Titaan

Füüsikalised omadused

Metallilise elemendina on titaan tuntud silmapaistva tugevuse ja kaalu suhte poolest. Tegu on tugeva metalliga, millel on väike tihedus ja metalselt hõbedane läige. Sulamistemperatuur on 1650 °C. Omab madalat elektri- ja soojusjuhtivust.
Titaani (99,2% puhtusega) suurim tugevuspiir on 63 000 psi (434 MPa), mis on samas suurusjärgus terase sulamitega, kuigi titaan on umbes 45% kergem. Titaan on 60% tihedam kui alumiinium, kuigi üle kahe korra tugevam kui üks levinud alumiiniumsulam (6061-T6). Teatud titaanisulamite võimalik tugevuspiir on kuni 200 000 psi (1380 MPa). Titaan kaotab oma tugevuse, kui kuumutada ta temperatuurile üle 430 °C.
Titaan on suhteliselt kõva, mittemagnetiline ning halb elektri- ja soojusjuht. Titaani töödeldes tuleb kasutada ettevaatusabinõusid, kuna metall muutub üpris madalatel temperatuuridel pehmeks. Seega tuleb kasutada jahutust ja teravaid tööriistu.

Keemilised omadused

Nagu alumiinium ja magneesium, oksüdeerub ka titaan kohe kui puutub kokku õhuga. Titaan reageerib hõlpsasti hapnikuga õhus temperatuuril 1200 °C ning 610 °C juures juhul, kui tegemist on puhta hapnikuga. Mõlemal juhul moodustub titaandioksiid. Sellele vaatamata reageerib titaan väga halvasti vees ja õhus, kuna ta pinnale moodustub oksiidikiht, mis kaitseb metalli edasiste reaktsioonide eest. Alguses on kiht ainult 1–2 nm, kuid selle paksus ajapikku kasvab ning jõuab nelja aastaga 25 nanomeetrini. Titaan reageerib ka lämmastikuga moodustades enda pinnale nitraadikihi. Mõlemad kihid muudavad titaani välispinna väga inertseks ning kõvaks.
Kõige tähelepanuväärsem keemiline omadus on titaani vastupidavus korrosioonile. Tegu on peaaegu sama vastupidava metalliga nagu plaatina, suutes vastu pidada lahjendatud väävelhappele, soolhappele ning ka gaasilisele kloorile ja enamikule orgaanilistele hapetele. Kontsentreeritud hapetes on titaan lahustuv.
Metalli ei ole võimalik sulatada õhukeskkonnas, kuna ta põleb enne, kui sulamistemperatuur on saavutatud. Seega sulatatakse seda kas inertses gaasis (nagu argoonis) või vaakumis. 550 °C juures reageerib titaan klooriga. Ta reageerib ka teiste halogeenidega ja neelab ka vesinikku.
Titaan on üks väheseid elemente, mis põleb puhtas lämmastikus (800 °C juures), et moodustada titaannitraat. Puhas titaan on väga reageerimisaldis ning titaanpulber õhus on plahvatusohtlik.
Kuna puhas titaan on väga reageerimisaldis hapniku ning lämmastikuga, kasutatakse titaani filamente odava ja töökindla variandina vaakumpumpades, et luua kõrge vaakumiga süsteeme.

Paiknemine

Titaan on looduses alati seotud teiste elementidega. Tegu on levikult üheksanda elemendiga maakera koores (0,62% massi poolest) ja seitsmes levinuim metall. Leidub enamikus tardkivimites ja nende setetes (ka elusorganismides ja veekogudes). 801 tardkivimi tüübist, mida uuris Ameerika Ühendriikide Geoloogiateenistus, leiti 784-s titaani. Selle metalli hulk mullas on umbes 0,5–1,5%
Titaan on laialt levinud anataasis, rutiilis, ilmeniidis ja ka teistes mineraalides. Rutiil ja ilmeniit on aga ainsad, millel on majanduslik tähtsus, kuid neid on suures kontsentratsioonis raske leida. Neid kaevandati vastavalt 6,0 ja 0,7 miljonit tonni aastal 2011. Suuremad leiukohad on Lääne-Austraalias, Kanadas, Hiinas, Indias, Mosambiigis, Uus-Meremaal, Norras, Ukrainas ja Lõuna-Aafrikas. Titaani reservid on hinnanguliselt suuremad kui 600 miljonit tonni.

