Titani

El titani és l'element químic de símbol Ti i nombre atòmic 22. En la natura, es troba únicament en forma d'òxid. Es pot reduir per produir un metall de transició argentat, lluent, de baixa densitat i alta resistència que resisteix la corrosió en aigua de mar, aigua règia i clor.

Se situa en el grup 4 de la taula periòdica dels elements. És abundant en l'escorça terrestre, on es troba, en forma d'òxid, en l'escòria de certs minerals de ferro i en cendres d'animals i plantes. El metall és de color gris fosc, de gran duresa, resistent a la corrosió i de propietats físiques semblants a les de l'acer; s'usa en la fabricació d'equips per a la indústria química i, aliat amb el ferro i altres metalls, s'empra en la indústria aeronàutica i aeroespacial.

Història 

El primer mineral de titani fou descobert el 1791 en una remota vila de Cornualla, al sud-oest d'Anglaterra, pel reverend William Gregor (1761-1817), que era el vicari de Creed. Gregor observà que una sorra negra que havia trobat al costat d'un rierol a la parròquia veïna de Manaccan era atreta per un imant. L'analitzà tan bé com pogué i deduí que estava composta per dos òxids metàl·lics, un l'òxid de ferro, que explicava les propietats magnètiques, i un altre que no ho era atret, i que no pogué identificar. Gregor conclogué que havia descobert un metall desconegut fins aleshores i ho comunicà a la Royal Geological Society of Cornwall, i també a l'edició de 1791 de la revista alemanya de ciència, Crell's Annalen, on suggerí anomenar el nou mineral manaccanita, en honor al nom de la parròquia on l'havia trobat. És un mineral posteriorment anomenat ilmenita FeTiO3. Si hagués estat capaç d'aïllar el metall, i demostrar que era un element «nou», es diu que hauria pensat a anomenar-lo manaccin.
Quatre anys més tard, el 1795, l'eminent científic alemany Martin Heinrich Klaproth (1743–1817), de Berlín, redescobrí el mateix element, i l'anomenà titani, derivat dels Titans, fills d'Urà i Gea, de la mitologia grega. Elegí aquest nom perquè en si mateix no tenia cap significat, per tant, «no podia donar lloc a cap idea errònia». Klaproth obtingué l'òxid metàl·lic d'una mostra de rútil TiO2, que li havien enviat des d'Hongria. Quan li parlaren del descobriment anterior de Gregor, investigà una mostra d'ilmenita i confirmà que també contenia el mateix òxid metàl·lic.
Tot i que Klaproth intentà de forma persistent reduir l'òxid, no ho aconseguí. De fet, és impossible extreure el titani del seu òxid mitjançant l'escalfament amb carbó, ja que mentre que aquest reacciona per eliminar l'oxigen, també reacciona amb el titani per produir carbur de titani. El neozelandès Matthew Albert Hunter (1878–1961) preparà per primera vegada, l'any 1910, titani metàl·lic pur (amb una puresa del 99,9 %) escalfant tetraclorur de titani TiCl4 amb sodi entre 700 °C i 800 °C en un reactor d'acer, amb un procés que seria conegut com a procés Hunter.

El titani com a metall s'emprà fora del laboratori fins que el 1946 William Justin Kroll (1889–1973), un metal·lúrgic luxemburguès, desenvolupà un mètode per a poder produir-lo comercialment mitjançant la reducció del tetraclorur de titani amb magnesi a 800-850 °C, i aquest és el mètode utilitzat avui en dia (procés de Kroll).

2Mg(l) + TiCl4(g) -> 2MgCl2(l) + Ti(s)

Abundància i obtenció 

El titani com a metall no es troba lliure en la naturalesa, però és el novè element en abundància en l'escorça terrestre i el quart metall més abundant, present en la majoria de les roques ígnies i sediments derivats d'elles. El titani també és present en meteorits i en el Sol. Les roques obtingudes durant la missió lunar Apollo 17 de la NASA van mostrar una presència del 12,1 % d'òxid de titani(IV). Les anàlisis de les roques obtingudes durant missions anteriors del programa Apollo mostren percentatges més baixos. Les bandes d'òxid de titani són prominents en l'espectre d'estels de tipus M o nanes rojes, els estels més abundants a l'univers.

