iso:isotopo NA: abbondanza in natura TD:tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento
Il titanio (dallatinoTitanus,Titano, nome del dodicesimo figlio diGea eUrano[3] tra i titani) fu scoperto nel 1791 dal reverendo, mineralogista e chimico britannicoWilliam Gregor, individuandolo senza isolarlo nelle rocce diilmenite della Cornovaglia; lo chiamò "menacanite", dal nome della Valle di Manaccan dove aveva raccolto i campioni di roccia.
Nel 1795, il chimico tedescoHeinrich Klaproth[3] lo isolò dai minerali dirutilo, dimostrò che era lo stesso minerale di W. Gregor e battezzò l'elemento con il nome dei titani dellamitologia greca.[3] Il titanio metallico puro (99,9%) venne preparato per la prima volta nel 1910 dall'ingegnereneozelandeseMatthew Albert Hunter tramite riscaldamento di TiCl4 con delsodio a 700-800 °C.
Il titanio metallico non venne usato al di fuori dei laboratori fino al 1946, quando l'ingegnerelussemburgheseWilliam Justin Kroll dimostrò che il titanio poteva essere prodotto commercialmente tramite riduzione del tetracloruro di titanio con ilmagnesio. Finora, questo è il metodo più usato e prende il nome diprocesso Kroll.
Il titanio è un elemento metallico ben conosciuto per la sua resistenza allacorrosione, quasi pari a quella delplatino, e per il suo alto rapporto tra resistenza e peso. È leggero, duro, con bassadensità. Allo stato puro è abbastanzaduttile, lucido, di colore bianco metallico. Tuttavia le leghe di titanio non sono facilmente lavorabili e la difficoltà di lavorazione alle macchine utensili è paragonabile a quella dell'acciaio inossidabile, notoriamente il più difficile da lavorare per asportazione di truciolo. Ilpunto di fusione relativamente alto di questo elemento lo rende utile come metallorefrattario. Il titanio è resistente come l'acciaio pur essendo il 40% più leggero, pesa il 60% in più dell'alluminio con resistenza doppia. Queste proprietà rendono il titanio molto resistente alle forme usuali difatica dei metalli.
Questo metallo forma una patina diossido passivo se esposto all'aria a temperatura ambiente e quando si trova in un'atmosfera libera da ossigeno è molto duttile. Il titanio brucia se riscaldato nell'aria o in atmosfera diazoto, reagendo anche con idrogeno e alogeni. Il titanio è resistente all'acido solforico diluito e all'acido cloridrico, oltre che ai gas dicloro, alle soluzioni dicloruri, alla maggior parte degliacidi carbossilici e gli alcali acquosi a caldo.
Esperimenti hanno mostrato che il titanio naturale diventa altamenteradioattivo se bombardato con nuclei dideuterio, emettendo principalmentepositroni eraggi gamma. Il metallo è dimorfico con forma alfa esagonale che diventa beta cubica molto lentamente, allatemperatura di circa880 °C. Quando raggiunge il colore rosso il titanio si combina con l'ossigeno e quando raggiunge i 550 °C si combina con il cloro.
Il titanio è il primo elemento conZ pari per il quale, per avere unisotopo stabile, occorre che ineutroni nelnucleo superino iprotoni (occorre cioè che sia:N >Z), cosa che si verifica nel suo primo isotopo stabile, il46Ti, che ha 22 protoni e 24 neutroni. L'ultimo elemento conZ pari ad avere un isotopo stabile (o almeno osservativamente stabile) conN =Z è ilcalcio con l'isotopo40Ca.
Dell'elemento titanio si conoscono almeno 26 isotopi, connumeri di massa che vanno daA = 38 adA = 63. Tra questi, gli isotopi naturali dell'elemento, tutti stabili, sono i cinque che seguono, con le loro abbondanze relative in parentesi:46Ti (8,25%),47Ti (7,44%),48Ti (73,72%),49Ti (5,41%) e50Ti (5,18%).[4]
Gli isotopi stabili del titanio partono da unnucleo (46Ti) avente un eccesso di 2neutroni rispetto aiprotoni e arrivano ad un nucleo (50Ti) con un eccesso di 6 neutroni, passando per il48Ti (il più abbondante) con eccesso di 4 neutroni.
