titan – Store norske leksikon (original) (raw)
Titan er det 22. grunnstoffet i periodesystemet. Det har atomnummer 22, atommasse 47,87 og atomsymbol Ti.
Metallisk titan
Titan er et grunnstoff som i ren form er et sølvhvitt metall som er hardt, lett og glinsende. Titan er tyngre enn aluminium, men dobbelt så sterkt, og det er svakere enn jern, men mye lettere. Metallet har derfor stor industriell betydning. Det brukes blant annet i metaller til fly og helikoptre.
Faktaboks
Engelsk navn
titanium
Ti
22
47,87
Titan er også ganske stabilt fordi det dannes en overflatefilm av titanoksid. Det gjør at metallet kan ligge i saltvann i flere år uten at det korroderer. I tillegg angripes det ikke av kroppen, og kan derfor benyttes i proteser i kroppen.
Titandioksid er den viktigste titanforbindelsen. Den brukes blant annet som fargestoff i maling og som fyllstoff i tabletter og i tannkrem.
Titan hører til gruppe 4 i periodesystemet. Det fantes inntil 1947 ikke noen enkel måte for fremstilling av metallet, og man trodde derfor det var sjeldent. Man vet nå at det er det ikke; titan er det tiende vanligste grunnstoffet i jordskorpen.
Bruk
Brilleinnfatninger er typisk basert på titan.
Titan har en rekke bruksområder fordi det har lav tetthet, stor styrke, fasthet og korrosjonsbestandighet.
Brilleinnfatninger er typisk basert på titan. Metallet benyttes dessuten i sykler, i golfkøller og i klokker.
Kjemisk industri
Titan brukes mye i kjemisk industri under sterkt korroderende omgivelser, for eksempel i oljeplattformer.
Fordi metallet er syrefast og ikke korroderer i saltvann, brukes det mye i kjemisk industri under sterkt korroderende omgivelser. Store mengder titan går med i skip, i anlegg for avsalting av sjøvann, og i utsatte komponenter i oljeplattformer og andre offshorekonstruksjoner.
Anoder av titan belagt med en tynn platinafilm blir blant annet brukt ved kloralkalielektrolysen og i katodiske beskyttelsessystemer for korrosjonsvern.
Titanets evne til å løse og binde store mengder oksygen og andre gasser er basis for bruken som gettermateriale og i sublimasjonspumper for å oppnå ultrahøyvakuum.
Flyindustrien
De supersoniske Concorde-flyene er laget av titan for å tåle de høye temperaturene som oppstår.
Så mye som ⅔ av verdens produksjon av titan benyttes av flyindustrien. For eksempel inneholder en Boeing 747 hele 12 tonn titan, mye av dette i landingsutstyret.
Viftebladene i flymotorer består ofte av en legering av titan, aluminium og vanadium. På helikoptre er titan foretrukket i rotoren som får vingebladene til å rotere.
Titan er spesielt viktig i supersoniske fly. Den høye farten gjør at den ytre overflaten blir sterkt oppvarmet ved friksjon slik at aluminiumlegeringer ikke kan brukes. I stedet blir titan benyttet, for eksempel i Concorde-flyene.
Medisinsk bruk
Titan er ikke toksisk og korroderer ikke i kroppen. Det brukes derfor til implantater.
Siden 1950-tallet har titan blitt brukt til medisinske formål. Metallet korroderer ikke og bindes godt til beinsubstans. Titan har heller ingen kjent biologisk rolle, men finnes i kroppen i lave konsentrasjoner, og vil dermed ikke avvises av kroppen. Titanmetall brukes derfor til biomedisinske implantater. Hofter, knær, skruer, nagler og kranieplater kan lages av titan og holder i flere tiår. Titan brukes også av tannleger til å skru inn kunstige tenner.
Minnemetall
Nikkel-titan-legeringer er en type minnemetall som blant annet kan brukes i tannreguleringer.
Titan brukes i minnemetall. Dette metallet har den egenskapen at det kan deformeres for så å finne tilbake til opprinnelig form etter oppvarming over en viss kritisk temperatur. Denne spesielle egenskapen skyldes en temperaturavhengig endring i strukturen til metallet.
Det er tre hovedtyper av minnemetaller: kobber-sink-aluminium-nikkel, kobber-aluminium-nikkel og nikkel-titan-legeringer.
Nikkel-titan-legeringer er de beste, men også de dyreste. Nikkel-titan-legeringer er biokompatible, og har derfor mange medisinske bruksområder, blant annet i superelastiske bøyler for tannreguleringer.
Skjæreverktøy og sliping
Titankarbid er et av de hardeste kjente materialene og brukes som skjæreverktøy og til sliping.
Titandioksid som fargestoff
Titandioksid brukes i solkrem på grunn av dets evne til å reflektere den skadelige UV-strålingen.
