Eigenschaften                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         Ar 3d2 4s2 22 Ti Periodensystem Allgemein Name, Symbol, Ordnungszahl Titan, Ti, 22 Serie Übergangsmetalle Gruppe, Periode, Block 4, 4, d Aussehen silbrig metallisch CAS-Nummer 7440-32-6 Massenanteil an der Erdhülle 0,41 %[1] Atomar [2] Atommasse 47,867 u Atomradius (berechnet) 140 (176) pm Kovalenter Radius 160 pm Elektronenkonfiguration Ar 3d2 4s2 Elektronen pro Energieniveau 2, 8, 10, 2 1. Ionisierungsenergie 658,8 kJ/mol 2. Ionisierungsenergie 1309,8 kJ/mol 3. Ionisierungsenergie 2652,5 kJ/mol 4. Ionisierungsenergie 4174,6 kJ/mol Physikalisch [2] Aggregatzustand fest Kristallstruktur hexagonal (bis 882 °C, darüber krz) Dichte 4,50 g/cm3 (25 °C)[3] Mohshärte 6 Magnetismus paramagnetisch (χm = 1,8 · 10−4)[4] Schmelzpunkt 1941 K (1668 °C) Siedepunkt 3560 K (3287 °C) Molares Volumen 10,64 · 10−6 m3/mol Verdampfungswärme 425 kJ/mol Schmelzwärme 18,7 kJ/mol Schallgeschwindigkeit 4140 m/s bei 293,15 K Spezifische Wärmekapazität 523[1] J/(kg · K) Elektrische Leitfähigkeit 2,5 · 106 A/(V · m) Wärmeleitfähigkeit 22 W/(m · K) Mechanisch [2] E-Modul 105 GPa (= 105 kN/mm2)[5] Poissonzahl 0,34[5] Chemisch [2] Oxidationszustände +2, +3, +4 Oxide (Basizität) TiO2 (amphoter) Normalpotential −0,86 V (TiO2+ + 2 H+ + 4 e− → Ti + H2O) Elektronegativität 1,54 (Pauling-Skala) Isotope Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP 44Ti {syn.} 49 a ε 0,268 44Sc 45Ti {syn.} 184,8 min ε 2,062 45Sc 46Ti 8,0 % Stabil 47Ti 7,3 % Stabil 48Ti 73,8 % Stabil 49Ti 5,5 % Stabil 50Ti 5,4 % Stabil 51Ti {syn.} 5,76 min β− 2,471 51V 52Ti {syn.} 1,7 min β− 1,973 52V Weitere Isotope siehe Liste der Isotope NMR-Eigenschaften   Spin γ in rad·T−1·s−1 E fL bei B = 4,7 T in MHz 47Ti −5/2 1,508· 107 0,00209 11,3 49Ti −7/2 1,508· 107 0,00376 11,3 Sicherheitshinweise Gefahrstoffkennzeichnung (Pulver)[6] Pulver Leicht- entzündlich Reizend (F) (Xi) R- und S-Sätze R: 17-36/37/38 S: 26 (Pulver) Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Titan ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Ti und der Ordnungszahl 22. Es gehört zu den Übergangsmetallen und steht im Periodensystem in der 4. Nebengruppe (Gruppe 4) oder Titangruppe. Das Metall ist weiß-metallisch glänzend, leicht, fest, dehnbar, korrosions- und temperaturbeständig. Es ist daher besonders für Anwendungen geeignet, bei denen es auf hohe Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und geringes Gewicht ankommt. Aufgrund des komplizierten Herstellungsprozesses ist Titan zehnmal so teuer wie herkömmlicher Stahl. Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Vorkommen 3 Gewinnung 4 Eigenschaften 5 Titanlegierungen 6 Verwendung 7 Nachweis 8 Normen 9 Sicherheitshinweise 10 Verbindungen 11 Einzelnachweise 12 Literatur 13 Weblinks // Bearbeiten Geschichte Titan wurde 1791 in England von dem Geistlichen und Amateurchemiker William Gregor im Titaneisen entdeckt. 1795 entdeckte es der deutsche Chemiker Heinrich Klaproth im Rutilerz ebenfalls und gab dem Element – angelehnt an das griechische Göttergeschlecht der Titanen – seinen heutigen Namen. Es gelang jedoch erst im Jahre 1831 Justus von Liebig, aus dem Erz das metallische Titan zu gewinnen.[7] Reines Titanmetall (99,9 %) stellte 1910 erstmals Matthew A. Hunter her, indem er in einer Stahlbombe Titantetrachlorid mit Natrium auf 700 bis 800 °C erhitzte. Erst in den 1940er Jahren gelang es William Justin Kroll mit dem Kroll-Prozess durch Einführung der großtechnischen Reduktion von Titantetrachlorid mit Magnesium das Titan für kommerzielle Anwendungen zu erschließen. Bearbeiten Vorkommen Titan kommt in der Erdkruste nur in Verbindungen mit Sauerstoff als Oxid vor. Es ist keineswegs selten, steht es doch mit einem Gehalt von 0,565 % an 9. Stelle der Elementhäufigkeit in der kontinentalen Erdkruste.