Titanio

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scandio – titanio – vanadio Ti Zr       Tavola periodica
Generale
Nome, Simbolo, N° Atomico			titanio, Ti, 22
Serie chimica			metalli del blocco d
Gruppo, Periodo, Blocco			4, 4, d
Densità, Durezza			4507 kg/m3, 6
Colore			argento metallico
Proprietà atomiche
Peso atomico			47,867 amu
Raggio atomico			140 pm
Raggio covalente			136 pm
Raggio di van der Waals			nd
Configurazione elettronica			Ar3d24s2
e- per livello energetico			2, 8, 10, 2
Stato di ossidazione			4 (anfoterico)
Struttura cristallina			Esagonale
Proprietà fisiche
Stato di aggregazione			solido
Punto di fusione			1941 K, (1667,85 °C)
Punto di ebollizione			3560 K, (3286,85 °C)
Volume molare			10,64 × 10-3m3/mol
Calore di vaporizzazione			421 kJ/mol
Calore di fusione			15,45 kJ/mol
Pressione del vapore			0,49 Pa a 1933 K
Velocità del suono			4140 m/s a 293,15 K
Varie
Elettronegatività			1,54 (scala di Pauling)
Capacità calorica specifica			520 J/(kg*K)
Conducibilità elettrica			2,34 × 106/m ohm
Conducibilità termica			21,9 W/(m*K)
Prima energia di ionizzazione			658,8 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione			1309,8 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione			2652,5 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione			4174,6 kJ/mol
Energia di quinta ionizzazione			9581 kJ/mol
Energia di sesta ionizzazione			11533 kJ/mol
Energia di settima ionizzazione			13590 kJ/mol
Energia di ottava ionizzazione			16440 kJ/mol
Nona energia di ionizzazione			18530 kJ/mol
Decima energia di ionizzazione			20833 kJ/mol
Isotopi stabili
!iso	NA	TD	DM	DE	DP
44Ti	(sintetico)	63 anni	s	0,268	44Sc
46Ti	8,0%	Ti è stabile con 24 neutroni
47Ti	7,3%	Ti è stabile con 25 neutroni
48Ti	73,8%	Ti è stabile con 26 neutroni
49Ti	5,5%	Ti è stabile con 27 neutroni
50Ti	5,4%	Ti è stabile con 28 neutroni
iso = isotopo NA = abbondanza in natura TD = tempo di dimezzamento DM = modalità di decadimento DE = energia di decadimento in MeV DP = prodotto del decadimento

Il titanio è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi che ha come simbolo Ti e come numero atomico il 22. È un metallo del blocco d, leggero, resistente, di colore bianco metallico, lucido, resistente alla corrosione. Il titanio viene utilizzato nelle leghe leggere resistenti e nei pigmenti bianchi, si trova in numerosi minerali, i principali sono il rutilo e l'ilmenite.

[modifica] Caratteristiche

Il titanio è un elemento metallico che è ben conosciuto per la sua resistenza alla corrosione (quasi quanto il platino) e per il suo alto rapporto resistenza/peso. È leggero, duro, con una bassa densità (il 40% di quella dell'acciaio). Quando allo stato puro è abbastanza duttile, lucido, di colore bianco metallico. Tuttavia le leghe di titanio non sono facilmente lavorabili, e la difficoltà di lavorazione alle macchine utensili è paragonabile a quella dell'acciaio inossidabile, notoriamente il più problematico da plasmare per asportazione di truciolo. Il punto di fusione relativamente alto di questo elemento lo rende utile come metallo refrattario. Il titanio è resistente come l'acciaio ma il 45% più leggero, pesa il 60% in più dell'alluminio ma con una resistenza doppia. Queste proprietà rendono il titanio molto resistente alle forme usuali di fatica dei metalli.

Questo metallo forma una patina di ossido passivo se esposto all'aria, ma quando è in un ambiente libero da ossigeno è molto duttile. Il titanio, che brucia se riscaldato nell'aria, è anche l'unico elemento che brucia in un gas di azoto puro. Il titanio è resistente all'acido solforico diluito e all'acido cloridrico, oltre che ai gas di cloro, alle soluzioni di cloruri e alla maggior parte degli acidi carbossilici.

Esperimenti hanno mostrato che il titanio naturale diventa altamente radioattivo se bombardato con nuclei di deuterio, emettendo principalmente positroni e raggi gamma. Il metallo è dimorfico con forma alfa esagonale che diventa beta cubica molto lentamente, alla temperatura di circa 880°C. Quando raggiunge il calore rosso il titanio si combina con l'ossigeno e quando raggiunge i 550°C si combina con il cloro.