Es coneixen quatre-cents trenta-set minerals que contenen titani. Els que el tenen amb més d'un 50 % són: osbornita TiN (77,37 %), hongquiïta TiO (74,95 %), tistarita Ti2O3 (63,77 %), anatasa, brookita, IMA2007-058 i rútil TiO2 (cadascun 59,94 %).

De tots els minerals que contenen titani només la ilmenita FeTiO3, el leucoxè i el rútil tenen una significativa importància econòmica. Els principals productors mundials són la Xina amb 3 400 t d'ilmenita el 2022, Moçambic amb 1 200 t, Sud-àfrica amb 900 t i Austràlia amb 600 t. Les reserves mundial d'ilmenita es calculen en 650 000 t i de rútil 49 000 t.

El titani metall es produeix comercialment per mitjà de la reducció de tetraclorur de titani amb magnesi a uns 800 °C sota atmosfera d'argó (si no reaccionaria amb l'oxigen i el nitrogen de l'aire); aquest procés fou desenvolupat el 1946 pel metal·lúrgic estatunidenc d'origen luxemburguès William Justin Kroll (1889-1973) i es continua coneixent com a procés de Kroll. D'aquesta manera s'obté un producte porós conegut com a esponja de titani que posteriorment es purifica i compacta per a obtenir el producte comercial.

A fi de pal·liar el gran consum energètic del procés Kroll (de l'orde d'1,7 vegades el requerit per l'alumini) es troben en desenvolupament procediments d'electròlisi en sals foses (clorurs o òxids) que encara no han trobat aplicació comercial.

Si és necessari obtindre titani més pur es pot emprar un mètode, només aplicable en petites quantitats (a escala de laboratori) per mitjà del mètode de van Arkel i de Boer. Aquest mètode es basa en la reacció de titani amb iode a una determinada temperatura per a donar tetraiodur de titani i la seva posterior descomposició a una temperatura distinta per a tornar a donar el metall.

Propietats

Propietats físiques 
El titani és un element metàl·lic amb un punt de fusió de 1 668 °C, un punt d'ebullició de 3 287 °C i una densitat de 4,51 g/cm³. Presenta una estructura hexagonal compacta, és dur, refractari i bon conductor de l'electricitat i la calor. Quan és pur, és un metall fort, brillant i blanc metàl·lic d'una relativa baixa densitat. Posseeix excel·lents propietats mecàniques i a més té l'avantatge, enfront d'altres metalls de propietats mecàniques semblants, de ser relativament lleuger. De fet té la major proporció duresa-densitat de tots els metalls.

Propietats químiques 

El titani presenta els estats d'oxidació 2, 3 i 4 i la seva configuració electrònica és [Ar]3d24s2. Exposat a l'aire queda recobert d'una capa d'òxid que normalment el fa inactiu (passivació) i és, per tant, resistent a la corrosió. Tanmateix, una vegada que el titani comença a cremar a l'aire, es crema amb una espectacular flama blanca per formar òxid de titani(IV) TiO2 i nitrur de titani TiN. El titani fins i tot crema en nitrogen pur per formar nitrur de titani.

Ti(s) + O2(g) -> TiO2(s)2Ti(s) + N2(g) -> TiN(s)

El titani reaccionarà amb el vapor d'aigua formant l'òxid de titani(IV) i l'hidrogen, segons la reacció:

Ti(s) + 2H2O(g) -> TiO2(s) + 2H2(g)

Els halògens reaccionen amb el titani en escalfar-se per formar halogenurs de titani(IV). La reacció amb fluor requereix escalfar a 200 °C. Les reaccions són:

Ti(s) + 2F2(g) -> TiF4(s) \; [blanc]Ti(s) + 2Cl2(g) -> TiCl4(l) \; [incolor]Ti(s) + 2Br2(g) -> TiBr4(s) \; [taronja]Ti(s) + 2I2(g) -> TiI4(s) \; [marro \; fosc]

A temperatures elevades pot reaccionar fàcilment també amb l'hidrogen, el bor i altres no metalls.

