Titán (prvok)

História

Titán ako nový prvok prvýkrát identifikoval amatérsky geológ William Gregor (povolaním pastor a neskôr vikár farnosti Creed v Cornwalle) v roku 1791, ktorý si všimol, že čierny piesok z náplavov v susednej obci Manaccan je priťahovaný magnetom. Tento piesok bol minerál ilmenit a jeho analýzou Gregor zistil, že je tvorený dvoma oxidmi - železa a nového, dovtedy neidentifikovaného prvku (oxid titaničitý). Svoj objav oznámil Kráľovskej geologickej spoločnosti Cornwallu (Royal Geological Society of Cornwall) a taktiež ho publikoval aj v nemeckom vedeckom časopise Creel's Annalen.
Približne v rovnakom čase uhorský mineralóg Franz-Joseph Müller von Reichenstein pripravil rovnakú zlúčeninu, no nedokázal ju identifikovať. Oxid titaničitý znovuobjavil v roku 1795 nemecký chemik Martin Heinrich Klaproth v rutile z Uhorska (presnejšie z lokality pri Revúcej na území dnešného Slovenska), ktorý aj dokázal že je to oxid nového prvku a tento prvok pomenoval po obroch z gréckej mytológie Titanoch. Keď sa dozvedel o skoršom objave Gregora, potvrdil, že v čiernych pieskoch z Manaccanu sa tiež nachádza rovnaký prvok.
Samotná výroba čistého titánu sa však podarila až v roku 1910 Matthewovi Hunterovi, ktorý pripravil kov o čistote 99,9% redukciou chloridu titaničitého sodíkom pri teplote 700 až 800 °C. Titán totiž za zvýšenej teploty reaguje s uhlíkom, tak klasické spôsoby redukcie rúd koksom zlyhávali. Redukcia sodíkom však bola veľmi nákladná a množstvo týmto procesom vyprodukovaného titánu stačilo akurát na laboratórne pokusy. Až v roku 1932 luxemburský metalurg William Kroll nahradil sodík vápnikom a o deväť rokov horčíkom a titán sa začal produkovať priemyselne. Krollov proces sa používa na výrobu titánu aj v súčasnosti, napriek tomu, že existujú aj lacnejšie spôsoby prípravy.

Fyzikálne vlastnosti

Titán je lesklý kov bielej až šedej farby. Teplota topenia je 1 668 °C, teplota varu 3 287 °C. Kryštalizuje v hexagonálnej sústave, nad teplotou 885 °C však prechádza na kubickú sústavu. Ďalšia významná vlastnosť titánu je, že je to prvok s vynikajúcim pomerom pevnosti a hmotnosti. Titán v komerčnej čistote má rovnakú pevnosť v ťahu ako oceľ strednej pevnosti, je však o 43 % ľahší a napriek tomu, že je o 60 % ťažší než hliník, je pevnejší ako hliníkové zliatiny (aj keď presné čísla závisia od konkrétneho zloženia zliatin a spracovania).
Titán má nízku hustotou, pomerne vysokú ťažnosť (obzvlášť v bezkyslíkatom prostredí) a je ťažko opracovateľný. Je paramagnetický a má veľmi vysoký elektrický a tepelný odpor.

Chemické vlastnosti

Najdôležitejšou vlastnosťou titánu je jeho odolnosť voči korózii, ako aj nerozpustnosť vo väčšine roztokov zriedených kyselín, hoci v koncentrovaných kyselinách sa rozpúšťa. S hodnotou E° −0,42 V by mal vytláčať  vodík z vody, no táto reakcia prakticky neprebieha. Na povrchu sa totiž vytvára pasivačná vrstva oxidu titaničitého, ktorá zabraňuje ďalšej korózii.
Pri zvýšenej teplote na vzduchu sa na titáne vytvára pasivačná a ochranná oxidová vrstva zabraňujúca korózii, ale pri izbovej teplote odoláva korózii. Ak sa vo vzduchu zahreje na teplotu 610 °C alebo vyššiu, horí za vzniku oxidu titaničitého; a je jedným z mála prvkov, ktoré horia aj v čistej dusíkovej atmosfére (horí pri 800 °C). Titán odoláva zriedenej kyseline sírovej aj kyseline chlorovodíkovej, ako aj plynnému chlóru a väčšine organických kyselín. 
Pokusy ukázali, že prírodný titán sa mení na rádioaktívny, keď je ostreľovaný deuterónmi, pričom vyžaruje najmä pozitróny a tvrdé gama žiarenie. Rozžeravený do červena sa zlučuje s kyslíkom a pri teplote 550 °C sa zlučuje aj s chlórom. Reaguje aj s inými halogénmi a absorbuje vodík.

