Titan (Element)

Isotop	NH	t_1/2	ZM	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

NMR-Eigenschaften

	Spin	γ in rad·T⁻¹·s⁻¹	E	f_L bei B = 4,7 T in MHz
⁴⁷Ti	-5/2	1,508· 10⁷	0,00209	11,3
⁴⁹Ti	-7/2	1,508· 10⁷	0,00376	11,3

Sicherheitshinweise

Gefahrstoffkennzeichnung (Pulver)^[1]

Pulver


Leicht- entzündlich	Reizend
(F)	(Xi)

R- und S-Sätze

R: 17-36/37/38

S: 26(Pulver)

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Titan ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Ti und der Ordnungszahl 22. Es gehört zu den Übergangsmetallen, ist weiß-metallisch glänzend, leicht, fest, dehnbar, korrosions- und temperaturbeständig. Es ist daher besonders für Anwendungen geeignet, bei denen es auf hohe Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und geringes Gewicht ankommt. Aufgrund des komplizierten Herstellungsprozesses ist Titan zehnmal so teuer wie herkömmlicher Stahl.

[Bearbeiten] 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 das metallische Titan zu gewinnen.^[2] 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 in den 1940er Jahren gelang es William Justin Kroll mit dem Kroll-Prozess, durch Einführung der großtechnischen Reduktion von Titantetrachlorid mit Magnesium das Titan für kommerzielle Anwendungen zu erschließen.

[Bearbeiten] Vorkommen

Titan kommt in der Erdkruste nur in Verbindungen mit Sauerstoff als Oxid vor. Es ist keineswegs selten, steht es doch mit einem Gehalt von 0,56 % an 9. Stelle der Elementhäufigkeit in der kontinentalen Erdkruste.^[3] Meist ist es aber nur in geringer Konzentration vorhanden.

Wichtige Mineralien sind:

Ilmenit (Titaneisenerz), FeTiO₃
Leukoxen, ein eisenarmer Ilmenit
Perowskit, CaTiO₃
Rutil, TiO₂
Titanit (Sphen), CaTi[SiO₄]O
Titanate wie Bariumtitanat, (BaTiO₃)
Begleiter in Eisenerzen.

Die Hauptvorkommen liegen in Australien, Skandinavien, Nordamerika, dem Ural 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.

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

[Bearbeiten] Gewinnung

Titan Crystal Bar, 99,995%, hergestellt nach dem Van-Arkel-de-Boer-Verfahren

Reines Titan kommt in der Erde kaum vor. Titan wird aus Ilmenit oder Rutil gewonnen. Der dabei verwendete Herstellungsprozess ist sehr aufwändig, was sich im hohen Preis für Titan niederschlägt. So kostete im Jahre 2008 eine Tonne Titanschwamm durchschnittlich 12.000 Euro.^[2]

Der Herstellungsprozess ist seit Entdeckung der Kroll-Prozesses fast unverändert. Meist vom Ilmenit oder Rutil ausgehend, wird angereichertes Titandioxid in der Hitze mit Chlor zu Titantetrachlorid umgesetzt. Anschließend erfolgt eine Reduktion zum Titan durch flüssiges Magnesium. 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, welche sich seit 12. September 2006 indirekt durch die Holding Rosoboronexport in russischem Staatsbesitz befindet.

Wird reinstes Titan gewünscht so wird das Van-Arkel-de-Boer-Verfahren angewendet.

[Bearbeiten] Eigenschaften

Titanzylinder, Reintitan

Titan bildet an Luft eine äußerst beständige oxidische Schutzschicht aus, die es in vielen Medien korrosionsbeständig macht. Bemerkenswert ist die hohe Festigkeit bei einer relativ geringen Dichte. Oberhalb einer Temperatur von 400 °C gehen die Festigkeitseigenschaften aber schnell zurück. Hochreines Titan ist duktil. Bei höheren Temperaturen versprödet es durch Aufnahme von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff sehr schnell. Zu beachten ist auch die hohe Reaktivität von Titan mit vielen Medien bei erhöhten Temperaturen oder erhöhtem Druck, wenn die Passivschicht dem chemischen Angriff nicht gewachsen ist. 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 und die 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, Zirconium und Zinn erheblich verbessern.

Unterhalb von 880 °C liegt Titan in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung vor. Oberhalb von 880 °C bildet sich eine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur aus.

Theoretisch ist die Bildung von Titansäure Ti(OH)₄ durch Reaktion von Titandioxid mit Wasser möglich. Aber wegen der starken Neigung von Titan, mit Sauerstoff das außerordentlich stabile Titandioxid zu bilden, zerfällt Titansäure sofort zu Titandioxid und Wasser. Die Bildung von Titansäure ist ohnehin sehr unwahrscheinlich. Stabile Titansäure ist nur unter extremen oder besonderen Bedingungen denkbar. Titandioxid hingegen ist so stabil, dass es nicht einmal von konzentrierter Salzsäure angegriffen wird.

[Bearbeiten] 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, auch Lebensmittelfarben enthalten Titandioxid (es ist in Lebensmitteln als E 171 zu finden). Aber auch im Bereich der Elektro- und Werkstofftechnik und neuerdings auch in der Herstellung von Hochleistungs-Akkumulatoren für den Fahrzeug-Antrieb (Lithium-Titanat-Akku) werden Titanverbindungen eingesetzt.

