Titan (Element)

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.

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.

Geschichte 
Titan wurde 1791 in England von dem Geistlichen und Amateurchemiker William Gregor im Titaneisen entdeckt. Nur zwei Jahre nach der Veröffentlichung von Gregors Entdeckung trennte der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth von einer in Boinik (Ungarn) gefundenen Probe roten Schörls das Mineral Rutil (TiO2) ab. Als er seine Ergebnisse 1795 veröffentlichte, verwies er auf Gregors Arbeit und die Ähnlichkeit des von ihm gefundenen Oxids und bezeichnete Gregors Mineral als „Eisenhaltiges Titanit aus Cornwall“. Er gab damit dem Element – angelehnt an das griechische Sagengeschlecht der Titanen – seinen heutigen Namen.

Es gelang jedoch erst im Jahre 1831 Justus von Liebig, aus dem Erz unreines metallisches Titan in Form eines dunkelvioletblaues Pulvers oder von zusammenhängenden kupferglänzenden Blättern zu gewinnen.

Die Herstellung von reinem Titan gelang erstmals 1875 dem russischen Chemiker Dmitri Kirillowitsch Kirillow. Seine Veröffentlichung unter dem Namen „Forschungen über Titan“ (), in dem er die Ergebnisse seiner Experimente zur Isolierung von reinem Titan behandelte, blieb jedoch unbeachtet. Im Jahr 1887 gelang Lars Fredrik Nilson (der Entdecker des Elements Scandium) und Otto Pettersson (Chemieprofessoren an der Universität Uppsala bzw. der Universität Stockholm) die Herstellung von Titan mit einer Reinheit von 95 Prozent, indem sie Titantetrachlorid mit Natrium in einem luftdichten Stahlzylinder reduzierten. Dabei entstanden gelbe Schuppen mit bläulicher Oberfläche. Der französischen Chemiker Henri Moissan veröffentlichte 1895 ein Verfahren, mit dem er Titan mit einer Reinheit von 97 % gewinnen konnte. Zu 99,9 % reines Titan stellte 1910 erstmals Matthew A. Hunter (1878–1961) mit dem Hunter-Verfahren her, indem er in einer Stahlbombe Titantetrachlorid (Titan(IV)-chlorid) mit Natrium auf 700 °C bis 800 °C erhitzte. Doch auch seine gewonnene Materialprobe war durch vorhandene Verunreinigungen bei normalen Temperaturen spröde und ließ sich nur bei Rotglut gut formen. Erst 1925 konnten Anton Eduard van Arkel und Jan Hendrik de Boer mit Hilfe des Van-Arkel-de-Boer-Verfahrens Titan von hoher Reinheit darstellen, welches sich als auffällig duktil zeigte.

Ende der 1930er Jahre entwickelte William Justin Kroll schließlich ein für die Technik geeignetes Verfahren, den sogenannten Kroll-Prozess, das 1940 patentiert wurde. In der Folge konnte durch Einführung der großtechnischen Reduktion von Titantetrachlorid mit Magnesium das Titan für kommerzielle Anwendungen erschlossen werden. Die erste Pilotanlage welche 100 lb Stücke produzieren konnte, wurde 1944 in Boulder City, Nevada, USA, errichtet.

In den Vereinigten Staaten stiegen Ende der 1940er/Anfang der 1950er Jahre mehrere Unternehmen mit starker staatlicher Unterstützung in das Titangeschäft ein. So steigerte eine 1947 von DuPont errichtete Pilotanlage die Produktion bis 1952 auf 800 t Titanschwamm pro Jahr. Im Vereinigten Königreich begann die Imperial Chemical Industries Ltd. 1948 mit der Produktion von Titanschwamm. In Kontinentaleuropa wurde das Schmelzen und die Herstellung von Barren etwa 1955 begonnen und durch Unternehmen in Frankreich, Deutschland und Schweden durchgeführt. Die Geburtsstunde der sowjetischen Titanindustrie war das Jahr 1950 und die Produktion von Titanschwamm nach dem Kroll-Prozess begann im Jahr 1954. Auch in Japan begann ab 1952 die Produktion von Titanschwamm.

In den frühen 1950er Jahren wurden Titanlegierungen mit verbesserten Eigenschaften durch Zusatz von Aluminium, Mangan und Vanadium entdeckt. So die Legierungen Ti-8Mn, Ti-4Al-4Mn (1951) und die viel verwendete Legierung Ti-6Al-4V (1954), die von Crucible Steel patentiert und zuerst im Triebwerk Pratt & Whitney J57 für die Lockheed U-2 eingesetzt wurde. Die erste Beta-Legierung, B120VCA (Ti-13V-11Cr-3Al), wurde ebenfalls von Crucible Steel entwickelt und in großem Umfang für die SR-71 (1955) verwendet. Siliziumzusätze für den Einsatz bei höheren Temperaturen wurden 1956 in  Großbritannien eingeführt. Im Rolls-Royce Avon-Triebwerk wurde bereits ab 1954 Ti-2Al-2Mn verwendet. Zur etwa gleichen Zeit fand Titan als Material in korrosiven Umgebungen und für orthopädische Geräte Anwendung.

