22  Ti
Titaan 

Voorkomen
Naam
Wingebieden
Ontdekking
Bereiding vroeger
Bereiding nu
Toepassingen en toelichting
Verdere toepassingen

 
 

 

VOORKOMEN

0,57 % van de aardkost (tot 16 km diepte) bestaat uit titaan; het is het 9e element in rangorde van voorkomen.

De belangrijkste mineralen zijn:

anataas TiO2
brookiet TiO2
ilmeniet Fe+2TiO3
perovskiet CaTiO3
rutiel TiO2
titaniet of sfeen       CaTiSi­O5

 

 

 

 

 

In de meeste soorten ijzererts komt eveneens titaan voor. De aanwezigheid van sporen Ti3+ zorgt voor een violette kleur van de betreffende mineralen. 

Ook in meteorieten, op de zon en in andere sterren is de aanwezigheid van titaan aangetoond; maanstenen bevatten eveneens titaan (tot ca. 12 %).

WINGEBIEDEN

De belangrijkste wingebieden van ilmeniet en rutiel liggen in BraziliŽ, de Verenigde Staten van Amerika, Canada, Noorwe­gen, Finland, Portugal, Rusland, OekraÔne, China, AustraliŽ, Zuid-Afrika, MaleisiŽ, India, Sierra-Leone, Egypte, Madagaskar en Sri-Lanka. 

De mineralen anataas en titaancarbonaat vindt men voornamelijk in BraziliŽ.

NAAM

Titaan is vanwege de sterkte van het metaal genoemd naar de Titanen, het geslacht van krachtige reuzen uit de Griek­se mytholo­gie, de kinderen van hemel (Uranus) en aarde (Gaia). 

ONTDEKKING

Titaandioxide werd in 1791 door W. Gregor ontdekt in 'zwart zand', later het mineraal ilmeniet genoemd, dat hij met behulp van magneten scheidde uit rivier­zand. Na verwijde­ren van ijzer door behandeling met zoutzuur bleef een oxide (aarde) over, dat alleen oplos­baar was in geconcentreerd zwavelzuur. Met het door hem ontwikkelde proces om het oxide zuiver in handen te krijgen, legde Gregor de basis voor de productie van titaandioxide via het sulfaatproces. In 1795 werd titaandi­oxide - onaf­hanke­lijk van Gregor - door M.H. Klap­roth aange­toond in rutiel. 

BEREIDING VROEGER

J. J. Berzelius slaagde er in 1825 in zeer onzuiver titaan te bereiden uit titaan(IV)oxide en natrium. Zuiverder titaan (ca 95 %) werd in 1887 bereid door L.F. Nilson en S.O. Petter­son. In rede­lijk zuivere vorm (98,5 %) door M.A. Hunter (1910) door reductie van titaan(IV)chloride met natrium. Zeer zuiver titaan verkregen de Nederlanders A.E. van Arkel en J.H. de Boer in 1925 door thermische ontleding van titaan(IV)jodide in een inerte atmosfeer (zie bij bereiding nu). 

BEREIDING NU

Titaan wordt in grote hoeveelheden verkregen via het zogenoemde Kroll-proces. Nadat het erts, bij­voorbeeld ilme­niet, diverse fysische bewerkingen heeft ondergaan, wordt het met behulp van chloor en koolstof omgezet in ti­taan(IV)chlori­de: 

2 FeTiO3  +  7 Cl2  + 6 C  →900įC →2 TiCl4 +  2 FeCl3  + 6 CO 

Het titaan(IV)chlori­de wordt door gefractioneerde destilla­tie gescheiden en gezuiverd, waarna door reductie met gesmolten magnesium in vacuŁm of in een argonatmosfeer, titaan wordt verkregen:

TiCl4 + 2 Mg →900-1.150įC→ Ti + 2 MgCl2 

Het verkregen titaan kan worden gezuiverd door omsmel­ten onder vacuŁm.

Voor de bereiding van zeer zuiver titaan wordt via het Van Arkel-de Boer-proces onzuiver titaan in een vat met zeer lage druk gebracht, waarin zich wat jood bevindt. Bij ca. 200 įC reageert het titaan tot titaan(IV)jodide, dat verdampt en in de nabijheid van de gloei­draad bij zeer hoge temperatuur (ca. 1.300 įC) weer ont­leedt in jood en titaan. Het gevormde titaan slaat neer op de gloeidraad.

De wereldproductie van titaan en titaanverbindingen bedraagt ongeveer 3.106 ton per jaar.

