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Titan (Element)

chemisches Element mit dem Symbol Ti und der Ordnungszahl 22

Titan ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Ti und der Ordnungszahl 22. Es gehört zu den Übergangsmetallen und steht im Periodensystem in der 4. Nebengruppe (4. IUPAC-Gruppe) oder Titangruppe. Das Metall ist weiß-metallisch glänzend, hat eine geringe Dichte, ist dehnbar, korrosions- und temperaturbeständig.

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Titan, Ti, 22
Serie Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block 4, 4, d
Aussehen silbrig metallisch
CAS-Nummer 7440-32-6
Massenanteil an der Erdhülle 0,41 %[1]
Atomar [2]
Atommasse 47,867(1)[3] u
Atomradius (berechnet) 140 (176) pm
Kovalenter Radius 160 pm
Elektronenkonfiguration [Ar] 3d2 4s2
1. Ionisierungsenergie 658,8 kJ·mol−1
2. Ionisierungsenergie 1309,8 kJ·mol−1
3. Ionisierungsenergie 2652,5 kJ·mol−1
4. Ionisierungsenergie 4174,6 kJ·mol−1
Physikalisch [2]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur hexagonal (bis 882 °C, darüber krz)
Dichte 4,50 g/cm3 (25 °C)[4]
Mohshärte 6
Magnetismus paramagnetisch (Χm = 1,8 · 10−4)[5]
Schmelzpunkt 1941 K (1668 °C)
Siedepunkt 3533 K[6] (3260 °C)
Molares Volumen 10,64 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungswärme 457 kJ/mol[6]
Schmelzwärme 18,7 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit 4140 m·s−1 bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 523[1] J·kg−1·K−1
Austrittsarbeit 4,33 eV[7]
Elektrische Leitfähigkeit 2,5 · 106 A·V−1·m−1
Wärmeleitfähigkeit 22 W·m−1·K−1
Mechanisch [2]
E-Modul 105 GPa (= 105 kN/mm2)[8]
Poissonzahl 0,34[8]
Chemisch [2]
Oxidationszustände +2, +3, +4
Oxide (Basizität) TiO2 (amphoter)
Normalpotential −0,86 V (TiO2+ + 2 H+ + 4 e
→ Ti + H2O)
Elektronegativität 1,54 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
44Ti {syn.} 49 a ε 0,268 44Sc
45Ti {syn.} 184,8 min ε 2,062 45Sc
46Ti 8,0 % Stabil
47Ti 7,3 % Stabil
48Ti 73,8 % Stabil
49Ti 5,5 % Stabil
50Ti 5,4 % Stabil
51Ti {syn.} 5,76 min β 2,471 51V
52Ti {syn.} 1,7 min β 1,973 52V
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
  Spin-
Quanten-
zahl I
γ in
rad·T−1·s−1
Er (1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
47Ti −5/2 0−1,5105 · 107 2,09 · 10−3 011,299
49Ti −7/2 0−1,5109 · 107 3,76 · 10−3 011,302
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [9]

Pulver

02 – Leicht-/Hochentzündlich

Gefahr

H- und P-Sätze H: 250​‐​252
P: 210​‐​222​‐​280​‐​235+410​‐​422​‐​420 [9]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Titan wird heute üblicherweise zu den Leichtmetallen gezählt. Mit einer Dichte von 4,50 g/cm3 bei Raumtemperatur ist es deren schwerstes, liegt nahe an der heute meist verwendeten Grenze zwischen Leicht- und Schwermetallen von 5 g/cm3, sowie genau an der früher üblichen von 4,5 g/cm3.

In der Erdkruste gehört Titan zu den zehn häufigsten Elementen, kommt jedoch fast ausschließlich chemisch gebunden als Bestandteil von Mineralien vor. Aus mehreren Lagerstätten ist jedoch das Auftreten von elementarem Titan nachgewiesen.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Titan wurde 1791 in England von dem Geistlichen und Amateurchemiker William Gregor im Titaneisen entdeckt. 1795 entdeckte es der deutsche Chemiker Heinrich Klaproth im Rutilerz ebenfalls und gab dem Element – angelehnt an das griechische Göttergeschlecht der Titanen – seinen heutigen Namen.

