Titan gewinnt man nach dem Van-Arkel-de-Boer-Verfahren. Da es sich um einen Gasphasenprozess handelt, ist die Produktionsrate relativ gering; es entsteht kein Schwamm als Zwischenprodukt, sondern unmittelbar kompaktes Titan.
Oxidationszustände von Titan | |
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+2 | TiO, TiCl2 |
+3 | Ti2O3, TiCl3, TiF3, TiP |
+4 | TiO2, TiS2, TiCl4, TiF4 |
Titan kann die Oxidationszustände 2, 3 und 4 einnehmen. Nur die Verbindungen mit dem Oxidationszustand 4 sind stabil.
Titan bildet an der Luft spontan eine äußerst beständige oxidische Schutzschicht (Passivierungsschicht) aus, die es gegen viele Medien schützt.
Zu beachten ist die hohe Reaktivität von Titan mit vielen Medien bei erhöhten Temperaturen oder erhöhtem Druck, wenn die Passivierungsschicht diesen Bedingungen nicht standhält. 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 zum Titandioxid. Trotz Passivierungsschicht reagiert es bei Temperaturen oberhalb von 880 °C mit Sauerstoff, bei Temperaturen ab 550 °C mit Chlor. Titan reagiert („brennt“) auch in reinem Stickstoff.
Gegen verdünnte Schwefelsäure, Salzsäure, chloridhaltige Lösungen, kalte Salpetersäure, Laugen wie Natriumhydroxid und die meisten organischen Säuren ist Titan beständig, löst sich dagegen in konzentrierter Schwefelsäure unter Bildung des violetten Titansulfats langsam auf. Wegen der Explosionsgefahr sind bei Anwendungen in Chlorgas die Sicherheitsvorschriften strikt einzuhalten.
Titan in Pulverform ist pyrophor, also selbstentzündlich. Schon bei Raumtemperatur reagiert es mit der umgebenden Luft, die Reaktionswärme erhitzt das Material bis sich unter Beschleunigung der Reaktion eine rauchende Flamme ausbildet. Die Zündbereitschaft hängt unter anderem sehr stark von der Korngröße und dem Verteilungsgrad ab. Das Metall in kompakter Form ist nicht brennbar. Es nimmt jedoch bei höheren Temperaturen leicht Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff auf, dies bewirkt Versprödung und Härtesteigerung.
TiO2+ bildet mit Wasserstoffperoxid einen charakteristischen gelb-orangen Komplex (Triaquohydroxooxotitan(IV)-Komplex), der auch zum photospektrometrischen Nachweis geeignet ist. Die Probe wird mit einem Überschuss konzentrierter Schwefelsäure gekocht und in ein Eisbad mit Wasserstoffperoxid gegossen. Bei lautem Zischen färbt sich das Eisbad gelb-orange.
Aufgrund der großen farblichen Ähnlichkeit wird dieser Nachweis umgangssprachlich auch als „Tequila Sunrise-Nachweis“ bezeichnet.
Titan kristallisiert im Magnesium-Typ mit der Raumgruppe P63/mmc (Raumgruppen-Nr. 194) in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung mit a = 295,04 pm sowie c = 468,33 pm und bildet dann die sogenannte α-Phase (siehe links in der Abbildung). Das Achsenverhältnis c/a beträgt 1,587 und weicht leicht vom Idealwert 1,633 der hexagonal dichtesten Kugelpackung ab. Bei Erhitzung auf über 882 °C bildet sich die β-Phase, die ein raumzentriertes Gitter darstellt (siehe rechts in der Abbildung). Die β-Phase kann in Titanlegierungen schon bei Raumtemperatur auftreten, wenn sie Vanadium, Niobium oder Tantal als Legierungselement enthalten.
Die elektrische Leitfähigkeit von Titan beträgt nur S/m und damit erheblich weniger als bei Kupfer und Aluminium, die in der Elektrotechnik als Leiterwerkstoffe verwendet werden. Unterhalb einer Temperatur von 0,4 K wird Titan supraleitend.
