1.

Einleitung

Titan, chemisches Symbol Ti, silbrig weißes metallisches Element mit der Ordnungszahl 22, das zusammen mit Zirconium, Hafnium und Rutherfordium in der vierten Nebengruppe des Periodensystems steht.

Das zu den Übergangsmetallen zählende Titan wurde in Form von Titandioxid (TiO₂) 1791 von dem englischen Geistlichen William Gregor in einem eisenhaltigen Mineral entdeckt. Vier Jahre später fand der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth das Dioxid im Mineral Rutil und benannte es nach den Titanen aus der griechischen Mythologie. 1825 konnte der schwedische Chemiker Jöns Jakob Berzelius durch Reduktion des Dioxids mit Natrium Titan isolieren, allerdings nur in stark verunreinigter Form. Erst 1924 gewannen die niederländischen Chemiker Anton Eduard van Arkel und Jan Hendrik de Boer mit einem neuen Verfahren hochreines Titanmetall.

Titan dient vor allem der Stahlveredlung und der Herstellung leichter und widerstandsfähiger Legierungen. Auch in Form von Titandioxid spielt das Metall in der Industrie eine bedeutende Rolle – z. B. als anorganisches Pigment in der Farben-, Papier-, Baustoff- sowie in der Kosmetikindustrie.

2.

Vorkommen und Eigenschaften

Titan existiert in der Natur in Form von fünf Isotopen, von denen Titan 48 (knapp 74 Prozent) am häufigsten ist. Daneben sind mehr als 15 künstliche radioaktive Isotope mit Halbwertszeiten zwischen einigen Nanosekunden und 63 Jahren bekannt. Unter den Elementen der Erdkruste steht Titan an neunter Stelle. Das Metall kommt in der Natur nie in elementarem Zustand, sondern nur in gebundener Form vor, hauptsächlich als Oxid. So ist Titan in den Mineralien Ilmenit (FeTiO₃), Anatas, Rutil und Brookit (TiO₂) sowie in Perowskit (CaTiO₃) und Titanit (CaTi[SiO₄]O) enthalten.

Obwohl aufgrund seiner Stellung in der elektrochemischen Spannungsreihe ein unedles Metall, ist Titan wie edle Metalle sehr korrosionsbeständig. Der Grund dafür ist die vor Korrosion schützende Oxidschicht, mit der sich die Metalloberfläche infolge Passivierung überzieht. Bei niedriger Temperatur ist verunreinigtes Titan spröde, in schwacher Rotglut jedoch leicht schmiedbar. Hochreines Titanmetall lässt sich bereits in der Kälte zu Blechen walzen. Titan schmilzt bei 1 677 °C und siedet bei 3 262 °C. Mit einer Dichte von 4,5 Gramm pro Kubikzentimeter gehört es zu den Leichtmetallen. Seine Atommasse beträgt 47,9 u.

Bei hohen Temperaturen reagiert Titan mit verschiedenen Nichtmetallen. So verbrennt es mit Sauerstoff bei 610 °C zu Titandioxid und verbindet sich mit Stickstoff zu Titannitrid (TiN). Wasserstoff wird von Titan unter Bildung von Hydrid (TiH₂) reversibel aufgenommen. Reines Titanmetall löst sich in Flusssäure (siehe Fluor) und in heißen Mineralsäuren, z. B. Schwefelsäure und Salzsäure (siehe Chlorwasserstoff). Kalte verdünnte Säure und 100 °C heiße Salpetersäure greifen das Metall nicht an.

3.

Verbindungen

In seinen Verbindungen tritt Titan mit den Oxidationsstufen von -2 bis +4 auf; die Stufen +4, +3 und +2 kommen am häufigsten vor. Beispiele dafür sind das fast farblose, flüssige Titantetrachlorid (Ti^IVCl₄), das weiße Titandioxid (Ti^IVO₂), das dunkelviolette Titantrichlorid (Ti^IIICl₃) und das schwarze Titandichlorid (Ti^IICl₂). Wie viele andere Metalle bildet Titan mit organischen Resten metallorganische Verbindungen und vereint sich mit Liganden zu Komplexverbindungen (siehe Koordinationschemie). Hierzu zählen Titanverbindungen mit Cyclopentadienylliganden (8C₅H₅) oder mit Alken- bzw. Olefinliganden. Letztere dienen frisch gemischt mit Aluminiumverbindungen als Ziegler-Natta-Katalysatoren zur großtechnischen Produktion von Polyethylen und ähnlichen Kunststoffen.

4.

Verwendung

Aufgrund seiner hohen Widerstandsfähigkeit und seiner geringen Dichte ersetzt Titan in Legierungen Aluminium. Als Legierung mit Aluminium und Vanadium wird Titan im Flugzeugbau eingesetzt (z. B. bei Feuerschutz- und Außenwandungen, Fahrwerkkomponenten und Triebwerksaufhängungen). Auch die Schaufelräder von Triebwerksturbinen und die Triebwerksgehäuse bestehen aus Titanlegierungen (siehe Strahlantrieb). Für ein Verkehrsflugzeug werden zwischen 320 und 1 100 Kilogramm „Titanstahl” benötigt, für ein Überschallflugzeug 14 bis 45 Tonnen. Titanlegierungen verwendet man auch in der Weltraumforschung bzw. Raumfahrt. So bestanden die Raumkapseln Mercury, Gemini und Apollo zu großen Teilen aus einer Titanlegierung. Zu den wichtigen Legierungen gehört Ferrotitan, das durch Reduktion von Ilmenit mit Koks in einem elektrisch betriebenen Industrieofen gewonnen wird. Kupfertitan erhält man durch Reduktion von Rutil unter Kupferzusatz. Mangantitan lässt sich durch Reduktion von Rutil unter Zusatz von Mangan oder Manganoxiden gewinnen (siehe Metallurgie).

In der Medizin ersetzen Titanlegierungen Knochen, in der Lebensmittelverarbeitung werden damit Röhren und Gefäße ausgekleidet. Da Titan in Salzwasser nicht korrodiert, setzt man es auch in Wärmeaustauschern von Wasserentsalzungsanlagen ein.

Titandioxid dient z. B. in der Lack- und Farbenindustrie als anorganisches Pigment – es zählt zu den Weißpigmenten. Zur Gewinnung von Titandioxid kennt man mehrere Verfahren. Dabei kommen je nach Einsatzbereich des Endprodukts unterschiedliche Titanerze als Ausgangsprodukte in Frage, beim Sulfatverfahren z. B. Ilmenit. Als unerwünschte Nebenprodukte fallen verdünnte Schwefelsäure (Dünnsäure) und Eisensulfatheptahydrat (FeSO₄ · 7H₂O) an. Es ist nicht möglich, Titandioxidpigmente ganz ohne diese Nebenprodukte zu produzieren, sie lassen sich aber teilweise recyceln.