Titanio

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Titanio
Aspetto
Aspetto dell'elemento
titanio metallico
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico titanio, Ti, 22
Serie metalli del blocco d
Gruppo, periodo, blocco 4, 4, d
Densità 4507 kg/m3
Durezza 6
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica
Proprietà atomiche
Peso atomico 47,867 amu
Raggio atomico (calc.) 140 pm
Raggio covalente 136 pm
Raggio di van der Waals n.d.
Configurazione elettronica [Ar]3d2 4s2
e per livello energetico 2, 8, 10, 2
Stati di ossidazione 4
Struttura cristallina esagonale
Proprietà fisiche
Stato della materia solido
Punto di fusione 1941 K (1667,85 °C)
Punto di ebollizione 3560 K, (3286,85 °C)
Volume molare 10,64 × 10-6  m3/mol
Entalpia di vaporizzazione 421 kJ/mol
Calore di fusione 15,45 kJ/mol
Tensione di vapore 0,49 Pa a 1933 K
Velocità del suono 4140 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS 7440-32-6
Elettronegatività 1,54 (Scala di Pauling)
Calore specifico 520 J/(kg*K)
Conducibilità elettrica 2,34 × 106 /(m·ohm)
Conducibilità termica 21,9 W/(m*K)
Energia di prima 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
Energia di nona ionizzazione 18530 kJ/mol
Energia di decima ionizzazione 20833 kJ/mol
Isotopi più 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 numero atomico 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).

Cenni storici[modifica | modifica wikitesto]

Il titanio (dal latino Titanus, Titano, nome dei primi figli di Gea e Urano [1]) fu scoperto nel 1789 nei minerali di rutilo dal chimico tedesco Heinrich Klaproth. [1] Qualche anno dopo (nel 1791) il Reverendo inglese William Gregor riconobbe la sua presenza nell'ilmenite. Nel 1795 Klaproth battezzò l'elemento con il nome dei Titani della mitologia greca.[1] Il titanio metallico puro (99,9%) venne preparato per la prima volta nel 1910 da Matthew Albert 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 (processo Kroll, il metodo oggi più usato).

Caratteristiche[modifica | modifica wikitesto]

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. 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 lavorare 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 40% 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 colore 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 dell'acido fluoridrico che forma fluorocomplessi solubili, gli acidi ossidanti accentuano la formazione della patina passivante di ossido, neanche gli alcali acquosi a caldo lo attaccano.

Isotopi[modifica | modifica wikitesto]

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 è la cattura di elettrone, la modalità primaria dopo l'isotopo più diffuso è 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.

Disponibilità[modifica | modifica wikitesto]

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 titanite nonché nei titanati e in molti minerali ferrosi. Di questi minerali solo l'ilmenite, il leucoxene e il rutilo hanno un'importanza economica significativa. Significativi depositi di minerali di titanio si trovano in Australia, Scandinavia, Nord America e Malesia.

Poiché il titanio metallico può bruciare in atmosfera pura di azoto ed alle alte temperature reagisce facilmente con l'ossigeno e il carbonio, è difficoltoso preparare il metallo di titanio puro. 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.

Produzione[modifica | modifica wikitesto]

Una barra di titanio ultrapuro (99,995%) ottenuta tramite il processo van Arkel-de Boer. La barra pesa circa 283 g, ha una lunghezza di 14 cm e un diametro di 25 mm.

Il primo processo di produzione commerciale del titanio è stato il processo van Arkel-de Boer, ma oggi viene ottenuto tramite riduzione di TiCl4 con il magnesio, un processo sviluppato nel 1946 da William Justin Kroll, e dal processo Hunter, analogo al processo Kroll ma effettuato con sodio metallico. 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 manifattura 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 o acciai speciali.

Applicazioni[modifica | modifica wikitesto]

Un orologio rivestito in titanio.
La facciata del Guggenheim Museum, a Bilbao, rivestita da pannelli in titanio.

All'incirca il 95% del titanio viene consumato in forma di diossido di titanio (TiO2), nelle vernici, nella carta, nei cementi per renderli più brillanti e nelle plastiche. Le vernici fatte con il biossido di titanio riflettono molto bene la radiazione infrarossa e sono quindi molto usate dagli astronomi.

Grazie alla 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, componenti motociclistici e computer portatili, sta diventando sempre più comune. Il titanio viene spesso messo in lega con: alluminio, ferro, manganese, molibdeno e altri metalli.