A temperatura ambiente si passiva per formazione di una patina di ossido, ad alta temperatura reagisce rapidamente con ossigeno e reagisce anche con idrogeno, azoto e alogeni. Non è attaccato dagli acidi fatta eccezione di HF che forma fluorocomplessi solubili, gli acidi ossidanti accentuano la formazione della patina passivante di ossido, neanche gli alcali acquosi a caldo lo attaccano.

[modifica] Applicazioni

All'incirca il 95% del titanio viene consumato in forma di diossido di titanio (TiO₂), un pigmento intensamente bianco e permanente con buona capacità coprente, nelle vernici, nella carta e nelle plastiche. Le vernici fatte con il biossido di titanio sono eccellenti riflettrici della radiazione infrarossa e sono quindi usate estensivamente dagli astronomi.

A causa della loro resistenza (anche alla corrosione), leggerezza, e capacità di sopportare temperature estreme, le leghe di titanio vengono utilizzate principalmente nell'industria aeronautica e aerospaziale, anche se il loro utilizzo in prodotti di consumo quali: mazze da golf, biciclette, e computer portatili, sta diventando sempre più comune. Il titanio viene spesso messo in lega con: alluminio, ferro, manganese, molibdeno e altri metalli. Altri impieghi:

• Grazie all'eccellente resistenza all'acqua di mare, viene usato per fabbricare parti dei propulsori marini.
• Viene utilizzato per produrre gemme artificiali relativamente morbide.
• Il tetracloruro di titanio (TiCl₄), un liquido incolore, viene usato per ottenere l'iridescenza del vetro, e poiché emette un fumo denso nell'aria umida, viene anche usato per la fabbricazione di fumogeni.
• In aggiunta ad essere un importante pigmento, il biossido di titanio viene impiegato nei filtri solari a causa della sua capacità di proteggere la pelle.
• Ha la proprietà di essere biocompatibile, in quanto presenta porosità superficiale analoga a quella dei tessuti umani, per cui risulta fisiologicamente inerte. Per questo motivo la lega a base di titanio Ti6Al4V viene utilizzata nelle componenti protesiche di anca e ginocchio. Tuttavia dato l'alto coefficiente di frizione non viene mai utilizzato come componente di giunzione articolare
• Il suo essere inerte e la colorazione attraente lo rendono un metallo popolare per l'uso nei piercing.

Un uso potenziale del titanio si ha per gli impianti di desalinizzazione.

[modifica] Storia

Il titanio (dal latino Titans, Titani, i primi figli di Gaia) fu scoperto in Inghilterra nel 1791 dal reverendo William Gregor, che riconobbe la presenza di un nuovo elemento nell'ilmenite. L'elemento venne riscoperto molti anni dopo dal chimico tedesco Heinrich Klaproth nei minerali di rutilo. Nel 1795 Klaproth battezzò l'elemento con il nome dei Titani della mitologia greca.

Il titanio metallico puro (99.9%) venne preparato per la prima volta nel 1910 da Matthew A. Hunter tramite riscaldamento di TiCl₄ con del sodio a 700-800°C.

Il metallo di titanio non venne usato al di fuori dei laboratori fino al 1946 quando William Justin Kroll dimostrò che il titanio poteva essere prodotto commercialmente tramite riduzione del tetracloruro di titanio con il magnesio (un metodo ancora in uso tutt'oggi).

[modifica] Disponibilità

Un orologio rivestito in titanio

Il titanio non si trova libero in natura, ma è il nono elemento per abbondanza nella crosta terrestre (0,6% della massa) ed è presente in molte rocce ignee e nei sedimenti da esse derivanti. Si trova principalmente nei seguenti minerali: anatasio, brookite, ilmenite, leucoxene, perovskite, rutilo, e sfeno nonché nei titanati e in molti minerali ferrosi. Di questi minerali solo l'ilmenite, il leucoxene e il rutilo hanno un'importanza economica significativa. Poiché ad alte temperature reagisce facilmente con l'ossigeno e il carbonio è difficoltoso preparare il metallo di titanio puro. Significativi depositi di minerali di titanio si trovano in Australia, Scandinavia, Nord America e Malesia.

