Titaani kestääkorroosiota erittäin hyvin. Happi-ilmakehässä se muodostaa pinnalleen inertin oksidikerroksen, joka kestää laimeaa rikki- jasuolahappoa, orgaanisia happoja jaklooria. Titaani on lähes yhtä lujaa kuinteräs, mutta 45 % kevyempää. Se on 60 % painavampaa kuinalumiini, mutta kaksi kertaa vahvempaa. Titaani on myös erittäin väsymiskestävää ja sillä on korkeasulamispiste.
Titaani palaa normaali-ilmakehässä (> 610 °C) muodostaentitaanidioksidia. Hapettumaton titaanipinta palaa jo huoneenlämmössä välittömästi paljastuessaan, esimerkiksi titaanikappaleen murtuessa, jolloin saatetaan nähdä jopa valonvälähdys. Syntynyt lämpö ei yleensä riitä sytyttämään koko kappaletta. Reaktioherkkyyden vuoksi lastuamisnopeus on pidettävä hitaana. Titaani on myös niitä harvoja aineita, jotka reagoivattypen kanssa (> 800 °C), jolloin muodostuutitaaninitridiä. Ominaisuus tekee titaanista vaikeanhitsattavan. Titaania onkin hitsattava typpeä sisältämättömässä suojakaasussa.
Titaani on kiiltävä ja hopeinen metalli. Sen sulamispiste on korkea (1 668 °C). Senkiderakenne on normaalisti heksagonaalinen, ja se muuttuu tilakeskeiseksi kuutioksi 882 asteessa. Muihin metalleihin verrattuna titaani ei ole hyvä sähkön- tai lämmönjohdin. Se onparamagneettinen.[3][4] Titaani on kylmänä melko haurasta, mutta lämmityksen jälkeen sen muokattavuus paranee huomattavasti.[5][6] Titaani onsuprajohde, jonka kriittinen lämpötila on 0,49 K.[7]
Luonnontitaanissa esiintyy viittäisotooppia: Ti-46, Ti-47, Ti-48, Ti-49 ja Ti-50. Ti-48 on yleisin (73,8 %). Yhtätoista radioaktiivista isotooppia on valmistettu, ja niistä vakain on Ti-44, jonkapuoliintumisaika on 63 vuotta. Ti-45-isotoopin puoliintumisaika on 184,8 minuuttia, Ti-51:n 5,76 minuuttia ja Ti-52:n 1,7 minuuttia. Muiden isotooppien puoliintumisajat ovat alle 33 sekuntia ja suurimman osan alle puoli sekuntia.
Titaanin isotoopeilla ei ole merkittäviä sovelluskohteita.[6]
Titaanin höyrystymisen, sulamisen ja atomisoitumisen energiat ovat melko korkeita, mikä johtuud-orbitaalin elektronista, joka muodostaa vahvoja metallisidoksia.[9]
Titaani reagoi, erityisesti korkeissa lämpötiloissa, voimakkaastihapen,vedyn jatypen kanssa ja on tätenpyroforinen. Happi muodostaa titaanin päälle ohuen ja tiheäntitaanidioksidikalvon, joka tekee titaanista erittäinkorroosion kestävän. Tällöin titaani ei reagoi huoneenlämmössä muutoin kuinvetyfluoridin kanssa, mutta emäkset eivät edes lämpiminä reagoi titaanin kanssa. Titaani liukenee väkeviin happoihin, mutta ei veteen.[3][10]
Titaanin tärkeinhapetusaste on +IV. Titaani muodostaa tällöin paljon erilaisiakomplekseja, joissa onligandina joko fluoroja tai happea tai typpeä sisältäviä aineita. Vaikka yleensä titaani muodostaakoordinaatioluvulla kuusi komplekseja, niin myös koordinaatioluvulla kahdeksan tunnetaan yhdisteitä. Titaanilla on myös hapetusaste +III, joka on helppoa saada pelkistämällä sinkillä laimeassa happoliuoksessa tai elektrolyyttisesti hapetusasteelta +IV.[10]
Titaanin ei ole todettu olevan vaarallista ihmiselle, eikä sillä ole myöskään terveysvaikutuksia.[6]
Teollisesti merkittävin titaanin yhdiste ontitaanidioksidi. Titaani muodostaa myös muita oksideja hapetusastella +III, +II ja +I. Titaanilta tunnetaan myös sulfidiTiS2.[11]