(Hinweis: Weitere physikalische Kennwerte sind in der großen Tabelle zu Beginn des Artikels zu finden)
Titan kann durch gezieltes Erzeugen einer Oxidschicht mittels Anodisieren farblich gestaltet werden. Dabei wird die Farbe durch Lichtbrechung an unterschiedlich dicken Schichten und nicht durch Farbpigmente erzielt, vgl. Dünnschichtinterferenz. Bei 10–25 nm Schichtdicke ergibt sich eine Goldfarbe, bei 25–40 nm Lila, bei 40–50 nm Dunkelblau, bei 50–80 nm Hellblau, bei 80–120 nm Gelb, bei 120–150 nm Orange, bei 150–180 nm Lila, bei 180–210 nm Grün.
Für Anwendungen steht reines, d. h. unlegiertes Titan in vier unterschiedlichen Reinheitsgraden zur Verfügung:
Der Reinheitsgrad (englisch „grade“) nimmt von Titan Grade 1 bis Titan Grade 4 ab. Die wichtigsten Begleitelemente sind Eisen, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff, deren Konzentration jedoch immer deutlich unter 1 % liegt. Die Festigkeit nimmt von Titan Grade 1 in Richtung Titan Grade 4 zu, während die Duktilität in derselben Richtung abnimmt.
Obwohl Reintitan keine metallischen Legierungselemente enthält, hat es für eine Reihe von Anwendungen eine ausreichende Festigkeit. (Hierin unterscheidet sich Titan von dem Metallen Eisen und Aluminium, die nur durch zusätzliche Legierungselemente eine hohe Festigkeit erreichen). Der Elastizitätsmodul beträgt 105 000 - 110 000 N/mm² und ist damit etwa halb so groß wie der von Stahl. Die Zugfestigkeit hängt außer vom Reinheitsgrad auch von der Wärmebehandlung ab und liegt zwischen 290 und 740 N/mm², also im Bereich von vielen Stählen, jedoch bei geringerer Dichte (4,5 g/cm³ statt rund 7,9 g/cm³).
Die Duktilität von Reintitan reicht aus, um es kalt oder warm zu verformen. Hierbei tritt Kaltverfestigung auf. Bei höheren Temperaturen versprödet es an Luft durch Aufnahme von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff.
Die mechanischen Eigenschaften und das Korrosionsverhalten lassen sich durch meist geringfügige Legierungszusätze von Aluminium, Vanadium, Mangan, Molybdän, Palladium, Kupfer, Zirconium und Zinn erheblich verbessern. Dadurch sind Titanlegierungen besonders für Anwendungen geeignet, bei denen es auf hohe Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und geringes Gewicht ankommt. Oberhalb einer Temperatur von 400 °C gehen die Festigkeitseigenschaften aber zurück.
Abhängig davon, welche Phasen in den Titan-Legierungen vorkommen, unterscheidet man zwischen:
Die folgende Tabelle erläutert, welche Legierungselemente die Bildung der α-Phase oder der β-Phase bewirken und fasst die wesentlichen Eigenschaften der Legierungstypen zusammen.
α-Ti-Legierung | β-Ti-Legierung | α+β-Ti-Legierung | |
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Kristallstruktur | Gitter mit hexa-gonal dichtester Packung | kubisch raum-zentriertes Gitter | zweiphasig: Gitter von α-Ti und von β-Ti |
phasenbestimende
Legierungselemente |
Aluminium | Vanadium, Niobium, Tantal | entsprechend α und β |
Umformbarkeit | nur bei erhöhter Temperatur | bei Raumtem-peratur möglich | schwierig bei Raumtemperatur, Warmumformung bevorzugt |
mechanische Eigenschaften | mittlere Festigkeit; gute Tempera-turbeständigkeit | hohe Festigkeit; geringere Temperaturbes-tändigkeit als α-Ti; geringerer Elasti-
zitätsmodul als α-Ti |
hohe Festigkeit und hohe Schwingfestigkeit; gute Temperatur-beständigkeit |
Titan-Legierungen werden häufig nach dem US-amerikanischen Standard ASTM mit Grade 5 bis 39 charakterisiert.
Der wirtschaftlich bedeutendste (auch für Turbolader-Schaufeln) eingesetzte Werkstoff Ti-6Al-4V („Ti64“; 6 % Aluminium, 4 % Vanadium, ASTM: Grade 5) hat die Nummer 3.7165 für industrielle Anwendungen und 3.7164 für Luftfahrtanwendungen. Er gehört zum Typ der α+β-Ti-Legierungen.
