Titanio - Titanium

Titanio,  22 Ti
Barra de cristal de titanio.JPG
Titanio
Pronunciación
Apariencia plateado gris-blanco metalizado
Peso atómico estándar A r, estándar (Ti) 47.867 (1)
Titanio en la tabla periódica
Hidrógeno Helio
Litio Berilio Boro Carbón Nitrógeno Oxígeno Flúor Neón
Sodio Magnesio Aluminio Silicio Fósforo Azufre Cloro Argón
Potasio Calcio Escandio Titanio Vanadio Cromo Manganeso Planchar Cobalto Níquel Cobre Zinc Galio Germanio Arsénico Selenio Bromo Criptón
Rubidio Estroncio Itrio Circonio Niobio Molibdeno Tecnecio Rutenio Rodio Paladio Plata Cadmio Indio Estaño Antimonio Telurio Yodo Xenón
Cesio Bario Lantano Cerio Praseodimio Neodimio Prometeo Samario Europio Gadolinio Terbio Disprosio Holmio Erbio Tulio Iterbio Lutecio Hafnio Tantalio Tungsteno Renio Osmio Iridio Platino Oro Mercurio (elemento) Talio Dirigir Bismuto Polonio Astatine Radón
Francio Radio Actinio Torio Protactinio Uranio Neptunio Plutonio Americio Curio Berkelio Californio Einstenio Fermio Mendelevio Nobelio Lawrencium Rutherfordio Dubnium Seaborgio Bohrium Hassium Meitnerio Darmstadtium Roentgenio Copérnico Nihonium Flerovio Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
-

Ti

Zr
escandiotitaniovanadio
Número atómico ( Z ) 22
Grupo grupo 4
Período período 4
Cuadra   bloque d
Configuración electronica [ Ar ] 3d 2 4s 2
Electrones por capa 2, 8, 10, 2
Propiedades físicas
Fase en  STP sólido
Punto de fusion 1941  K (1668 ° C, 3034 ° F)
Punto de ebullición 3560 K (3287 ° C, 5949 ° F)
Densidad (cerca de  rt ) 4.506 g / cm 3
cuando es líquido (a  mp ) 4,11 g / cm 3
Calor de fusión 14,15  kJ / mol
Calor de vaporización 425 kJ / mol
Capacidad calorífica molar 25.060 J / (mol · K)
Presión de vapor
P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
en  T  (K) mil novecientos ochenta y dos 2171 (2403) 2692 3064 3558
Propiedades atómicas
Estados de oxidación −2, −1, 0, +1, +2 , +3 , +4 (un  óxido anfótero )
Electronegatividad Escala de Pauling: 1,54
Energías de ionización
Radio atómico empírico: 147  pm
Radio covalente 160 ± 8 pm
Líneas de color en un rango espectral
Líneas espectrales de titanio
Otras propiedades
Ocurrencia natural primordial
Estructura cristalina hexagonal compacta (hcp)
Estructura cristalina hexagonal compacta para titanio
Velocidad de sonido varilla fina 5090 m / s (a  ta )
Expansión térmica 8,6 µm / (m⋅K) (a 25 ° C)
Conductividad térmica 21,9 W / (m⋅K)
Resistividad electrica 420 nΩ⋅m (a 20 ° C)
Orden magnético paramagnético
Susceptibilidad magnética molar +153,0 × 10 −6  cm 3 / mol (293 K)
El módulo de Young 116 GPa
Módulo de corte 44 GPa
Módulo de volumen 110 GPa
Relación de Poisson 0,32
Dureza de Mohs 6.0
Dureza Vickers 830–3420 MPa
Dureza Brinell 716-2770 MPa
Número CAS 7440-32-6
Historia
Descubrimiento William Gregor (1791)
Primer aislamiento Jöns Jakob Berzelius (1825)
Nombrado por Martin Heinrich Klaproth (1795)
Isótopos principales de titanio
Isótopo Abundancia Vida media ( t 1/2 ) Modo de decaimiento Producto
44 Ti syn 63 años ε 44 Sc
γ -
46 Ti 8,25% estable
47 Ti 7,44% estable
48 Ti 73,72% estable
49 Ti 5,41% estable
50 Ti 5,18% estable
Categoría Categoría: Titanio
| referencias

El titanio es un elemento químico con el símbolo Ti y número atómico 22. Su peso atómico es 47.867 medido en daltons . Es un metal de transición brillante de color plateado, de baja densidad y alta resistencia, resistente a la corrosión en agua de mar , agua regia y cloro .

El titanio fue descubierto en Cornualles , Gran Bretaña , por William Gregor en 1791 y fue nombrado por Martin Heinrich Klaproth en honor a los titanes de la mitología griega . El elemento se encuentra dentro de varios depósitos minerales , principalmente rutilo e ilmenita , que están ampliamente distribuidos en la corteza terrestre y la litosfera ; se encuentra en casi todos los seres vivos, así como en cuerpos de agua, rocas y suelos. El metal se extrae de sus principales minerales mediante los procesos Kroll y Hunter . El compuesto más común, el dióxido de titanio , es un fotocatalizador popular y se utiliza en la fabricación de pigmentos blancos. Otros compuestos incluyen tetracloruro de titanio (TiCl 4 ), un componente de pantallas de humo y catalizadores ; y tricloruro de titanio (TiCl 3 ), que se utiliza como catalizador en la producción de polipropileno .

