Titán (chemický prvok)

Titán (lat. titanium) je chemický prvok v Periodickej tabuľke prvkov, ktorý má značku Ti a protónové číslo 22. Je to ľahký, pevný, lesklý prechodný kov oceľového vzhľadu, odolný voči korózii (aj v morskej vode, v kyselinách, resp. v prítomnosti chlóru). V prírode sa titán vyskytuje len v podobe zlúčenín, najrozšírenejšími minerálmi sú rutil a ilmenit.

Titán sa používa ako zložka pevných a ľahkých zliatin (so železom, hliníkom, vanádom, molybdénom a mnohými ďalšími prvkami), ktoré majú široké uplatnenie v mnohých odvetviach priemyslu (v kozmonautike, vojenstve, letectve, strojárenstve, chemickom priemysle, v medicíne atď.). Oxid titaničitý sa používa ako biely pigment (pod názvom titánová beloba), taktiež aj ako zložka zubných pást a ako fotokatalyzátor.

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.

Vlastnosti

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%).

Výskyt a výroba 
Titán je siedmym najrozšírenejším kovom v zemskej kôre, jeho obsah sa odhaduje na 5,76,3 g/kg. V morskej vode je vďaka svojej chemickej stálosti prítomný len v koncentrácii 0,001 mg/l. Vo vesmíre pripadá na jeden atóm titánu 1 milión atómov vodíka.

V malom množstve je titán obsiahnutý vo väčšine minerálov a medzi jeho najvýznamnejšie rudy patrí ilmenit - (FeTiO3 oxid železnato-titaničitý) a rutil (TiO2 - oxid titaničitý). Významné zásoby týchto minerálov sa nachádzajú v Austrálii, Severnej Amerike, Škandinávii a Malajzii. Významne je titán zastúpený i na mesačnom povrchu – horniny, ktoré získala misia Apollo 17 obsahujú približne 12% TiO2.

Napriek svojmu vysokému zastúpeniu v zemskej kôre bol čistý kovový titán dlho veľmi vzácnym a drahým materiálom. Dôvodom je skutočnosť, že bežné hutnícke metódy, ktoré sa využívajú na výrobu iných kovov sú v prípade titánu neúčinné vďaka ochote titánu reagovať za zvýšenej teploty s kyslíkom, vodíkom, uhlíkom a dusíkom. 

V súčasnosti sa pri priemyslovej výrobe titánu používa predovšetkým tzv. Krollov proces. Pritom sa najprv pyrolýzou ilmenitu alebo rutilu s uhlíkom a chlórom získava chlorid titaničitý TiCl4. Po prečistení sa jeho pary redukujú horčíkom v inertnej argónovej atmosfére pri teplote okolo 800 °C.

 TiCl4 + 2 Mg → Ti + 2 MgCl2

Titán vzniknutý touto reakciou je tuhá, pórovitá látka, ktorá sa po odstránení chloridu horečnatého a nezreagovaného horčíku ďalej čistí.

Pre zaujímavosť je možné uviesť, že v 50. a 60. rokoch minulého storočia bola výroba kovového titánu sústredená prakticky len v Sovietskom zväze. Postup výroby bol prísne utajovaný a titán bol v prebiehajúcej Studenej vojne považovaný za jednu zo základných strategických surovín. Až neskôr bol výrobný postup špionážne odhalený a postúpený do západnej Európy a USA.

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.

Zlúčeniny 
V zlúčeninách sa titán vyskytuje v mocenstve Ti+3 a Ti+4, z ktorých len zlúčeniny štvormocného titánu sú neobmedzene stále.

 Prakticky najvýznamnejšou zlúčeninou titánu je oxid titaničitý TiO2. Je to veľmi stabilná zlúčenina, ktorá sa v kryštalickom stave vyskytuje v troch modifikáciách, ktorým zodpovedajú tri rôzne minerály: rutil, anatas a brookit. Pre praktické použitie je však najviac vhodná amorfná prášková forma, nazývaná titánová beloba. Tento biely pigment je mimoriadne stály, zdravotne celkom neškodný, má vysokú kryciu schopnosť a radí sa preto medzi najkvalitnejšie dostupné biele pigmenty. Praktické použitie nachádza pri výrobe farieb, v sklárskom a keramickom priemysle, používa sa i pri výrobe vysoko kvalitného papiera, ako plnivo pri výrobe plastických hmôt a niektorí výrobcovia ho pridávajú i do zubných pást. Vďaka tomu, že prechádza tráviacim traktom nezmenený, používa sa i v potravinárskom priemysle na bielenie mlieka. Odhaduje sa, že oxid titaničitý tvorí viac než 90% celosvetovej spotreby produktov z titánu.

 Chlorid titaničitý TiCl4 je bezfarebná kvapalina s bodom varu 137 °C. Je základným medziproduktom pri príprave čistého titánu Krollovým procesom. Pri kontakte s atmosférickou vlhkosťou dochádza k jeho postupnej hydrolýze podľa rovnice:

 TiCl4 + 2 H2O → TiO2 + 4 HCl

 Vznikajúci TiO2 vytvára intenzívny biely dym, ktorý nie je prakticky toxický. Uvedený jav nachádza využitie v pyrotechnike pri výrobe zadýmovacích granátov, pri vytváraní umelej hmly (napr. pri natáčaní filmov) alebo pri leteckých show.
 Chlorid titánitý TiCl3 slúži ako katalyzátor (Ziegler-Natta - Nobelova cena za chémiu v roku 1963) pri polymerizácii nenasýtených uhľovodíkov.
 Nitrid titánu (TiN) patrí k najtvrdším známym látkam s tvrdosťou 9 na Mohsovej stupnici tvrdosti. Používa sa v brúsnych materiáloch, ale i na povrchovú úpravu titánových nástrojov – nitridovanie, pri ktorom je na povrchu nástroja určeného na extrémne fyzické namáhanie vytvorená tenká ochranná vrstva TiN.

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.

Zdroje 
 
 Gažo, J. a kol.: Všeobecná a anorganická chémia, 1981, Alfa, Bratislava
 Ozdín, D., Uher, P.: Slovenské názvy minerálov, 2002, ŠGÚDŠ, Bratislava

Iné projekty 

 Titán
Prechodné prvky
Kovy