Titaani
Titaani on metallinen alkuaine. Sen kemiallinen merkki on Ti (), järjestysluku 22, atomimassa 47,867 u ja CAS-numero 7440-32-6. Titaanin sulamispiste on 1 668 °C. Titaani on kevyttä ja hyvin muokattavissa. Siitä muodostetaan erilaisia lejeerinkejä. Titaanin löysi 1700-luvun lopulla William Gregor.
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.
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.
Luonnontitaanissa esiintyy viittä isotooppia: Ti-46, Ti-47, Ti-48, Ti-49 ja Ti-50. Ti-48 on yleisin (73,8 %). Yhtätoista radioaktiivista isotooppia on valmistettu, ja niistä vakain on Ti-44, jonka puoliintumisaika on 63 vuotta. Ti-45-isotoopin puoliintumisaika on 184,8 minuuttia, Ti-51:n 5,76 minuuttia ja Ti-52:n 1,7 minuuttia. Muiden isotooppien puoliintumisajat ovat alle 33 sekuntia ja suurimman osan alle puoli sekuntia.
Titaanin isotoopeilla ei ole merkittäviä sovelluskohteita.
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.
Teollisesti merkittävin titaanin yhdiste on titaanidioksidi. Titaani muodostaa myös muita oksideja hapetusastella +III, +II ja +I. Titaanilta tunnetaan myös sulfidi TiS.
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).
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.
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 valmistamisen ongelma on sen voimakas reaktiokyky ilman hapen ja typen kanssa. Hapettaminen alkaalimetallien tai maa-alkaalimetallien kanssa ei poista kaikkea happea ja hiilen kanssa muodostuu karbideja. Myöhemmin titaania on valmistettu hapettamalla titaanitetrakloridia esimerkiksi kalsiumin ja magnesiumin avulla. Tämän prosessin kustannukset ovat melko korkeat, mutta se on edelleen käytetyin teollisuudessa ja tunnetaan Krollin metodina. Alla on esitetty reaktioyhtälöt tästä prosessista. Lämpötila kummassakin reaktiossa on 900 Celsiusastetta.
Tämän jälkeen titaanitetrakloridi erotetaan tislaamalla. Inertissä ympäristössä (yleensä argon):
Tämä tuoteseos voidaan puhdistaa tislaamalla ja pesemällä kuningasvedellä.
Titaania tuotetaan noin 120 000 tonnia vuosittain. 100 grammaa täysin puhdasta titaania maksaa noin 540 euroa. Elokuussa 2011 ferrotitaanimalmi maksoi noin 6 euroa kilolta. Metallinen titaaniharkko (puhtain teollisuudessa käytetty standardilaatu Grade 1, puhtaus 99,5%) maksoi vuonna 2011 keskimäärin 9,4 euroa/kilo Rotterdamin metallipörssissä.
Titaanin tiheys on suhteellisen pieni, mutta sillä on hyvät mekaaniset ominaisuudet. Alumiinin tai tinan kanssa yhdistetyn lejeeringin voimakkuus-massa-suhde on hyvin korkea. Muita yleisiä lejeerinkimetalleja ovat rauta, vanadiini, kupari, koboltti ja mangaani. Teräksen korroosion kestävyyttä voidaan lisätä lisäämällä titaania seokseen.
Titaania käytetään moottoreissa, mutta sen tärkein käyttökohde on ilmailuteollisuudessa. Lentokoneisiin ja avaruusaluksiin käytetäänkin kaksi kolmasosaa tuotetusta titaanista. Titaania käytetään tekonivelissä sekä luunmurtumien korjaamisessa tarvittavissa levyissä ja ruuveissa. Titaania käytetään panssareissa ja muissa suojissa. Titaania käytetään myös rakennusteollisuudessa, urheiluvälineissä (golfmailat), tietokoneissa ja kelloissa. Laivateollisuus hyödyntää titaanin hyvää korroosion kestävyyttä laivojen rungoissa ja potkureissa. Petrokemian ja kemian teollisuus käyttää titaania putkistoissa ja tuotantovälineissä.
