Titan (grundstof)

For alternative betydninger, se Titan.

Titan
Sølv-metallisk
Periodiske system
Generelt
Atomtegn	Ti
Atomnummer	22
Elektronkonfiguration	2, 8, 10, 2
Gruppe	4 (Overgangsmetal)
Periode	4
Blok	d
Atomare egenskaber
Atommasse	47.867(1)
Atomradius	140 pm
Kovalent radius	136 pm
Elektronkonfiguration	[Ar] 3d² 4s²
Elektroner i hver skal	2, 8, 10, 2
Kemiske egenskaber
Oxidationstrin	2, 3, 4
Elektronegativitet	1,54 (Paulings skala)
Fysiske egenskaber
Tilstandsform	Fast stof
Krystalstruktur	Hexagonal (α-form) Kubisk (β-form)
Massefylde (fast stof)	4,506 g/cm3
Massefylde (væske)	4,11 g/cm3
Smeltepunkt	1668 °C
Kogepunkt	3287 °C
Smeltevarme	14,15 kJ/mol
Fordampningsvarme	425 kJ/mol
Varmefylde	25,060 J·mol–1K–1
Varmeledningsevne	21,9 W·m–1K–1
Varmeudvidelseskoeff.	8,6 µm/(m·K)
Elektrisk resistivitet	0.420 µ Ω·m (20 °C)
Magnetiske egenskaber	Ukendt
Mekaniske egenskaber
Youngs modul	116 GPa
Forskydningsmodul	44 GPa
Kompressibilitetsmodul	110 GPa
Poissons forhold	0,32
Hårdhed (Mohs' skala)	6,0
Hårdhed (Vickers)	970 MPa
Hårdhed (Brinell)	716 MPa

Titan eller titanium (opkaldt efter titanerne fra den græske mytologi) er det 22. grundstof i det periodiske system, og har det kemiske symbol Ti: Under normale temperatur- og trykforhold optræder dette overgangsmetal som et sølvskinnende metal der er lige så stærkt som stål, men blot har 60 procent af stålets massefylde.

Egenskaber

Titan antager en af to allotropiske former, afhængigt af temperaturen: Under cirka 880 °C fremtræder stoffet i α-formen med hexagonal krystalstruktur, mens det over denne temperatur ganske langsomt forandres til den kubiske β-form.

Titans kemi

Titan er forbløffende korrosionsbestandigt, og angribes hverken af syrer, klor-gas i forbindelse med fugt, eller saltvand, herunder havvand. Rent titan opløses ikke i vand, men i koncentrerede syrer. Titan kan brænde; ved 610 °C reagerer det med ilten i den atmosfæriske luft og danner titandioxid, og ved 803 °C også med luftens kvælstof under dannelse af titannitrid.

Mekaniske egenskaber

Titan er velkendt for sin store styrke i forhold til vægten, og har desuden et relativt højt smeltepunkt; begge dele gør det til et velegnet materiale til krævende opgaver. Det er dertil meget formbart, navnlig i iltfrie omgivelser. Kommercielt tilgængeligt titan har en trækstyrke der kan måle sig med de stærkeste former for stål, men vejer 43 % mindre.

Tekniske anvendelser

Titan finder stigende anvendelse i en lang række forskellige produkter; ketsjere, golfkøller, cykler, camping-udstyr, armbåndsure, vielsesringe, laptop-computere og i mange forskellige former for laboratorieudstyr. Der findes også køkkengrej i titan, men da metallets termiske egenskaber kan føre til ujævn fordeling af varmen, er dette udstyr ikke lige velegnet til alle kulinariske formål.

Svejsede rør af titan bruges i den kemiske industri og på boreplatforme på grund af metallets korrosionsbestandighed. Metallets korrosionsbestandighed er udnyttet i aksler til skibsskruer, varmevekslere til afsaltningsanlæg, saltvands-akvarier, i ubåde og andre steder hvor metallet er i direkte kontakt med havvand.

Titan i og på kroppen

Titan irriterer ikke levende væv; tværtimod kan eksempelvis benvæv ligefrem "vokse sammen" med et implantat af dette metal. Da titan samtidig let lader sig farve ved anodisering, er det populært til smykker i piercinger, og bruges til at fremstille dyre, men robuste brillestel, som ikke generer huden.

Legeringer

Legeringer med titan har mange af titans "karaktertræk"; stor trækstyrke (selv ved høje temperaturer), lav vægt og stor modstandsdygtighed mod iltning ("rust"); derfor bruges disse legeringer til krævende opgaver i flyvemaskiner, pansring, krigsskibe, rumfartøjer og missiler. I stål og i aluminium-legeringer medvirker titan til at reducere materialets kornstørrelse. I stål fjerner titan envidere ilt og, i rustfrit stål, også kulstof. Titan legeres også med kobber for at gøre dette hårdere, og med flere andre metaller, eksempelvis vanadium (denne legering bruges i stigende grad i flyvemaskiner; op mod 77 tons i et større moderne passagerfly), molybdæn og mangan.

