TITANIO: STORIA, STRUTTURA, PROPRIETÀ, REAZIONI, USI - CHIMICA - 2025

Il titanio è un metallo di transizione rappresentato dal simbolo chimico Ti. È il secondo metallo a comparire dal blocco d della tavola periodica, subito dopo lo scandio. Il suo numero atomico è 22, ed è presente in natura come molti isotopi e radioisotopi, di cui ⁴⁸ Ti è il più abbondante di tutti.

Il suo colore è grigio argento e le sue parti sono ricoperte da uno strato protettivo di ossido che rende il titanio un metallo molto resistente alla corrosione. Se questo strato è giallastro, è nitruro di titanio (TiN), che è un composto che si forma quando questo metallo brucia in presenza di azoto, una proprietà unica e distinta.

Anelli in titanio. Fonte: Pxhere.

Oltre a quanto già accennato, è altamente resistente agli urti meccanici pur essendo più leggero dell'acciaio. Ecco perché è conosciuto come il metallo più forte di tutti e il suo stesso nome è sinonimo di forza. Ha anche resistenza e leggerezza, due caratteristiche che lo rendono un materiale desiderabile per la produzione di aeromobili.

Allo stesso modo, e non meno importante, il titanio è un metallo biocompatibile piacevole al tatto, motivo per cui viene utilizzato in gioielleria per l'elaborazione di anelli; e nella biomedicina, come gli impianti ortopedici e dentali, in grado di integrarsi nei tessuti ossei.

Tuttavia, i suoi usi più noti risiedono nel TiO ₂ , come pigmento, additivo, rivestimento e fotocatalizzatore.

È il nono elemento più abbondante sulla Terra e il settimo tra i metalli. Nonostante ciò, il suo costo è elevato a causa delle difficoltà che bisogna superare per estrarlo dai suoi minerali, tra cui rutilo, anatasio, ilmenite e perovskite. Di tutti i metodi di produzione, il processo Kroll è il più utilizzato al mondo.

Storia

Scoperta

Il titanio fu identificato per la prima volta nel minerale di ilmenite nella Valle di Manaccan (Regno Unito), dal pastore e mineralogista dilettante William Gregor, nel 1791. Fu in grado di identificare che conteneva un ossido di ferro, poiché le sue sabbie si muovevano attraverso l'influenza di un magnete; ma riferì anche che c'era un altro ossido di un metallo sconosciuto, che chiamò "manacanite".

Sfortunatamente, sebbene si sia rivolto alla Royal Geological Society of Cornwall e ad altri punti vendita, i suoi contributi non hanno suscitato scalpore per non essere un uomo di scienza riconosciuto.

Quattro anni dopo, nel 1795, il chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth riconobbe indipendentemente lo stesso metallo; ma in rutilo a Boinik, l'attuale Slovacchia.

Alcuni sostengono che abbia chiamato questo nuovo metallo "titanio" ispirato alla sua robustezza in somiglianza con i Titani. Altri affermano che fosse dovuto più alla neutralità degli stessi personaggi mitologici. Così, il titanio nacque come elemento chimico e Klaproth fu in seguito in grado di concludere che era la stessa manacanite del minerale ilmenite.

Isolamento

Da allora, sono iniziati i tentativi di isolarlo da tali minerali; ma la maggior parte di loro non ebbero successo, poiché il titanio era contaminato con ossigeno o azoto, o formava un carburo impossibile da ridurre. Ci volle quasi un secolo (1887) perché Lars Nilson e Otto Pettersson preparassero un campione puro al 95%.

Poi, nel 1896, Henry Moissan riuscì ad ottenere un campione con una purezza fino al 98%, grazie all'azione riducente del sodio metallico. Tuttavia, questi titanio impuro erano fragili per l'azione degli atomi di ossigeno e azoto, quindi era necessario progettare un processo per tenerli lontani dalla miscela di reazione.

E con questo approccio ha avuto origine il Processo Hunter nel 1910, ideato da Matthew A. Hunter in collaborazione con la General Electric del Rensselaer Polytechnic Institute.

Vent'anni dopo, in Lussemburgo, William J. Kroll ideò un altro metodo che utilizzava calcio e magnesio. Oggi, il processo Kroll rimane uno dei metodi principali per la produzione di titanio metallico su scala commerciale e industriale.

Da questo momento in poi, la storia del titanio segue il corso delle sue leghe nelle applicazioni per l'industria aerospaziale e militare.