És resistent a temperatura ambient a l'àcid sulfúric diluït i a l'àcid clorhídric diluït, així com a altres àcids orgànics; també és resistent a les bases, fins i tot a altes temperatures. No obstant es pot dissoldre en àcids en calent. Així mateix, es dissol bé en àcid fluorhídric o amb fluorurs en àcids. L'àcid fluorhídric aquós diluït reacciona amb el titani per formar l'anió complex [TiF6]^3- juntament amb l'hidrogen. La reacció és:

2Ti(s) + 12HF(aq) -> 2[TiF6]^{3-} (aq) + 3H2(g) + 6H+(aq)

Isòtops 
Es troben cinc isòtops estables en la naturalesa: Ti-46, Ti-47, Ti-48, Ti-49 i Ti-50, sent el Ti-48 el més abundant (73,8%). S'han caracteritzat vint-i-tres radioisòtops que van del de nombre màssic 38 al 63, sent els més estables el titani 44, amb un període de semidesintegració de t½ = 60,25 anys i es desintegra per captura electrònica; i el titani 45 amb  t½ = 184,8 minuts, que es desintegra per emissió d'un positró (desintegració β+). Per a la resta, els seus períodes de semidesintegració són inferiors als 6 minuts, i la majoria de menys de mig segon.

Aplicacions

Indústria metal·lúrgica 

A causa de la seva força, baixa densitat i el que pot aguantar temperatures relativament altes, els aliatges de titani s'empren en avions i míssils. També es troba en diferents productes de consum, com a pals de golf, bicicletes, etcètera. El titani es mescla generalment amb alumini, ferro, manganès, molibdè i altres metalls.A causa de la seva gran resistència a la corrosió es pot aplicar en casos en què estarà en contacte amb l'aigua del mar, per exemple, en aparells o hèlices. També es pot emprar en plantes dessalinitzadores.

Indústria química 
Aproximadament el 95% del titani es consumeix com a òxid de titani(IV), un pigment blanc permanent que s'empra en pintures, pasta de dents, medicaments, plàstics i, fins i tot, en menjars com salses o formatges. En pintures s'utilitzen en reflectors pel fet que reflecteixen molt bé la radiació infraroja. Aixímateix es fa servir per aconseguir un color blanc brillant en els focs artificials.

Construcció 

El diòxid de titani absorbeix la llum ultraviolada, alliberant ions hidròxid (OH), que actuen com a radicals lliures, pel que s'utilitzen en superfícies autonetejables com finestres de vidre i vernís per a rajoles d'hospitals, reduint les taxes d'infecció per bacteris letals. Per aquest mateix motiu s'utilitza en cremes solars.També s'han emprat làmines primes de titani per a recobrir alguns edificis, com per exemple el Museu Guggenheim de Bilbao.

Medicina 
Es considera que és fisiològicament inert, per la qual cosa el metall s'empra en pròtesis de titani, consistents en caragols de titani pur que han estat tractats superficialment per a millorar la seva oseointegració; per exemple, s'utilitza en la cirurgia maxil·lofacial a causa d'aquestes bones propietats. S'utilitza per a implants mèdics, per a bombes per cors artificials i per caixes de marcapassos. Alguns compostos de titani poden tenir aplicacions en tractaments contra el càncer. Per exemple, el clorur de titanocè en el cas de tumors gastrointestinals i de mama.

Altres 
S'empra per a obtenir pedres precioses artificials.També pel fet de ser inert i a més poder-se pintar, s'empra com a material de pírcings. El clorur de titani(IV) s'usa per a irisar el vidre i pel fet que en contacte amb l'aire forma molt de fum, s'empra per a formar artificialment pantalles de fum.

Generalment, els isòtops de dubni actualment són produïts per bombardeig d'isòtops de bismut 209 amb projectils de titani, per exemple l'isòtop dubni 258:^209_83Bi + ^50_22Ti -> ^258_105Db + ^1_0n

Precaucions 
La pols metàl·lica del titani és pirofòrica. D'altra banda, es creu que les seves sals no són especialment perilloses. No obstant això, els seus clorurs, com clorur de titani(III) o clorur de titani(IV), es consideren corrosius. El titani té també la tendència a acumular-se en els teixits biològics. En principi, no s'observa que desenvolupi cap paper biològic.

Referències

Enllaços externs 

 webelements.com - Titani 
 environmentalchemistry.com - Titani 

 
Elements natius