Titan                         22Ti

 

 

Name

   
relative Atommasse: 47,867  
Ordnungszahl: 22
Schmelzpunkt: 1668 °C 
Siedepunkt: 3262 °C 
Oxidationszahlen: (+2, +3); meist +4
Dichte: 4,54 g/cm³ 
Härte (Mohs): 3-4
Elektronegativität (Pauling): 1,54
Atomradius: 144,8
Elektronenkonfiguration: [Ar]3d24s2

 

Eigenschaften

 

Als reines Element liegt Titan als silberweiß glänzendes, gut dehn- und schmiedbares Leichtmetall vor, dass sich durch hervorragende mechanische Festigkeit auszeichnet. Enthält Titan jedoch Verunreinigungen, so ist das Element jedoch sehr spröde und hart. Ab einer Temperatur von 426°C vermindert sich die Festigkeit des Metalls und  ist daher es als Werkstoff in reiner Form für höhere Temperaturen ungeeignet. Es existieren zwei Modifikationen des Titans: das hexagonale α-Titan und das kubische b-Titan über, welches durch Erhitzen auf über 882°C zugänglich ist. Titan besitzt keine besonders gute elektrische Leitfähigkeit. Titan steht in der Spannungsreihe der Metalle noch über dem Zink. Wie viele andere Metalle bildet auch Titan eine dünne, passivierende Oxidschicht aus. Titan taucht in verschiedensten Oxidationsstufen auf, wobei lediglich Ti(IV) und Ti(III) in wässrigen Lösungen stabil sind. Es existieren jedoch keine Ti4+-Ionen. Selbst in stark sauren Lösungen bilden sich Monomere wie TiO2+, [Ti(OH)2]2+ und [Ti(OH)3]+. Aus schwefelsaurer Lösung erhält man Titanoxidsulfat TiOSO4∙H2O, wobei die Verbindung kein TiO2+ enthält sondern eine Zick-Zack-Kette aus –Ti-O-Ti-O-. Es gibt somit nur Oxosalzverbindungen des Titans.

 

Bei Rotglut verbrennt es zu Titandioxid (Farbpigment des Deckweiss):

Ti  +  O2 →  TiO2    DHR = -945 kJ/mol

 

Bei höheren Temperaturen verbindet sich Titan mit vielen Nichtmetallen, z.B. mit Wasserstoff zu Titanhydrid (TiH2), mit Chlor  zu Titantetrachlorid (TiCl4).Titanlegierungen zeichnen sich durch enorme Festigkeit und Widerstandsfähigkeit bei optimaler Elastizität aus.

Titannachweis: Um Ti(IV) nachzuweisen wird in eine sauren Ti(IV)-Lösung H2O2 versetzt. Dabei entsteht das intensiv orange gefärbte [Ti(O2)OH]+.

[Ti(OH)3]+ + H2O2 → [Ti(O2)OH]+ (Peroxoxtitanyl) + 2H2O

 

 

Vorkommen

 

Titan ist ein Element welches weit verbreitet vorkommt. Es tritt zwar jeweils nur in geringen Mengen auf ist aber aufgrund seines ähnlichen Ionenradius zu Al3+ und Fe3+ in vielen Mineralien enthalten, z.B. Rutil (TiO2), Titanit (CaTiO[SiO4]) und Perowskit (CaTiO3).

 

 

Geschichtliches

 

Klaproth entdeckte Titan bei Untersuchungen des Minerals Rutil und benannte es nach den Titanen, den Ursöhnen der Erde, der griechischen Sagen. Zum ersten mal wurde Titan von J.J. Berzelius (1779-1848) im Jahre 1825 dargestellt. Er reduzierte dazu Titandioxid mit Natrium. Reines Titan wurde erst 1910 durch M.A. Hunter in den USA hergestellt. Er reduzierte Titantetrachlorid mit Natrium. Die industrielle Produktion wurde ab 1938 durch das von W. Kroll entwickelte Verfahren ermöglicht, das seit 1946 großtechnisch angewendet wird.

 

 

Darstellung

 

Durch Aufschließen mit CaH2: Titan kann nicht durch Reduktion mit Kohle aus Titandioxid gewonnen werden, da dies zu Titancarbid (TiC) führen würde. Reduktion mit Alkalimetallen führt zu Titanoxiden mit geringerer Oxidationsstufe. Daher wird Titan aus Titandioxid per Reduktion mit CaH2 gewonnen (im Labor):

TiO2 + 2CaH2 (bei 900°C) → Ti + 2 CaO + 2H2

 

technisch wird Titan durch Reduktion von Titantetrachlorid mit Magnesium oder Natrium dargestellt:

TiO2 + 2 Cl2 + 2 C → TiCl4 + 2 CO                                       ΔH0= -80Kj/mol

Kroll Verfahren: TiCl4 + 2 Mg → Ti + 2 MgCl2                      ΔH0=-450Kj/mol (bei 850°C)

Hunter Verfahren: TiCl4 + 4Na → Ti + 4 NaCl                       ΔH0= -869kJ/mol

 

Um hochreines Titan zu gewinnen wendet man ein von van ARKEL und DE BOER entwickeltes Verfahren (Transportverfahren) an. Dabei wird das Rohtitan zunächst in einem evakuierten Gefäß zusammen mit wenig Iod auf 500°C erhitzt. Dabei entsteht Titantetraiodid welches bei den vorliegenden Temperaturen verdampft. An einem 1200°C heißen Wolframdraht wird das entstandene TiI4 thermisch zersetzt wobei sich das Titan in Form eines Stabes um den Draht abscheidet. Dabei wird Iod frei welches wiederum mit dem Rohitan zu TiI4 reagieren kann.

Die Ultrareinigung von Titan kann durch Elektromigration erfolgen. Dabei wird der entstandene Titanstab im Hochvakuum (kleiner 10-8mbar) zwischen zwei massiven Kupferelektroden auf eine Temperatur gebracht welche etwa 50°C unter dem Schmelzpunkt liegt. Die elektropositiveren Verunreinigungen wandern zur Kathode und die elektronegativeren zur Anode. Das Mittelstück erhält eine Reinheit von mehr als 99,99%.

 

 

Verwendung

 

Titan und Titanlegierungen werden überall dort gebraucht wo es auf Stabilität und ein relativ geringes Gewicht ankommt. So eihnet sich Titan zur Herstellung technischer Gegenstände im Flugzeugbau. In der Medizin werden Schrauben und Plättchen aus Titan verwendet und zum Teil werden sogar Gelenke aus Titan gefertigt. Des weiteren bestehen einige Brillenfassungen aus Titan.
 

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