TOEPASSINGEN EN TOELICHTING

Warmtewisselaar

Titaan of een legering daarvan wordt gebruikt als constructiemetaal voor warmtewisselaars. Dit metaal is zeer corrosiebestendig en resistent tegen agressieve stoffen zoals zuren en basen, vanwege een dun, stabiel oxidelaag­je. Bovendien beschikt het over een goed warmtegeleidingsvermogen. 

Vanwege deze eigenschappen wordt het vaak toegepast in leidingen en apparatuur in de chemische industrie. Zo werd de exploitatie van aardgas met een hoog waterstofsulfidegehalte pas rendabel toen de ‘klassieke’ leidingen van staal met een hoog nikkelgehalte werden vervangen door leidingen van een titaanlegering.

 

Vliegtuigmotor

Titaan is bijzonder geschikt als constructiemetaal voor straal­motoren van vliegtuigen, vanwege de bijzonder grote trek­sterkte (tot 500 x groter dan die van alumini­um), de buitenge­woon goede corrosiebe­stendigheid, de hoge metaalmoe­heid­grens en de grote weerstandskracht tegen stoten. Boven­dien heeft dit metaal een zeer hoge hittebesten­digheid en een grote trilvast­heid. Rotorbla­den van straalmotoren zijn van zuiver (99,9 %) titaan gemaakt. 

Niet alleen voor motoren, maar ook voor kritieke onderdelen van de dragende structuur in de militaire luchtvaart en de ruimtevaart wordt dit metaal gebruikt, tot 30 % van het gewicht.

Er zijn diverse legeringen met titaan; veel gebruikt worden:

-      een lege­ring van titaan met 8 % alumi­ni­um, 1 % molyb­deen en 1 % vanadium (soms zirkonium), het
      zogenoemde  titaanstaal.

-      een legering van titaan met 6 % aluminium en 4 % vanadium (TA6V). Deze legering wordt onder meer 
      gebruikt voor de Airbus. 

 

Botbreukpen/prothese 

Het lichaam verdraagt titaan zeer goed. Het vertoont vrijwel geen verschijnselen van metaalallergie of afstoting. Bovendien is titaan - of een legering daarvan - bijzonder sterk en zeer corrosiebestendig­. Hierdoor is het bij uitstek geschikt voor een breukpen, een verbindende plaat tussen twee stukken bot, de bijbehorende schroeven e.d., kunstheupen, het implanteren van gebitselementen, en andere protheses. Hiervoor gebruikt men zowel zuiver titaan als titaanlegeringen (bijv. titaan met 6 % alumi­nium en 4 % vanadium). Op het metaal wordt veelal een laag kunstbot aangebracht om de hechting van het bot aan het implantaat te bevorderen.

Omdat veel mensen gevoelig zijn voor metalen en zelfs allergieŽn ontwikkelen, wordt ook voor horloges, brilmonturen, piercingmaterialen en sieraden  steeds meer gebruik gemaakt van titaan(legeringen).

 

Pigment: verf, papier

Titaanwit wordt als pigment toegepast vanwege de grote 'dekkracht', de grote chemische inertie, de helderheid, de duurzaamheid en de bijzonder hoge licht­breking. Het weerkaatst 96 % van het invallende licht. Omdat titaanwit niet giftig is, heeft het loodwit verdrongen. Titaan­wit bestaat uit titaandioxide (TiO2) neer­gesla­gen op een kern van calcium- en bariumsul­faat. 

Titaandioxide wordt verwerkt in verf (voor huis­schil­ders en kunstschil­ders en in wegenverf), papier, correctielak, email, levensmiddelen (E171), gummi, rubber, glas en kunststof. Het dient hierbij niet alleen als pig­ment, maar tevens als vulstof. 

Titaanwit wordt in commerciŽle verf voor kunstschilders gebruikt sinds 1920. Als schilderijen van vůůr die tijd titaanwit bevatten, is er een redelijke kans dat ze vals zijn, alhoewel sommige schilders het pigment ook voor die tijd hebben gebruikt. Om met andere pigmenten dan de gebruikelijke te experimenteren, werd het waarschijnlijk toegevoegd aan zelfgemaakte verf. 

Zuiver titaandioxide wordt bereid uit ilmeniet of rutiel via het chloride-proces. De grondstof wordt omgezet in titaan(IV)chloride - zie onder ‘bereiding’ -, dat vervolgens wordt gezuiverd en ver­brand, waarbij zuiver titaandi­oxide ontstaat:

 

TiCl4  + O2   →  TiO2  +  2 Cl2 

 

Ook wordt nog gebruik gemaakt van het sulfaat-proces. Het voordeel is dat het gehalte aan TiO2 in het te bewer­ken erts lager kan zijn. Het erts (anataas) wordt bij 125 - 200įC behandeld met geconcentreerd zwavelzuur, waar­bij ijzer(II)sulfaat en titaan(IV)sulfaat ontstaan.