El titanio se puede alear con hierro , aluminio , vanadio y molibdeno , entre otros elementos, para producir aleaciones fuertes y ligeras para procesos aeroespaciales ( motores a reacción , misiles y naves espaciales ), militares, procesos industriales (químicos y petroquímicos, plantas desalinizadoras , pulpa, etc.). y papel), automotriz, agrícola (ganadería), prótesis médicas , implantes ortopédicos , instrumentos y limas dentales y endodónticas, implantes dentales , artículos deportivos, joyería, teléfonos móviles y otras aplicaciones.

Las dos propiedades más útiles del metal son la resistencia a la corrosión y la relación fuerza-densidad, la más alta de cualquier elemento metálico. En su estado puro, el titanio es tan fuerte como algunos aceros , pero menos denso. Hay dos formas alotrópicas y cinco isótopos naturales de este elemento, del 46 Ti al 50 Ti, siendo el 48 Ti el más abundante (73,8%). Aunque el titanio y el circonio tienen el mismo número de electrones de valencia y están en el mismo grupo en la tabla periódica , difieren en muchas propiedades químicas y físicas.

Caracteristicas

Propiedades físicas

Como metal , el titanio es reconocido por su alta relación resistencia-peso . Es un metal sólido de baja densidad que es bastante dúctil (especialmente en un oxígeno ambiente exento), lustroso, y metálico-blanco en el color . El punto de fusión relativamente alto (más de 1650 ° C o 3000 ° F) lo hace útil como metal refractario . Es paramagnético y tiene una conductividad eléctrica y térmica bastante baja en comparación con otros metales. El titanio es superconductor cuando se enfría por debajo de su temperatura crítica de 0,49 K.

Los grados de titanio comercialmente puros (99,2% de pureza) tienen una resistencia máxima a la tracción de aproximadamente 434 MPa (63.000 psi ), igual a la de las aleaciones de acero comunes de bajo grado, pero son menos densas. El titanio es un 60% más denso que el aluminio, pero más del doble de fuerte que la aleación de aluminio 6061-T6 más utilizada . Ciertas aleaciones de titanio (por ejemplo, Beta C ) alcanzan resistencias a la tracción de más de 1.400 MPa (200.000 psi). Sin embargo, el titanio pierde fuerza cuando se calienta por encima de 430 ° C (806 ° F).

El titanio no es tan duro como algunos grados de acero tratado térmicamente; no es magnético y es un mal conductor del calor y la electricidad. El mecanizado requiere precauciones, porque el material puede agrietarse a menos que se utilicen herramientas afiladas y métodos de enfriamiento adecuados. Al igual que las estructuras de acero, las de titanio tienen un límite de fatiga que garantiza la longevidad en algunas aplicaciones.

El metal es un alótropo dimórfico de una forma α hexagonal que cambia a una forma β cúbica (reticular) centrada en el cuerpo a 882 ° C (1,620 ° F). El calor específico de la forma α aumenta drásticamente a medida que se calienta a esta temperatura de transición, pero luego cae y permanece bastante constante para la forma β independientemente de la temperatura.

Propiedades químicas

El diagrama de Pourbaix para titanio en agua pura, ácido perclórico o hidróxido de sodio

Al igual que el aluminio y el magnesio , la superficie del metal titanio y sus aleaciones se oxidan inmediatamente al exponerse al aire para formar una fina capa de pasivación no porosa que protege el metal a granel de una mayor oxidación o corrosión. Cuando se forma por primera vez, esta capa protectora tiene solo 1–2 nm de grosor, pero continúa creciendo lentamente, alcanzando un grosor de 25 nm en cuatro años. Esta capa confiere al titanio una excelente resistencia a la corrosión, casi equivalente al platino .

El titanio es capaz de resistir el ataque de los ácidos sulfúrico y clorhídrico diluidos , las soluciones de cloruro y la mayoría de los ácidos orgánicos. Sin embargo, los ácidos concentrados corroen el titanio. Como lo indica su potencial redox negativo, el titanio es termodinámicamente un metal muy reactivo que arde en una atmósfera normal a temperaturas más bajas que el punto de fusión. La fusión solo es posible en una atmósfera inerte o al vacío. A 550 ° C (1,022 ° F), se combina con el cloro. También reacciona con los otros halógenos y absorbe hidrógeno.

El titanio reacciona fácilmente con el oxígeno a 1200 ° C (2190 ° F) en el aire y a 610 ° C (1130 ° F) en oxígeno puro, formando dióxido de titanio . El titanio es uno de los pocos elementos que se quema en gas nitrógeno puro, reaccionando a 800 ° C (1470 ° F) para formar nitruro de titanio , que causa fragilización. Debido a su alta reactividad con oxígeno, nitrógeno y muchos otros gases, el titanio que se evapora de los filamentos es la base de las bombas de sublimación de titanio , en las que el titanio sirve como eliminador de estos gases al unirse químicamente a ellos. Estas bombas producen de forma económica presiones extremadamente bajas en sistemas de vacío ultra alto .

Ocurrencia

El titanio es el noveno-más abundante elemento en la Tierra corteza 's (0,63% en masa ) y el séptimo más abundante metal. Está presente en forma de óxidos en la mayoría de las rocas ígneas , en los sedimentos derivados de ellas, en los seres vivos y en los cuerpos de agua naturales. De los 801 tipos de rocas ígneas analizadas por el Servicio Geológico de los Estados Unidos , 784 contenían titanio. Su proporción en suelos es de aproximadamente 0,5 a 1,5%.