Weitere wichtige Titanlegierungen, die hauptsächlich in der Luftfahrtindustrie eingesetzt werden:
Bezeichnung | Legierungs-Zusammensetzung (in %) | Elastizitätsmodul in GPa | Dichte in g·cm−3 |
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Ti6246 | Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo | 125,4 | 4,51 |
Ti6242 | Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo | bis 114 | 4,50 |
Die Zugfestigkeit von Titanlegierungen liegt mit 290 bis 1200 N/mm² im Bereich von Baustahl mit 310 bis 690 N/mm² und legierten Stählen mit 1100 bis 1300 N/mm².
Ti-6Al-4V wird wie die meistens anderen Titanlegierungen bei erhöhter Temperatur umgeformt, d. h. heiß geschmiedet oder warm gewalzt. Bei der Herstellung von Blechen aus Blöcken macht z. B. Walzen ca. 50 % der gesamten Kosten des Produktes aus. Beim Verformen von Titanlegierungen tritt ähnlich wie bei rostfreiem Stahl Verfestigung auf.
Bei spanender Bearbeitung tritt Hitzeentwicklung auf, wobei reines Argon als Schutzgas eingesetzt wird. Um die Werkzeugschneiden zu schonen, kann der Einsatz eines flüssigen Kühlmittels zweckmäßig sein.
Konstruktionsteile:
Anwendungen in Seewasser und chloridhaltigen Medien:
Schutzausrüstung Militär und Polizei:
Medizin:
Outdoor- und Sportartikel:
Elektronik:
Elektrische Zigaretten:
Sonstige Anwendungsgebiete:
Verwendung als Legierungselement:
Verwendung als Bestandteil von Verbindungen:
Titan und Titanlegierungen sind unter anderem genormt in:
Titan ist als Pulver feuergefährlich, kompakt ungefährlich. Die meisten Titansalze gelten als harmlos. Unbeständige Verbindungen wie Titantrichlorid sind stark korrosiv, da sie schon mit Spuren von Wasser Salzsäure bilden.
Titantetrachlorid wird in Rauchgranaten eingesetzt; es reagiert mit der Luftfeuchte und bildet einen weißen Rauch aus Titandioxid, außerdem Salzsäurenebel.
Biologische Nachteile des Titans im menschlichen Körper sind zurzeit unbekannt. So lösten die bisher aus Titan hergestellten Hüftgelenke oder Kieferimplantate, im Gegensatz zu Edelstahl, welcher Nickel enthält, keinerlei Allergien aus.
Während metallisches Titan wegen der hohen Herstellungskosten nur anspruchsvollen technischen Anwendungen vorbehalten bleibt, ist das relativ preiswerte und ungiftige Farbpigment Titandioxid ein Begleiter des alltäglichen Lebens geworden. Praktisch alle heutigen weißen Kunststoffe und Farben und auch Lebensmittelfarben enthalten Titandioxid (es ist in Lebensmitteln als E 171 zu finden). Aber auch in der Elektro- und Werkstofftechnik und neuerdings auch in der Herstellung von Hochleistungsakkumulatoren für den Fahrzeugantrieb (Lithium-Titanat-Akku) werden Titanverbindungen eingesetzt.
Das wichtigste Titanoxid ist Titan(IV)-oxid (TiO2), das in drei wichtigen Polymorphen vorliegt: Anatas, Brookit und Rutil. Sie nehmen polymere Strukturen an, in denen Titan von sechs Oxidliganden umgeben ist. Es ist eine Vielzahl von reduzierten Oxiden (Suboxiden) von Titan bekannt, hauptsächlich reduzierten Stöchiometrien von Titan(IV)-oxid, die durch atmosphärisches Plasmaspritzen erhalten werden. Ti3O5 ist ein purpurroter Halbleiter, der durch Reduktion von Titan(IV)-oxid hergestellt wird mit Wasserstoff bei hohen Temperaturen und wird industriell eingesetzt, wenn Oberflächen mit Titan(IV)-oxid bedampft werden müssen: Es verdampft als reines Titan(II)-oxid, während Titan(IV)-oxid als Gemisch aus Oxiden verdampft und Beschichtungen mit variablem Brechungsindex abscheidet. Bekannt ist auch Titan(III)-oxid mit der Korund-Struktur und Titan(II)-oxid mit der Natriumchlorid-Struktur.