Es gelang jedoch erst im Jahre 1831 Justus von Liebig, aus dem Erz metallisches Titan zu gewinnen.[10] Zu 99,9 % reines Titan stellte 1910 erstmals Matthew A. Hunter (1878–1961) her, indem er in einer Stahlbombe Titantetrachlorid (Titan(IV)-chlorid) mit Natrium auf 700 °C bis 800 °C erhitzte.

Erst Ende der 1930er Jahre konnte William Justin Kroll ein für die Technik geeignetes Verfahren, den sogenannten Kroll-Prozess, entwickeln, das 1940 patentiert wurde.[11] In der Folge konnte durch Einführung der großtechnischen Reduktion von Titantetrachlorid mit Magnesium das Titan für kommerzielle Anwendungen erschlossen werden.

Vorkommen

Titan kommt in der Erdkruste bis auf wenige Ausnahmen (zu diesen zählen elementares Titan sowie Mineralien in Form von Legierungen, intermetallischen Verbindungen und Sulfiden) nur in Verbindungen mit Sauerstoff als Oxid vor. Es ist keineswegs selten, steht es doch mit einem Gehalt von 0,565 % an 9. Stelle der Elementhäufigkeit in der kontinentalen Erdkruste.[12] Meist ist es aber nur in geringer Konzentration vorhanden.

Wichtige Mineralien sind:

Die Hauptvorkommen liegen in Australien, Skandinavien, Nordamerika, dem Ural und Malaysia. Im Jahr 2010 wurden in Paraguay Vorkommen entdeckt, deren Ausbeutung bis dato jedoch lediglich geplant ist.[13]

Meteoriten können Titan enthalten. In der Sonne und in Sternen der Spektralklasse M wurde ebenfalls Titan nachgewiesen. Auf dem Erdmond sind ebenso Vorkommen vorhanden.[14][15] Gesteinsproben der Mondmission Apollo 17 enthielten bis zu 12,1 % Titan(IV)-oxid. Es gibt Überlegungen für Asteroidenbergbau.

Auch in Kohleaschen, Pflanzen und im menschlichen Körper ist es enthalten.

Titan-Produktion in Tausend Tonnen[16]
Rang Land 2003 2004 2005
1 Australien  Australien 1 300 2 110 2 230
2 Sudafrika  Südafrika 1 070 1 130 1 130
3 Kanada  Kanada 810 870 870
4 China Volksrepublik  Volksrepublik China 400 840 820
5 Norwegen  Norwegen 380 370 420

Gewinnung

 
Titan-„Schwamm“, 99,7 %, gewonnen nach dem Kroll-Prozess
 
Titan Crystal Bar, 99,995 %, hergestellt nach dem Van-Arkel-de-Boer-Verfahren

Reines Titan kommt in der Erde kaum vor und wird aus Titaneisenerz (Ilmenit) oder Rutil gewonnen. Der dabei verwendete Herstellungsprozess ist sehr aufwendig, was sich im hohen Preis für Titan niederschlägt. Es ist 35-mal teurer als verbreitete Stahllegierungen bzw. 200-mal teurer als Rohstahl (Stand 2013). So kostete im Jahre 2008 eine Tonne Titanschwamm durchschnittlich 12.000 Euro.[10]

Seit Entdeckung des Kroll-Prozesses ist die Herstellung fast unverändert. Meist vom Ilmenit oder Rutil ausgehend, wird angereichertes Titandioxid in der Hitze mit Chlor und Kohle zu Titantetrachlorid und Kohlenstoffmonoxid umgesetzt. Anschließend erfolgt mit flüssigem Magnesium die Reduktion des Titantetrachlorids zu Titan.

 
 
 

Im letzten Reaktionsschritt kann Natrium statt Magnesium verwendet werden.[17]

 

Zur Herstellung von bearbeitbaren Legierungen muss der dabei erhaltene Titanschwamm im Vakuum-Lichtbogenofen umgeschmolzen werden.

Größter Produzent von Titan und Titanlegierungen ist die VSMPO-AVISMA mit Firmensitz in Werchnjaja Salda bzw. Jekaterinburg im Ural, die sich seit 12. September 2006 indirekt über die Holding Rosoboronexport in russischem Staatsbesitz befindet.

Reinstes Titan gewinnt man nach dem Van-Arkel-de-Boer-Verfahren.