Titaani muodostaatetrahalideja kaikkien neljän yleisimmänhalogeenin kanssa. Halidit ovat erivärisiä ja niiden ominaisuudet vaihtelevat jonkin verran. Tetrakloridi ja -bromidi voidaan valmistaa kuumentamalla titaanidioksidia hapettimen, esimerkiksihiilen, läsnä ollessa ja johtamalla siihenkloori- taibromikaasua. Tetrafluoridi saadaan, kun vedetön HF reagoititaanitetrakloridin kanssa. Tetrajodidi saadaan muodostettua, kun titaanidioksidia kuumennetaan alumiinitrijodidin läsnä ollessa. Kaikki tetrahalidit ovat tetrahedraalisia ja toimivatLewis-happoina. Halidit ovat reaktiivisia veden kanssa muodostaen titaanidioksidia ja happoa. Titaanille on muodostettu myös trihalideja kaikkien halogeenien kanssa ja dihalideja kloorin, bromin jajodin kanssa.[12]
Titaanille on tuotettu huomattava määrä kompleksiyhdisteitä hapetusasteella +IV, jolloin koordinaatioluku 6 on yleisin, mutta 7 ja 8 ovat myös mahdollisia. Titaani muodostaa kompleksin yleensä typen tai hapen välityksellä. Yleisimpiä ovat titaaninalkoksidikompleksit, jossa titaanitetrakloridi reagoi alkoholin kanssa. Titaani muodostaa myös hapetusasteella +III komplekseja, mutta alemmilla hapetusluvuilla kompleksien muodostaminen on vaikeampaa.[13]
Maankuoresta titaania on noin 0,63 prosenttia, ja se on yhdeksänneksi yleisin alkuaine ja toiseksi yleisintransitiometalli raudan jälkeen. Vaikka ryhmän IV alkuaineet ovat yleisiä, niin niitä ei esiinny puhtaana luonnossa, vaan niitä löytyy monista oksideista ja silikaateista. Titaanin tärkeimmät malmit ovat ilmeniitti ja rutiili. Tärkeimmät esiintymät sijaitsevat Kanadassa, Yhdysvalloissa, Skandinaviassa, Australiassa ja Malesiassa.[16]
Titaanin valmistamisen ongelma on sen voimakas reaktiokyky ilman hapen ja typen kanssa. Hapettaminen alkaalimetallien tai maa-alkaalimetallien kanssa ei poista kaikkea happea ja hiilen kanssa muodostuukarbideja. Myöhemmin titaania on valmistettu pelkistämällä titaanitetrakloridia esimerkiksikalsiumin jamagnesiumin avulla. Tämän prosessin kustannukset ovat melko korkeat, mutta se on edelleen käytetyin teollisuudessa ja tunnetaan Krollin metodina. Alla on esitetty reaktioyhtälöt tästä prosessista. Lämpötila kummassakin reaktiossa on 900 Celsiusastetta.[17]
2 FeTiO3 + 7 Cl2 + 6 C → 2 TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 CO
Tämän jälkeen titaanitetrakloridi erotetaantislaamalla.Inertissä ympäristössä (yleensä argon):
TiCl4 + 2 Mg → Ti + 2 MgCl2
Tämä tuoteseos voidaan puhdistaa tislaamalla ja pesemälläkuningasvedellä.[18]
Titaania tuotetaan noin 120 000 tonnia vuosittain. 100 grammaa täysin puhdasta titaania maksaa noin 540 euroa. Elokuussa 2011 ferrotitaanimalmi maksoi noin 6 euroa kilolta. Metallinen titaaniharkko (puhtain teollisuudessa käytetty standardilaatu Grade 1, puhtaus 99,5 %) maksoi vuonna 2011 keskimäärin 9,4 euroa/kilo Rotterdamin metallipörssissä.[18][19][20][21]
Titaanin tiheys on suhteellisen pieni, mutta sillä on hyvät mekaaniset ominaisuudet.Alumiinin taitinan kanssa yhdistetynlejeeringin voimakkuus-massa-suhde on hyvin korkea. Muita yleisiä lejeerinkimetalleja ovat rauta,vanadiini,kupari,koboltti ja mangaani.Teräksen korroosion kestävyyttä voidaan lisätä lisäämällä titaania seokseen.[3][6][16]
