Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 13.04.16


Titan - Herstellung und Anwendung

Vortrag von Petra Reich WS 2003/2004 und Mario Hofmann WS 2011/2012 im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie.

Gliederung:

1 Vorkommen

2 Herstellung
   2.1 Titan als Metall
   2.2 Titan als Verbindung (TiO2)

3 Physikalische und chemische Eigenschaften
   3.1 Titan als Verbindung (TiO2)
   3.2 Titan als Metall

4 Experiment zur Korrosionsbeständigkeit von metallischem Titan

5 Anwendung von Titanwerkstoffen


Einführung

Variante 1: Anhand einer Turbinenschaufel, einem Piercing, einer Brille und weißen Legosteinen wird gezeigt, dass der Anwendungsbereich von Titan sehr weitläufig ist (siehe ppt-Präsentation 1 im Anhang). Grund für diese verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten sind die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Titan.

Variante 2: Das Element Titan findet in vielen Bereichen Anwendung. Es wird dabei sowohl als Metall aber auch als Verbindung eingesetzt. Im Alltag lässt sich Titan zum Beispiel in metallischer Form in manchen Küchenmessern oder als Verbindung in weißen Wandfarben und Sunblockern mit hohem Lichtschutzfaktor wiederfinden. Wie also wird Titan als Metall und als Verbindung hergestellt und wieso wird es gerade in diesen Bereichen eingesetzt?


1 Vorkommen

Titan gehört zu den relativ häufigen Elementen der Erdkruste und steht an 10. Stelle der Elementhäufigkeit (0,41 Gewichtsprozent). Titan tritt nie elementar auf, sondern immer nur chemisch gebunden in Form verschiedener Oxide. Da es aber weit verbreitet ist, findet es sich in zahlreichen Gesteinen und Mineralen, überwiegend in geringer Konzentration und häufig vergesellschaftet mit Eisenerzen.

Zu den wichtigsten Titanmineralien gehören:

  • TiO2: Findet man überwiegend in Südafrika, USA, Australien und Brasilien. Es kommt in drei verschiedenen Modifikationen vor:
Abb. 1: Anatas [7] Abb. 2: Brookit [8]

[Hier befand sich eine Abbildung von Rutil, welche aufgrund einer Urheberrechtsverletzung entfernt wurde.]

Abb. 3: Die dunklen Kristalle sind Rutil.  [9]

  • Ilmenit FeTiO3: Tritt überwiegend in Kanada, USA, Brasilien, Russland, Skandinavien, Australien, Südafrika auf.
  • Titanit CaTi[SiO4]O: Vorkommen überwiegend in Brasilien
  • Perowskit CaTiO3

Rutil kristallisiert in der Rutil-Struktur. In dieser Struktur vom Typ AB2 sind die Titan(IV)-Kationen oktaedrisch von sechs Oxid(-II)-Anionen umgeben. Die Oxid(-II)-Anionen hingegen sind leicht verzerrt trigonal-planar von drei Titan(IV)-Kationen umgeben. (vgl. Abb. 4. Graue Flächen stellen Titanionen dar, rote Sauerstoffionen dar.)

Abb. 4: Elementarzelle von Rutil. Graue Flächen stellen Titankationen und rote Sauerstoffanionen dar.

Perowskit liegt in der so genannten Perowskit-Struktur vor. Dabei handelt es sich um eine Standardstruktur vom Typ ABO3: Für den Fall des Perowskit heißt das, dass die Calcium(II)-Kationen sind von 8 Titan(IV)-Kationen als Würfel und von 12 Oxid-Anionen kuboktaedrisch umgeben. Anders gesagt bilden die Caclium(II)-Kationen und die Oxid-Anionen eine hexagonal-dichteste Kugelpackung, in deren Oktaederlücken die Titan(IV)-Kationen  untergebracht sind.

Weitere Beispiele der Perowskit-Struktur:

  • Oxide (BaCeO3)
  • Fluoride (KMgF3)
  • Chloride (CsHgCl3)

2 Herstellung

2.1 Element

Für die Herstellung von metallischem Titan eignen sich zurzeit nur Rutil und Ilmentit. Die Rohstoffe können nicht mit Kohle reduziert werden, da sich hierbei schwerlösliches Titancarbid bzw. bei Anwesenheit von Luft auch Titannitrid bildet. Deshalb erfolgt die großtechnische Titanherstellung durch die Reduktion von Titan(IV)-chlorid mit Magnesium (Kroll-Prozess) oder Natrium (Hunter-Prozess). Nach 4 Schritten erhält man am Ende den so genannten Titanschwamm.