Los minerales comunes que contienen titanio son anatasa , brookita , ilmenita , perovskita , rutilo y titanita (esfena). La akaogiita es un mineral extremadamente raro que consiste en dióxido de titanio. De estos minerales, solo el rutilo y la ilmenita tienen importancia económica, aunque incluso son difíciles de encontrar en altas concentraciones. Aproximadamente 6,0 y 0,7 millones de toneladas de esos minerales se extrajeron en 2011, respectivamente. Existen importantes depósitos de ilmenita con titanio en el oeste de Australia , Canadá , China , India , Mozambique , Nueva Zelanda , Noruega , Sierra Leona , Sudáfrica y Ucrania . En 2011 se produjeron unas 186.000 toneladas de esponja de titanio metálico , principalmente en China (60.000 t), Japón (56.000 t), Rusia (40.000 t), Estados Unidos (32.000 t) y Kazajstán (20.700 t). Se estima que las reservas totales de titanio superan los 600 millones de toneladas.

2011 producción de rutilo e ilmenita
País mil
toneladas
% del total
Australia 1300 19,4
Sudáfrica 1,160 17.3
Canadá 700 10,4
India 574 8,6
Mozambique 516 7.7
porcelana 500 7.5
Vietnam 490 7.3
Ucrania 357 5.3
Mundo 6.700 100

La concentración de titanio es de aproximadamente 4 picomolar en el océano. A 100 ° C, la concentración de titanio en agua se estima en menos de 10 −7 M a pH 7. La identidad de las especies de titanio en solución acuosa sigue siendo desconocida debido a su baja solubilidad y la falta de métodos espectroscópicos sensibles, aunque solo el estado de oxidación 4+ es estable en el aire. No existe evidencia de un papel biológico, aunque se sabe que los organismos raros acumulan altas concentraciones de titanio.

El titanio está contenido en meteoritos y se ha detectado en el Sol y en estrellas de tipo M (el tipo más frío) con una temperatura superficial de 3.200 ° C (5.790 ° F). Las rocas traídas de la Luna durante la misión Apolo 17 están compuestas de 12,1% de TiO 2 . El titanio nativo (metálico puro) es muy raro.

Isótopos

El titanio natural se compone de cinco isótopos estables : 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti y 50 Ti, siendo el 48 Ti el más abundante (73,8% de abundancia natural ). Se han caracterizado al menos 21 radioisótopos , siendo los más estables el 44 Ti con una vida media de 63 años; 45 Ti, 184,8 minutos; 51 Ti, 5,76 minutos; y 52 Ti, 1,7 minutos. Todos los demás isótopos radiactivos tienen una vida media de menos de 33 segundos, la mayoría de menos de medio segundo.

Los isótopos del titanio varían en peso atómico de 39,002 u ( 39 Ti) a 63,999 u ( 64 Ti). El modo de desintegración principal para los isótopos más ligeros que 46 Ti es la emisión de positrones (con la excepción del 44 Ti que se somete a captura de electrones ), lo que conduce a isótopos de escandio , y el modo principal para los isótopos más pesados ​​que 50 Ti es la emisión beta , lo que lleva a isótopos de vanadio .

El titanio se vuelve radiactivo al ser bombardeado con deuterones , emitiendo principalmente positrones y rayos gamma duros .

Compuestos

Una broca helicoidal de color acero con la ranura en espiral coloreada en un tono dorado.
Revestido con estaño taladro bit

El estado de oxidación +4 domina la química del titanio, pero los compuestos en el estado de oxidación +3 también son comunes. Comúnmente, el titanio adopta una geometría de coordinación octaédrica en sus complejos, pero el TiCl 4 tetraédrico es una excepción notable. Debido a su alto estado de oxidación, los compuestos de titanio (IV) exhiben un alto grado de enlace covalente .

Óxidos, sulfuros y alcóxidos

El óxido más importante es el TiO 2 , que existe en tres polimorfos importantes ; anatasa , brookita y rutilo . Todos estos son sólidos diamagnéticos blancos, aunque las muestras minerales pueden aparecer oscuras (ver rutilo ). Adoptan estructuras poliméricas en las que el Ti está rodeado por seis ligandos de óxido que se unen a otros centros de Ti.

El término titanatos generalmente se refiere a compuestos de titanio (IV), representados por titanato de bario (BaTiO 3 ). Con estructura de perovskita , este material presenta propiedades piezoeléctricas y se utiliza como transductor en la interconversión de sonido y electricidad . Muchos minerales son titanatos, por ejemplo, ilmenita (FeTiO 3 ). Los zafiros y rubíes estrella obtienen su asterismo (brillo en forma de estrella) por la presencia de impurezas de dióxido de titanio.

Se conocen una variedad de óxidos reducidos ( subóxidos ) de titanio, principalmente estequiometrías reducidas de dióxido de titanio obtenido por pulverización de plasma atmosférico . El Ti 3 O 5 , descrito como una especie de Ti (IV) -Ti (III), es un semiconductor violeta producido por reducción de TiO 2 con hidrógeno a altas temperaturas, y se usa industrialmente cuando las superficies necesitan ser recubiertas de vapor con dióxido de titanio. : se evapora como TiO puro, mientras que el TiO 2 se evapora como una mezcla de óxidos y deposita recubrimientos con índice de refracción variable. También se conoce el Ti 2 O 3 , con estructura de corindón , y el TiO , con estructura de sal de roca, aunque a menudo no estequiométrico.