Titandioxid

Langt det meste titan der bruges, indgår i titandioxid; et kridhvidt, bestandigt farvestof med god dækkeevne, som bruges i en lang række produkter, for eksempel maling, rettelak, papir, tandpasta og plastic. Titanoxid tilbagekaster også infrarødt og ultraviolet lys, og bruges derfor også i solcreme.

Andre anvendelser

Titan bruges i fyrværkeri der skal vise hvide effekter. Titantetraklorid, en farveløs væske, danner en tyk "røg" (tåge) i fugtig luft, og det udnyttes til røgslør og skywriting. Titan bruges som ydre beklædning på bygninger. I Moskva står der et 45 meter højt monument for Jurij Gagarin, udført i titan.

Forekomst

Titan er med 0,69 % det niende-mest udbredte grundstof i jordskorpen: Det findes aldrig i fri, metallisk form i naturen, men altid bundet i kemiske forbindelser med andre stoffer. Disse forbindelser findes i de fleste magmatiske bjergarter og i sedimenter af disse bjergarter, primært mineralerne anatas, brookit, ilmenit, perovskit, rutil, titanit og i mange jernmalme. Titanindholdet er meget jævnt fordelt over hele Jorden, så det er svært at finde forekomster med særlig højt indhold af titan. Af de mange forskellige titanholdige mineraler er det dog kun ilmenit og rutil der har betydning for den kommercielle udvidning af titan, og selv dem er det svært at finde store koncentrerede forekomster af. De mest betydelige forekomster ligger i Australien, New Zealand, Skandinavien, Nordamerika, Malaysia og i Kwale-regionen i Kenya.

Titan er også blevet påvist i meteoritter, og i Solen samt i stjerner af spektralklasse M, og prøver hentet fra Månen af astronauterne i Apollo 17 indeholder 12,1 % titandioxid.

Udvinding

Da titan reagerer med ilt ved høje temperaturer, kan man ikke som med andre metaller reducere oxidet med et andet metal, så til kommerciel fremstilling af titan benyttes Kroll-processen; en omstændelig og omkostningstung metode der blev udviklet i 1946 af William Justin Kroll: Først omdannes titandioxid til titantetraklorid, som fortættes og oprenses ved destillation. Til sidst reduceres kloridet til det rene metal ved hjælp af 800 °C varm, smeltet magnesium under en atmosfære af argon.

Den nyere, såkaldte FFC Cambridge-proces kan muligvis erstatte Kroll-processen: Denne reaktion tager udgangspunkt i titandioxid, og resulterer i titan i enten pulverform eller som et "svampet" stykke metal med en masse porer og åbninger i. Man håber at denne proces kan gøre titan meget billigere, og introducere materialet på områder hvor man i dag bruger specielle aluminium-legeringer og ståltyper.

I 2013 blev en ny tretrinsproces udvindingsmetode opdaget.

Historie

Titan blev opdaget i 1791 af amatør-geologen William Gregor fra Creed i Cornwall i England: Han fandt ud af at mineralet ilmenit indeholdt et hidtil ukendt grundstof, og kaldte det for menachite (alternativ stavemåde manaccanite) efter det nærliggende Manaccan sogn. Omtrent samtidig lykkedes det Franz Joseph Muller at isolere stoffet, men han formåede ikke at identificere det.

Uafhængigt af Gregor og Muller, men flere år senere, "genopdagede" tyskeren Martin Heinrich Klaproth stoffet, denne gang i mineralet rutil. Han bekræftede at der var tale om et "nyt" grundstof, og i 1795 navngav han det efter titanerne fra den græske mytologi.

Titan har altid været svært at udskille i ren form; først i 1910 lykkedes det Matthew A. Hunter at isolere 99,9 % rent titan ved at opvarme titantetraklorid med natrium i den såkaldte Hunter-proces. Først i 1946, da Kroll-processen blev opfundet, fandt titan anvendelse udenfor laboratoriet, og det er stadig denne proces der bruges i dag.

Isotoper af titan

Naturligt forekommende titan består af fem forskellige isotoper; ⁴⁶Ti, ⁴⁷Ti, ⁴⁸Ti, ⁴⁹Ti og ⁵⁰Ti, hvoraf ⁴⁸Ti er den mest udbredte isotop med 73,8 %. Hertil kender man 11 radioaktive isotoper, hvoraf ⁴⁴Ti er den mest "sejlivede" med en halveringstid på 63 år — de øvrige titan-isotoper har halveringstider fra få timer og ned til under et halvt sekund.

Eksterne henvisninger

• Wikimedia Commons har flere filer relateret til Titan (grundstof)