Struttura e configurazione elettronica

Il titanio puro può cristallizzare con due strutture: una esagonale compatta (hcp), chiamata fase α, e una cubica centrata sul corpo (bcc), chiamata fase β. Quindi, è un metallo dimorfico, in grado di subire transizioni allotropiche (o di fase) tra le strutture hcp e bcc.

La fase α è la più stabile a temperatura e pressione ambiente, con gli atomi di Ti circondati da dodici vicini. Quando la temperatura viene aumentata a 882 ° C, il cristallo esagonale si trasforma in uno cubico meno denso, che è coerente con le vibrazioni atomiche più elevate prodotte dal calore.

All'aumentare della temperatura, la fase α si oppone a una maggiore resistenza termica; cioè aumenta anche il suo calore specifico, tanto che serve sempre più calore per raggiungere gli 882 ° C.

E se invece di aumentare la temperatura, la pressione lo facesse? Quindi ottieni cristalli bcc distorti.

Link

In questi cristalli metallici, gli elettroni di valenza degli orbitali 3d e 4s intervengono nel legame che unisce gli atomi di Ti, secondo la configurazione elettronica:

3d ² 4 s ²

Ha solo quattro elettroni da condividere con i suoi vicini, risultando in bande 3d quasi vuote, e quindi il titanio non è un buon conduttore di elettricità o calore come altri metalli.

leghe

Ancora più importante di quanto detto riguardo alla struttura cristallina del titanio, è che entrambe le fasi, α e β, possono formare le proprie leghe. Questi possono essere costituiti da leghe α o β pure o da miscele di entrambe in proporzioni diverse (α + β).

Allo stesso modo, la dimensione dei rispettivi grani cristallini influenza le proprietà finali di dette leghe di titanio, nonché la composizione in massa e le relazioni degli additivi aggiunti (pochi altri metalli o atomi di N, O, C o H).

Gli additivi hanno un'influenza significativa sulle leghe di titanio perché possono stabilizzare alcune delle due fasi specifiche. Ad esempio: Al, O, Ga, Zr, Sn e N sono additivi che stabilizzano la fase α (cristalli più densi di hcp); e Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe e altri sono additivi che stabilizzano la fase β (cristalli bcc meno densi).

Lo studio di tutte queste leghe di titanio, della loro struttura, composizione, proprietà e applicazioni, sono oggetto di lavori metallurgici che si basano sulla cristallografia.

Numeri di ossidazione

Secondo la configurazione elettronica, il titanio avrebbe bisogno di otto elettroni per riempire completamente gli orbitali 3d. Ciò non può essere ottenuto in nessuno dei suoi composti, e al massimo guadagna fino a due elettroni; cioè può acquisire numeri di ossidazione negativi: -2 (3d ⁴ ) e -1 (3d ³ ).

Il motivo è dovuto all'elettronegatività del titanio e che, inoltre, è un metallo, quindi ha una maggiore tendenza ad avere numeri di ossidazione positivi; come +1 (3d ² 4s ¹ ), +2 (3d ² 4s ⁰ ), +3 (3d ¹ 4s ⁰ ) e +4 (3d ⁰ 4s ⁰ ).

Si noti come gli elettroni degli orbitali 3d e 4s stiano lasciando quando si presume l'esistenza dei cationi Ti ⁺ , Ti ²⁺ e così via.

Il numero di ossidazione +4 (Ti ⁴⁺ ) è il più rappresentativo di tutti perché corrisponde a quello del titanio nel suo ossido: TiO ₂ (Ti ⁴⁺ O ₂ ^2- ).

Proprietà

Aspetto fisico

Metallo argentato grigiastro.

Massa molare

47,867 g / mol.

Punto di fusione

1668 ° C. Questo punto di fusione relativamente alto lo rende un metallo refrattario.

Punto di ebollizione

3287 ° C.

Temperatura di autoaccensione

1200 ° C per il metallo puro e 250 ° C per la polvere finemente suddivisa.

Duttilità

Il titanio è un metallo duttile se manca di ossigeno.

Densità

4,506 g / mL. E al suo punto di fusione, 4,11 g / mL.

Calore di fusione

14,15 kJ / mol.

Calore di vaporizzazione

425 kJ / mol.

Capacità termica molare

25060 J / mol · K.

elettronegatività

1.54 della scala Pauling.

Energie di ionizzazione

Primo: 658,8 kJ / mol.

Secondo: 1309,8 kJ / mol.