Titan(IV)-sulfid bildet Kristalle, die eine Schichtstruktur aufweisen, nämlich die Cadmiumiodid-Struktur. Es kann als Elektrodenmaterial in Lithiumbatterien oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet werden, wobei das niedrige Atomgewicht von Titan von Vorteil ist.
Titanate werden als Keramikmaterial verwendet. Viele, zum Beispiel Bleititanat, Blei-Zirkonat-Titanat, Bariumtitanat und Strontiumtitanat, bilden Ionenkristalle mit Perowskit-Struktur der Raumgruppe Pm3m (Raumgruppen-Nr. 221) mit ferroelektrischen Eigenschaften aus. Bariumtitanat weist piezoelektrische Eigenschaften auf und wird als Wandler bei der Umwandlung von Schall und Elektrizität verwendet. Tetraisopropylorthotitanat ist als Lewis-Säure ein wichtiger Katalysator für Veresterungs- und Umesterungsreaktionen und für Sharpless-Epoxidierungen und ist Ausgangsmaterial für ultradünne Titan(IV)-oxid-Schichten und -Nanopartikel.
Titan bildet je nach Oxidationszustand verschiedenartige Halogenide. Titan(IV)-chlorid ist eine farblose flüchtige Flüssigkeit, die an der Luft unter spektakulärer Emission weißer Wolken hydrolysiert. Beim Kroll-Prozess wird es bei der Umwandlung von Titanerzen zu Titan(IV)-oxid erzeugt. In der organischen Chemie wird es als Lewis-Säure verwendet, beispielsweise bei der Mukaiyama-Aldolreaktion. Beim Van-Arkel-de-Boer-Verfahren wird Titan(IV)-iodid zur Herstellung von hochreinem Titanmetall erzeugt.
Titan(III)-fluorid, Titan(III)-chlorid, Titan(III)-bromid und Titan(III)-iodid bilden verschiedene Kristallstrukturen aus. Titan(III)-chlorid kommt in vier verschiedenen Strukturen vor, die unterschiedliche chemische Eigenschaften haben.
Titan(II)-chlorid, Titan(II)-bromid und Titan(II)-iodid sind kristalline Feststoffe und haben eine trigonale Kristallstruktur vom Cadmium(II)-iodid-Typ (Polytyp 2H) mit der Raumgruppe P3m1 (Raumgruppen-Nr. 164) .
Titannitrid bildet goldgelbe Kristalle. Titancarbid ist ein graues Pulver. Beide haben ähnliche Eigenschaften: Sie bilden ein kubisches Gitter, sind extrem hart, haben eine hohe thermodynamische Stabilität, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit sowie einen sehr hohen Schmelzpunkt und Siedepunkt. Titanborid wird zusammen mit Bornitrid als Material für Verdampferschiffchen verwendet. In kleinerem Umfang wird es als Versuchsmaterial für Kathoden von Aluminium-Schmelzflusselektrolysezellen und als Panzermaterial sowie als Ersatz für Diamantstaub und für Beschichtungen verwendet. Durch Einlagerung von Titanborid-Partikeln in Aluminium lassen sich die Eigenschaften des Aluminiums verbessern.
Titanylsulfat wird als Nachweisreagenz für Wasserstoffperoxid und Titan verwendet, da sich bei dessen Anwesenheit das intensiv orangegelb gefärbte Peroxotitanyl-Ion (TiO2)2+ bildet. Dieser Nachweis ist sehr empfindlich und es lassen sich schon Spuren von Wasserstoffperoxid nachweisen. Es entsteht auch als Zwischenprodukt beim Sulfatverfahren zur Herstellung von Titan(IV)-oxid.
Titandihydrid ist ein in Reinform metallisch glänzendes Pulver. Sonst ist es hellgrau und kann eine durch Sauerstoff- oder Stickstoffspuren blau oder gelb getönte Oberfläche aufweisen. Es wird als Treibmittel zur Herstellung von Metallschäumen verwendet. Es wird mit Metallpulver vermischt und das Gemisch dann bis fast zum Schmelzpunkt des Metalls erhitzt, das Titandihydrid setzt dabei Wasserstoffblasen frei, wodurch Metallschaum entsteht.
Titanocendichlorid mit der Halbstrukturformel oder auch , ist ein Metallocen des Titans, das heißt eine metallorganische Verbindung mit aromatischen Ringsystemen. Es kann aus Titan(IV)-chlorid und Cyclopentadien gewonnen werden.