Zunächst wird aus den Rohstoffen Titan(IV)-chlorid hergestellt:

Aus Rutil mit einer Temperatur von 800 - 1200°C

TiO2 + 2C + 2Cl2 TiCl4 + 2CO

Ilmenit wird im Lichtbogenofen reduziert: (T>1600°C)

FeTiO3+ C  TiO2 + Fe + CO

Das flüssige Eisen sammelt sich am Boden des Lichtbogenofens und wird dort abgestochen. Das Titanoxid wird anschließend genauso wie Rutil zu Titanchlorid reduziert.

Die Verunreinigungen (z.B. Eisen, Vanadium, Silizium) werden durch fraktionierte Destillation von TiCl4 abgetrennt.

In einem Stahlbehälter erfolgt unter Schutzgasatmosphäre (Ar oder He) eine Reduktion mit Mg, da Mg ein noch unedleres Metall als Titan selbst ist. Diese Reaktion läuft nach dem Kroll-Verfahren bei einer Temperatur von 950 - 1150°C ab. Die Schutzgasatmosphäre dient dazu, dass TiCl4 nicht hydrolysiert.

TiCl4 + 2Mg  Ti + 2MgCl2

Der Hunter-Prozess wird in zwei Stufen durchgeführt:

TiCl4+ 2Na  2TiCl2+ 2NaCl

TiCl2+ 2Na  Ti+ 2NaCl

Bei beiden Prozessen entsteht Titanschwamm, der aus ca. 55 - 65 % Ti besteht. Die Verbleibenden 35 - 45 % sind Verunreinigungen aus überschüssigem Reduktionsmetall (Mg/Na) und Metallchloriden. Diese werden anschließend aus dem zerkleinerten Schwammkuchen durch Laugen (Lösen in verdünnter Salzsäure) oder Vakuumdestillation entfernt.

Der Titanschwamm wird anschließen entweder umgeschmolzen oder zu hochreinem Titan weiterverarbeitet. Beim Umschmelzen werden verschiedene Metalle z.B. Al, V, Mo, Sn, Ni, Nb, Fe/Mn zugesetzt, so dass Titanlegierungen entstehen. Diese besitzen veränderte Eigenschaften:

  • Hohe/höchste Korrosionsbeständigkeit

  • Gute Oxidationsbeständigkeit bei T<600°C

  • Hohe spezifische Festigkeit

  • Geringe Dichte bleibt erhalten

Wird der Titanschwamm zu einem hochreinem Metall gereinigt, so geschieht das nach dem Van-Arkel-de-Boer-Verfahren. Dieses Verfahren beruht auf dem Prinzip einer Transportreaktion (Verlauf siehe ppt-Präsentationen 1 und 2  im Anhang). Dabei wird ein fester Ausgangsstoff durch Reaktion mit einem geeigneten Partner in ein Halogenid überführt. Dieses Halogenid liegt bei einer niedrigen Temperatur gasförmig vor und zerfällt bei einer hohen Temperatur wieder in die Ausgangsstoffe. Die Reinigung des Titanschwamms erfolgt dadurch, dass fast ausschließlich die Hauptkomponente transponiert wird, die Verunreinigungen reagieren kaum. Das hochreine Titan scheidet sich in kristalliner Form am Wolframdraht ab. Die Reaktion findet im Vakuum statt. Einmal um die Diffusionsgeschwindigkeit und damit die Transportleistung zu erhöhen und andererseits die Oxidation von Titan zu verhindern.

Eine Transportreaktion findet man auch in Halogenglühlampen. Dort werden nach dem selben Prinzip jedoch andere Stoffe transportiert.

2.2 Verbindungen (TiO2)

Ausgehend von Rutil (TiO2) wird weißes Titandioxid vor allem über das Chlorid-Verfahren hergestellt. Dabei wird Rutil mit Koks und Chlor zu Titantetrachlorid umgesetzt. Anschließend wird in einem zweiten Schritt mit Sauerstoff pyrolysiert:

TiO2 + 2C + 2Cl2 TiCl4 + 2CO

TiCl4 + O2  TiO2 + 2Cl2

Dieser Umweg ist nötig, da im natürlich vorkommenden Rutil Eisenoxide und Chromoxide gelöst sind und diese die Farbe stark beeinflussen (vgl. Abb. 3). Dieser Prozess ist also eine Reinigung, um weißes TiO2 zu erhalten.


