Titan ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Ti und der Ordnungszahl 22. Es gehört zu den Übergangsmetallen. Leicht, fest, dehnbar, weiß-metallisch glänzend und korrosionsbeständig ist es besonders für hochmobile und korrosive Anwendungen geeignet.

Geschichte

Titan wurde 1791 in England durch den Geistlichen und Amateurchemiker William Gregor im Titaneisen bemerkt. Mehrere Jahre später entdeckte es der deutsche Chemiker Heinrich Klapproth im Rutilerz erneut. 1795 benannte er das neue Element Titan.

Reines Titanmetall (99,9 %) stellte 1910 erstmals Matthew A. Hunter her, indem er in einer Stahlbombe Titantetrachlorid mit Natrium auf 700 bis 800 °C erhitzte.

Erst die Einführung der großtechnisch durchgeführten Reduktion von Titantetrachlorid mit Magnesium (Kroll-Prozess durch William Justin Kroll 1946) erschloss das Titan für kommerzielle Anwendungen.

Vorkommen

Titan kommt in der Lithosphäre nur in Verbindungen mit Sauerstoff als Oxid vor. Es ist keineswegs selten, steht es doch an 10. Stelle der Elementhäufigkeit. Meist ist es aber nur in geringer Konzentration vorhanden.

Wichtige Mineralien sind :

• Ilmenit (Titaneisenerz) FeTiO₃
• Leukoxen, ein eisenarmes Ilmenit
• Rutil TiO₂
• Titanit (Sphen) CaTi^*O
• Titanate wie Bariumtitanat (BaTiO₃)
• Begleiter in Eisenerzen

Die Hauptvorkommen liegen in Australien, Skandinavien, Nordamerika und Malaysia.

Meteoriten können Titan enthalten. In der Sonne und in Sternen der Spektralklasse M wurde ebenfalls Titan nachgewiesen. Gesteinsproben der Mondmission Apollo 17 enthielten bis zu 12,1 % TiO₂. Auch in Kohlenaschen, Pflanzen und im menschlichen Körper ist es enthalten.

Gewinnung

Meist vom Ilmenit oder Rutil ausgehend wird angereichertes Titandioxid mit Chlor zu Titantetrachlorid in der Hitze umgesetzt. Anschließend erfolgt eine Reduktion zum Titan durch flüssiges Magnesium (Kroll-Prozess nach William Justin Kroll). Zur Herstellung von bearbeitbaren Legierungen muss der erhaltene Titanschwamm im Vakuum-Lichtbogenofen umgeschmolzen werden.

Eigenschaften

In verdünnter Schwefelsäure, Salzsäure, chloridhaltigen Lösungen und den meisten organischen Säuren ist Titan beständig. Wegen der Explosionsgefahr sind bei Anwendungen in Chlorgas die Betriebsbedingungen strikt einzuhalten.

Die mechanischen Eigenschaften und das korrosive Verhalten lassen sich durch meist geringfügige Legierungszusätze von Aluminium, Vanadium, Mangan, Molybdän, Palladium, Kupfer, Zirkonium und Zinn erheblich steigern.

Durch Beschuss mit Deuterium wird Titan radioaktiv. Es emittiert dann Positronen und Gammastrahlung. Unterhalb von 880 °C liegt Titan in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung vor. Oberhalb von 880 °C bildet sich eine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur aus.

Besondere Erwähnung muss Titandioxid als Farbpigment finden. Es zeichnet sich durch eine extrem hohe "Weißkraft" aus und ist wegen seiner Ungiftigkeit als Lebensmittelzusatz E171 zugelassen.

In wässriger Lösung sind die Aqua-Ionen des Titan(IV) als wasserreiches Titandioxid anzusehen. Bedingt durch die hohe Polarisation der O-H Bindung existieren keine Verbindungen der Zusammensetzung ^*4+.

Verbindungen

Während metallisches Titan wegen der hohen Herstellungskosten oft anspruchsvollen technischen Anwendungen vorbehalten bleibt, ist das preiswerte und ungiftige Farbpigment Titandioxid (Titanweiß; in Lebensmitteln auch unter dem Namen E 171 zu finden) ein Begleiter des alltäglichen Lebens geworden. Praktisch alle heutigen weißen Kunststoffe und Farben, auch Lebensmittelfarben, enthalten Titandioxid. Aber auch im Bereich der Elektro- und Werkstofftechnik werden Titanverbindungen eingesetzt.