Los alcóxidos de titanio (IV), preparados haciendo reaccionar TiCl 4 con alcoholes, son compuestos incoloros que se convierten en dióxido al reaccionar con agua. Son industrialmente útiles para depositar TiO 2 sólido mediante el proceso sol-gel . El isopropóxido de titanio se utiliza en la síntesis de compuestos orgánicos quirales a través de la epoxidación Sharpless .

El titanio forma una variedad de sulfuros, pero solo el TiS 2 ha atraído un interés significativo. Adopta una estructura en capas y se utilizó como cátodo en el desarrollo de baterías de litio . Debido a que el Ti (IV) es un "catión duro" , los sulfuros de titanio son inestables y tienden a hidrolizarse a óxido con liberación de sulfuro de hidrógeno.

Nitruros y carburos

El nitruro de titanio (TiN) es un miembro de una familia de nitruros de metales de transición refractarios y exhibe propiedades similares a ambos compuestos covalentes, incluyendo estabilidad termodinámica, dureza extrema, conductividad térmica / eléctrica y un alto punto de fusión. El TiN tiene una dureza equivalente al zafiro y al carborundo (9,0 en la escala de Mohs ) y se utiliza a menudo para revestir herramientas de corte, como brocas . También se utiliza como acabado decorativo de color dorado y como metal de barrera en la fabricación de semiconductores . El carburo de titanio , que también es muy duro, se encuentra en herramientas de corte y revestimientos.

Los compuestos de titanio (III) son característicamente violetas, ilustrado por esta solución acuosa de tricloruro de titanio .

Haluros

El tetracloruro de titanio (cloruro de titanio (IV), TiCl 4 ) es un líquido volátil incoloro (las muestras comerciales son amarillentas) que, en el aire, se hidroliza con una espectacular emisión de nubes blancas. Mediante el proceso Kroll , el TiCl 4 se utiliza en la conversión de minerales de titanio en metal titanio. El tetracloruro de titanio también se usa para producir dióxido de titanio, por ejemplo, para usar en pintura blanca. Se usa ampliamente en química orgánica como ácido de Lewis , por ejemplo en la condensación aldólica de Mukaiyama . En el proceso de van Arkel-de Boer , el tetrayoduro de titanio (TiI 4 ) se genera en la producción de titanio metálico de alta pureza.

El titanio (III) y el titanio (II) también forman cloruros estables. Un ejemplo notable es el cloruro de titanio (III) (TiCl 3 ), que se utiliza como catalizador para la producción de poliolefinas (ver catalizador Ziegler-Natta ) y como agente reductor en química orgánica.

Complejos organometálicos

Debido al importante papel de los compuestos de titanio como catalizador de polimerización , los compuestos con enlaces Ti-C se han estudiado intensamente. El complejo de organotitanio más común es el dicloruro de titanoceno ((C 5 H 5 ) 2 TiCl 2 ). Los compuestos relacionados incluyen el reactivo de Tebbe y el reactivo de Petasis . El titanio forma complejos de carbonilo , por ejemplo (C 5 H 5 ) 2 Ti (CO) 2 .

Estudios de terapia contra el cáncer

Tras el éxito de la quimioterapia basada en platino , los complejos de titanio (IV) estuvieron entre los primeros compuestos distintos del platino que se probaron para el tratamiento del cáncer. La ventaja de los compuestos de titanio radica en su alta eficacia y baja toxicidad in vivo . En entornos biológicos, la hidrólisis conduce al dióxido de titanio inerte y seguro. A pesar de estas ventajas, los primeros compuestos candidatos fracasaron en los ensayos clínicos debido a una eficacia insuficiente a las proporciones de toxicidad y complicaciones de la formulación. Un mayor desarrollo dio como resultado la creación de fármacos basados ​​en titanio potencialmente eficaces, selectivos y estables.

Historia

El titanio fue descubierto en 1791 por el clérigo y geólogo aficionado William Gregor como una inclusión de un mineral en Cornualles , Gran Bretaña. Gregor reconoció la presencia de un nuevo elemento en la ilmenita cuando encontró arena negra junto a un arroyo y notó que la arena era atraída por un imán . Analizando la arena, determinó la presencia de dos óxidos metálicos: óxido de hierro (que explica la atracción al imán) y un 45,25% de un óxido metálico blanco que no pudo identificar. Al darse cuenta de que el óxido no identificado contenía un metal que no coincidía con ningún elemento conocido, Gregor informó sus hallazgos a la Royal Geological Society of Cornwall y en la revista científica alemana Crell's Annalen .

Casi al mismo tiempo, Franz-Joseph Müller von Reichenstein produjo una sustancia similar, pero no pudo identificarla. El óxido fue redescubierto de forma independiente en 1795 por el químico prusiano Martin Heinrich Klaproth en rutilo de Boinik (el nombre alemán de Bajmócska), un pueblo de Hungría (ahora Bojničky en Eslovaquia). Klaproth descubrió que contenía un elemento nuevo y lo nombró en honor a los titanes de la mitología griega . Después de enterarse del descubrimiento anterior de Gregor, obtuvo una muestra de manaccanita y confirmó que contenía titanio.

