|  | ||||||
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 %).
De belangrijkste wingebieden van ilmeniet en rutiel liggen in Brazilië, de Verenigde Staten van Amerika, Canada, Noorwegen, Finland, Portugal, Rusland, Oekraïne, China, Australië, Zuid-Afrika, Maleisië, India, Sierra-Leone, Egypte, Madagaskar en Sri-Lanka.
De mineralen anataas en titaancarbonaat vindt men voornamelijk in Brazilië.
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).
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.
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).
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 →900°C →2 TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 CO
Het titaan(IV)chloride wordt door gefractioneerde destillatie gescheiden en gezuiverd, waarna door reductie met gesmolten magnesium in vacuüm of in een argonatmosfeer, titaan wordt verkregen:
TiCl4 + 2 Mg →900-1.150°C→ Ti + 2 MgCl2
Het verkregen titaan kan worden gezuiverd door omsmelten onder vacuüm.
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 °C reageert het titaan tot titaan(IV)jodide, dat verdampt en in de nabijheid van de gloeidraad bij zeer hoge temperatuur (ca. 1.300 °C) 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.
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 allergieën 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 commerciële verf voor kunstschilders gebruikt sinds 1920. Als schilderijen van vóór 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 - 200°C 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.
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, röntgenbuis, 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 TiCl3 TiCl4 condensator BaTiO3 cosmetica (o.a. zonnebrand, tandpasta, lippenstift, poeders) TiO2 detector Geiger-teller SrTiO3 elektrodemateriaal TiB2 elektrokeramiek TiO2 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 piëzo-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