Eigenschaften

Oxidationszustände von Titan
+2 TiO, TiCl2
+3 Ti2O3, TiCl3, TiF3, TiP
+4 TiO2, TiS2, TiCl4, TiF4
 
Zylinder aus reinem Titan
 
Hochreines Titan mit opalisierender Oberfläche

Titan bildet an der Luft eine äußerst beständige oxidische Schutzschicht (Passivierungsschicht) aus, die es gegen viele Medien schützt. Reines Titan ist mit einem Wert von 6 (nach Mohs) nur mittelmäßig hart, allerdings wird bereits durch geringe Legierungszusätze eine hohe Festigkeit bei einer relativ geringen Dichte erreicht. Dadurch sind Titanlegierungen besonders für Anwendungen geeignet, bei denen es auf hohe Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und geringes Gewicht ankommt. Oberhalb einer Temperatur von 400 °C gehen die Festigkeitseigenschaften aber schnell zurück. Hochreines Titan ist duktil, das heißt, es lässt sich plastisch verformen. Bei höheren Temperaturen versprödet es durch Aufnahme von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff sehr schnell und verliert damit seine leichte Formbarkeit.

Zu beachten ist auch die hohe Reaktivität von Titan mit vielen Medien bei erhöhten Temperaturen oder erhöhtem Druck, wenn die Passivierungsschicht diesen Bedingungen nicht standhält. Hier kann die Reaktionsgeschwindigkeit bis zur Explosion anwachsen. In reinem Sauerstoff bei 25 °C und 25 bar verbrennt Titan von einer frischen Schnittkante ausgehend vollständig zum Titandioxid. Trotz Passivierungsschicht reagiert es bei Temperaturen oberhalb von 880 °C mit Sauerstoff, bei Temperaturen ab 550 °C mit Chlor. Titan reagiert („brennt“) auch mit reinem Stickstoff, was zum Beispiel bei spanender Bearbeitung wegen der Hitzeentwicklung unbedingt beachtet werden muss.

Gegen verdünnte Schwefelsäure, Salzsäure, chloridhaltige Lösungen, kalte Salpetersäure, Laugen wie Natriumhydroxid und die meisten organischen Säuren ist Titan beständig, löst sich dagegen in konzentrierter Schwefelsäure unter Bildung des violetten Titansulfats langsam auf. 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, Zirconium und Zinn erheblich verbessern.

Unterhalb einer Temperatur von 0,4 K[18] wird Titan supraleitend. Unterhalb von 880 °C liegt Titan in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung vor. Oberhalb von 880 °C bildet sich eine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur aus.

Titan in Pulverform ist ein selbst entzündbarer (pyrophorer) Feststoff. Es kann sich bei Raumtemperatur an der Luft ohne Energiezufuhr erhitzen und schließlich entzünden. Die Zündbereitschaft hängt unter anderem sehr stark von der Korngröße und dem Verteilungsgrad ab. Das Metall in kompakter Form ist nicht brennbar. Es nimmt jedoch bei höheren Temperaturen leicht Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff auf, dies bewirkt Versprödung und Härtesteigerung.[9]

Titan kann die Oxidationszustände 2, 3 und 4 haben. Nur die Verbindungen mit dem Oxidationszustand 4 sind stabil.

Farbgebung

Titan kann durch gezieltes Erzeugen einer Oxidschicht mittels Anodisieren farblich gestaltet werden. Dabei wird die Farbe durch Lichtbrechung an unterschiedlich dicken Schichten und nicht durch Farbpigmente erzielt, vgl. Dünnschichtinterferenz. Bei 10–25 nm Schichtdicke ergibt sich eine Goldfarbe, bei 25–40 nm Lila, bei 40–50 nm Dunkelblau, bei 50–80 nm Hellblau, bei 80–120 nm Gelb, bei 120–150 nm Orange, bei 150–180 nm Lila, bei 180–210 nm Grün.