Los procesos actualmente conocidos para extraer titanio de sus diversos minerales son laboriosos y costosos; no es posible reducir el mineral calentando con carbono (como en la fundición de hierro) porque el titanio se combina con el carbono para producir carburo de titanio . El titanio metálico puro (99,9%) fue preparado por primera vez en 1910 por Matthew A. Hunter en el Instituto Politécnico Rensselaer calentando TiCl 4 con sodio a 700–800 ° C a gran presión en un proceso discontinuo conocido como proceso Hunter . El metal titanio no se utilizó fuera del laboratorio hasta 1932, cuando William Justin Kroll lo produjo reduciendo el tetracloruro de titanio (TiCl 4 ) con calcio . Ocho años después, refinó este proceso con magnesio y sodio en lo que se conoció como el proceso Kroll . Aunque la investigación continúa buscando procesos más baratos y eficientes (por ejemplo, FFC Cambridge , Armstrong ), el proceso Kroll todavía se utiliza para la producción comercial.

Esponja de titanio, fabricada mediante el proceso Kroll.

El titanio de muy alta pureza se fabricó en pequeñas cantidades cuando Anton Eduard van Arkel y Jan Hendrik de Boer descubrieron el proceso del yoduro en 1925, al reaccionar con yodo y descomponer los vapores formados sobre un filamento caliente en metal puro.

En las décadas de 1950 y 1960, la Unión Soviética fue pionera en el uso de titanio en aplicaciones militares y submarinas ( clase Alfa y clase Mike ) como parte de programas relacionados con la Guerra Fría. A principios de la década de 1950, el titanio se comenzó a utilizar ampliamente en la aviación militar, particularmente en aviones de alto rendimiento, comenzando con aviones como el F-100 Super Sabre y Lockheed A-12 y SR-71 .

Durante todo el período de la Guerra Fría, el titanio fue considerado un material estratégico por el gobierno de los EE. UU., Y el Centro de Almacenamiento Nacional de Defensa mantuvo una gran reserva de esponja de titanio (una forma porosa del metal puro) , hasta que la reserva se dispersó en la década de 2000. . En 2006, VSMPO-AVISMA , con sede en Rusia, era el mayor productor del mundo y representaba alrededor del 29% del mercado mundial. En 2015, los siete países que producían esponja de titanio eran, en orden de producción, China, Japón, Rusia, Kazajstán, Estados Unidos, Ucrania e India.

Producción

Un pequeño montón de granos negros uniformes de menos de 1 mm de diámetro.
Titanio (concentrado mineral)
Productos básicos de titanio: placa, tubo, varillas y polvo

El procesamiento del metal titanio se produce en cuatro pasos principales: reducción del mineral de titanio en "esponja", una forma porosa; fusión de esponja o esponja más una aleación maestra para formar un lingote; fabricación primaria, en la que un lingote se convierte en productos de laminación generales como palanquilla , barra, placa , hoja , tira y tubo ; y fabricación secundaria de formas acabadas a partir de productos de fábrica.

Debido a que no se puede producir fácilmente mediante la reducción de dióxido de titanio , el titanio metálico se obtiene mediante la reducción de TiCl 4 con magnesio metálico en el proceso Kroll . La complejidad de esta producción por lotes en el proceso Kroll explica el valor de mercado relativamente alto del titanio, a pesar de que el proceso Kroll es menos costoso que el proceso Hunter . Para producir el TiCl 4 requerido por el proceso Kroll, el dióxido se somete a reducción carbotérmica en presencia de cloro . En este proceso, el cloro gaseoso se pasa sobre una mezcla al rojo vivo de rutilo o ilmenita en presencia de carbono. Después de una purificación exhaustiva por destilación fraccionada , el TiCl 4 se reduce con magnesio fundido a 800 ° C (1470 ° F) en una atmósfera de argón . El titanio metálico se puede purificar aún más mediante el proceso de van Arkel-de Boer , que implica la descomposición térmica del tetrayoduro de titanio.

2 FeTiO 3 + 7 Cl 2 + 6 C → 2 TiCl 4 + 2 FeCl 3 + 6 CO (900 ° C)
TiCl 4 + 2 Mg → 2 MgCl 2 + Ti (1.100 ° C)

Un método de producción por lotes desarrollado más recientemente, el proceso FFC Cambridge , reduce electroquímicamente el dióxido de titanio en el cloruro de calcio fundido para producir titanio metálico en forma de polvo o esponja. Si se utilizan polvos de óxidos mixtos, el producto es una aleación .

Las aleaciones de titanio comunes se fabrican por reducción. Por ejemplo, se reducen el cuprotitanio (se reduce el rutilo con cobre añadido), el ferrocarburo de titanio (ilmenita reducida con coque en un horno eléctrico) y el manganotitanio (rutilo con manganeso u óxidos de manganeso).

Aproximadamente cincuenta grados de aleaciones de titanio se diseñan y utilizan actualmente, aunque solo un par de docenas están disponibles comercialmente. La ASTM International reconoce 31 grados de titanio y aleaciones, de los cuales los grados del uno al cuatro son comercialmente puros (sin alear). Esos cuatro varían en resistencia a la tracción en función del contenido de oxígeno , siendo el grado 1 el más dúctil (resistencia a la tracción más baja con un contenido de oxígeno del 0,18%) y el grado 4 el menos dúctil (resistencia a la tracción más alta con un contenido de oxígeno del 0,40%). ). Los grados restantes son aleaciones, cada una diseñada para propiedades específicas de ductilidad, resistencia, dureza, resistividad eléctrica, resistencia a la fluencia , resistencia específica a la corrosión y combinaciones de las mismas.