Isotoobid

Looduses esineval titaanil on 5 stabiilset isotoopi: ⁴⁶Ti, ⁴⁷Ti, ⁴⁸Ti, ⁴⁹Ti ja ⁵⁰Ti, millest ⁴⁸Ti on kõige levinum. On kirjeldatud üksteist radioaktiivset isotoopi, millest kõige stabiilsem on ⁴⁴Ti poolestusajaga 63 aastat. ⁴⁵Ti poolestusaeg on 184,8 minutit, ⁵¹Ti-l on 5,76 minutit ja ⁵²Ti-l on see 1,7 minutit. Kõigil ülejäänutel jääb poolestusaeg alla 33 sekundi ning neist enamikul on see alla poole sekundi.

Kasutus

Ligi 95% toodetud titaanist leiab kasutust titaanoksiidi koosseisus.
Titaani kasutatakse mõnede terase sulamite valmistamiseks, et vähendada süsinikusisaldust. Titaani sulameid tehakse tihti alumiiniumi, vanaadiumi, vase, raua, mangaani ja teiste metallidega.

Lennundus

Tänu heale vastupidavusele korrosiooni ja mõrade tekkele ning oma tugevuse ja kaalu suhtele on titaan leidnud laia kasutust lennunduses. Kasutatakse mootorites, tuleseintes, maandumistelikus, hüdraulikas, tähtsates üldstruktuuri osades ning mujal. Kuni kaks kolmandikku toodetud metallilisel kujul olevast titaanist kasutatakse lennukite tootmisel. SR-71 "Blackbird" oli esimene lennuk, kus kasutati laialdaselt titaani, luues pretsedendi tulevastele lennukitele sõja- ning tsiviilkasutuses. Umbes 59 tonni titaani kasutatakse Boeing 777-s, 45 tonni Boeing 747-s ja 32 tonni Airbus A340-s. Tulevane Airbus A380 võib kasutada kuni 146 tonni, millest 26 tonni oleks puhtalt mootorite jaoks. Mootori osad, mis on tehtud titaanist, on näiteks turbiinilabad ja hüdraulika.

Tarbekaubad

Titaani kasutatakse paljudes sporditarvetes: tennisereketites, golfikeppides, spordikiivrites, jalgrattaraamides ning muudes osades. Kuigi tegu ei ole laialt levinud materjaliga rataste tegemisel, kasutatakse seda eelistatuna võistlusratastel. Titaani kasutatakse ka prilliraamides. Tulemuseks on küll kallid, kuid vastupidavad raamid, mis on kerged ega põhjusta nahaallergiat. Matkajad kasutavad titaanist varustust pottidest, pannidest kuni telgivaiadeni välja. Kuigi kallimad kui teras- või alumiiniumalternatiivid on titaanist esemed kerged, vähendamata seejuures tugevust.
Titaani kasutatakse ka sõrmuste tegemisel, kuna pole vaja muretseda korrosiooni pärast näiteks ujulates või kusagil mujal. Lisatakse ka kullale, et muuta kuldehteid vastupidavamaks. Lisaks leiab titaan kasutust veel kellaraamide tegemisel ning kunstnikud kasutavad seda ka mööbli või dekoratiivsete objektide valmistamiseks.

Meditsiin

Kuna titaan on elava koega kokkusobiv (ei ole mürgine ja organism ei tõrju seda), kasutatakse titaani kirurgiliste instrumentide valmistamiseks, hambaravis, puusa ja liigeste siiretes, kuhu see võib jääda kuni 20 aastaks.
Kasutust implantaadina soodustab ka titaani mittemagnetilisus, mis lubab siiretega patsientidel käia magnetuuringutel.
Samal põhjusel kasutatakse titaani ka iluaugustamisel vajaminevate neetide tegemiseks, kuna ei põhjusta kehaga reaktsiooni.

Tuumajäätmete hoiustamine

Tänu oma vastupidavusele korrosiooni suhtes on titaani uuritud ka tuumajäätmete hoiustamiseks. Konteinerid, mis peaksid vastu kuni 100 000 aastat, on võimalikud teatud tootmismeetodeid kasutades.

Muud kasutusalad

Tänu kergele kaalule on titaanil tähtis koht motospordis ja kosmoseaparaatides. Titaani omadus vastu pidada mereveele on taganud ta kasutuse merenduses, laevaosadest tamiilini. Kasutatakse ka meres paiknevate uurimisseadmete ehitusel.