Terzo: 2652,5 kJ / mol.

Durezza di Mohs

6.0.

Nomenclatura

Dei numeri di ossidazione, +2, +3 e +4 sono i più comuni, poiché vengono indicati nella nomenclatura tradizionale quando si nominano i composti di titanio. Altrimenti, le regole dello stock e le nomenclature sistematiche rimangono le stesse.

Ad esempio, si consideri TiO ₂ e TiCl ₄ , due dei composti più noti del titanio.

Si è già detto che nel TiO ₂ il numero di ossidazione del titanio è +4 e, quindi, essendo il più grande (o positivo), il nome deve terminare con il suffisso -ico. Quindi, il suo nome è ossido titanico, secondo la nomenclatura tradizionale; ossido di titanio (IV), secondo la nomenclatura stock; e biossido di titanio, secondo la nomenclatura sistematica.

E per TiCl ₄ procederemo più direttamente:

Nomenclatura: nome

-Tradizionale: cloruro titanico

-Stock: titanio (IV) cloruro

-Sistematico: tetracloruro di titanio

In inglese questo composto viene spesso definito "Tickle".

Ogni composto di titanio può anche avere nomi propri al di fuori delle regole di denominazione e dipenderà dal gergo tecnico del campo in questione.

Dove trovare e produzione

Minerali titaniferi

Quarzo rutilo, uno dei minerali con il più alto contenuto di titanio. Fonte: Didier Descouens

Il titanio, sebbene sia il settimo metallo più abbondante sulla Terra e il nono più abbondante nella crosta terrestre, non si trova in natura come metallo puro ma in combinazione con altri elementi negli ossidi minerali; meglio conosciuti come minerali titaniferi.

Pertanto, per ottenerlo è necessario utilizzare questi minerali come materia prima. Alcuni di loro sono:

-Titanite o sfene (CaTiSiO ₅ ), con impurità di ferro e alluminio che ne fanno diventare verdi i cristalli.

-Brookite (TiO ₂ ortorombico).

-Rutilo, il polimorfo più stabile di TiO ₂ , seguito dai minerali anatasio e brookite.

-Ilmenite (FeTiO ₃ ).

-Perovskite (CaTiO ₃ )

-Leucoxene (miscela eterogenea di anatasio, rutilo e perovskite).

Si noti che sono menzionati diversi minerali titaniferi, sebbene ce ne siano altri. Tuttavia, non tutti sono ugualmente abbondanti e, allo stesso modo, possono contenere impurità difficili da rimuovere e che compromettono le proprietà del titanio metallico finale.

Questo è il motivo per cui lo sfene e la perovskite vengono spesso utilizzati per la produzione di titanio, poiché il loro contenuto di calcio e silicio è difficile da rimuovere dalla miscela di reazione.

Di tutti questi minerali, il rutilo e ilmenite sono i più utilizzati commercialmente e industrialmente per il loro alto contenuto di TiO ₂ ; cioè sono ricchi di titanio.

Processo Kroll

Selezionando uno qualsiasi dei minerali come materia prima, il TiO ₂ in essi deve essere ridotto. Per fare ciò, i minerali, insieme al carbone, vengono riscaldati a fuoco vivo in un reattore a letto fluido a 1000 ° C. Lì, il TiO ₂ reagisce con il cloro gassoso secondo la seguente equazione chimica:

TiO ₂ (s) + C (s) + 2Cl ₂ (g) => TiCl ₄ (l) + CO ₂ (g)

TiCl ₄ è un liquido incolore impuro, poiché a quella temperatura si scioglie insieme ad altri cloruri metallici (ferro, vanadio, magnesio, zirconio e silicio) originati dalle impurità presenti nei minerali. Pertanto, TiCl _{4 viene} quindi purificato mediante distillazione frazionata e precipitazione.

Una volta purificato, il TiCl ₄ , una specie più facile da ridurre, viene versato in un contenitore di acciaio inossidabile a cui viene applicato un vuoto per rimuovere ossigeno e azoto, e riempito con argon per garantire un'atmosfera inerte che non intacca il titanio. prodotto. Nel processo viene aggiunto magnesio, che reagisce a 800 ° C secondo la seguente equazione chimica:

TiCl ₄ (l) + 2Mg (l) => Ti (s) + 2MgCl ₂ (l)

Il titanio precipita come un solido spugnoso, che viene sottoposto a trattamenti per purificarlo e dargli forme solide migliori, oppure viene utilizzato direttamente per la fabbricazione di minerali di titanio.