Il metallo si trova nei meteoriti ed è stato rintracciato nel Sole e nelle stelle di tipo M. Le rocce portate dalla Luna durante la missione Apollo 17 erano composte per il 12,1% di TiO₂. Il titanio si trova inoltre nelle ceneri di carbone, nelle piante ed anche nel corpo umano.

[modifica] Produzione

Il metallo di titanio si produce commercialmente tramite riduzione di TiCl₄ con il magnesio, un processo sviluppato nel 1946 da William Justin Kroll. Questo processo è complicato e costoso, ma un nuovo procedimento, chiamato metodo "FFC-Cambridge" potrebbe rimpiazzarlo. Questo nuovo metodo usa come materiale di base la polvere di diossido di titanio (che è una forma raffinata di rutilo) per ottenere il prodotto finale, un flusso continuo di titanio fuso adatto all'utilizzo immediato per la manufattura di leghe.

Si spera che il metodo FFC-Cambridge renderà il titanio un materiale meno raro e costoso per l'industria aerospaziale e il mercato dei beni di lusso, e che verrà impiegato in molti prodotti attualmente fabbricati con alluminio od acciai speciali.

[modifica] Composti

Anche se il metallo di titanio è relativamente poco comune, a causa dei costi di estrazione, il diossido di titanio è economico, facilmente disponibile in grandi quantità, e largamente utilizzato come pigmento bianco in vernici, plastiche e cemento da costruzione. La polvere di TiO₂ è chimicamente inerte, non svanisce con la luce solare, ed è molto opaca, ciò le permette di impartire un colore bianco brillante alle sostanze chimiche grigie o marroni che formano le plastiche normalmente usate. Il diossido di titanio puro ha un indice di rifrazione molto alto, e una dispersione ottica superiore al diamante. Zaffiri e rubini prendono il loro asterismo dal diossido di titanio in essi presente.

Gli ossidi possono essere ottenuti per reazione diretta del metallo con l'ossigeno ad alta temperatura, l'ossido di titano è molto usato nell'industria come pigmento per le vernici bianche. Gli alogenuri sono principalmente formati dall'attacco di un alogeno con il biossido di titanio, hanno un comportamento di acido di Lewis per formare alogenocomplessi

Forma numerosi complessi soprattutto con Ti a numero di ossidazione +2, sono tutti complessi diamagnetici il numero di cordinazione più comune per il Ti e il 6. Forma anche complessi a numero di ossidazione 3 ma si ossidano facilmente all'aria, forma anche complessi con numero di ossidazione inferiori al 3 ad esempio un metallocarbonile in cui il Ti è complessato da 6 molecole di monossido di carbonio che non rispetta la regola dei 18 elettroni.

[modifica] Isotopi

Il titanio riscontrabile in natura è composto da cinque isotopi stabili; ⁴⁶Ti, ⁴⁷Ti, ⁴⁸Ti, ⁴⁹Ti e ⁵⁰Ti, di questi il ⁴⁸Ti è il più abbondante (73,8%). 11 radioisotopi sono stati prodotti, i più stabili dei quali sono il ⁴⁴Ti con emivita di 63 anni, il ⁴⁵Ti ha emivita di 184,8 minuti, il ⁵¹Ti di 5,76 minuti, e il ⁵²Ti di 1,7 minuti. Tutti i restanti isotopi radioattivi hanno emivita inferiore ai 33 secondi, e la maggior parte di questi ha emivita sotto al mezzo secondo.

Gli isotopi del titanio variano in peso atomico da 39,99 amu (⁴⁰Ti) a 57,966 amu (⁵⁸Ti). La modalità di decadimento primaria prima dell'isotopo stabile più abbondante e la cattura di elettrone, la modalità primaria dopo l'isotopo più diffuso e l'emissione beta. I prodotti del decadimento prima del ⁴⁸Ti sono isotopi di scandio e i prodotti primari dopo il ⁴⁸Ti sono isotopi di vanadio.

[modifica] Precauzioni

Il metallo di titanio in polvere comporta un significativo rischio di incendio, ma i sali di titanio sono spesso considerati relativamente innocui. Composti con il cloro, come il TiCl₃ e il TiCl₄ dovrebbero essere considerati corrosivi. Il titanio inoltre ha una tendenza al bioaccumulo nei tessuti che contengono silice, ma non gioca alcun ruolo conosciuto negli esseri umani.

[modifica] Citazioni letterarie

• Al titanio è dedicato uno dei racconti de "Il sistema periodico" di Primo Levi.