Además de las especificaciones de ASTM, las aleaciones de titanio también se producen para cumplir con las especificaciones militares y aeroespaciales (SAE-AMS, MIL-T), las normas ISO y las especificaciones específicas de cada país, así como las especificaciones del usuario final patentadas para la industria aeroespacial, militar, aplicaciones médicas e industriales.

El polvo de titanio se fabrica mediante un proceso de producción de flujo conocido como proceso Armstrong que es similar al proceso Hunter de producción por lotes. Se añade una corriente de gas tetracloruro de titanio a una corriente de sodio fundido ; los productos (sal de cloruro de sodio y partículas de titanio) se filtran del sodio extra. Luego, el titanio se separa de la sal mediante lavado con agua. Tanto el sodio como el cloro se reciclan para producir y procesar más tetracloruro de titanio.

Fabricación

Toda soldadura de titanio debe realizarse en una atmósfera inerte de argón o helio para protegerlo de la contaminación con gases atmosféricos (oxígeno, nitrógeno e hidrógeno). La contaminación provoca una variedad de condiciones, como la fragilización , que reducen la integridad de las soldaduras del conjunto y provocan fallas en las juntas.

El titanio no se puede soldar sin antes recubrirlo con un metal soldable . El metal se puede mecanizar con el mismo equipo y los mismos procesos que el acero inoxidable .

Formando y forjando

El producto plano comercialmente puro (hoja, placa) se puede formar fácilmente, pero el procesamiento debe tener en cuenta la tendencia del metal a la recuperación elástica . Esto es especialmente cierto en el caso de determinadas aleaciones de alta resistencia. La exposición al oxígeno en el aire a las temperaturas elevadas utilizadas en la forja da como resultado la formación de una capa superficial metálica frágil rica en oxígeno llamada " caja alfa " que empeora las propiedades de fatiga, por lo que debe eliminarse mediante fresado, grabado o tratamiento electroquímico.

Aplicaciones

Un cilindro de titanio de calidad "grado 2"

El titanio se utiliza en acero como elemento de aleación ( ferro-titanio ) para reducir el tamaño de grano y como desoxidante, y en acero inoxidable para reducir el contenido de carbono. El titanio a menudo se alea con aluminio (para refinar el tamaño de grano), vanadio , cobre (para endurecer), hierro , manganeso , molibdeno y otros metales. Los productos de titanio (láminas, placas, barras, alambres, piezas forjadas, piezas fundidas) encuentran aplicación en los mercados industriales, aeroespaciales, recreativos y emergentes. El titanio en polvo se utiliza en pirotecnia como fuente de partículas de combustión brillante.

Pigmentos, aditivos y recubrimientos.

Ver vidrio sobre una superficie negra con una pequeña porción de polvo blanco
El dióxido de titanio es el compuesto de titanio más utilizado.

Aproximadamente el 95% de todo el mineral de titanio se destina al refinamiento en dióxido de titanio ( Ti O
2
), un pigmento permanente de color blanco intenso que se utiliza en pinturas, papel, pasta de dientes y plásticos. También se utiliza en cemento, en piedras preciosas, como opacificante óptico en papel y como agente reforzante en cañas de pescar y palos de golf compuestos de grafito.

TiO
2
El pigmento es químicamente inerte, resiste la decoloración a la luz del sol y es muy opaco: imparte un color blanco puro y brillante a las sustancias químicas marrones o grises que forman la mayoría de los plásticos domésticos. En la naturaleza, este compuesto se encuentra en los minerales anatasa , brookita y rutilo. La pintura hecha con dióxido de titanio funciona bien en ambientes marinos y temperaturas severas. El dióxido de titanio puro tiene un índice de refracción muy alto y una dispersión óptica más alta que el diamante . Además de ser un pigmento muy importante, el dióxido de titanio también se utiliza en protectores solares.

Aeroespacial y marino

Debido a que las aleaciones de titanio tienen una alta resistencia a la tracción a una relación de densidad, alta resistencia a la corrosión , resistencia a la fatiga, alta resistencia al agrietamiento y capacidad para soportar temperaturas moderadamente altas sin arrastrarse , se utilizan en aviones, blindaje, barcos, naves espaciales y misiles. Para estas aplicaciones, el titanio se alea con aluminio, circonio, níquel, vanadio y otros elementos para fabricar una variedad de componentes que incluyen piezas estructurales críticas, muros cortafuegos, trenes de aterrizaje , conductos de escape (helicópteros) y sistemas hidráulicos. De hecho, alrededor de dos tercios de todo el metal de titanio producido se utiliza en motores y bastidores de aviones. La aleación de titanio 6AL-4V representa casi el 50% de todas las aleaciones utilizadas en aplicaciones aeronáuticas.

El Lockheed A-12 y su desarrollo el SR-71 "Blackbird" fueron dos de los primeros bastidores de aviones en los que se utilizó titanio, allanando el camino para un uso mucho más amplio en aviones militares y comerciales modernos. Se estima que se utilizan 59 toneladas métricas (130.000 libras) en el Boeing 777 , 45 en el Boeing 747 , 18 en el Boeing 737 , 32 en el Airbus A340 , 18 en el Airbus A330 y 12 en el Airbus A320 . El Airbus A380 puede utilizar 77 toneladas métricas, incluidas aproximadamente 11 toneladas en los motores. En aplicaciones de motores aeronáuticos, el titanio se utiliza para rotores, palas de compresores, componentes del sistema hidráulico y góndolas . Un uso temprano en los motores a reacción fue para el Orenda Iroquois en la década de 1950.