Izotopy

Existujú dve alotropické formy titánu a päť prirodzene sa vyskytujúcich izotopov. ⁴⁶Ti až po ⁵⁰Ti. ⁴⁸Ti je izotop s najväčším prirodzeným výskytom až (73.8%).

Použitie

Praktické využitie elementárneho titánu vyplýva predovšetkým z jeho mimoriadnej chemickej odolnosti a malej hustoty. Je treba vziať do úvahy, že výroba titánu je v súčasnosti relatívne finančne náročná a prevádzkové nasadenie titánových komponentov je účelné len v prípadoch, keď nie je možné použiť lacnejšiu alternatívu na báze zliatin hliníka a horčíka – duralov.
Od počiatku priemyslovej výroby kovového titánu spočívalo ťažisko jeho využitia v kozmických technológiách a špeciálnych aplikáciách leteckého priemyslu. Titán a jeho zliatiny sú preto základným materiálom pri výrobe skeletov alebo povrchových ochranných štítov kozmických objektov (družíc, vesmírnych sond a vesmírnych staníc). V leteckom priemysle nachádzajú využitie pri výrobe významne namáhaných súčastí lietadiel, teda predovšetkým pri konštrukcii vojenských stíhacích lietadiel a dnes i pri konštrukcii komerčných dopravných lietadiel.
V chemickom priemysle je titán stále populárnejším materiálom na výrobu alebo jednoduché vystlanie chemických reaktorov, ktoré pracujú v extrémnych podmienkach a vyžadujú vysokú odolnosť voči korózii.
Titán je stále častejšie používaný v zariadeniach, ktoré dlhodobo pracujú v styku s morskou vodou. Môžu to byť súčasti lodí alebo ponoriek (lodné skrutky), ale i komponenty priemyslových celkov, slúžiacich na odsoľovanie (desalináciu) morskej vody.
V bežnom každodennom živote sa s titánom môžeme stretnúť napr. ako s materiálom na výrobu luxusných náramkových hodiniek alebo častí šperkov.

Výskyt v prírode

Prvok sa vyskytuje v početných mineráloch s hlavnou zložkou rutil (oxid titaničitý) a ilmenit, ktoré sú široko rozptýlené po celej zemi. Existujú dve alotropické formy titánu a päť prirodzene sa vyskytujúcich izotopov. ⁴⁶Ti až po ⁵⁰Ti. ⁴⁸Ti je izotop s najväčším prirodzeným výskytom až (73.8%). Najvýznačnejšou vlastnosťou titánu je jeho pevnosť, titán je pevný približne ako oceľ, ale má 60% hmotnosť. Vlastnosti titánu sú chemicky a fyzikálne podobné zirkóniu.

Biologický význam

Vďaka svojej vysokej chemickej stálosti sa titán v okolitom prostredí nevyskytuje v takej forme, ktorá by mohla byť metabolizovaná živými organizmami. Nie je preto známe žiadne zapojenie titánu do enzymatických reakcií alebo jeho iné biologické uplatnenie, preto je „biokompatibilný“ - v organizme nevyvoláva žiadnu obrannú reakciu.
Naopak vysoká odolnosť titánu sa využíva pri výrobe niektorých chirurgických nástrojov, implantátov (dentálne/zubné, cranio-maxilo-faciálne/lebečno-čeľustno-tvárové) a protéz (napr. ortopedické/využívané pri rekonštrukciách pohybového ústrojenstva - najčastejšie kĺbov). V súčasnosti sú módne piercingové ozdoby pokryté titánom vzhľadom na ich zdravotnú bezchybnosť a žiadaný vzhľad.