[8] Meist ist es aber nur in geringer Konzentration vorhanden. Wichtige Mineralien sind: Ilmenit (Titaneisenerz), FeTiO3 Leukoxen, ein eisenarmer Ilmenit Perowskit, CaTiO3 Rutil, TiO2 Titanit (Sphen), CaTi[SiO4O Titanate wie Bariumtitanat, (BaTiO3) Begleiter in Eisenerzen. Die Hauptvorkommen liegen in Australien, Skandinavien, Nordamerika, dem Ural und Malaysia. Meteoriten können Titan enthalten. In der Sonne und in Sternen der Spektralklasse M wurde ebenfalls Titan nachgewiesen. Gesteinsproben der Mondmission Apollo 17 enthielten bis zu 12,1 % TiO2. Auch in Kohlenaschen, Pflanzen und im menschlichen Körper ist es enthalten. Im Jahr 2010 wurden in Paraguay gewaltige Vorkommen entdeckt, deren Ausbeutung bis Dato jedoch lediglich geplant sind.[9] Titan-Produktion in Tausend Tonnen[10] Rang Land 2003 2004 2005 1 Australien Australien 1 300 2 110 2 230 2 Sudafrika Südafrika 1 070 1 130 1 130 3 Kanada Kanada 810 870 870 4 China Volksrepublik China 400 840 820 5 Norwegen Norwegen 380 370 420 Bearbeiten Gewinnung Titan-"Schwamm", 99,7 % gewonnen nach dem Kroll-Prozess Titan Crystal Bar, 99,995 %, hergestellt nach dem Van-Arkel-de-Boer-Verfahren Reines Titan kommt in der Erde kaum vor. Titan wird aus Ilmenit oder Rutil gewonnen. Der dabei verwendete Herstellungsprozess ist sehr aufwändig, was sich im hohen Preis für Titan niederschlägt. So kostete im Jahre 2008 eine Tonne Titanschwamm durchschnittlich 12.000 Euro.[7] Der Herstellungsprozess ist seit Entdeckung des Kroll-Prozesses fast unverändert. Meist vom Ilmenit oder Rutil ausgehend, wird angereichertes Titandioxid in der Hitze mit Chlor zu Titantetrachlorid umgesetzt. Anschließend geschieht die Reduktion zum Titan durch flüssiges Magnesium. Zur Herstellung von bearbeitbaren Legierungen muss der dabei erhaltene Titanschwamm im Vakuum-Lichtbogenofen umgeschmolzen werden. Größter Produzent von Titan und Titanlegierungen ist die VSMPO-AVISMA mit Firmensitz in Werchnjaja Salda bzw. Jekaterinburg im Ural, die sich seit 12. September 2006 indirekt über die Holding Rosoboronexport in russischem Staatsbesitz befindet. Reinstes Titan gewinnt man nach dem Van-Arkel-de-Boer-Verfahren. Bearbeiten Eigenschaften Titanzylinder, Reintitan Titan bildet an der Luft eine äußerst beständige oxidische Schutzschicht aus, die es in vielen Medien korrosionsbeständig macht. Bemerkenswert ist die hohe Festigkeit bei einer relativ geringen Dichte. Oberhalb einer Temperatur von 400 °C gehen die Festigkeitseigenschaften aber schnell zurück. Hochreines Titan ist duktil. Bei höheren Temperaturen versprödet es durch Aufnahme von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff sehr schnell. Zu beachten ist auch die hohe Reaktivität von Titan mit vielen Medien bei erhöhten Temperaturen oder erhöhtem Druck, wenn die Passivschicht dem chemischen Angriff nicht gewachsen ist. Hier kann die Reaktionsgeschwindigkeit bis zur Explosion anwachsen. In reinem Sauerstoff bei 25 °C und 25 bar verbrennt Titan von einer frischen Schnittkante ausgehend vollständig zum Titandioxid. Trotz Passivierungsschicht reagiert es bei Temperaturen oberhalb von 880 °C mit Sauerstoff, bei Temperaturen ab 550 °C mit Chlor. Titan reagiert („brennt“) auch mit reinem Stickstoff, was zum Beispiel bei spanender Bearbeitung wegen der Hitzeentwicklung unbedingt beachtet werden muss. Gegen verdünnte Schwefelsäure, Salzsäure, chloridhaltige Lösungen, kalter Salpetersäure und die meisten organischen Säuren und Laugen wie Natriumhydroxid ist Titan beständig. In konzentrierter Schwefelsäure dagegen löst es sich langsam