Bariumtitanat, BaTiO₃
Lithiumtitanat
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
Titanhydrid, TiH₂

[Bearbeiten] Titanlegierungen

Titan-Legierungen werden häufig nach dem US-amerikanischen Standard ASTM mit Grade 1 bis 35 charakterisiert. Grade 1 bis 4 bezeichnet Rein-Titan verschiedener Reinheitsgrade^[5].

Rein-Titan hat die Werkstoffnummer 3.7034; der häufig auch für Turbolader-Schaufeln eingesetzte^[6] Werkstoff Ti-6Al-4V (6 % Aluminium, 4 % Vanadium, ASTM: Grade 5) hat die Nummer 3.7164.

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

Bezeichnung	chem. Zusammensetzung	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

In Verbindung mit Nickel ist es eine sogenannte Formgedächtnis-Legierung.

[Bearbeiten] Verwendung

Titan-Verdichterschaufeln eines Strahltriebwerkes

Armbanduhr mit Titan-Armband/-Gehäuse

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

Anwendungen in Seewasser und chloridhaltigen Medien

Schiffs-Propellerteile wie Wellen, sowie Verspannungen für maritime Anwendungen
Einbauteile in Meerwasserentsalzungsanlagen
Bauteile für die Eindampfung von Kaliumchlorid-Lösungen
Anoden von HGÜ-Seekabelübertragungen
Apparate in Anlagen der Chlorchemie

Outdoor- und Sportartikel

bei hochwertigen Fahrrädern in Verbindung mit Aluminium und Vanadium als Rahmenmaterial
(Taucher-)Messer mit Titan- oder Titanlegierungsklingen, ebenso Essbestecke
als Zeltheringe (hohe Festigkeit trotz geringen Gewichts)
bei Golfschlägern als Schlägerkopf
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

Verwendung in Form von Verbindungen

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

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.

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 (Außenhaut bei Überschallgeschwindigkeit, Turbineverdichternschaufeln und Triebwerksteilen)
in Dampfturbinen für die am stärksten belasteten Schaufeln des Niederdruckteiles
in der Rüstung: Viele U-Boote der ehemaligen Sowjetunion hatten Druckkörper aus einer Titanlegierung (z. B. Mike-Klasse, Alfa-Klasse, Typhoon-Klasse oder Delta-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 der weltweiten Titanproduktion sowohl in Russland produziert als auch wieder verbaut wurde.

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 chirurgischen Orthopädie bei metallischen Beinprothesen (Hüftgelenksprothesen) und Hüftkopfersatz, Kniegelenkersatz nach Arthrose wird es massenhaft eingesetzt. 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.

Elektronik

Im Jahre 2002 brachte die Firma Nokia das Handy 8910 und ein Jahr später das Handy 8910i auf den Markt, welche über ein Gehäuse aus Titan verfügen.
Im April 2002 brachte die Firma Apple Inc. das Notebook "PowerBook G4" auf den Markt. Das gesamte Gehäuse war aus Titan gefertigt und besaß in der 15,2"-Bildschirm-Ausführung bei einer Dicke von 1" ein Gewicht von nur 2,4 kg.
Einige Notebooks von IBM (jetzt Lenovo) besitzen ein titanverstärktes Kunststoffgehäuse oder einen Gehäuserahmen aus einem Titan-Magnesium-Verbundstoff.

Sonstige Anwendungsgebiete

Schmuck, Uhren und Brillengestelle aus Titan
Münzen mit Titankern (z. B. Österreichische 200-Schilling-Münzen)

[Bearbeiten] Nachweis

TiO²⁺ bildet mit Wasserstoffperoxid einen charakteristischen gelb-orangenen Komplex (Triaquohydroxooxotitan(IV)-Komplex), der auch zum photospektrometrischen Nachweis geeignet ist.

[Bearbeiten] 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

[Bearbeiten] 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 Nebelkerzen und Nebelgranaten eingesetzt; es reagiert mit der Luftfeuchte und bildet einen weißen Rauch aus Titandioxid, außerdem Salzsäurenebel.

Biologische Nachteile des Titans im menschlichen Körper sind zur Zeit nicht bekannt. So lösten die bisher aus Titan hergestellten Hüftgelenke oder Kieferimplantate, im Gegensatz zu Nickel, keinerlei Allergien aus.^[2]

[Bearbeiten] Einzelnachweise

↑ Sicherheitsdatenblatt (alfa-aesar)
↑ ^a ^b ^c Alexander Stirn: Vom Triebwerk bis zum Campanile. In: SZ Nr. 95/2009, S.22. Süddeutsche Zeitung, 25. April 2009. Abgerufen am 28. April 2009.
↑ David R. Lide (ed.): CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85. Auflage, CRC Press, Boca Raton, Florida, 2005. Section 14, Geophysics, Astronomy, and Acoustics; Abundance of Elements in the Earth's Crust and in the Sea.
↑ [1] MSN.Encarta
↑ Artikel über Titanschweißtechnik (Pdf-Format)
↑ Firmenangaben Keller & Kalmbach

[Bearbeiten] Literatur

Gerd Lütjering, James C. Williams: Titanium. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-71397-5
Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente - das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. Hirzel, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3