Titaani

Ominaisuudet

Titaani kestää korroosiota erittäin hyvin. Happi-ilmakehässä se muodostaa pinnalleen inertin oksidikerroksen, joka kestää laimeaa rikki- ja suolahappoa, orgaanisia happoja ja klooria. Titaani on lähes yhtä lujaa kuin teräs, mutta 45 % kevyempää. Se on 60 % painavampaa kuin alumiini, mutta kaksi kertaa vahvempaa. Titaani on myös erittäin väsymiskestävää ja sillä on korkea sulamispiste.
Titaani palaa normaali-ilmakehässä (> 610 °C) muodostaen titaanidioksidia. Hapettumaton titaanipinta palaa jo huoneenlämmössä välittömästi paljastuessaan, esimerkiksi titaanikappaleen murtuessa, jolloin saatetaan nähdä jopa valonvälähdys. Syntynyt lämpö ei yleensä riitä sytyttämään koko kappaletta. Reaktioherkkyyden vuoksi lastuamisnopeus on pidettävä hitaana. Titaani on myös niitä harvoja aineita, jotka reagoivat typen kanssa (> 800 °C), jolloin muodostuu titaaninitridiä. Ominaisuus tekee titaanista vaikean hitsattavan. Titaani on hitsattava typpeä sisältämättömässä suojakaasussa.

Fysikaaliset ominaisuudet

Titaani on kiiltävä ja hopeinen metalli. Sen sulamispiste on korkea (1 668 °C). Sen kiderakenne on normaalisti heksagonaalinen, ja se muuttuu tilakeskeiseksi kuutioksi 882 asteessa. Muihin metalleihin verrattuna titaani ei ole hyvä sähkön- tai lämmönjohdin. Se on paramagneettinen. Titaani on kylmänä melko haurasta, mutta lämmityksen jälkeen sen muokattavuus paranee huomattavasti.

Kemialliset ominaisuudet

Titaanin höyrystymisen, sulamisen ja atomisoitumisen energiat ovat melko korkeita, mikä johtuu d-orbitaalin elektronista, joka muodostaa vahvoja metallisidoksia.
Titaani reagoi, erityisesti korkeissa lämpötiloissa, voimakkaasti hapen, vedyn ja typen kanssa ja on täten pyroforinen. Happi muodostaa titaanin päälle ohuen ja tiheän titaanidioksidikalvon, joka tekee titaanista erittäin korroosion kestävän. Tällöin titaani ei reagoi huoneenlämmössä muutoin kuin vetyfluoridin kanssa, mutta emäkset eivät edes lämpiminä reagoi titaanin kanssa. Titaani liukenee väkeviin happoihin, mutta ei veteen.
Titaanin tärkein hapetusaste on +IV. Titaani muodostaa tällöin paljon erilaisia komplekseja, joissa on ligandina joko fluoroja tai happea tai typpeä sisältäviä aineita. Vaikka yleensä titaani muodostaa koordinaatioluvulla kuusi komplekseja, niin myös koordinaatioluvulla kahdeksan tunnetaan yhdisteitä. Titaanilla on myös hapetusaste +III, joka on helppoa saada pelkistämällä sinkillä laimeassa happoliuoksessa tai elektrolyyttisesti hapetusasteelta +IV.
Titaanin ei ole todettu olevan vaarallista ihmiselle, eikä sillä ole myöskään terveysvaikutuksia.