Reazioni

Con l'aria

Il titanio ha un'elevata resistenza alla corrosione grazie a uno strato di TiO ₂ che protegge l'interno del metallo dall'ossidazione. Tuttavia, quando la temperatura supera i 400 ° C, un sottile pezzo di metallo inizia a bruciare completamente per formare una miscela di TiO ₂ e TiN:

Ti (s) + O ₂ (g) => TiO ₂ (s)

2Ti (s) + N ₂ (g) => TiN (s)

Entrambi i gas, O ₂ e N ₂ , sono logicamente nell'aria. Queste due reazioni si verificano rapidamente una volta che il titanio si è surriscaldato. E se si trova sotto forma di polvere finemente suddivisa, la reazione è ancora più vigorosa, rendendo il titanio allo stato solido altamente infiammabile.

Con acidi e basi

Questo strato di TiO ₂ -TiN non solo protegge il titanio dalla corrosione, ma anche dall'attacco di acidi e basi, quindi non è un metallo facile da sciogliere.

Per ottenere ciò, è necessario utilizzare acidi altamente concentrati e portarli a ebollizione, ottenendo una soluzione di colore viola che è il prodotto dei complessi acquosi del titanio; ad esempio, ⁺³ .

Tuttavia, esiste un acido che può dissolverlo senza molte complicazioni: acido fluoridrico:

2Ti (s) + 12HF (aq) 2 ^3- (aq) + 3H ₂ (g) + 6H ⁺ (aq)

Con alogeni

Il titanio può reagire direttamente con gli alogeni per formare i rispettivi alogenuri. Ad esempio, la tua reazione allo iodio è la seguente:

Ti (s) + 2I ₂ (s) => TiI ₄ (s)

Allo stesso modo con fluoro, cloro e bromo, dove si forma una fiamma intensa.

Con forti ossidanti

Quando il titanio è finemente suddiviso, non solo è soggetto ad accensione, ma anche a reagire vigorosamente con forti agenti ossidanti alla minima fonte di calore.

Parte di queste reazioni viene utilizzata per la pirotecnica, poiché vengono generate scintille bianche luminose. Ad esempio, reagisce con il perclorato di ammonio secondo l'equazione chimica:

2Ti (s) + 2NH ₄ ClO ₄ (s) => 2TiO ₂ (s) + N ₂ (g) + Cl ₂ (g) + 4H ₂ O (g)

rischi

Titanio metallizzato

La polvere di titanio è un solido altamente infiammabile. Fonte: W. Oelen

Il titanio metallico di per sé non rappresenta alcun rischio per la salute di chi ci lavora. È un solido innocuo; A meno che non sia macinato come una polvere di particelle fini. Questa polvere bianca può essere pericolosa a causa della sua elevata infiammabilità, menzionata nella sezione reazioni.

Quando il titanio è macinato, la sua reazione con l'ossigeno e l'azoto è più veloce e più vigorosa e può persino bruciare in modo esplosivo. Ecco perché rappresenta un terribile rischio di incendio se dove viene immagazzinato viene colpito dalle fiamme.

Durante la combustione, il fuoco può essere spento solo con grafite o cloruro di sodio; mai con l'acqua, almeno per questi casi.

Allo stesso modo, il loro contatto con gli alogeni dovrebbe essere evitato a tutti i costi; vale a dire, con qualsiasi perdita gassosa di fluoro o cloro, o interagendo con il liquido rossastro di cristalli di bromo o iodio volatile. Se questo accade, il titanio prende fuoco. Né deve entrare in contatto con agenti ossidanti forti: permanganati, clorati, perclorati, nitrati, ecc.

In caso contrario, i suoi lingotti o leghe non possono rappresentare rischi maggiori dei colpi fisici, poiché non sono ottimi conduttori di calore o elettricità e sono piacevoli al tatto.

Nanoparticelle

Se il solido finemente suddiviso è infiammabile, lo sarà ancor di più di quello costituito da nanoparticelle di titanio. Tuttavia, il punto centrale di questa sottosezione è dovuto alle nanoparticelle di TiO ₂ , che sono state utilizzate in infinite applicazioni dove meritano il loro colore bianco; come dolci e caramelle.

Sebbene il suo assorbimento, distribuzione, escrezione o tossicità nel corpo non sia noto, è stato dimostrato che sono tossici negli studi sui topi. Ad esempio, hanno dimostrato che genera enfisema e arrossamento nei polmoni, così come altri disturbi respiratori nel loro sviluppo.