Titanlegierungen

Titan-Legierungen werden häufig nach dem US-amerikanischen Standard ASTM mit Grade 1 bis 39 charakterisiert.[19] Grade 1 bis 4 bezeichnet Rein-Titan verschiedener Reinheitsgrade.[20]

Rein-Titan hat die Werkstoffnummer 3.7034; der wirtschaftlich bedeutendste (auch für Turbolader-Schaufeln) eingesetzte[21] Werkstoff Ti-6Al-4V („Ti64“; 6 % Aluminium, 4 % Vanadium, ASTM: Grade 5) hat die Nummer 3.7165 (industrielle Anwendung) und 3.7164 (Luftfahrtanwendungen).[22]

Weitere wichtige Titanlegierungen, die hauptsächlich in der Luftfahrtindustrie eingesetzt werden:

Bezeichnung Legierungs-Zusammensetzung (in %) Elastizitätsmodul in GPa Dichte in g·cm−3
Ti6246 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 125,4 4,51
Ti6242 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 4,50

Titan ist wegen seiner hexagonalen Kristallstruktur relativ schlecht umformbar. Bei der Herstellung von Titanblech aus Titanblöcken macht das Walzen ca. 50 % der gesamten Kosten des Produktes aus.

Nitinol (Nickel-Titan) ist eine Formgedächtnis-Legierung und hoch pseudo-elastisch, weshalb es für Brillengestelle und Exstirpationsnadeln eingesetzt wird.

Verwendung

 
Titan-Verdichterschaufeln eines Strahltriebwerkes
 
Armbanduhr mit Titan-Armband bzw. -Gehäuse

Titan wird vor allem als Mikrolegierungsbestandteil für Stahl verwendet. Es verleiht Stahl bereits in Konzentrationen von 0,01–0,1 Prozent Massenanteil eine hohe Zähigkeit, Festigkeit und Duktilität. In rostfreien Stählen verhindert Titan die interkristalline Korrosion.

Titanbasislegierungen sind mit ca. 25 €/kg sehr teuer. Sie werden daher nur für höchste Anforderungen eingesetzt:

Schutzausrüstung Militär, SEK und Polizei:

Anwendungen in Seewasser und chloridhaltigen Medien:

Outdoor- und Sportartikel:

  • Bei hochwertigen Fahrrädern in Verbindung mit Aluminium und Vanadium als Rahmenmaterial und für Schrauben
  • (Taucher-)Messer mit Titan- oder Titanlegierungsklingen, ebenso Essbestecke
  • Als Zeltheringe (hohe Festigkeit trotz geringen Gewichts)
  • Bei Golfschlägern als Schlägerkopf. Etwa 25 % des Titans wird hierfür verwendet.[23]
  • Bei Tennisschlägern im Rahmen
  • Beim Stockschießen als äußerst stabiler Stab beim Eisstockstiel
  • Als besonders leichte Eisschraube beim Bergsteigen
  • Als Lacrosse-Schaft für höhere Festigkeit bei geringerem Gewicht
  • Als bissfestes Vorfach beim Angeln auf Raubfische mit scharfen Zähnen

Verwendung in Form von Verbindungen:

 
Der Titan-Saphir-Kristall ist das hellrot leuchtende Objekt in der linken Bildhälfte. Das grüne Licht ist vom Pumplaser
  • Herstellung relativ weicher künstlicher Edelsteine
  • Titandotierte Saphir-Einkristalle dienen als aktives Medium im Titan-Saphir-Laser für ultrakurze Pulse im Femtosekunden-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 Elektromagneten von HERA bei DESY)
  • In der Pyrotechnik
  • Über 90 % der Titanerzförderung wird hauptsächlich nach dem Chlorid- und im geringeren Maße nach dem Sulfatverfahren zu Titandioxid verarbeitet.
  • Als Titannitride für Beschichtungen von Wendeschneidplatten und Fräsern in der Fertigungstechnik

Verbindungen des Titans mit Bor, Kohlenstoff oder Stickstoff finden Verwendung als Hartstoffe. Auch zur Herstellung von Cermets, speziellen Hartmetallsorten, werden Titanverbindungen eingesetzt.