Noin 95 % kaikesta käytetystä titaanista käytetään titaanidioksidina. Titaanidioksidia käytetään maali-, muovi- ja paperiteollisuudessa. Titaanidioksidi antaa maaleille valkoisen värin ja sillä on korvattu myrkyllinen lyijykarbonaatti. Titaanidioksidia käytetään myös paperi- ja muoviteollisuudessa tekemään materiaaleista läpinäkymättömiä. Titaanidioksidi ei läpäise valoa, ja sitä käytetään myös aurinkovoiteissa. Suomessa titaanioksidia valmistaa Porin titaanidioksiditehdas . Titaanisulfaattia käytetään tekstiilien kuivaamiseen.
Titaania käytetään katalyyttinä alkeenien polymeroinneissa. 1950-luvulla kehitettiin Ziegler-Nattana tunnettu menetelmä, jossa titaani toimii keskusatomina. Myöhemmin on kehitetty metalloseeneja, joiden alkeellisimmissa komplekseissa titaani on kahden syklopentadieenin välissä.
Vaikka metallinen titaani on lujuudessa teräkseen verrattavissa, sen kimmokerroin on vain noin puolet teräksen vastaavasta. Tämän vuoksi pyrittäessä samaan jäykkyyteen kuin teräsrakenteissa, joudutaan titaanin kanssa käyttämään suurempaa ainepaksuutta, jolloin menetetään osa titaanin keveyden tuomasta edusta. Koneenrakennuksessa jäykkyys on usein mitoituksessa määräävämpi ominaisuus kuin lujuus. Kun lisäksi titaanin työstäminenkin on kallista, niin käyttökohteiksi ovat tulleet vaativat sovellukset, joissa haponkestävän teräksen kemiallinen kestävyys ei riitä ja joissa vaaditaan lisäksi keveyttä.
Titaanin käyttökohteita:
Titaanimetallin kierrättämisestä on tullut tärkeä titaaniraaka-aineen lähde. Jos jätteestä halutaan tehdä puhdasta titaania, sitä pitää käsitellä uudelleen poistamalla pinnalle syntyneet kuona-aineet. Käsittelemätöntäkin titaanijätettä voidaan käyttää metalliseosten valmistamiseen. Yhdysvalloissa jätteestä tuotetaan noin 40 % titaaniraaka-aineesta, Euroopassa vain noin 10–30 %.
Titaania myydään neljässä eri laatuluokassa, joissa sen puhtaus vaihtelee. Puhtausluokan 1 titaanissa on painosta enintään 0,12 % happea ja neljännessä puhtausluokassa happipitoisuus on kasvanut 0,35 prosenttiin. Luokan 1 titaani on pehmeintä ja se sopii ominaisuuksiltaan esimerkiksi syvävetoon, teräsreaktoreiden pinnoitteeksi ja sähkötekniikkaan. Puhtausluokan 2 titaani on laajimmin käytetty titaanilaatuluokka kun taas luokan 3 titaania käytetään lähes ainoastaan painesäiliöissä. Laatuluokan 4 titaani on vahvinta ja sitä käytetään esimerkiksi lentokoneteollisuudessa.
Titaanin korroosiokestävyys johtuu lujasta, ohuesta ja tiheästä oksidipinnoitteesta, joka syntyy metallin pinnalle. Oksidikerroksen paksuus riippuu siitä, kuinka pitkään titaani on altistunut hapelle. Normaalipaineessa ja huoneen lämpötilassa oksidikerros saavuttaa kahdessa tunnissa 1,7 nm paksuuden, 40 päivässä 3,5 nm paksuuden ja 4 vuodessa 25 nm paksuuden. Pelkistävissä olosuhteissa titaani ei ole yhtä korroosionkestävä. Korroosionkestävä oksidikerros tuhoutuu täysin vedettömissä olosuhteissa kuten kuivakloorissa. Titaanin korroosiokestävyyttä voidaan nostaa lisäämällä siihen jalometalleja, kuten esimerkiksi palladiumia.
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.