Titandioksid-pulver (TiO2). Titandioksid brukes som hvitt fargestoff.
Store mengder titandioksid benyttes som fargestoff i hvit maling (titanhvitt). I Norge er Jotun, som lager maling, en storforbruker av titandioksid. Oksidet benyttes også som fargestoff i papir, plast, keramikk og til matfarging. I matvarer betegnes pigmentet med E-nummer E171.
Andre anvendelser av titandioksid er i solkrem (oksidet slipper ikke igjennom UV-stråling) og som fyllstoff i tabletter, tannkrem og annet. Evnen oksidet har til å spre lys gjør at de fleste leppestifter inneholder omtrent 10 prosent av forbindelsen.
Titandioksid som halvleder og i vannrensing
Titandioksid er en halvleder, i likhet med silisium, med et båndgap som ligger innenfor energien i strålingen som kommer fra Sola, og mange av egenskapene til oksidet vil derfor påvirkes av sollys. Titandioksid er et såkalt fotokatalyserende materiale, det vil si et materiale som katalyserer ulike reaksjoner når det utsettes for UV-stråling.
En overflate som er dekket med et tynt lag titandioksid vil være selvrensende, og denne egenskapen kan utnyttes til å drepe bakterier og alger i drikkevann. Rensing av vann ved hjelp av titandioksid og sollys er en av de mest lovende fremgangsmåtene for å skaffe rent drikkevann til verdens stadig voksende befolkning.
I dannelse av hydrogen- og oksygengass
Titandioksid kan også brukes til såkalt fotoelektrokjemisk vannsplitting, det vil si splitting av vann til hydrogen- og oksygengass kun ved hjelp av sollys.
I elektronikk
Mange titan(IV)dobbeltoksider er ferroelektriske og brukes i elektronisk industri.
Forekomst
Rutil og hornblende fra Akeland, Aust Agder.
Titan utgjør 0,5 vektprosent av jordskorpen, da sand, leire og jord inneholder noe titan. Titan er det tiende vanligste grunnstoffet i jordskorpen.
Mineraler
Ilmenitt fra Kragerø
De viktigste titanholdige mineralene er rutil og ilmenitt. Andre titanmineraler er blant annet titan(IV)oksid-modifikasjonene anatas og brookitt, samt perovskitt og titanitt. Slagg fra titanholdig jernmalm spiller også en viss rolle som råstoffkilde.
I Norge er det store forekomster av ilmenitt i Egersund/Sokndal-området. Tellnes-forekomsten i Sokndal kommune er en av verdens største ilmenitt-forekomster med reserver på 300–350 millioner tonn og en gehalt i råmalmen på cirka 18 prosent titandioksid, TiO2. Andre store forekomster finnes i Australia, Ukraina og Canada.
Rutil utvinnes for det meste av sandavleiringer. Rutilforekomster har vært drevet i flere små gruver i området mellom Bamble og Arendal og i Kragerø.
Månen
Månematerialet fra Apollo-ferdene inneholdt opp til 12 vektprosent titan.
Historie
Klaproth oppdaget grunnstoffene uran i 1789 og cerium i 1803. I 1789 oppdaget han også mineralet zirkon. Han ga navn til titan i 1795.
Titan ble oppdaget i 1791 av den britiske presten William Gregor (1761–1817), kjent som mineralog på grunn av sine kjemiske analyser av forskjellige mineraler. Fra en svart, magnetisk sand (ilmenitt) som han fant i Creed i Cornwall, fremstilte han et oksid som han mente måtte inneholde et nytt grunnstoff. Han kalte det menachanite, etter landsbyen Menachan, hvor han var prest.
Fire år senere fant den tyske kjemikeren Martin Heinrich Klaproth ut at mineralet rutil inneholdt det samme grunnstoffet, men foreslo navnet titanium, som var uten henvisning til et geografisk sted. Navnet kommer fra titanene i gresk mytologi.
Noenlunde rent titanmetall ble først fremstilt i 1887 i Stockholm. Tidligere forsøk hadde endt med titan(IV)nitrid.
Fremstilling
Dagbruddet til Titania A/S på Tellnes, hvor titanmineralet ilmenitt brytes.
Råstoffer for fremstilling av titan er først og fremst ilmenitt og rutil. I tillegg spiller titanslagg fra titanholdig jernmalm en viss rolle.
Fra illmenitt
Ilmenittholdig malm blir knust, pulverisert og opparbeidet til konsentrat med 40–70 prosent titan(IV)oksid ved flotasjon og ved magnetiske og elektrostatiske metoder. Ilmenittkonsentratene brukes fortrinnsvis til fremstilling av rent titan(IV)oksid.
Verdensproduksjonen av ilmenittkonsentrat er nesten ti ganger større enn for rutil, og de største produsentlandene er Australia, Norge, Canada, USA og Russland.