 
Die SR-71 besteht zum größten Teil aus Titan

Konstruktionsteile:

  • Verschleißteile in Lötanlagen, direkter Kontakt mit Elektrolot bis 500 °C
  • Federn in Fahrgestellen von Kraftfahrzeugen
  • In Flugzeugen und Raumschiffen für besonders beanspruchte Teile, die trotzdem leicht sein müssen (beispielsweise Außenhaut bei Überschallgeschwindigkeit, Verdichterschaufeln und andere Triebwerksteile, Fahrwerk[24])
  • In Dampfturbinen für die am stärksten belasteten Schaufeln des Niederdruckteiles
  • In der Rüstung: Einige U-Boot-Typen der Sowjetunion hatten Druckkörper aus einer Titanlegierung (z. B. Mike-Klasse, Alfa-Klasse, Papa-Klasse oder Sierra-Klasse). Daneben kommt Titan, stärker als bei der zivilen Luftfahrt, in der militärischen Luftfahrt zum Einsatz. Dies führte dazu, dass zu Hochzeiten der sowjetischen Rüstungsproduktion ein Großteil des weltweit geförderten Titans sowohl in Russland produziert als auch wieder verbaut wurde.
  • Wegen seiner geringen Dichte bei der Herstellung von Niveauanzeigen und Schwimmern

Medizin:

  • Als Biomaterial für Implantate in der Medizintechnik und Zahnheilkunde (Zahnimplantate, jährlich ca. 200.000 Stück allein in Deutschland) wegen seiner sehr guten Korrosionsbeständigkeit im Gegensatz zu anderen Metallen. Eine immunologische Abstoßungsreaktion (Implantatallergie) gibt es nicht. Auch bei Zahnkronen und Zahnbrücken wird es wegen der erheblich niedrigeren Kosten im Vergleich zu Goldlegierungen verwendet. In der Unfallchirurgie und chirurgischen Orthopädie ist es heute das Standardmaterial für Endoprothesen (Hüftgelenksersatz, Kniegelenksersatz, Schultergelenksersatz) und Osteosynthesen (Platten, Nägel, Schrauben). Die Titan-Oxidschicht ermöglicht das feste Anwachsen von Knochen an das Implantat (Osseointegration) und ermöglicht damit den festen Einbau des künstlichen Implantates in den menschlichen Körper.
  • In der Mittelohrchirurgie findet Titan als Material für Gehörknöchelchenersatz-Prothesen und für Paukenröhrchen bevorzugte Verwendung.
  • In der Neurochirurgie haben Titan-Clips für Aneurysma-Operationen wegen ihrer günstigeren NMR-Eigenschaften solche aus Edelstahl weitgehend verdrängt.
  • Titandioxid kann Bestandteil der Färbung von Arznei- und Nahrungsergänzungsmitteln in Tablettenform sein.

Elektronik:

  • Im Jahre 2002 brachte die Firma Nokia das Handy 8910 und ein Jahr später das Handy 8910i auf den Markt, die ein Gehäuse aus Titan haben.
  • Im April 2002 brachte die Firma Apple Inc. das Notebook „PowerBook G4 Titanium“ auf den Markt. Große Anteile des Gehäuses waren aus Titan gefertigt, und das Notebook besaß in der 15,2-Bildschirm-Ausführung bei einer Dicke von 1″ ein Gewicht von nur 2,4 kg.
  • Einige Notebooks der ThinkPad-Serie von Lenovo (früher IBM) besitzen ein titanverstärktes Kunststoffgehäuse oder einen Gehäuserahmen aus einem Titan-Magnesium-Verbundstoff.

Elektrische Zigaretten:

  • Titandraht wird hier als Heizspirale verwendet, da der elektrische Widerstand von Titan sich abhängig von der Temperatur messbar verändert. Auf dieser Grundlage bilden die neuesten elektrischen Akkuträger eine Temperaturregelung der Wicklung (Heizspirale) nach, um Temperaturschäden am Dochtmaterial (organische Watte) zu verhindern. Neben Nickel-200 Drähten und V2A-Stahldrähten gewinnt Titan in der Szene für diesen Zweck zunehmend an Beliebtheit.

Sonstige Anwendungsgebiete:

Nachweis

 
Ein Eisbad mit Wasserstoffperoxid nach der Zugabe der in konzentrierten Schwefelsäure gekochten Probe enthält  

TiO2+ bildet mit Wasserstoffperoxid einen charakteristischen gelb-orangen Komplex (Triaquohydroxooxotitan(IV)-Komplex), der auch zum photospektrometrischen Nachweis geeignet ist. Die Probe wird mit einem Überschuss konzentrierter Schwefelsäure gekocht und in ein Eisbad mit Wasserstoffperoxid gegossen. Bei lautem Zischen färbt sich das Eisbad gelb-orange[25][26].