auf, unter Bildung des violetten Titansulfat. Wegen der Explosionsgefahr sind bei Anwendungen in Chlorgas die Betriebsbedingungen strikt einzuhalten. Die mechanischen Eigenschaften und das korrosive Verhalten lassen sich durch meist geringfügige Legierungszusätze von Aluminium, Vanadium, Mangan, Molybdän, Palladium, Kupfer, Zirkonium und Zinn erheblich verbessern. Unterhalb einer Temperatur von 0,4 K[11] wird Titan supraleitend. Unterhalb von 880 °C liegt Titan in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung vor. Oberhalb von 880 °C bildet sich eine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur aus. Bearbeiten Titanlegierungen Titan-Legierungen werden häufig nach dem US-amerikanischen Standard ASTM mit Grade 1 bis 35 charakterisiert. Grade 1 bis 4 bezeichnet Rein-Titan verschiedener Reinheitsgrade[12]. Rein-Titan hat die Werkstoffnummer 3.7034; der wirtschaftlich bedeutendste (auch für Turbolader-Schaufeln) eingesetzte[13] Werkstoff Ti-6Al-4V (6 % Aluminium, 4 % Vanadium, ASTM: Grade 5) hat die Nummer 3.7165. Weitere wichtige Titanlegierungen, die hauptsächlich in der Luftfahrtindustrie eingesetzt werden: Bezeichnung chem. Zusammensetzung Elastizitätsmodul in GPa Dichte in g·cm−3 Ti6246 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 125,4 4,51 Ti6242 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 4,50 In Verbindung mit Nickel ist es eine sogenannte Formgedächtnis-Legierung. Bearbeiten Verwendung Titan-Verdichterschaufeln eines Strahltriebwerkes Armbanduhr mit Titan-Armband bzw. -Gehäuse Titan wird vor allem als Mikrolegierungsbestandteil für Stahl verwendet. Es verleiht Stahl bereits in Konzentrationen von 0,01–0,1 Prozent Massenanteil eine hohe Zähigkeit, Festigkeit und Duktilität. In rostfreien Stählen verhindert Titan die interkristalline Korrosion. Titanbasislegierungen sind mit ca. 45 €/kg deutlich teurer als Superlegierungen. Sie werden daher nur für höchste Anforderungen eingesetzt: Anwendungen in Seewasser und chloridhaltigen Medien Schiffspropellerteile wie Wellen, sowie Verspannungen für maritime Anwendungen Einbauteile in Meerwasserentsalzungsanlagen Bauteile für die Eindampfung von Kaliumchlorid-Lösungen Anoden von HGÜ-Seekabelübertragungen Apparate in Anlagen der Chlorchemie Outdoor- und Sportartikel bei hochwertigen Fahrrädern in Verbindung mit Aluminium und Vanadium als Rahmenmaterial (Taucher-)Messer mit Titan- oder Titanlegierungsklingen, ebenso Essbestecke als Zeltheringe (hohe Festigkeit trotz geringen Gewichts) bei Golfschlägern als Schlägerkopf bei Tennisschlägern im Rahmen beim Stockschießen als äußerst stabiler Stab beim Eisstockstiel als besonders leichte Eisschraube beim Bergsteigen als Lacrosse-Schaft für höhere Festigkeit bei geringerem Gewicht als bissfestes Vorfach beim Angeln auf Raubfische mit scharfen Zähnen Verwendung in Form von Verbindungen Herstellung relativ weicher künstlicher Edelsteine titandotierte Saphir-Einkristalle dienen als aktives Medium im Titan-Saphir-Laser für ultrakurze Pulse im Femtosekunden-Bereich als Titantetrachlorid zur Herstellung von Glasspiegeln und künstlichem Nebel Bildung von intermetallischen Phasen (Ni3Ti) in hochwarmfesten Nickellegierungen supraleitende Niob-Titan-Legierungen (z. B. als supraleitende Kabel in Elektromagneten von HERA bei DESY) in der Pyrotechnik über 90 % der Titanerzförderung wird hauptsächlich nach dem Chlorid- und im geringeren Maße nach dem Sulfatverfahren zu Titandioxid verarbeitet. als Titannitrite für Beschichtungen von Wendeschneidplatten und Fräsern in der Fertigungstechnik Verbindungen des Titans mit Bor, Kohlenstoff oder Stickstoff finden Verwendung als Hartstoffe. Auch zur Herstellung von Cermets, Verbundwerkstoffen