Debido a que el titanio es resistente a la corrosión por el agua de mar, se utiliza para fabricar ejes de hélice, aparejos e intercambiadores de calor en plantas desalinizadoras ; calentadores-enfriadores para acuarios de agua salada, hilo de pescar y líder, y cuchillos de buceo. El titanio se utiliza en las carcasas y componentes de los dispositivos de vigilancia y monitoreo desplegados en el océano para la ciencia y el ejército. La ex Unión Soviética desarrolló técnicas para fabricar submarinos con cascos de aleaciones de titanio forjando titanio en enormes tubos de vacío.

El titanio se utiliza en las paredes de la bóveda de la nave espacial Juno para proteger la electrónica de a bordo.

Industrial

Titanio de alta pureza (99,999%) con cristalitos visibles

Los equipos de proceso y tuberías de titanio soldados (intercambiadores de calor, tanques, recipientes de proceso, válvulas) se utilizan en las industrias química y petroquímica principalmente para la resistencia a la corrosión. Se utilizan aleaciones específicas en aplicaciones de fondo de pozo de petróleo y gas y en hidrometalurgia de níquel por su alta resistencia (p. Ej., Aleación de titanio beta C), resistencia a la corrosión o ambas. La industria de la pulpa y el papel utiliza titanio en equipos de proceso expuestos a medios corrosivos, como el hipoclorito de sodio o el gas de cloro húmedo (en la lejía). Otras aplicaciones incluyen objetivos de soldadura ultrasónica , soldadura por ola y pulverización catódica .

El tetracloruro de titanio (TiCl 4 ), un líquido incoloro, es importante como intermedio en el proceso de fabricación de TiO 2 y también se utiliza para producir el catalizador Ziegler-Natta . El tetracloruro de titanio también se usa para iridizar el vidrio y, debido a que emana mucho humo en el aire húmedo, se usa para hacer cortinas de humo.

Consumidor y arquitectónico

El titanio metálico se utiliza en aplicaciones automotrices, particularmente en carreras de automóviles y motocicletas, donde el bajo peso y la alta resistencia y rigidez son fundamentales. El metal es generalmente demasiado caro para el mercado de consumo en general, aunque algunos Corvettes de último modelo se han fabricado con escapes de titanio, y el motor sobrealimentado LT4 de un Corvette Z06 utiliza válvulas de admisión de titanio sólido y liviano para una mayor resistencia y resistencia al calor.

El titanio se utiliza en muchos artículos deportivos: raquetas de tenis, palos de golf, varillas de palos de lacrosse; parrillas para cascos de cricket, hockey, lacrosse y fútbol americano, y cuadros y componentes de bicicletas. Aunque no es un material común para la producción de bicicletas, las bicicletas de titanio han sido utilizadas por equipos de carreras y ciclistas de aventura .

Las aleaciones de titanio se utilizan en monturas de gafas que son bastante caras pero muy duraderas, duraderas, livianas y no causan alergias en la piel. Muchos mochileros usan equipos de titanio, incluidos utensilios de cocina, utensilios para comer, linternas y estacas de carpa. Aunque son un poco más costosos que las alternativas tradicionales de acero o aluminio, los productos de titanio pueden ser significativamente más livianos sin comprometer la resistencia. Los herradores prefieren las herraduras de titanio al acero porque son más ligeras y duraderas.

Titanio revestimiento de Frank Gehry 's Museo Guggenheim , Bilbao

El titanio se ha utilizado ocasionalmente en arquitectura. El Monumento de 42,5 m (139 pies) a Yuri Gagarin , el primer hombre en viajar en el espacio ( 55 ° 42′29,7 ″ N 37 ° 34′57,2 ″ E / 55.708250 ° N 37.582556 ° E / 55.708250; 37.582556 ), así como el Monumento a los Conquistadores de 110 m (360 pies) of Space en la parte superior del Museo del Cosmonauta en Moscú están hechos de titanio por el atractivo color del metal y su asociación con los cohetes. El Museo Guggenheim Bilbao y la Biblioteca Cerritos Millennium fueron los primeros edificios de Europa y Norteamérica, respectivamente, revestidos con paneles de titanio. El revestimiento de titanio se utilizó en el edificio Frederic C. Hamilton en Denver, Colorado.

Debido a la resistencia superior y al peso ligero del titanio en comparación con otros metales (acero, acero inoxidable y aluminio), y debido a los avances recientes en las técnicas de trabajo de los metales, su uso se ha generalizado en la fabricación de armas de fuego. Los usos principales incluyen armazones de pistola y cilindros de revólver. Por las mismas razones, se utiliza en el cuerpo de los ordenadores portátiles (por ejemplo, en el de Apple PowerBook 's).

Algunas herramientas de alta gama, livianas y resistentes a la corrosión, como palas y linternas, están hechas de titanio o aleaciones de titanio.

Joyas

Relación entre voltaje y color para titanio anodizado. (Cateb, 2010).

Debido a su durabilidad, el titanio se ha vuelto más popular para las joyas de diseño (en particular, los anillos de titanio ). Su inercia lo convierte en una buena opción para quienes padecen alergias o quienes llevarán las joyas en ambientes como piscinas. El titanio también se alea con oro para producir una aleación que se puede comercializar como oro de 24 quilates porque el 1% de Ti aleado es insuficiente para requerir una marca menor. La aleación resultante tiene aproximadamente la dureza del oro de 14 quilates y es más duradera que el oro puro de 24 quilates.