Fra rutil
Opparbeidelsen av rutilsand gir konsentrater med 90–98 prosent titan(IV)oksid. Rutilkonsentratene blir brukt til fremstilling av titan(IV)klorid for videre bearbeidelse til titanmetall og oksid.
Den langt største produsenten av rutilkonsentrat er Australia, som står for om lag 90 prosent av verdensproduksjonen.
Det produseres 90 000 tonn titanmetall årlig, mens det produseres hvert år mer enn fire millioner tonn titandioksid.
Titanklorid
Titanklorid fremstilles ved å la titan(IV)oksid reagere med karbon og klor, som denne reaksjonsligningen viser:
\[\ce{TiO2 (s) + 2C (s) + Cl2 (g) -> TiCl4 (g) + 2CO (g)}\]
Titanmetall
Titan danner svært stabile forbindelser med oksygen, nitrogen og karbon, og titanmetall kan derfor ikke fremstilles ved å redusere titan(IV)oksid med for eksempel karbon eller hydrogen.
En måte å fremstille metallisk titan er med krollprosessen. Da reduserer man titanklorid med metallisk magnesium ved 800–950 °C i en beskyttelsesatmosfære av helium eller argon.
Det norske selskapet Norsk Titanium bruker en elektrolyse-basert fremstilling. Anlegg som tidligere ble brukt til aluminiumproduksjon kan bygges om og i stedet benyttes til elektrolytisk fremstilling av titan. I disse elektrolyseovnene brukes nå sintret titandioksid som katode og denne senkes ned i en elektrolytt som er en saltsmelte. Anoden er inert, det vil si ikke-reaktiv, og det dannes oksygen og ikke karbondioksid.
Historikk
Fremstilling av rent titan i større mengder var lenge forbundet med betydelige vanskeligheter. Inntil 1948 ble kun ferrotitan (en jern–titan-legering med 25–70 vektprosent titan) fremstilt ved å redusere ilmenitt eller rutil med aluminium. Ferrotitan brukes som desoksidasjonsmiddel i stålindustrien.
Etter andre verdenskrig overtok krollprosessen i fremstillingen av titanmetall. Produktet er titansvamp som smeltes ved lysbuesmelting i beskyttelsesatmosfærer eller ved elektronstrålesmelting i høyvakuum for å få metallet i kompakt form.
Spesielt rent titan blir fremstilt ved termisk spalting av titan(IV)jodid på motstandsoppvarmet tråd av titan ved van Arkel-de Boer-metoden (etter Anton Eduard van Arkel).
De mest brukte hvite pigmentene i dag er titandioksidpigmenter fremstilt etter en prosess utviklet i Norge av Peder Farup og Gustav Adolf Jebsen rundt 1910.
Kjemiske egenskaper
Titan hører til gruppe 4 i periodesystemet. Det vanligste ionet av titan er Ti4+.
Titan er et lettmetall med sølvhvit farge. Høyrent er metallet lett å valse og forme. Det kan løse store mengder gasser, for eksempel hydrogen, oksygen (opptil 30 atomprosent) og nitrogen. Da blir metallet hardt og sprøtt. Legeringer av titan har fasthet og styrke som stål og er nesten like bestandig mot korrosjon som edelmetallene.
Ved vanlig temperatur er titan svært korrosjonsbestandig, både i luft og vann, noe som skyldes et passiverende sjikt av titan(IV)oksid på metalloverflaten. Det angripes heller ikke av sjøvann, fortynnet saltsyre, svovelsyre og de fleste organiske syrer, men løses derimot i flussyre og i varm konsentrert saltsyre og svovelsyre. I salpetersyre blir metallet passivert. Ved oppvarming i luft til over 400–500 °C oksiderer metallet lettere.
Titan eksisterer i to allotrope former: α-titan med heksagonal tettpakket struktur under 882 °C og β-titan med romsentrert kubisk struktur ved høyere temperatur (se kulepakning).
Forbindelser
I sine forbindelser opptrer titan med oksidasjonstallene −I, 0, +I, II, III og IV; det siste er det mest vanlige og stabile. Titandioksid, TiO2, er den viktigste forbindelsen.
- Les mer om titanforbindelser.
Isotoper
Det er fem stabile isotoper av titan:
- 46Ti (8,25 prosent)
- 47Ti (7,44 prosent)
- 48Ti (73,72 prosent)
- 49Ti (5,41 prosent)
- 50Ti (5,18 prosent)
Les mer i Store norske leksikon
Eksterne lenker
Titansvamp.
Titansvamp.
En 1,2 centimeter lang titanskrue som har vært i en skulder.
Den blå fargen til safir kommer av små mengder av jern- og titanioner (Fe2+ og Ti4+).
Kniv med et tynt, beskyttende lag av titanoksynitrid, TiNO.
Faktaboks
1670 °C
3287 °C
−I, 0, I, II, III, IV