Yhdisteet

Teollisesti merkittävin titaanin yhdiste on titaanidioksidi. Titaani muodostaa myös muita oksideja hapetusastella +III, +II ja +I. Titaanilta tunnetaan myös sulfidi TiS₂.
Titaani muodostaa tetrahalideja kaikkien neljän yleisimmän halogeenin kanssa. Halidit ovat erivärisiä ja niiden ominaisuudet vaihtelevat jonkin verran. Tetrakloridi ja -bromidi voidaan valmistaa kuumentamalla titaanidioksidia hapettimen, esimerkiksi hiilen, läsnä ollessa ja johtamalla siihen kloori- tai bromikaasua. Tetrafluoridi saadaan, kun vedetön HF reagoi titaanitetrakloridin kanssa. Tetrajodidi saadaan muodostettua, kun titaanidioksidia kuumennetaan alumiinitrijodidin läsnä ollessa. Kaikki tetrahalidit ovat tetrahedraalisia ja toimivat Lewis-happoina. Halidit ovat reaktiivisia veden kanssa muodostaen titaanidioksidia ja happoa. Titaanille on muodostettu myös trihalideja kaikkien halogeenien kanssa ja dihalideja kloorin, bromin ja jodin kanssa.
Titaanille on tuotettu huomattava määrä kompleksiyhdisteitä hapetusasteella +IV, jolloin koordinaatioluku 6 on yleisin, mutta 7 ja 8 ovat myös mahdollisia. Titaani muodostaa kompleksin yleensä typen tai hapen välityksellä. Yleisimpiä ovat titaanin alkoksidikompleksit, jossa titaanitetrakloridi reagoi alkoholin kanssa. Titaani muodostaa myös hapetusasteella +III komplekseja, mutta alemmilla hapetusluvuilla kompleksien muodostaminen on vaikeampaa.
Titaania voidaan hyödyntää myös organometallikemiassa. Organotitaaniyhdisteet ovat käytettyjä muun muassa katalyytteinä. Tästä tunnetuin esimerkki lienee Karl Zieglerin ja Giulio Nattan kehittämä Ziegler–Natta-katalyysimenetelmä, jossa käytetään titaanin organometalleja katalyytteinä eteenin polymeroinnissa. Myöhemmin kehitettiin myös metalloseenejä, joissa titaani on kahden syklopentadieenirenkaan välissä. Titaani muodostaa myös karbonyyliyhdisteen Ti(CO)₆.

Historia

Vuonna 1791 cornwallilainen pastori ja kemisti William Gregor tutki paikallista malmia ilmeniittiä. Hän poisti malmista suolahapon avulla raudan, ja kun hän liuotti jäljelle jääneen osan rikkihappoon, syntyi titaanidioksidia. Neljä vuotta myöhemmin saksalainen kemisti Martin Klaproth löysi saman oksidin rutiilista. Hän nimesi löytämänsä alkuaineen titaaniksi kreikan mytologian titaanien, Uranoksen ja Gaian lasten, mukaan. Klaproth ei aluksi tiennyt Gregorin havainnoista mutta korosti kuitenkin koko uransa ajan, että Gregor löysi titaanin ennen häntä. Vuonna 1825 Berzelius valmisti titaania, mutta näytteessä oli epäpuhtauksia. Vuonna 1910 M. A. Hunter valmisti puhdasta titaania hapettamalla titaanitetrakloridia natriumin avulla.

Esiintyminen

Maankuoresta titaania on noin 0,63 prosenttia, ja se on yhdeksänneksi yleisin alkuaine ja toiseksi yleisin transitiometalli raudan jälkeen. Vaikka ryhmän IV alkuaineet ovat yleisiä, niin niitä ei esiinny puhtaana luonnossa, vaan niitä löytyy monista oksideista ja silikaateista. Titaanin tärkeimmät malmit ovat ilmeniitti ja rutiili. Tärkeimmät esiintymät sijaitsevat Kanadassa, Yhdysvalloissa, Skandinaviassa, Australiassa ja Malesiassa.

Titaanin erikoisominaisuuksia

Lockheedin pohtiessa 1960-luvun alussa vedyn käyttämistä lentokoneen polttoaineena havaittiin titaanin hauraus kylmänä. Kylmähaurauden lisäksi vety kulkeutuu titaanin kiteiden raerajoille ja tekee siitä lasimaisen hauraan. Ilmiö voi aiheutua myös titaanin työstön koneistusnesteistä. Hiilikuiturakenteissa titaanin ja hiilikuidun kontakti pitää estää titaanin galvaanisen korroosion estämiseksi.
Vety haurastuttaa titaanin, mutta toisaalta titaanijauhe kykenee varastoimaan itseensä suuren määrän vetyä.
Titaanin lämpölaajenemiskerroin on pieni, samaa luokkaa kuin lasin. Titaania voidaan jopa hitsata yhteen lasin kanssa, mitä ominaisuutta on hyödynnetty joissakin laboratoriosovelluksissa.
Nikkelin ja titaanin seos on muistimetalli.
Titaaninitridiä ja titaanikarbidia käytetään pinnoitteena kovuutensa ja kulutuksenkestonsa vuoksi työstökoneiden terissä.