• Bariumtitanat, BaTiO₃
• Titan(III)-chlorid, TiCl₃
• Titanborid, TiB
• Titancarbid, TiC
• Titannitrid, TiN
• Titan(IV)-chlorid, TiCl₄
• Titan(IV)-oxid (Titanweiß), TiO₂
• Titan(IV)-oxidsulfat (Titanylsulfat), TiOSO₄
• Ferrotitan
• Nitinol, ein Memory-Metall

Verwendung

• Anwendungen in Seewasser und chloridhaltigen Medien:
  • Propellerteile wie Wellen, sowie Verspannungen für maritime Anwendungen
  • Einbauteile in Meerwasserentsalzungsanlagen
  • Bauteile für die Eindampfung von Kaliumchlorid-Lösungen
  • Anoden von HGÜ-Seekabelübertragungen
  • Tauchermesser mit Titan- oder Titanlegierungsklingen

• Verwendungen im Outdoor-Bereich
  • (Taucher-)Messer mit Titan- oder Titanlegierungsklingen, ebenso Essbestecke
  • als Zeltheringe (geringes Gewicht trotz hoher Festigkeit)

• Herstellung relativ weicher künstlicher Edelsteine
• Titansaphire dienen als Laserkristall in ultrakurz pulsbaren Lasern (fs-Bereich)
• als Titantetrachlorid zur Herstellung von Glasspiegeln und künstlichem Nebel
• Bildung von intermetallischen Phasen (Ni₃Ti) in hochwarmfesten Nickellegierungen
• supraleitende Niob-Titan-Legierungen (z.B. als supraleitende Kabel in Magneten von HERA bei DESY)
• in der Pyrotechnik
• Verschleißteile in Lötanlagen, direkter Kontakt mit Elektrolot bis 500 °C
• Federn in Fahrgestellen von Kraftfahrzeugen
• als Biomaterial für Implantate in der Medizintechnik und Zahnheilkunde (Zahnimplantate, jährlich ca. 200.000 Stück allein in D) wegen seiner sehr guten Korrosionsbeständigkeit im Gegensatz zu anderen Metallen. Eine immunologische Abstoßungsreaktion gibt es nicht. Auch bei Zahnkronen und Zahnbrücken wird es wegen der erheblich niedrigeren Kosten im Vergleich zu Goldlegierungen verwendet. In der chirurgischen Orthopädie bei metallischen Beinprothesen (künstliche Hüftendoprothesen)und Hüftkopfersatz, Kniegelenksersatz nach Arthrose wird es massenhaft eingesetzt.
• als Werkstoff
• über 90 % der Titanerzförderung wird hauptsächlich nach dem Chlorid- und im geringeren Maße nach dem Sulfatverfahren zu Titandioxid verarbeitet
• Schmuck aus Titan
• in Flugzeugen und Raumschiffen für besonders beanspruchte Teile, die trotzdem leicht sein müssen
• bei hochwertigen Fahrrädern in Verbindung mit Aluminium und Vanadium als Rahmenmaterial
• bei Golfschlägern als Schlägerkopf
• in Dampfturbinen für die am stärksten belasteten Schaufeln des Niederdruckteiles

Verbindungen des Titans mit Bor, Kohlenstoff oder Stickstoff finden Verwendung als Hartstoffe. Auch zur Herstellung von Cermets, Verbundwerkstoffen aus Keramik und Metall, werden Titanverbindungen eingesetzt.

Normen

Titan und Titanlegierungen sind unter anderem genormt in:

• DIN 17850, Ausgabe:1990-11 Titan; Chemische Zusammensetzung
• ASTM B348 - 03: Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy, Bars and Billets
• ASTM B 265 - 03: Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy, sheets and plates

Sicherheitshinweise

Titantetrachlorid wird in Nebelkerzen und Nebelgranaten eingesetzt; es reagiert mit der Luftfeuchte und bildet einen weißen Rauch aus Titandioxid, außerdem Salzsäurenebel.

Im Körpergewebe neigt Titan zur Anreicherung. Eine biologische Rolle des Titans im menschlichen Körper ist zur Zeit nicht bekannt.

Weblinks

• Abbildung in der Elementansammlung von Heinrich Pniok
• Titan - Herstellung und Anwendung (mit Abbildungen)
• Periodensystem für den Schulgebrauch (zahlreiche Illustrationen)

Chemisches Element | Gruppe-4-Element | Periode-4-Element | Übergangsmetall

Titaan | Титан (елемент) | Titani | Titan | Titanium | Titanium | Titano (elemento) | Titanio | Titaan | Titaani | Titane | טיטניום | Titán (elem) | Titanium | Titanio | Títan | Titanio | チタン | 타이타늄 | Tîtanyûm | Titanas | Titāns | Titanium | Grunnstoffet titan | Titan (grunnstoff) | Titani | Tytan (pierwiastek) | Titânio | Титан (элемент) | Titan (element) | Титанијум | Titan (grundämne) | ไทเทเนียม | Титан | Titan | 钛