 

Aufgrund der großen farblichen Ähnlichkeit wird dieser Nachweis umgangssprachlich auch als „Tequila Sunrise-Nachweis“ bezeichnet.

Normen

Titan und Titanlegierungen sind unter anderem genormt in:

  • DIN 17850, Ausgabe:1990-11 Titan; chemische Zusammensetzung
  • ASTM B 348: Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy, Bars and Billets
  • ASTM B 265: Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy, Sheets and Plates
  • ASTM F 67: Standard Specification for Unalloyed Titanium, for Surgical Implant Applications
  • ASTM F 136: Standard Specification for Wrought Titanium-6Aluminum-4Vanadium ELI (Extra Low Interstitial) Alloy for Surgical Implant Applications
  • ASTM B 338: Standard Specification for Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Tubes for Condensers and Heat Exchangers
  • ASTM B 337: Specification for Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Pipe
  • ASTM F2885-11: Standard Specification for Metal Injection Molded Titanium-6Aluminum-4Vanadium Components for Surgical Implant Applications

Sicherheitshinweise

Titan ist als Pulver feuergefährlich, kompakt ungefährlich. Die meisten Titansalze gelten als harmlos. Unbeständige Verbindungen wie Titantrichlorid sind stark korrosiv, da sie mit Spuren von Wasser Salzsäure bilden.

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

Biologische Nachteile des Titans im menschlichen Körper sind zurzeit unbekannt. So lösten die bisher aus Titan hergestellten Hüftgelenke oder Kieferimplantate, im Gegensatz zu Nickel, keinerlei Allergien aus.[10]

Verbindungen

Während metallisches Titan wegen der hohen Herstellungskosten nur anspruchsvollen technischen Anwendungen vorbehalten bleibt, ist das relativ preiswerte und ungiftige Farbpigment Titandioxid ein Begleiter des alltäglichen Lebens geworden. Praktisch alle heutigen weißen Kunststoffe und Farben und auch Lebensmittelfarben enthalten Titandioxid (es ist in Lebensmitteln als E 171 zu finden). Aber auch in der Elektro- und Werkstofftechnik und neuerdings auch in der Herstellung von Hochleistungsakkumulatoren für den Fahrzeugantrieb (Lithium-Titanat-Akku) werden Titanverbindungen eingesetzt.

Oxide

 
Pulverförmiges Titan(IV)-oxid

Das wichtigste Titanoxid ist Titan(IV)-oxid (TiO2), das in drei wichtigen Polymorphen vorliegt: Anatas, Brookit und Rutil. Sie nehmen polymere Strukturen an, in denen Titan von sechs Oxidliganden umgeben ist. Es ist eine Vielzahl von reduzierten Oxiden (Suboxiden) von Titan bekannt, hauptsächlich reduzierten Stöchiometrien von Titan(IV)-oxid, die durch atmosphärisches Plasmaspritzen erhalten werden. Ti3O5 ist ein purpurroter Halbleiter, der durch Reduktion von Titan(IV)-oxid hergestellt wird mit Wasserstoff bei hohen Temperaturen und wird industriell eingesetzt, wenn Oberflächen mit Titan(IV)-oxid bedampft werden müssen: Es verdampft als reines Titan(II)-oxid, während Titan(IV)-oxid als Gemisch aus Oxiden verdampft und Beschichtungen mit variablem Brechungsindex abscheidet.[27] Bekannt ist auch Titan(III)-oxid mit der Korund-Struktur und Titan(II)-oxid mit der Natriumchlorid-Struktur.

Sulfide

Titan(IV)-sulfid bildet Kristalle, die eine Schichtstruktur aufweisen, nämlich die nämlich die Cadmiumiodid-Struktur.[28] Es kann es als Elektrodenmaterial in Lithiumbatterien oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet werden, wobei das niedrige Atomgewicht von Titan von Vorteil ist.

