Titaan

Titaan on keemiline element, mille aatomnumber Mendelejevi perioodilisustabelis on 22 ja sümbol Ti. 

 Ajalugu 
pisi|Kristalliline titaan
Titaani avastas Inglismaal Cornwallis William Gregor 1791. aastal. Nimetuse on element saanud Martin Heinrich Klaprothilt Kreeka mütoloogia titaanide järgi. Elementi leidub paljudes mineraalides maakoores (litosfääris). Seda leidub peaaegu kõigis elusorganismides, kivimites, veekogudes ja muldades. 

Titaansulameid tehakse raua, alumiiniumi, vanaadiumi, molübdeeni ja muude elementidega, et moodustada tugevaid kergeid sulameid lennunduse (reaktiivmootorid, raketid, kosmoseaparaadid), masinatööstuse, meditsiini, sporditarvete, ehete ja muude kasutusalade tarvis.

 Omadused 
Omadustelt on titaan metall. Keemiliste ja füüsikaliste omaduste poolest sarnaneb titaan tsirkooniumiga, kuna mõlemal on sama arv valentselektrone, mõlemad asuvad perioodilisustabelis samas grupis.

 Füüsikalised omadused 
pisi|Titaansilinder

Titaani tihedus on 4,5 g/cm³ ja sulamistemperatuur on 1660 ± 10 °C, keemistemperatuur 3287 °C. Püsivaim oksüdatsiooniaste on +4, see on amfoteerne. Oksüdatsiooniastmed +3 ja +2 on redutseerivate omadustega. 

Metallilise elemendina on titaan tuntud silmapaistva tugevuse ja kaalu suhte poolest. Tegu on tugeva metalliga, millel on väike tihedus ja metalselt hõbedane läige. 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 kuumutamisel 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 
pisi|Titaanoksiid

Nagu alumiinium ja magneesium, oksüdeerub ka titaan kohe, kui puutub kokku õhuga. Titaan reageerib hõlpsasti õhus oleva hapnikuga 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 selle pinnale moodustub oksiidikiht, mis kaitseb metalli edasiste reaktsioonide eest. Algul 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, mereveele, kuningveele, kloorile ning gaasilisele kloorile ja enamikule orgaanilistele hapetele. Kontsentreeritud hapetes on titaan lahustuv.

Titaani ei ole võimalik sulatada õhukeskkonnas, kuna süttib põlema enne, kui sulamistemperatuur on saavutatud. Seega sulatatakse seda kas inertses gaasis (nagu argoonis) või vaakumis. 550 °C juures reageerib titaan klooriga. Titaan 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 ja lämmastikuga, kasutatakse titaani filamente odava ja töökindla variandina vaakumpumpades, et luua kõrge vaakumiga süsteeme.

 Levik 

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 sisaldus mullas on umbes 0,5–1,5%

Titaan on laialt levinud anataasis, rutiilis, ilmeniidis ja ka teistes mineraalides. Suuremad leiukohad on Lääne-Austraalias, Kanadas, Hiinas, Mosambiigis, Norras, Ukrainas ja Lõuna-Aafrikas. Titaanivaru on hinnanguliselt suurem kui 600 miljonit tonni.

Isotoobid

Titaanist on teada 26 isotoopi vahemikus Ti-38 kuni Ti-63. 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.
+ 2020 rutiili ja ilmeniidi tootmine Riik  Tuhandetes tonnides  % tervikustHiina230028,2Lõuna-Aafrika110013,5Austraalia100012,3Kanada6808,3Mosambiik6067,4Ukraina5646,9Norra4004,9Senegal3193,9Madagaskar3003,7Maailm8149100

Tootmine

Kuna titaan reageerib kõrgetel temperatuuridel hapnikuga, ei saa selle eraldamiseks kasutada tavalisi meetodeid ning ajalooliselt on kasutusel olnud Krolli meetod. 
Esialgsest oksiidist saadakse TiCl4, juhtides aurustunud kloor süsiniku juuresolekul üle hõõgpunaste mineraalide. TiCl4 kondenseeritakse ja puhastatakse fraktsioneeriva destillatsiooni abil. Edasi saadus redutseeritakse 800 °C sulanud magneesiumiga argooni atmosfääris. 
Titaanil on suhteliselt kõrge turuhind sellepärast, et selle tootmiseks kasutatakse magneesiumi, mis on võrdlemisi kallis metall.

Hilisem meetod, mis võib ajapikku eelneva asendada, kasutab titaandioksiidi pulbrit (töödeldud rutiili) ning pulbrite segust on võimalik saada sulamit vähesemate astmetega kui kasutades Krolli meetodit. 
Tänu sellele võib tulevikus titaan leida laiemat kasutust ka seal, kus praegu kasutatakse teras- ja alumiiniumsulameid.

Tavalisemad titaani sulamid saadakse reduktsiooni teel.
 2 FeTiO3 + 7 Cl2 + 6 C → 2 TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 CO (900 °C)
 TiCl4 + 2 Mg → 2 MgCl2 + Ti (1100 °C)

Ilmeniit ja rutiil on aga ainsad, millel on majanduslik tähtsus, kuid neid on suures kontsentratsioonis raske leida. Neid kaevandati vastavalt 7,5 ja 0,7 miljonit tonni aastal 2020. 

Kasutus

Titaani kasutatakse mõnede terase sulamite valmistamiseks, et vähendada neis süsinikusisaldust. Titaani sulameid tehakse tihti alumiiniumi, vanaadiumi, vase, raua, mangaani ja teiste metallidega. Kõige levinum ühend, titaandioksiid, on populaarne fotokatalüsaator ning seda kasutatakse valgete värvipigmentide tootmisel. Teiste ühendite hulka kuuluvad veel titaantetrakloriid (TiCl4), mida kasutatakse sõjanduses suitsukatteks ja keemiliste reaktsioonide katalüsaatorina, ning titaantrikloriid (TiCl3), mis leiab kasutust katalüsaatorina polüpropüleeni tootmisel.Ligi 95% toodetud titaanist leiab kasutust titaanoksiidi koosseisus.

Lennundus
Tänu heale vastupidavusele korrosiooni ja mõrade tekkimise suhtes ning oma tugevuse ja kaalu suhtele on titaan leidnud laia kasutust lennunduses. Seda 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. Flight International andmetel on Airbus A380 mudelites kasutusel titaani umbes 10% lennuki 243 tonnisest kogukaalust.

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. Olles 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
pisi|Titaani kokkusobivus elava koega on andnud alust selle laialdaseks kasutamiseks meditsiinis. Selle pildil on näha Tartu Ülikooli füüsika instituudi kiletehnoloogia laboris tehtud katse, kus aatomkihtsadestuse meetodil kaetud meditsiinilisest titaanist hambaimplantaat sisestati sea reieluusse, et hinnata sadestatud katete nakkuvust implantaadi pinnaga ja vastupidavust luu sisse kruvimisel
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 see ei põhjusta kokkupuutel 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.

Vaata ka
 Titaanoksiidid

 Viited 

Kategooria:Keemilised elemendid
Kategooria:Lihtained
Kategooria:Metallid