Per estrapolazione dai topi a noi, si conclude che la respirazione delle nanoparticelle di TiO ₂ influisce sui nostri polmoni. Possono anche alterare la regione dell'ippocampo del cervello. Inoltre, l'Agenzia internazionale per la ricerca sul cancro non li esclude come possibili agenti cancerogeni.

applicazioni

Pigmento e additivo

Parlare degli usi del titanio si riferisce necessariamente a quello del suo composto biossido di titanio. Il TiO ₂ copre infatti circa il 95% di tutte le applicazioni riguardanti questo metallo. Le ragioni: il suo colore bianco, è insolubile e non è tossico (per non parlare delle nanoparticelle pure).

Ecco perché viene solitamente utilizzato come pigmento o additivo in tutti quei prodotti che richiedono colorazioni bianche; come dentifricio, medicinali, caramelle, carta, gemme, vernici, plastica, ecc.

Rivestimenti

TiO ₂ può anche essere utilizzato per creare pellicole per rivestire qualsiasi superficie, come vetro o strumenti chirurgici.

Avendo questi rivestimenti, l'acqua non può bagnarli e scorre su di essi, come farebbe la pioggia sui parabrezza delle auto. Gli strumenti con questi rivestimenti potrebbero uccidere i batteri assorbendo i raggi UV.

L'urina o la gomma da masticare del cane non possono essere fissate su asfalto o cemento per l'azione del TiO ₂ , che ne faciliterebbe la successiva rimozione.

Crema solare

TiO2 è uno dei componenti attivi della protezione solare. Fonte: Pixabay.

E infine, per quanto riguarda il TiO ₂ , è un fotocatalizzatore, in grado di originare radicali organici che, però, vengono neutralizzati da film di silice o di allumina nelle creme solari. Il suo colore bianco indica già chiaramente che deve avere questo ossido di titanio.

Industria aerospaziale

Le leghe di titanio sono utilizzate per realizzare grandi aeroplani o navi veloci. Fonte: Pxhere.

Il titanio è un metallo dotato di notevole resistenza e durezza in relazione alla sua bassa densità. Questo lo rende un sostituto dell'acciaio per tutte quelle applicazioni in cui sono richieste velocità elevate o sono progettati aeromobili con apertura alare di grandi dimensioni, come l'aereo A380 nell'immagine sopra.

Ecco perché questo metallo ha molti usi nell'industria aerospaziale, poiché resiste all'ossidazione, è leggero, forte e le sue leghe possono essere migliorate con gli additivi esatti.

Sport

Non solo nell'industria aerospaziale il titanio e le sue leghe sono al centro della scena, ma anche nell'industria sportiva. Questo perché molti dei loro utensili devono essere leggeri in modo che chi li indossa, giocatori o atleti, possano maneggiarli senza sentirsi troppo pesanti.

Alcuni di questi articoli sono: biciclette, bastoni da golf o da hockey, caschi da calcio, racchette da tennis o da badminton, spade da scherma, pattini da ghiaccio, sci, tra gli altri.

Inoltre, sebbene in misura molto minore a causa del suo costo elevato, il titanio e le sue leghe sono stati utilizzati nelle auto di lusso e sportive.

Pirotecnica

Il titanio macinato può essere miscelato, ad esempio, con KClO ₄ e servire da fuoco d'artificio; che in effetti, chi li fa negli spettacoli pirotecnici lo fa.

Medicinale

Il titanio e le sue leghe sono i materiali metallici per eccellenza nelle applicazioni biomedicali. Sono biocompatibili, inerti, resistenti, difficili da ossidare, non tossici e si integrano perfettamente con l'osso.

Questo le rende molto utili per impianti ortopedici e dentali, per articolazioni artificiali dell'anca e del ginocchio, come viti per riparare fratture, per pacemaker o cuori artificiali.

Biologico

Il ruolo biologico del titanio è incerto e, sebbene sia noto che può accumularsi in alcune piante e favorire la crescita di alcune colture agricole (come il pomodoro), i meccanismi in cui interviene sono sconosciuti.

Si dice che promuova la formazione di carboidrati, enzimi e clorofille. Si ipotizza che sia dovuto ad una risposta degli organismi vegetali difendersi contro le basse concentrazioni biodisponibili di titanio, poiché per loro dannosi. Tuttavia, la questione è ancora nell'oscurità.

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