Titanate

Titanate werden als Keramikmaterial verwendet. Viele, zum Beispiel Bleititanat, Blei-Zirkonat-Titanat, Bariumtitanat und Strontiumtitanat, bilden Ionenkristalle mit Perowskit-Struktur der Raumgruppe Pm3m (Raumgruppen-Nr. 221)Vorlage:Raumgruppe/221 mit ferroelektrischen Eigenschaften aus.[29] Bariumtitanat weist piezoelektrische Eigenschaften auf und wird als Wandler bei der Umwandlung von Schall und Elektrizität verwendet. Tetraisopropylorthotitanat ist als Lewis-Säure ein wichtiger Katalysator für Veresterungs- und Umesterungsreaktionen und für Sharpless-Epoxidierungen und ist Ausgangsmaterial für ultradünne Titan(IV)-oxid-Schichten und -Nanopartikel.

Halogenide

Titan bildet je nach Oxidationszustand verschiedenartige Halogenide. Titan(IV)-chlorid ist eine farblose flüchtige Flüssigkeit, die an der Luft unter spektakulärer Emission weißer Wolken hydrolysiert. Beim Kroll-Prozess wird es bei der Umwandlung von Titanerzen zu Titan(IV)-oxid erzeugt.[30] In der organischen Chemie wird es als Lewis-Säure verwendet, beispielsweise bei der Mukaiyama-Aldolreaktion.[31] Beim Van-Arkel-de-Boer-Verfahren wird Titan(IV)-iodid zur Herstellung von hochreinem Titanmetall erzeugt.

Titan(III)-fluorid, Titan(III)-chlorid, Titan(III)-bromid und Titan(III)-iodid bilden verschiedene Kristallstrukturen aus. Titan(III)-chlorid kommt in vier verschiedenen Strukturen vor, die unterschiedliche chemische Eigenschaften haben.

Titan(II)-chlorid, Titan(II)-bromid und Titan(II)-iodid sind kristalline Feststoffe und haben eine trigonale Kristallstruktur vom Cadmium(II)-iodid-Typ (Polytyp 2H) mit der Raumgruppe P3m1 (Raumgruppen-Nr. 164)Vorlage:Raumgruppe/164.[32]

Weitere anorganische Verbindungen

Titannitrid bildet goldgelbe Kristalle. Titancarbid ist ein graues Pulver. Beide haben ähnliche Eigenschaften: Sie bilden ein kubisches Gitter, sind extrem hart, haben eine hohe thermodynamische Stabilität, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit sowie einen sehr hohen Schmelzpunkt und Siedepunkt.[33] Titanborid wird zusammen Bornitrid als Material für Verdampferschiffchen verwendet. In kleinerem Umfang wird es als Versuchsmaterial für Kathoden von Alumnium-Schmelzflusselektrolysezellen und als Panzermaterial sowie als Ersatz für Diamantstaub und für Beschichtungen verwendet. Durch Einlagerung von Titanborid-Partikeln in Aluminium lassen sich die Eigenschaften des Aluminiums verbessern.

Titanylsulfat wird als Nachweisreagenz für Wasserstoffperoxid und Titan verwendet, da sich bei dessen Anwesenheit das intensiv orangegelb gefärbte Peroxotitanyl-Ion (TiO2)2+ bildet. Dieser Nachweis ist sehr empfindlich und es lassen sich schon Spuren von Wasserstoffperoxid nachweisen. Es entsteht auch als Zwischenprodukt beim Sulfatverfahren zur Herstellung von Titan(IV)-oxid.

Titandihydrid ist ein in Reinform metallisch glänzendes Pulver. Sonst ist es hellgrau und kann eine durch Sauerstoff- oder Stickstoffspuren blau oder gelb getönte Oberfläche aufweisen. Es wird als Treibmittel zur Herstellung von Metallschäumen verwendet. Es wird mit Metallpulver vermischt und das Gemisch dann bis fast zum Schmelzpunkt des Metalls erhitzt, das Titandihydrid setzt dabei Wasserstoffblasen frei, wodurch Metallschaum entsteht.