La durabilidad, el peso ligero y la resistencia a las abolladuras y la corrosión del titanio lo hacen útil para las cajas de relojes . Algunos artistas trabajan con titanio para producir esculturas, objetos decorativos y muebles.

El titanio se puede anodizar para variar el grosor de la capa de óxido de la superficie, provocando franjas de interferencia óptica y una variedad de colores brillantes. Con esta coloración e inercia química, el titanio es un metal popular para perforaciones corporales .

El titanio tiene un uso menor en monedas y medallas dedicadas que no circulan. En 1999, Gibraltar lanzó la primera moneda de titanio del mundo para la celebración del milenio. Los Gold Coast Titans , un equipo de la liga australiana de rugby, otorgan una medalla de titanio puro a su jugador del año.

Médico

Debido a que el titanio es biocompatible (no es tóxico y no es rechazado por el cuerpo), tiene muchos usos médicos, incluidos implementos e implantes quirúrgicos, como bolas y encajes de cadera ( reemplazo de articulaciones ) e implantes dentales que pueden permanecer en su lugar hasta por 20 años. El titanio a menudo se alea con aproximadamente un 4% de aluminio o un 6% de Al y un 4% de vanadio.

Placa y tornillos médicos que se utilizan para reparar fracturas de muñeca. La escala está en centímetros.

El titanio tiene la capacidad inherente de osteointegrarse , lo que permite su uso en implantes dentales que pueden durar más de 30 años. Esta propiedad también es útil para aplicaciones de implantes ortopédicos . Estos se benefician del módulo de elasticidad más bajo del titanio (módulo de Young ) para coincidir más estrechamente con el del hueso que dichos dispositivos deben reparar. Como resultado, las cargas esqueléticas se comparten de manera más uniforme entre el hueso y el implante, lo que conduce a una menor incidencia de degradación ósea debido al blindaje de tensión y las fracturas óseas periprotésicas , que se producen en los límites de los implantes ortopédicos. Sin embargo, la rigidez de las aleaciones de titanio sigue siendo más del doble que la del hueso, por lo que el hueso adyacente soporta una carga muy reducida y puede deteriorarse.

Debido a que el titanio no es ferromagnético , los pacientes con implantes de titanio pueden ser examinados de manera segura con imágenes de resonancia magnética (conveniente para implantes a largo plazo). La preparación del titanio para su implantación en el cuerpo implica someterlo a un arco de plasma de alta temperatura que elimina los átomos de la superficie, exponiendo el titanio fresco que se oxida instantáneamente.

Los avances modernos en las técnicas de fabricación aditiva han aumentado el potencial para el uso del titanio en aplicaciones de implantes ortopédicos. Los diseños complejos de andamios de implantes se pueden imprimir en 3D utilizando aleaciones de titanio, lo que permite aplicaciones más específicas para el paciente y una mayor osteointegración del implante ".

El titanio se utiliza para los instrumentos quirúrgicos utilizados en la cirugía guiada por imágenes , así como para sillas de ruedas, muletas y cualquier otro producto en el que sea deseable una alta resistencia y un peso reducido.

Las nanopartículas de dióxido de titanio se utilizan ampliamente en la electrónica y la distribución de productos farmacéuticos y cosméticos.

Almacenamiento de residuos nucleares

Debido a su resistencia a la corrosión, los contenedores de titanio se han estudiado para el almacenamiento a largo plazo de desechos nucleares. Se cree que los envases que duran más de 100.000 años son posibles con condiciones de fabricación que minimizan los defectos de los materiales. También se podría instalar un "protector de goteo" de titanio sobre contenedores de otros tipos para mejorar su longevidad.

Precauciones

El titanio no es tóxico incluso en grandes dosis y no juega ningún papel natural dentro del cuerpo humano . Los seres humanos ingieren una cantidad estimada de 0,8 miligramos de titanio cada día, pero la mayoría pasa sin ser absorbida por los tejidos. Sin embargo, a veces se bioacumula en tejidos que contienen sílice . Un estudio indica una posible conexión entre el titanio y el síndrome de la uña amarilla .

Como polvo o en forma de virutas de metal, el metal de titanio presenta un riesgo de incendio significativo y, cuando se calienta en el aire , un riesgo de explosión. El agua y el dióxido de carbono son ineficaces para extinguir un fuego de titanio; En su lugar , deben utilizarse agentes en polvo seco de clase D.

Cuando se utiliza en la producción o manipulación de cloro , el titanio no debe exponerse al gas de cloro seco porque puede provocar un incendio de cloro-titanio.

El titanio puede incendiarse cuando una superficie fresca no oxidada entra en contacto con oxígeno líquido .

Función en plantas

Las hojas elípticas dentadas de color verde oscuro de una ortiga
Las ortigas contienen hasta 80 partes por millón de titanio.

Un mecanismo desconocido en las plantas puede usar titanio para estimular la producción de carbohidratos y estimular el crecimiento. Esto puede explicar por qué la mayoría de las plantas contienen aproximadamente 1 parte por millón (ppm) de titanio, las plantas alimenticias tienen aproximadamente 2 ppm y la cola de caballo y la ortiga contienen hasta 80 ppm.

Ver también

Referencias

Bibliografía

enlaces externos

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