I nuclidi di titanio aventiA dispari,47Ti e49Ti, sono i soli ad averespin nucleare (7/2- e 5/2-, rispettivamente) e in quanto tali sono assoggettabili allarisonanza magnetica nucleare e quindi rivestono importanza per la caratterizzazione chimica di composti e complessi del titanio.[11][12][13]
Il44Ti (spin 0), con un numero di protoni e neutroni uguale, non è stabile e decade per solacattura elettronica (ε) ascandio-44 (Q = 267,63 keV, T1/2 = 60,25 anni), che poi decade a sua voltaε/β+, ma principalmente in modalitàβ+ (94,3%, emissione dipositrone),[14] acalcio-44, stabile.[15]
Il45Ti (spin 7/2-), decadeε per il 15,2% dei casi e decadeβ+ per il restante 84,2% dei casi,[16] dandoscandio-45 (Q = 1,04 MeV, T1/2 = 3,08 ore), stabile.[17]
Poiché il titanio metallico può bruciare in atmosfera di azoto puro[20] e alle alte temperature reagisce facilmente con l'ossigeno e il carbonio, è difficoltoso preparare il titanio metallico puro. Il metallo si trova neimeteoriti ed è stato rintracciato nelSole e nelle stelle di classe M. Le rocce portate dallaLuna durante la missioneApollo 17 erano composte per il 12,1% di TiO2. Il titanio si trova inoltre nelle ceneri di carbone, nelle piante e anche nel corpo umano.
Una barra di titanio ultrapuro (99,995%) ottenuta tramite ilprocesso van Arkel-de Boer. La barra pesa circa283 g, ha una lunghezza di14 cm e un diametro di25 mm
Il primo processo di produzione commerciale del titanio è stato ilprocesso van Arkel-de Boer. Invece oggi il titanio viene ottenuto tramite riduzione diTiCl4 con ilmagnesio, un processo sviluppato nel 1946 daWilliam Justin Kroll, oppure colprocesso Hunter che è analogo al processo Kroll, ma effettuato consodio metallico. Questo processo è complicato e costoso, ma un nuovo procedimento, chiamato metodo "FFC-Cambridge" potrebbe rimpiazzarlo. Questo nuovo metodo usa come materiale di base la polvere di diossido di titanio, una forma raffinata di rutilo, per ottenere il prodotto finale, un flusso continuo di titanio fuso adatto all'utilizzo immediato per la manifattura di leghe.
Si spera che il metodo FFC-Cambridge renda il titanio un materiale meno raro e costoso per l'industria aerospaziale e il mercato dei beni di lusso, e che verrà impiegato in molti prodotti attualmente fabbricati con alluminio o acciai speciali.
All'incirca il 95% del titanio viene consumato in forma didiossido di titanio (TiO2) nellevernici, nellacarta e neicementi per renderli più brillanti, e nelleplastiche. Le vernici fatte con il biossido di titanio riflettono molto bene laradiazione infrarossa e sono quindi molto usate dagli astronomi.
Le leghe di titanio vengono utilizzate principalmente nell'industria aeronautica e aerospaziale, anche se il loro utilizzo in prodotti di consumo come mazze dagolf, biciclette, componenti motociclistici e computer portatili sta diventando sempre più comune. Il titanio viene spesso messo in lega conalluminio,ferro,manganese,molibdeno e altri metalli.
Il carburo di titanio (TiC; peso specifico 4,93; punto di fusione 2 940 °C) ilnitruro di titanio (TiN; peso specifico 5,40; punto di fusione 2 960 °C) e più recentemente, il derivato carbonitrurico (Ti10C7N3; peso specifico 5,02; punto di fusione 3 520 °C) sono composti altamente refrattari, inerti sotto le comuni condizioni di temperatura e resistenti all'attacco della maggior parte degli acidi minerali e alcali.
Per queste ragioni sono impiegati nella costruzione di utensili e macchinari che possiedono parti destinate alle alte velocità con attrito, nel rivestimento di crogioli per contenere acidi o basi molto forti e componenti di missili sottoposti a usura termica, ad esempio ugelli.
Altri impieghi:
Grazie all'eccellente resistenza all'acqua di mare e alle soluzioni saline in generale, viene usato per fabbricare parti dei propulsori marini e molto spesso anche nella fabbricazione delle casse degli orologi;
Un uso tecnologico molto importante, legato alla sua resistenza alle soluzioni saline, è come materiale metallico di contatto con i fluidi ad alta concentrazione salina negli impianti didissalazione dell'acqua marina;
Viene utilizzato per produrregemme artificiali relativamente morbide;
Iltetracloruro di titanio (TiCl4), un liquido incolore, viene usato per ottenere l'iridescenza del vetro e viene anche usato per la fabbricazione di fumogeni poiché emette un fumo denso nell'aria umida;
Oltre a essere un importante pigmento, il biossido di titanio viene impiegato nei filtri solari grazie alla sua capacità di proteggere la pelle;
Ha la proprietà di esserebiocompatibile, in quanto lo strato di ossido che forma in superficie è un valido supporto a cui i tessuti biologici aderiscono, in particolare quello osseo. Per questo motivo il titanio puro CP4 e la lega a base di titanio Ti6Al4V vengono utilizzati nelle componenti protesiche di anca e ginocchio, per la fabbricazione diclip chirurgiche da sutura permanente e inodontoiatria per la realizzazione diimpianti dentali[21]. Tuttavia, dato l'alto coefficiente di attrito, non viene mai utilizzato come componente di giunzione articolare;
Il suo essere inerte e la colorazione attraente lo rendono un metallo popolare per l'uso neipiercing.
