Titán ékszerek

A titán, mint elem

A földkéregnek alkotóeleme a titán.
Nevét a Földanya fiai, a Titánok után kapta ellenálló képessége miatt, valamint 1791-ben fedezték fel. A titán egy olyan nemesfém, amely egyszerre kemény, mégis könnyű, valamint abszolút antiallergén. Az űrtechnika, az ipar, valamint az orvostudomány tartoznak a felhasználási területei közé. Specifikus a súlya (4,5 g/ccm), valamint minőségi, nagyfelületű ékszerek készítésére különösen alkalmas. A titánból születnek kifejező ékszerek finomarannyal, tiszta platinával, brilliánsokkal, valamint színes drágakövekkel. A platináéhoz hasonlít a titán színe a felületi megmunkálástól függően, viszont számos szempontból sokkal előnyösebb annál.

A titán fizikai tulajdonságai

A titán egy kémiai eleme a periódusos rendszernek. A vegyjele Ti, valamint a rendszáma 22. A kemény elnevezése az újításkori magyar nyelvből származik. Az elektronszerkezetét tekintve [Ar] 3d² 4s². A titán az átmeneti fémek közé tartozik. A halmazállapotát tekintve szilárd halmazállapotú. Az atomtömege 47,867 g/mol, a sűrűsége szobahőmérsékleten 4,506 g/cm³, valamint a sűrűsége folyadékként az olvadásponton 4,11 g/cm³. Az olvadáspontja 1941 K, a forráspontja 3560 K, az olvadáshője 14,15 kJ/mol, valamint a párolgáshője 425 kJ/mol. A hármaspontja 1941 K, 5,3 Pa, valamint a moláris hőkapacitása (25 °C) 25,060 J/(mol·K).

A titán története

Az elemet 1795-ben egy német vegyész, Martin Heinrich Klaproth fedezte fel, valamint elnevezte a titánokról. A titánok Gaia, valamint Uranosz gyermekei, az erő megtestesítői voltak a görög mitológiában, akiket arra kárhoztattak Kronosz bukása után, hogy éljenek a Föld mélyének rejtett tüzei között. 1825-ben Berzelius állította elő először a fémet szennyezett formában, viszont csak sokkal később nyerték ki a nagy tisztaságú formájában. Hunter először tiszta titánt a titán-kloridot (TiCl4) 1910-ben a nátriummal (Na) redukálva állított elő.

A titán vegyületei

A vegyületeiben +4 leggyakrabban, +2 vagy +3 ritkábban a titán oxidációs száma. Ionosak az olyan titánvegyületeket nevezik, amelyek a +2-es oxidációs számú titánt tartalmaznak, viszont többnyire kovalens vegyületek a magasabb oxidációs fokú titánvegyületek. Redukáló hatásúak a titán (III)-sók, ennek köszönhetően redukálószerként használják őket az analitikában.

A titán halogénvegyületei

A titán halogénvegyületei közül a legjelentősebb a TiCl2 (titán (II)-klorid), valamint a TiCl4 (titán (IV)-klorid, titán-tetraklorid). A TiCl2 egy szilárd halmazállapotú, rétegrácsos szerkezetű ionvegyület, míg a TiCl4 egy cseppfolyós halmazállapotú, molekularácsos vegyület. A TiCl4 füstöl, valamint teljesen hidrolizál nedves levegőn, valamint TiO2 (titán-dioxid, titán (IV)-oxid) keletkezik a reakcióban. Keletkezhetnek olyan különböző intermedier hidrolízis termékek a vizes sósavoldatban, mint például a TiOCl2 (titanil-klorid) is. Használják redukálószerként (titanometria) a titán (III)-kloridot az analitikában.

A titán oxigénvegyületei

A titán (IV)-oxid, vagy titán-dioxid egy fehér színű, vízben oldhatatlan, atomrácsos jellegű szilárd vegyület. Ellenálló a savakkal, valamint a lúgokkal szemben, oldja a tömény kénsav, amikor is keletkezik a reakcióban titán (IV)-szulfát (Ti(SO4)2). Tekinthető savanhidridnek is, valamint származtathatók belőle különböző titánsavak. A neve titánsavak sóinak: titanát. A titánsavak inkább tekinthetők kettős oxidoknak a szerkezetük alapján.

A titán előfordulása

A titán adja a földkéreg 0,63%-át. Egy nagyon gyakori elemnek mondható, mivel a kilencedik leggyakoribb elem a Földön. Annak, hogy kevéssé ismerték régen, az oka az annak tulajdonítható, hogy előállítani igen nehéz volt a tiszta fémet, illetve meglehetősen szétszórt volt az előfordulása. Az ilmenit (FeTiO3), valamint a rutil (TiO2) a két legfontosabb ásványa.