aus Keramik und Metall, werden Titanverbindungen eingesetzt. Die SR-71 besteht zum größten Teil aus Titan Konstruktionsteile Verschleißteile in Lötanlagen, direkter Kontakt mit Elektrolot bis 500 °C Federn in Fahrgestellen von Kraftfahrzeugen in Flugzeugen und Raumschiffen für besonders beanspruchte Teile, die trotzdem leicht sein müssen (Außenhaut bei Überschallgeschwindigkeit, Verdichterschaufeln und andere Triebwerksteile) in Dampfturbinen für die am stärksten belasteten Schaufeln des Niederdruckteiles in der Rüstung: Einige U-Boot-Typen der ehemaligen Sowjetunion hatten Druckkörper aus einer Titanlegierung (z. B. Mike-Klasse, Alfa-Klasse, Papa-Klasse oder Sierra-Klasse). Daneben kommt Titan, stärker als bei der zivilen Luftfahrt, in der militärischen Luftfahrt zum Einsatz. Dies führte dazu, dass zu Hochzeiten der sowjetischen Rüstungsproduktion ein Großteil des weltweit geförderten Titans sowohl in Russland produziert als auch wieder verbaut wurde. wegen seiner geringen Dichte bei der Herstellung von Niveauanzeigen und Schwimmern Medizin als Biomaterial für Implantate in der Medizintechnik und Zahnheilkunde (Zahnimplantate, jährlich ca. 200.000 Stück allein in Deutschland) wegen seiner sehr guten Korrosionsbeständigkeit im Gegensatz zu anderen Metallen. Eine immunologische Abstoßungsreaktion (Implantatallergie) gibt es nicht. Auch bei Zahnkronen und Zahnbrücken wird es wegen der erheblich niedrigeren Kosten im Vergleich zu Goldlegierungen verwendet. In der chirurgischen Orthopädie bei metallischen Beinprothesen (Hüftgelenksprothesen) und Hüftkopfersatz, Kniegelenkersatz nach Arthrose wird es massenhaft eingesetzt. Die Titan-Oxidschicht ermöglicht das feste Anwachsen von Knochen an das Implantat (Osseointegration) und ermöglicht damit den festen Einbau des künstlichen Implantates in den menschlichen Körper. In der Mittelohrchirurgie findet Titan als Material für Gehörknöchelchenersatz-Prothesen und für Paukenröhrchen bevorzugte Verwendung. In der Neurochirurgie haben Titan-Clips (für Aneurysma-Operationen) wegen ihrer günstigeren NMR-Eigenschaften solche aus Edelstahl weitgehend verdrängt. Elektronik Im Jahre 2002 brachte die Firma Nokia das Handy 8910 und ein Jahr später das Handy 8910i auf den Markt, welche über ein Gehäuse aus Titan verfügen. Im April 2002 brachte die Firma Apple Inc. das Notebook „PowerBook G4“ auf den Markt. Das gesamte Gehäuse war aus Titan gefertigt und besaß in der 15,2"-Bildschirm-Ausführung bei einer Dicke von 1" ein Gewicht von nur 2,4 kg. Einige Notebooks der ThinkPad-Serie von Lenovo (früher IBM) besitzen ein titanverstärktes Kunststoffgehäuse oder einen Gehäuserahmen aus einem Titan-Magnesium-Verbundstoff. Sonstige Anwendungsgebiete Schmuck, Uhren und Brillengestelle aus Titan Münzen mit Titankern (z. B. österreichische 200-Schilling-Münzen) Titan-Sublimationspumpe zur Erzeugung von Ultrahochvakuum Bearbeiten Nachweis TiO2+ bildet mit Wasserstoffperoxid einen charakteristischen gelb-orangen Komplex (Triaquohydroxooxotitan(IV)-Komplex), der auch zum photospektrometrischen Nachweis geeignet ist. Bearbeiten Normen Titan und Titanlegierungen sind unter anderem genormt in: DIN 17850, Ausgabe:1990-11 Titan; chemische Zusammensetzung ASTM B 348: Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy, Bars and Billets ASTM B 265: Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy, Sheets and Plates ASTM F 67: Standard Specification for Unalloyed Titanium, for Surgical Implant Applications ASTM F 136: Standard Specification for Wrought Titanium-6Aluminum-4Vanadium ELI (Extra Low Interstitial) Alloy for Surgical Implant Applications ASTM B 338: Standard Specification for Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Tubes for Condensers and Heat Exchangers ASTM B 337: Specification for Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Pipe Bearbeiten Sicherheitshinweise Titan ist als Pulver feuergefährlich, kompakt ungefährlich. Die meisten Titansalze gelten als harmlos. Unbeständige Verbindungen wie Titantrichlorid sind stark korrosiv, da sie mit Spuren von Wasser Salzsäure bilden. Titantetrachlorid wird in Nebelkerzen und Nebelgranaten eingesetzt; es reagiert mit der Luftfeuchte und bildet einen weißen Rauch aus Titandioxid, außerdem Salzsäurenebel. Biologische Nachteile des Titans im menschlichen Körper sind zur Zeit nicht bekannt. So lösten die bisher aus Titan hergestellten Hüftgelenke oder Kieferimplantate, im Gegensatz zu Nickel, keinerlei Allergien aus.[7] Bearbeiten Verbindungen Während metallisches Titan wegen der hohen Herstellungskosten nur anspruchsvollen technischen Anwendungen vorbehalten bleibt, ist das relativ preiswerte und ungiftige Farbpigment Titandioxid ein Begleiter des alltäglichen Lebens geworden. Praktisch alle heutigen weißen Kunststoffe und Farben, auch Lebensmittelfarben enthalten Titandioxid (es ist in Lebensmitteln als E 171 zu finden). Aber auch in der Elektro- und Werkstofftechnik und neuerdings auch in der Herstellung von Hochleistungsakkumulatoren für den Fahrzeug-Antrieb (Lithium-Titanat-Akku) werden Titanverbindungen eingesetzt. Bariumtitanat, BaTiO3 Lithiumtitanat Titan(III)-chlorid, TiCl3 Titanborid, TiB Titancarbid, TiC Titannitrid, TiN Titan(IV)-chlorid, TiCl4 Titan(II)-oxid TiO Titan(III)-oxid Ti2O3 Titan(IV)-oxid (Titanweiß), TiO2 Titansuboxide mit einer Zusammensetzung von TiO bis Ti2O Titan(IV)-oxidsulfat (Titanylsulfat), TiOSO4 Ferrotitan Nitinol, ein Memory-Metall Titanhydrid, TiH2 Bearbeiten Einzelnachweise ↑ a b Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus webelements.com (titanium) entnommen. ↑ N. N. Greenwood und A. Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, 1988, S. 1231, ISBN 3-527-26169-9. ↑ Weast, Robert C. (ed. in chief): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990. Seiten E-129 bis E-145. ISBN 0-8493-0470-9. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert. ↑ a b der-wirtschaftsingenieur.de ↑ Datenblatt Titan (Pulver) bei AlfaAesar, abgerufen am 5. Februar 2010.. ↑ a b c Alexander Stirn: Vom Triebwerk bis zum Campanile. In: Süddeutsche Zeitung, 25. April 2009, S. 22. ↑ David R. Lide (ed.): CRC Handbook of Chemistry and Physics, 90. Auflage, CRC Press, Boca Raton, Florida, 2009, Section 14, Geophysics, Astronomy, and Acoustics; Abundance of Elements in the Earth's Crust and in the Sea, p. 14-18. ↑ http://latina-press.com/news/56028-riesige-titan-vorkommen-in-paraguay-entdeckt/ ↑ Titan Produktion weltweit (Auswahl) in: Microsoft Encarta ↑ Physikalische Eigenschaften von Titan bei webelements.com. ↑ Titanschweißtechnik (PDF) ↑ Firmenangaben Keller & Kalmbach Bearbeiten Literatur Gerd Lütjering, James C. Williams: Titanium. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-71397-5 Bearbeiten Weblinks  Commons: Titan (Element) – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien  Wiktionary: Titan – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen Mineralienatlas:Titan (Wiki) Titan – Herstellung und Anwendung (mit Abbildungen) Uni-Bayreuth (abgerufen am 19. Februar 2010) Periodensystem für den Schulgebrauch (zahlreiche Illustrationen) kristallines Titan als Abbildung in der Elementansammlung von Heinrich Pniok Periodensystem der Elemente H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo Alkalimetalle Erdalkalimetalle Lanthanoide Actinoide Übergangsmetalle Metalle Halbmetalle Nichtmetalle Halogene Edelgase