Il titanio è utilizzato nelle montature degli occhiali[22];
Ilcarburo e ilnitruro di titanio (TiC e TiN) vengono utilizzati nella fabbricazione di inserti per utensili adatti al taglio dei metalli ad alta velocità, cioè i cosiddetti inserti in "metallo duro". In particolare il carburo di titanio viene utilizzato, insieme alcarburo di tungsteno (WC), alcobalto e ad altri carburi (carburo di niobio ecarburo di tantalio) per realizzare il corpo degli inserti, mentre il nitruro di titanio serve per il rivestimento superficiale degli inserti;
L'alluminuro di titanio, grazie alle doti di tenacità ad alte temperature, leggerezza e resistenza all'ossidazione sta lentamente iniziando a sostituire lesuperleghe base nichel nella produzione delle pale utilizzate nelle turbine dei motori aeronautici;
Facendo passare una corrente elettrica in strati sottili di nitruro di titanio a temperatura molto bassa si verifica un fenomeno detto disuperisolamento;
In alcune occasioni è stato utilizzato per la fabbricazione di penne stilografiche. Nel 1970, all'indomani dell'allunaggio, la Parker produsse per un breve periodo la T-1, una stilografica interamente in titanio, in omaggio ai materiali usati nella missione spaziale. Nel 2000 la casa produttrice italiana Omas produsse una serie di stilografiche del modello classico a dodici facce "arte italiana" interamente in titanio, sia il corpo sia il pennino. La serie venne denominata T-2 ed è stata commercializzata solo per un breve periodo.
Il titanio forma numerosi complessi soprattutto con numero di ossidazione +4, il massimo per il gruppo IV; sono tutti composti o complessi diamagnetici e il numero di coordinazione più comune per il Ti è il 6.
I principali sono l'ossido TiO2 e gli alogenuri TiX4 (X = F, Cl, Br, I). Fra questi, TiCl4 e TiBr4 sono importantiacidi di Lewis che si prestano bene a essere usati come catalizzatori insintesi organica. È noto anche ilnitruro TiN, molto duro e pressoché inerte, con punto di fusione 2950 °C.
Forma composti o complessi a numero di ossidazione +3 e anche +2 che si ossidano facilmente all'aria, specialmente i secondi. Forma anche complessi con numero di ossidazione formale 0, ad esempio unmetallocarbonile in cui il Ti è complessato da 6 molecole di monossido di carbonio che non rispetta laregola dei 18 elettroni (formalmente 16 e), che può essere ridotto a ione [Ti(CO)6]2- (formalmente 18 e) in cui il numero di ossidazione formale di Ti è -2.
Gli ossidi possono essere ottenuti per reazione diretta del metallo con l'ossigeno ad alta temperatura. Gli alogenuri sono principalmente formati dall'azione di un alogeno sul biossido di titanio, hanno un comportamento di acido di Lewis per formare alogenocomplessi.
Si trovano in natura giacimenti di TiO2 cristallino, che prende nomi diversi a seconda della struttura cristallina che presenta, (rutilo, anatasio…).Altri minerali di titanio sono lailmenite (titanato di ferro, FeTiO2) e la titanite (titanato di calcio, CaTiO2)
Noto anche cometitania in ambito ceramico o mineralogico. Alcune forme cristalline (polimorfi) sono ilrutilo e l'anatasio. Anche se il metallo di titanio è relativamente poco comune a causa dei costi di estrazione, il diossido di titanio è economico, facilmente disponibile in grandi quantità e largamente utilizzato in campo industriale come pigmento bianco in vernici, plastiche ecemento da costruzione. La polvere di TiO2 è chimicamente inerte, non svanisce con la luce solare ed è molto opaca; ciò le permette di impartire un colore bianco brillante alle sostanze chimiche grigie o marroni che formano le plastiche normalmente usate.
^ N. N. Greenwood e A. Earnshaw,Titanium, Zirconium and Hafnium, inChemistry of the Elements, 2ª ed., Butterworth-Heinemann, 1997, p. 958,ISBN0750633654.