Titaania käytetään moottoreissa, mutta sen tärkein käyttökohde on ilmailuteollisuudessa. Lentokoneisiin ja avaruusaluksiin käytetäänkin kaksi kolmasosaa tuotetusta titaanista. Titaania käytetään tekonivelissä sekä luunmurtumien korjaamisessa tarvittavissa levyissä ja ruuveissa. Titaania käytetään panssareissa ja muissa suojissa. Titaania käytetään myös rakennusteollisuudessa, urheiluvälineissä (golfmailat), tietokoneissa ja kelloissa. Laivateollisuus hyödyntää titaanin hyvää korroosion kestävyyttä laivojen rungoissa ja potkureissa. Petrokemian ja kemian teollisuus käyttää titaania putkistoissa ja tuotantovälineissä.[3][6][17][19][22]
Noin 95 % kaikesta käytetystä titaanista käytetääntitaanidioksidina. Titaanidioksidia käytetään maali-, muovi- ja paperiteollisuudessa. Titaanidioksidi antaa maaleille valkoisen värin ja sillä on korvattu myrkyllinenlyijykarbonaatti. Titaanidioksidia käytetään myös paperi- ja muoviteollisuudessa tekemään materiaaleista läpinäkymättömiä. Titaanidioksidi ei läpäise valoa, ja sitä käytetään myös aurinkovoiteissa ja makeisissa. Suomessa titaanioksidia valmistiPorin titaanidioksiditehdas . Titaanisulfaattia käytetään tekstiilien kuivaamiseen.[5][6][22][23]
Titaania käytetään katalyyttinäalkeenienpolymeroinneissa. 1950-luvulla kehitettiin Ziegler-Nattana tunnettu menetelmä, jossa titaani toimii keskusatomina. Myöhemmin on kehitettymetalloseeneja, joiden alkeellisimmissa komplekseissa titaani on kahdensyklopentadieenin välissä.[14]
Titaanikuorinen kello
Vaikka metallinen titaani on lujuudessa teräkseen verrattavissa, senkimmokerroin on vain noin puolet teräksen vastaavasta. Tämän vuoksi pyrittäessä samaanjäykkyyteen kuin teräsrakenteissa, joudutaan titaanin kanssa käyttämään suurempaa ainepaksuutta, jolloin menetetään osa titaanin keveyden tuomasta edusta.Koneenrakennuksessa jäykkyys on usein mitoituksessa määräävämpi ominaisuus kuin lujuus. Kun lisäksi titaanintyöstäminenkin on kallista, niin käyttökohteiksi ovat tulleet vaativat sovellukset, joissahaponkestävän teräksen kemiallinen kestävyys ei riitä ja joissa vaaditaan lisäksi keveyttä.
Titaanin käyttökohteita:
Prosessiteollisuuden putkistot, lämmönvaihtimet javenttiilit, joissa merivettä käytetään lauhdutukseen, esimerkiksi voimalaitokset ja suolanpoistolaitokset, ydinvoimaloiden putkistot, etikkahappolaitokset, klooritehtaat, paperi- ja lannoiteteollisuus
Merenalaisissa kohteissa kauko-ohjattavien laitteiden rungot ja välineet (kestävät jopa 3 000 m:n syvyyteen), seurantalaitteiden kotelot, prosessilaitteet ja työkalut, sukellusvälineiden osat
Avomeriteollisuudessa porauslauttojen ja alusten pakokaasuputkistot, jäähdytys- ja palokaluston putkistot, joissa suolapitoisuus on korkea
Kilpa-autoissa titaanille on monia käyttökohteita, kuten jousitus ja monet moottorin liikkuvat osat; muun muassaventtiilit,kiertokanget ja männäntapit.
Keveyden ja lujuuden ansiosta sitä käytetään ilmailusovelluksissa, mutta myös kuluttajatuotteissa kuten golf-mailoissa,polkupyörissä jakannettavissa tietokoneissa.