Na verwijderen van het ijzersulfaat door filtratie wordt water toegevoegd, waardoor het titaansulfaat wordt omge­zet in titaanzuur:

Ti4+  +  3 H2O   →    H2TiO3   +  4 H+  

 

Na filtratie wordt dit zuur verhit, waarbij het ontleedt in water en titaandioxi­de. Vanwege de problemen met de reststoffen schakelt men over op het chloride-proces.

Het pigment wordt zoveel toegepast dat 95 % van de gewonnen hoeveelheid erts wordt gebruikt voor de productie hiervan en slechts 5 % voor de bereiding van het metaal.

 

Katalysator polymerisatie

Bij de polymerisatie van alkenen worden titaan(III)chloride en andere Ti3+-verbindingen, veelal samen met alumini­umverbindin­gen, als katalysa­tor gebruikt. Voor de polymeri­sa­tie van butadieen wordt titaan(IV)jodide gebruikt. 

VERDERE TOEPASSINGEN

Toepassingen als niet-ontleedbare stof (element) of als legering: 

bergsportmaterialen

chemische technologie (o.a. bij de productie van salpe­ter­zuur, chloor, soda en azijn)

chirurgische instrumenten

compressor: drijfstang, veer, klep

dakbedekking

elektroden (Ti of laagje Ti)         

elektrolysevat (o.a. elektrolyse van NaCl) 

fietsen (racefietsen en mountainbikes)

formule-1 auto’s (zowel in de carrosserie als in de motor)

gasvanger (‘getter’) in elektronenbuis, TV-camera, rŲntgenbuis, zend­buis 

geheugenmetaal (Ti/Ni) Antennes van kunstmanen worden van draad gemaakt en vervolgens opgevouwen tot een bolletje. In de ruimte neemt dit - na verwarmen - weer de oorspronkelijke vorm aan. Een andere toepassing is het gebruik van geheugenmetaal in de (duurdere) BH’s. Vooral in merklingerie in het Verre Oosten wordt dit toegepast. Het metaal is zo bewerkt dat het aanvoelt als rubber.  

geneeskunde (bijv. injectienaalden)

golfclubs

hoorapparaat

kernreactortechnologie

magneten, o.a. voor NMR en deeltjesversnellers (Ti/Nb)

ontzilten van zeewater 

pomp, klep, filter

raketonderdelen 

scheepsbouw (vooral onderzeeboten)

schoepen voor turbines

spoorrail, -trein, -wiel (titaanstaal; toegepast voor de HST/TGV)

uitlaten voor auto’s

uitrusting voor schepen (tuigage, enz., op plaatsen waar het tegen inwerking van zeewater bestand moet zijn. Door het toevoegen van titaan aan staal wordt plaat­materiaal verkre­gen dat in zeewater een zo hoge elektrochemische potenti­aal krijgt, dat afzetting van algen voorkomen wordt. Dit scheelt veel brandstof en ver­hoogt de snelheid)

vat voor agressieve vloeistof 

veer voor klokken of horloges

vrachtwagens 

waterstofbinding en -opslag (Ti/Fe)

 

Toepassingen als ontleedbare stof (verbinding):

bleken van textiel en leer TiCl
  TiCl4
condensator BaTiO3
cosmetica (o.a. zonnebrand, tandpasta, lippenstift, poeders) TiO2
detector Geiger-teller  SrTiO3
elektrodemateriaal  TiB2
elektrokeramiek TiO2
email  TiO2
etsen van glas TiCl4
gereedschap, boor- en snijapparatuur TiC
  TiB2
  TiN
imitatie-edelsteen; schittert meer dan diamant! TiO2
  SrTiO3
keramiek  TiC 
kernreactortechnologie  TiC
laboratoriumkroezen (keramiek) TiB2
leerbewerking TiCl4
nevelgordijn TiCl4
ontspiegelen van lenzen TiCl4
piŽzo-element BaTiO3
pigment (geel) PbTiO3
rookgordijn TiCl4
slijppoeder TiC
tegels (keramiek) TiB2
vastestoflaser (800 nm) Ti3+/ Al2O3
vervanger van diamantstof bij boor- en snijgereedschap TiB2
vuil’afbrekende’ laag op glas TiO2
zonnecellen TiO2