3 Physikalische und chemische Eigenschaften

  • Elektronenkonfiguration: [Ar] 3d2 4s2
  • Schmelzpunkt: 1677°C
  • Siedepunkt: 3262°C

Titan befindet sich mit der Ordnungszahl 22 im Periodensystem der Elemente in der 4. Nebengruppe und in der 4. Periode. Als Übergangsmetall bildet Titan in seinen Verbindungen die Oxidationsstufen –I bis +IV aus, wobei +IV die beständigste ist.

3.1 Verbindungen (TiO2)

Reines Titandioxid zeichnet sich als Weißpigment aus. Ein gutes Weißpigment muss alle Spektren des sichtbaren Lichts wieder abstrahlen. Bei Anregung der Bindungselektronen im Titandioxid durch Licht werden bei der Rückkehr zum Normalzustand die selben Spektren wieder abgestrahlt. Somit eignet sich Titandioxid sehr gut als Weißpigment. Im UV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums hingegen findet bei Titandioxid kaum Abstrahlung statt. Die Energie der angeregten Elektronen wird in diesem Fall in Form von Wärme und Licht einer anderen (sichtbaren) Wellenlänge abgestrahlt. So wirkt Titandioxid auch als UV-Filter.

3.2 Element

Titan ist ein silberweißes, gut dehnbares und schmiedbares Metall, das sich bei Raumtemperatur schon leicht zu Blechen walzen lässt. Es weist zwei Kristallstrukturen auf: α−Ti liegt als hexagonal dichteste Kugelpackung vor und geht bei einer Temperatur von
882°C in β−Ti, das eine kubisch raumzentrierte Kristallstruktur besitzt, über. Titan besitzt eine hohe mechanische Festigkeit und ist ein guter Leiter, allerdings nicht für Wärme. Es verfügt auch über eine geringe thermische Ausdehnung. Von dem Metall Titan sind fünf stabile Isotope und fünfzehn künstliche Isotope bekannt. Mit einer Dichte von ρ=4,54g/cm3 zählt Titan zu den Leichtmetallen und entsprechend seinem negativen Normalpotential
E0(Ti2+/Ti)= -1.63V ist es ein unedles Metall. Allerdings wird es durch die Bildung einer Oxidschicht bei Raumtemperatur an der Luft passiviert und somit korrosionsbeständig gegenüber Luft, Meerwasser, Alkalilaugen, Alkohol und Säuren in der Kälte.


4 Experiment zur Korrosionsbeständigkeit von metallischem Titan

Experiment Experiment zur Korrosionsbeständigkeit von metallischem Titan
Material
  • Brenner
  • Abzug
  • 2 Reagenzgläser d=30mm
  • Reagenzglasgestell
  • Reagenzglashalter
  • Spatel 8mm
  • Hütchenpipette
Chemikalien
  • Salzsäure
    c(HCl)=1mol/l
  • Salzsäure
    c(HCl)=10mol/l
  • Titanpulver
Durchführung In zwei Reagenzgläser wird pro Gefäß eine kleine Spatelspitze Titanpulver gegeben. In eines der Reagenzgläser werden nun einige Milliliter der verdünnten Salzsäure hinzugegeben. In das andere Reagenzglas wird das selbe Volumen an konzentrierter Salzsäure hinzugefügt. Nun werden beide Reagenzgläser im Abzug über dem Bunsenbrenner erhitzt.
Beobachtung Weder nach Zugabe von verdünnter noch von konzentrierter Salzsäure zum Titanpulver ließ sich eine Reaktion erkennen. Auch beim Erhitzen des Titanpulvers mit verdünnter Salzsäure war keine Reaktion erkennbar. Erst beim Erhitzen des Titanpulvers mit konzentrierter Salzsäure ließ sich das Aufsteigen von Gasblasen beobachten. Zudem trat eine Verfärbung des farblosen Überstandes ins Violette auf.
Deutung Da nur beim Erhitzen von Titanpulver mit konzentrierter Salzsäure eine Reaktion erkennbar war, zeigte Titan Korrosionsbeständigkeit gegenüber verdünnter und konzentrierter Salzsäure bei Raumtemperatur und gegenüber Erhitzen in verdünnter Salzsäure. Diese Korrosionsbeständigkeit entsteht durch das Passivieren des metallischen Titans mit Luftsauerstoff. Erst beim Erhitzen mit konzentrierter Salzsäure wird der Schutz durch Passivierung überwunden. Durch die Reaktion des Titans mit der Säure bildet sich ein Hexaquatitan(III)-Komplex, der den Überstand violett färbt:

2Ti + 6H+ + 12H2O 2[Ti(H2O)6]3+ + 3H2

Titan weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Aufgrund dieser Eigenschaft und wegen seiner hohen Festigkeit wird Titan in vielen Anwendungsgebieten verwendet.