A titán előállítása, valamint felhasználása

1932-ben a titán-kloridból fémkalciummal (Ca) a titánt a luxemburgi Wilhelm Kroll állította elő, majd később magnéziummal (Mg), illetve nátriummal is sikeresen előállította. A kereskedelmi hasznosítását a titánnak megakadályozta ezen eljárások költségessége, azonban felhasználását indokolták a kedvező tulajdonságai, mint a kis sűrűség, a jó mechanikai szilárdság, az előnyös ötvöző tulajdonságok. A repülőgépipar még napjainkban is fő felhasználási területe, mivel felhasználják mind a sugárhajtóművek, mind a repülőgépsárkányok előállításához. Viszont vegyipari, valamint hajózási berendezések gyártására is széleskörűen használják, valamint implantátum anyagaként hasznosítják a gyógyászatban. Az élő szervezet elfogadja a tiszta, ötvözetlen titánt. Előállítására a legelterjedtebb még napjainkban is a Kroll-módszer, amelyen belül ilmenitet, vagy rutilt hevítenek klór (Cl2), valamint szén (C) jelenlétében 900 °C-on. Kinyerhető a TiCl4, majd redukálható 900 °C-on magnéziumolvadékkal argonatmoszférában, zárt kemencében.

A titánkohászat

A titán elő fordul mintegy 0,6%-os arányban, a földkéregben, valamint csak vegyületeiben található meg a nagy kémiai affinitása miatt. Az ércei közül ipari jelentőségű a rutil (TiO2 60% titántartalommal), valamint az ilmenit (FeO·TiO2 31%). Három lépésben végzik érceiből a titán előállítását. Az érceket dúsítják, azaz elkülönítik a meddőtől az értékes ásványokat először fizikai módszerrel, ami flotálással, vagy elektrosztatikus szeparálással mehet végbe. Ezt követi a kémiai dúsítás, amelynek során elő állítanak tiszta TiO2-ot, vagy TiCl4-ot piro-, vagy hidrometallurgiai módszerekkel. Utolsó műveletként a titán fémet nyerik ki redukcióval, vagy elektrolízissel.

A titán-dioxid előállítása

A lúgzással történő előállítás: A tömény, 92%-os kénsavval végzik a lúgzást, amelynek során lezajlik a következő kémiai reakció: TiO2 + H2SO4 = Ti(OH)2SO4. A reakció lezajlása után hidrolízissel TiO(OH)2-t, majd a TiO2-ot ebből előállítják kalcinálással:
Ti(OH)2 = TiO2 + H2O.
A pörköléssel, valamint a lúgzással történő előállítás: Előállítanak redukáló pörköléssel FeO·TiO2-t az ilmenit koncentrátumból, majd a TiO2-ot előállítják kénsavas, vagy egy másik módszer szerint pedig sósavas lúgzással.

A titán-tetraklorid előállítása

A klórozásával a TiO2-ot tartalmazó anyagnak állítják elő a titán-tetrakloridot. A főbb lépcsői az eljárásnak: A klórozás: A TiO2 + 2Cl2 = TiCl4 + O2 reakció az eljárás alapja. Az elektromos fűtésű aknás kemencében, újabban fluid reaktorban 1000 °C körüli hőmérsékleten végzik a műveletet. A kondenzálás: kondenzálják egy többlépcsős berendezésben a titán-tetrakloridot a klórozó berendezésből távozó gázokból. A tisztítás: A tisztítást végzik frakcionált desztillálással.

A fém titán előállítása

A titán-tetraklorid általában a kiinduló anyaga a titán előállításának („szinítésének”), valamint ritkábban titán-oxid. Igazodnak ezekhez az alkalmazott eljárások.
A magneziotermikus redukcióval történő előállítás: Elvégzik a műveletet egy elektromos ellenállás fűtésű kemencében, benne helyezik el tömbök formájában a reagens magnéziumot. Argon, vagy hélium védőgázt használnak az eljárás során. A kémiai egyenlete a redukciónak: TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2. A titánszivacs a kapott termék, amelyet még tovább tisztítanak egy külön eljárással.
A titán-dioxid redukciójával történő előállítása: Redukálják kalciummal, vagy kalcium-hidriddel az oxidos kiinduló anyagot, így kapnak porszerű titánt. A reakciók: TiO2 + 2Ca = Ti + 2CaO. TiO2 + 2CaH2 = Ti + 2CaO + 2H2.
Az elektrolízissel történő előállítás: A titán csak olvadékból elektrolizálható az alumíniumhoz, valamint a magnéziumhoz hasonlóan. Többnyire az alkálifémek (Na, K) fluoridjait használják oldószereként a titán-tetrakloridnak. A grafit az anód anyaga, az acél, vagy a titán pedig a katód anyaga.