Seit diesen Jahren stieg die Produktion von Titanlegierungen trotz großer Schwankungen stark und erreichte zwischen 2003 und 2007, mit der Einführung des Airbus A380, des Joint Strike Fighter (JSF, F-35) und der Boeing 787 (sowie den militärischen Konflikten im Irak und in Afghanistan), einen Höchstwert.

Vorkommen und Abbau 
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. Meist ist es nur in geringer Konzentration vorhanden.

Wichtige Minerale sind:
 Ilmenit (Titaneisenerz), FeTiO3
 Leukoxen, Gemenge aus eisenarmem Ilmenit und anderen titanhaltigen Mineralen
 Perowskit, CaTiO3
 Titanit (Sphen), CaTi[SiO4]O
 Rutil, TiO2
 Anatas, TiO2
 Brookit, TiO2

Die bekannten Hauptvorkommen liegen in Australien, Norwegen, Indien, Russland, Ukraine, Brasilien, Kanada und Südafrika. Im Jahr 2010 wurden in Paraguay Vorkommen entdeckt. 2020 wurden weltweit 8,4 bis 8,6 Millionen Tonnen Titan (gemessen als TiO2-Gehalt) abgebaut. Hauptabbauland war China, weitere große Abbauländer waren Australien, Mosambik, Südafrika, Kanada und die Ukraine. 90 % der abgebauten Titanminerale waren dabei Ilmenit und der Großteil der Titanminerale wurde zur Erzeugung von TiO2-Pigmenten für Farbstoffe, Papier und Plastik verwendet. In den USA betrug dieser Anteil 2021 95 %, aus den restlichen 5 % wurden Überzüge für Schweißstäbe, Carbide, Chemikalien oder metallisches Titan hergestellt. Titan steht auf der Liste kritischer Rohstoffe der USA und wurde 2020 auch von der EU neu in die Liste kritischer Rohstoffe aufgenommen.

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

Auch in Kohleaschen und Pflanzen ist es enthalten.

Gewinnung 

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.

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.

FeTiO3 + C -> Fe + TiO2 + CO
TiO2 + 2C + 2Cl2 -> TiCl4 + 2CO
TiCl4 + 2Mg -> Ti + 2MgCl2

Im letzten Reaktionsschritt kann Natrium statt Magnesium verwendet werden.

TiCl4 + 4Na -> Ti + 4NaCl

Zur Herstellung von bearbeitbaren Legierungen muss der dabei erhaltene Titanschwamm im Vakuum-Lichtbogenofen umgeschmolzen werden.
Dieser Prozess ist technologisch sehr anspruchsvoll, da Titan im glühenden Zustand so reaktionsfreudig ist, dass es mit fast allen Materialien, mit denen es in Kontakt kommt, verunreinigt wird. Diese Verunreinigung kann zur Versprödung und zum Verlust der Eigenschaften führen. Folglich ist es eine Herausforderung, ein geeignetes Material zu finden, das Titan im geschmolzenen Zustand enthält und Verunreinigungen vermeidet. Schon in den 1959 Jahren kamen Metallurgen zu der Erkenntnis, dass man Titan nicht in einem üblichen keramischen Tiegel schmelzen kann, weil es der Keramik Sauerstoff entzieht. Auch in Graphit lässt es sich nicht folgenlos schmelzen, weil es mit dem Kohlenstoff reagiert und das Metall dadurch spröde wird.

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 

Die Zugfestigkeit von Titanlegierungen liegt mit 290 bis 1200 N/mm² im Bereich von Baustahl mit 310 bis 690 N/mm² und legierten Stählen mit 1100 bis 1300 N/mm².

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.
Bei spanender Bearbeitung tritt Hitzeentwicklung auf und kann reines Argon als Schutzgas eingesetzt werden. Beim Verformen von Titan tritt ähnlich wie bei rostfreiem Stahl Kaltverfestigung auf. Um die Werkzeugschneiden zu schonen, kann der Einsatz eines flüssigen Kühlmittels zweckmäßig sein.

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 Korrosionsverhalten 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 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 pyrophor, also selbstentzündlich. Schon bei Raumtemperatur reagiert es mit der umgebenden Luft, die Reaktionswärme erhitzt das Material bis sich unter Beschleunigung der Reaktion eine rauchende Flamme ausbildet.