Metallorganische Komplexe

Titanocendichlorid mit der Halbstrukturformel [Ti(Cp)2Cl2] oder auch [Ti(C5H5)2Cl2], ist ein Metallocen des Titans, das heißt eine metallorganische Verbindung mit aromatischen Ringsystemen. Es kann aus Titan(IV)-chlorid und Cyclopentadien gewonnen werden.[34]

Literatur

Weblinks

  Commons: Titan (Element) – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Titan – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. a b Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus webelements.com (titanium) entnommen.
  3. CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013.
  4. N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage. 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 1231.
  5. Robert C. Weast (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9, S. E-129 bis E-145. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
  6. a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
  7. David R. Lide: CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC Press, 1998, ISBN 0-8493-0479-2.
  8. a b der-wirtschaftsingenieur.de: Elastizitäts-Modul (E-Modul), abgerufen am 29. Mai 2013.
  9. a b c Eintrag zu Titan, Pulver in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 30. April 2017 (JavaScript erforderlich).
  10. a b c Alexander Stirn: Vom Triebwerk bis zum Campanile. In: Süddeutsche Zeitung. 25. April 2009, S. 22.
  11. Patent US2205854: Method for manufacturing titanium. Angemeldet am 6. Juli 1938, Erfinder: Wilhelm Kroll.
  12. David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Geophysics, Astronomy, and Acoustics; Abundance of Elements in the Earth’s Crust and in the Sea, S. 14-18.
  13. latina-press.com: Riesige Titan-Vorkommen in Paraguay entdeckt, 8. November 2010.
  14. NASA-Daten weisen auf reiche Titan-Vorkommen auf dem Mond hin derstandard.at
  15. Forscher preisen den Mond als Rohstofflieferanten welt.de, abgerufen am 10. Oktober 2011.
  16. Titan Produktion weltweit (Auswahl) In: Microsoft Encarta.
  17. Titanium, Titanium Alloys, and Titanium Compounds. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, doi:10.1002/14356007.a27_095 (wiley.com [abgerufen am 17. August 2018]).
  18. Physikalische Eigenschaften von Titan bei webelements.com.
  19. Specification for Titanium and Titanium Alloy Strip, Sheet, and Plate. ASTM International, doi:10.1520/b0265-15 (astm.org [abgerufen am 17. August 2018]).
  20. Titan-Schweisstechnik: Schweisstechnische Verarbeitung von Titan-Werkstoffen. (PDF; 595 KB).
  21. Firmenangaben Keller & Kalmbach.
  22. Werkstoffdatenblatt Ti-6Al-4V (PDF; 20 kB).
  23. Bernhard Ilschner, Robert F. Singer: Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik, 5. neu bearbeitete Auflage, 2010, Springer, S. 456.
  24. Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien: Vorlesung „Werkstoffe des Leichtbaus II, Teil 3“, abgerufen am 20. August 2018
  25. Jander, Blasius: Anorganische Chemie I. Hrsg.: Eberhard Schweda. 17., völlig neu bearbeitete Auflage. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 2011, ISBN 978-3-7776-2134-0, S. 369.
  26. Eberhard Gerdes: Qualitative Anorganische Analyse. 2., korrigierte und überarbeitete Auflage. Springer-Verlag, Berlin/ Heidelberg, S. 255.
  27. Antonio Bonardi, Gerd Pühlhofer, Stephan Hermanutz, Andrea Santangelo: A new solution for mirror coating in $γ$-ray Cherenkov Astronomy. (Submitted manuscript) In: Experimental Astronomy. 38, 2014, S. 1–9. arxiv:1406.0622. bibcode:2014ExA....38....1B. doi:10.1007/s10686-014-9398-x.
  28. A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 91.–100., verbesserte und stark erweiterte Auflage. de Gruyter, Berlin 1985, ISBN 3-11-007511-3, S. 1065.
  29. Ferroelektrikum
  30. Richard W. Johnson: The Handbook of Fluid Dynamics. Springer, 1998, ISBN 978-3-540-64612-9, S. 38–21.
  31. Robert M. Coates: Handbook of Reagents for Organic Synthesis. John Wiley and Sons, 2000, ISBN 978-0-470-85625-3, S. 93.
  32. J. D. Fast: The preparation of pure titanium iodides. In: Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas. 58, 1939, S. 174–180, doi:10.1002/recl.19390580209.
  33. Naresh Saha: Titanium nitride oxidation chemistry: An x-ray photoelectron spectroscopy study. In: Journal of Applied Physics. no. 7, Nr. 7, S. 3072–3079. bibcode:1992JAP....72.3072S. doi:10.1063/1.351465.
  34. Datenblatt Bis(cyclopentadienyl)titanium(IV) dichloride bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 24. April 2011 (PDF).