5 Anwendung von Titanwerkstoffen

Titan wird wegen seinen besonderen Eigenschaften in vielen Bereichen verwendet, dazu gehören:

Metall Legierung Pigment
  • Verkehrstechnik
  • Medizintechnik
  • Schmuckindustrie
  • Verkehrstechnik
  • Energietechnik
  • chemische Industrie
  • Schiffsbau
  • Farbindustrie
  • Kunststoffe
  • Kosmetik

Titan wird, um ein paar Beispiele zu nennen, wegen seiner hohen Korrosionsbeständigkeit in Off-Shore-Anlagen verwendet. Auch in Luft- und Raumfahrt wird Titan eingesetzt. In diesem Bereich ist jedoch seine große Festigkeit und die Gewichtsreduzierung (Leichtmetall) von großer Bedeutung. In der Medizin ist Titan ein hervorragender Werkstoff für Implantate. Durch die Korrosionsbeständigkeit widersteht Titan  der Korrosion in jeglichem Körpermilieu und ruft so keine allergischen oder immunologischen Reaktionen hervor. Zudem lässt sich ein bemerkenswerter Effekt von Titanimplantaten beobachten, bei dem Knochen in der so genannten Osseo-Integration mit dem Implantat verheilen und zusammenwachsen. 


Zusammenfassung

  • Titan ist ein weit verbreitetes, aber niedrig konzentriertes Leichtmetall.

  • Hat den Flair des Teuren und Exotischen noch nicht verloren.

  • Ist sehr vielseitig verwendbar, da es verschiedene spezifische Eigenschaften besitzt.

  • Recycling möglich


Abschluss

Variante 1: Am Ende noch eine Frage: Wieso heißt Titan eigentlich "Titan"? Ende des 18. Jahrhunderts wurde von Martin Heinrich Klaproth ein neues Metall entdeckt. Er benannte Dieses nicht nach seinem Fundort, sondern bediente sich der damals gängigen Idee, die Antike neu erstehen zu lassen. Aus diesem Grund gab er dem neuen Metall den Namen "Titan" nach dem Aufstieg der Titanen aus der Unterwelt und verknüpfte somit die antike Mythologie mit der neuzeitlichen Chemie.

Variante 2: Die Herstellung von Titan als Metall und als TiO2 ist zwar etwas aufwendig, jedoch bietet es besondere Eigenschaften, durch die es in vielen Bereichen angewendet werden kann.  So findet man Titan in hoch spezialisierten Anwendungsgebieten wie der Raumfahrt  und dem chemischen Anlagenbau oder in alltäglichen Bereichen als Wandfarbe oder als Küchenmesser wieder.


Literatur:

  1. Riedel, E., Anorganische Chemie, 4. Auflage, 1999.
  2. Holleman, A., Wiberg, E., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101. Auflage, 1995.
  3. Praxis der Naturwissenschaften-Chemie, 1993, 5, 1-33.
  4. Sibum, H. Stein, G., Metall, 1992, 6, 548-553.
  5. Binder, Harry, Lexikon der chemischen Elemente, 1999, 667-673.
  6. http://www.deutschetitan.de, (Stand: 08.10.2003).
  7. http://binn.strahlen.org/php/photos.php?table=phmin&phoid=94&pv=mm2&page=1, (Stand: 13.04.2016, Copyright: Thomas Schüpbach)
  8. www.zumbiline.ch/ min-3-15.html, (Stand: 18.02.2004, verschollen)
  9. www2.arnes.si/~ljprirodm1/ rutil.html, (Stand: 18.02.2004).
  10. http://www.seilnacht.com/Lexikon/Titandi.htm#gewinnung (Stand: 15.11.2011).
  11. http://www.zahn-zahnarzt-berlin.de/deutsch/implantateinheilung.html (Stand: 03.03.2014).

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