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.

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

Kristallstruktur 
Titan kristallisiert im Magnesium-Typ in der  in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung mit a = 295,04 pm und c = 468,33 pm.

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. Grade 1 bis 4 bezeichnet Rein-Titan verschiedener Reinheitsgrade.

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

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

Titan ist wegen seiner hexagonalen Kristallstruktur 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 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 und Polizei:
 Titanhelm und Titanschutzweste

Anwendungen in Seewasser und chloridhaltigen Medien:
 Schiffspropellerteile wie Wellen sowie Verspannungen für maritime Anwendungen (z. B. stehendes Gut bei Rennsegelyachten)
 Einbauteile in Meerwasserentsalzungsanlagen
 Bauteile für die Eindampfung von Kaliumchlorid-Lösungen
 Anoden von HGÜ-Seekabeln
 Apparate in Anlagen der Chlorchemie

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.
 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:

 Herstellung 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
 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.

 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)
 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, Projekt 661 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 der weltweiten Titanherstellung und -verwendung in der Sowjetunion erfolgte.
 Wegen seiner geringen Dichte bei der Herstellung von Niveauanzeigen und Schwimmern
 Liner für carbonfaserumwickelte Druckbehälter (Typ III). Um beim Wiedereintritt von Weltraumsatelliten ein vollständiges Verglühen/Zerstäuben zu gewährleisten ist jedoch das niedrigerschmelzende Aluminium vorteilhaft.
 Titanzink als Baustoff in Form von Blech z. B. für Dächer, Dachrinnen oder Wetterverkleidungen.

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 Jahr 2002 brachte Nokia das Handy-Modell 8910 und ein Jahr später das Handy 8910i auf den Markt, die ein Gehäuse aus Titan haben.
 Im April 2002 brachte Apple das Notebook PowerBook G4 Titanium auf den Markt. Große Anteile des Gehäuses waren aus Titan gefertigt, und das Notebook besaß in der 15,2-Zoll-Bildschirm-Ausführung bei einer Dicke von einem Zoll (2,54 cm) ein Gewicht von nur 2,4 kg.
 Im September 2019 brachte Apple die Apple Watch in 5. Generation Apple Watch in einer Titan-Edition auf den Markt. Die im September 2022 eingeführte Apple Watch Ultra besitzt ein 49-Millimeter Titangehäuse und wiegt 61,3 g.
 Die im September 2023 von Apple veröffentlichen iPhone-Modelle iPhone 15 Pro und iPhone 15 Pro Max verwenden eine Titanlegierung im Rahmen der Geräte.
 Einige Notebooks der ThinkPad-Serie von Lenovo (früher IBM) besitzen ein titanverstärktes Kunststoffgehäuse oder einen Gehäuserahmen aus einem Titan-Magnesium-Verbundstoff.
 Membranen der Lautsprecher von HiFi-Lautsprecherboxen, insbesondere für den Hochtonbereich

 Elektrische Zigaretten:
 Titandraht wird hier als Heizspirale verwendet, da sich der elektrische Widerstand von Titan 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 an Beliebtheit.

 Sonstige Anwendungsgebiete:
 Schmuck, Armbanduhren und Brillengestelle aus Titan
 Münzen mit Titankern (z. B. österreichische 200-Schilling-Münzen)
 Titan-Sublimationspumpe zur Erzeugung von Ultrahochvakuum
 Galvanotechnik als Trägergestell bei der anodischen Oxidation von Aluminium (ELOXAL)
 als Bestandteil der nach CRISAT standardisierten beschusshemmenden Westen
 als Musikinstrument: Gongs aus Titan, wegen ihrer besonderen Klangeigenschaften

Nachweis 

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.

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 schon 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 Edelstahl, welcher Nickel enthält, keinerlei Allergien aus.

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 

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. 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 Cadmiumiodid-Struktur. Es kann 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  mit ferroelektrischen Eigenschaften aus. 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. In der organischen Chemie wird es als Lewis-Säure verwendet, beispielsweise bei der Mukaiyama-Aldolreaktion. 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 .

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. Titanborid wird zusammen mit Bornitrid als Material für Verdampferschiffchen verwendet. In kleinerem Umfang wird es als Versuchsmaterial für Kathoden von Aluminium-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.

Literatur 
 Gerd Lütjering, James C. Williams: Titanium. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-71397-5.

Weblinks 

 Mineralienatlas:Titan (Wiki)
 Kristallines Titan als Abbildung in der Elementesammlung von Heinrich Pniok

Einzelnachweise 

Elemente (Mineralklasse)
Hexagonales Kristallsystem
Kubisches Kristallsystem
Metallischer Werkstoff
Anerkanntes Mineral
Werkstoff der Halbleiterelektronik