Kaksi kolmasosaa titaanimetallista käytetään lentokoneisiin. Yli puolet titaanidioksidista menee maaleihin.
Lääketieteellisissä sovelluksissa, esimerkiksiimplanteissa, koska elimistönhylkimisreaktio titaania kohtaan on pieni. Samasta syystä sitä käytetään koruissa, esimerkiksi lävistyskorut.
Titaania on käytetty 1950-luvulta lähtien kirurgiassa murtuneiden luiden yhteen kiinnittämiseen. Polven ja lonkan tekonivelet ja myös kallonmurtuman paikkalevyt ovat titaania.
Titaania käytetään seosaineenateräksissä jaalumiineissa. Teräksessä titaania käytetääntitaaninitridinäkiteiden kasvun säätämiseen,boorin suojaamiseen typeltä, sekä mikroseosaineena titaanikarbidinmuodostajana.
Titaanimetallin kierrättämisestä on tullut tärkeä titaaniraaka-aineen lähde. Jos jätteestä halutaan tehdä puhdasta titaania, sitä pitää käsitellä uudelleen poistamalla pinnalle syntyneet kuona-aineet. Käsittelemätöntäkin titaanijätettä voidaan käyttää metalliseosten valmistamiseen. Yhdysvalloissa jätteestä tuotetaan noin 40 % titaaniraaka-aineesta, Euroopassa vain noin 10–30 %.[24]
Titaania myydään neljässä eri laatuluokassa, joissa sen puhtaus vaihtelee. Puhtausluokan 1 titaanissa on painosta enintään 0,12 % happea ja neljännessä puhtausluokassa happipitoisuus on kasvanut 0,35 prosenttiin. Luokan 1 titaani on pehmeintä ja se sopii ominaisuuksiltaan esimerkiksi syvävetoon, teräsreaktoreiden pinnoitteeksi ja sähkötekniikkaan. Puhtausluokan 2 titaani on laajimmin käytetty titaanilaatuluokka kun taas luokan 3 titaania käytetään lähes ainoastaan painesäiliöissä. Laatuluokan 4 titaani on vahvinta ja sitä käytetään esimerkiksi lentokoneteollisuudessa.[24]
Titaanin korroosiokestävyys johtuu lujasta, ohuesta ja tiheästä oksidipinnoitteesta, joka syntyy metallin pinnalle. Oksidikerroksen paksuus riippuu siitä, kuinka pitkään titaani on altistunut hapelle. Normaalipaineessa ja huoneen lämpötilassa oksidikerros saavuttaa kahdessa tunnissa 1,7 nm paksuuden, 40 päivässä 3,5 nm paksuuden ja 4 vuodessa 25 nm paksuuden. Pelkistävissä olosuhteissa titaani ei ole yhtä korroosionkestävä. Korroosionkestävä oksidikerros tuhoutuu täysin vedettömissä olosuhteissa kuten kuivakloorissa. Titaanin korroosiokestävyyttä voidaan nostaa lisäämällä siihenjalometalleja, kuten esimerkiksipalladiumia.[24]
Lockheedin pohtiessa 1960-luvun alussavedyn käyttämistä lentokoneen polttoaineena havaittiin titaanin hauraus kylmänä. Kylmähaurauden lisäksi vety kulkeutuu titaanin kiteiden raerajoille ja tekee siitä lasimaisen hauraan. Ilmiö voi aiheutua myös titaanin työstön koneistusnesteistä. Hiilikuiturakenteissa titaanin ja hiilikuidun kontakti pitää estää titaanin galvaanisen korroosion estämiseksi.
Vety haurastuttaa titaanin, mutta toisaalta titaanijauhe kykenee varastoimaan itseensä suuren määrän vetyä.
Titaaninlämpölaajenemiskerroin on pieni, samaa luokkaa kuinlasin. Titaania voidaan jopa hitsata yhteen lasin kanssa, mitä ominaisuutta on hyödynnetty joissakin laboratoriosovelluksissa.
↑Michael T. Wieser & Tyler B. Coplen: Atomic Weights of the Elements 2009 (IUPAC technical report). Pure and Applied Chemistry, 2011, 83. vsk, nro 2. IUPAC.Artikkelin verkkoversio. Viitattu 16.4.2011. (englanniksi)