Il carburo di titanio (TiC; peso specifico 4,93; punto di fusione 2940 gradi Celsius) il nitruro di titanio (TiN; peso specifico 5,40; punto di fusione 2960 gradi Celsius) e più recentemente, il derivato carbonitrurico (Ti10C7N3; peso specifico 5,02; punto di fusione 3520 gradi Celsius) sono composti altamente refrattari, inerti sotto le comuni condizioni di temperatura e resistenti all'attacco della maggior parte degli acidi minerali ed alcali.

Per tali ragioni sono impiegati nella costruzione di utensili e macchinari che possiedono parti destinate alle alte velocità con attrito, nel rivestimento di crogioli per contenere acidi o basi molto forti e componenti di missili sottoposti a usura termica (ad esempio ugelli).

Altri impieghi:

  • Grazie all'eccellente resistenza all'acqua di mare, viene usato per fabbricare parti dei propulsori marini.
  • Un uso tecnologico molto importante, legato alla sua resistenza alle soluzioni saline, è come materiale metallico di contatto con i fluidi ad alta concentrazione salina negli impianti di dissalazione dell'acqua marina.
  • 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 grazie alla sua capacità di proteggere la pelle.
  • Ha la proprietà di essere biocompatibile, in quanto lo strato di ossido che forma in superficie fornisce un valido attacco per i tessuti biologici, in particolare quello osseo. Per questo motivo il titanio puro CP4 e la lega a base di titanio Ti6Al4V vengono utilizzati nelle componenti protesiche di anca e ginocchio, per la fabbricazione di clips chirurgiche da sutura permanente ed in odontoiatria per la realizzazione di impianti dentali[2]. 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.
  • Il titanio viene usato per le lenti degli occhiali.
  • Il carburo ed il nitruro di titanio (TiC e TiN) vengono utilizzati nella fabbricazione di inserti per utensili adatti al taglio dei metalli ad alta velocità, cioè i cosiddetti inserti in "metallo duro". In particolare il carburo di titanio viene utilizzato, insieme al carburo di tungsteno (WC), al cobalto e ad altri carburi (carburo di niobio e carburo di tantalio) per realizzare il corpo degli inserti, mentre il nitruro di titanio serve per il rivestimento superficiale degli inserti.
  • L'Alluminuro di Titanio, grazie alle doti di tenacità ad alte temperature, leggerezza e resistenza all'ossidazione sta lentamente iniziando a soppiantare le Superleghe base nichel nella produzione delle pale utilizzate nelle turbine dei motori aeronautici.
  • Facendo attraversare una corrente elettrica. a temperature molto basse, in stati sottili di nitruro di titanio, si è scoperto il fenomeno detto di superisolamento.
  • In alcune occasioni, è stato utilizzato per la fabbricazione di penne stilografiche. Nel 1970, all'indomani dell'allunaggio, la Parker produsse per un breve periodo la T-1, una stilografica interamente in titanio, in omaggio ai materiali usati nella missione spaziale. Nel 2000 la casa produttrice italiana Omas produsse una serie di stilografiche del modello classico a dodici facce "arte italiana" interamente in titanio (sia il corpo che il pennino). La serie venne denominata T-2 ed è stata commercializzata solo per un breve periodo.

Grazie alla sua resistenza alle soluzioni saline, il titanio viene impiegato nella fabbricazione delle casse degli orologi.

Composti[modifica | modifica wikitesto]

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. Si trovano tuttavia anche giacimenti di TiO2 cristallino, che prende nomi diversi a seconda della struttura cristallina che presenta, (rutilio, anatasio...). Altri minerali di titanio sono la ilmenite(titanato di ferro, FeTiO2) e la titanite (titanato di calcio, CaTiO2)

Gli ossidi possono essere ottenuti per reazione diretta del metallo con l'ossigeno ad alta temperatura, l'ossido di titanio 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 coordinazione 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.

Precauzioni[modifica | modifica wikitesto]

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. Allo stato gassoso (è il caso del taglio al plasma dei metalli) è tossico se inalato o lavorato a caldo.

Citazioni letterarie[modifica | modifica wikitesto]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ a b c Treccani.it - titanio
  2. ^ (EN) Oshida Y, Tuna EB, Aktören O, Gençay K, Dental implant systems in Int J Mol Sci, vol. 11, nº 4, MDPI, 12 aprile 2010, pp. 1580-1678, DOI:10.3390/ijms11041580, PMID 20480036, PMC 2871132.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Altri progetti[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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