A titán a periódusos rendszer kémiai elemeinek egyike. Vegyjele Ti, rendszáma 22., melynek régies magyar elnevezése a kemeny. Standard hőmérsékleten és nyomáson világos, fénylő, ezüstös, kis sűrűségű és nagy szilárdságú átmenetifém, tulajdonságait tekintve nagyon hasonlít a szilíciumhoz és az ónhoz. A titán ellenáll a korróziónak a tengervízzel, klórral, lúgokkal és savakkal szemben, hiszen még a királyvíz sem oldja.
A titánt William Gregor fedezte fel Cornwallban 1791-ben, nevét pedig Martin Heinrich Klaprothtól kapta a görög mitológiai titánok után. Az elem számos ásványban előfordul, legfontosabbak ezek közül az ilmenit (FeTiO3) és a rutil (TiO2), melyek a földkéregben és a litoszférában nagy területen szétszórva találhatók meg. A titán szinte az összes élőlényben, a vizekben, sziklákban és a talajban is megtalálható. A fémet elsődleges érceiből a Kroll-eljárással, vagy a Hunter-eljárással állítják elő. A leggyakoribb vegyülete, a titán-dioxid népszerű fotokatalizátor, emellett fehér pigmentek gyártására is használják. Egyéb vegyületei közé tartozik a titán-tetraklorid (TiCl4), egy katalizátor és a katonaságnál használt álcafüst egyik összetevője; és a titán(III)-klorid (TiCl3), melyet a polipropilén gyártásakor katalizátorként használnak.
A titánt vassal, alumíniummal, vanádiummal, molibdénnel, vagy egyéb elemekkel ötvözve nagy szilárdságú és kis sűrűségű ötvözetek nyerhetők, melyeket a repülőgépiparban és az űrhajózásban (sugárhajtóművek, rakéták és űrhajók gyártása), a hadiiparban, autóiparban, különböző ipari folyamatokban (kémiai és petrolkémiai eljárások, sótalanítás, papírgyártás), protézisek gyártásában, fogászati eszközök és implantátumok, sportszerek, ékszerek távirányítható gépek és mobiltelefonok gyártásában, valamint még további sok egyéb területen is alkalmaznak.
A fém két leghasznosabb tulajdonsága a korróziótűrése és a nagy szilárdság:sűrűség aránya, mely az összes fémes elem közül a legmagasabb. Ötvözetlen formában a titán szilárdsága vetekszik egyes acélokéval, de sűrűsége kisebb azokénál. A titánnak két allotrop módosulata és öt természetes izotópja van a 46Ti-tól a 50Ti-ig terjedően, melyek közül a 48Ti fordul elő a legnagyobb mennyiségben (73,8 %-ban) Annak ellenére, hogy a titánnak és a cirkóniumnak megegyező számú vegyértékelektronjuk van, számos kémiai és fizikai tulajdonságukban különböznek egymástól.
Tulajdonságai
Fizikai tulajdonságai
A titán nagy mechanikai szilárdságú, alacsony sűrűségű és (főleg oxigénmentes környezetben) jól alakítható, fénylő, ezüstfehér fém, mely főként nagy szilárdság-sűrűség arányáról ismert. Viszonylag magas olvadáspontja (1650 °C) jó tűzálló fémmé teszi. A titán paramágneses tulajdonságú és a többi fémhez viszonyítva gyenge hő- és elektromos vezető.
A kereskedelmi tisztaságú (99,2 %-os) titán szakítószilárdsága körülbelül 434 MPa, ami megegyezik a közönséges, gyengébb minőségű acélok szakítószilárdságával, de a titán ezeknél kisebb sűrűségű. A titán 60 %-kal nehezebb az alumíniumnál, de több mint kétszer olyan erős, mint a leggyakrabban használt 6061-T6 alumíniumötvözet. Egyes titánötvözetek, például a Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo (BETA-C) szakítószilárdsága az 1400 MPa-t is meghaladhatja. 430 °C feletti hőmérsékleten viszont a titán szilárdsága csökken.
A titán nem olyan kemény, mint egyes hőkezelt acélok, nem mágneses, és a többi fémnél kevésbé vezeti a hőt és az elektromosságot. Rossz hővezetése megnehezíti megmunkálását, mert a forgács csak a fejlődő hő mintegy negyedét vezeti el, a fennmaradó rész közvetlenül melegíti a szerszámot. Ezért a megmunkáláshoz hőálló keményfém szerszámanyag és hatékony hűtés kell. Az acélszerkezetekhez hasonlóan a titánból készült szerkezeteknek is van kifáradási határértékük, ami garantálja a hosszú élettartamot egyes alkalmazásoknál. Hosszabb használatot a gyógyászatban is eredményez, hiszen a titán lényegesen könnyebb, mint az acél de az ötvözet típusától függően az acéléval azonos szilárdságot ad. További előnye, hogy eközben a súlya csak körülbelül negyven százaléka annak, miközben biokompatibilis az emberi testbe beültetése esetén, például emiatt a kilökődés kockázata is kisebb.
A fémnek két allotrop módosulata létezik, a hexagonális rácsszerkezetű α-módosulat és a tércentrált kockarácsú β-módosulat, ami 882 °C-on képződik az α-módosulatból. Az α-módosulat hőkapacitása erre az átmeneti hőmérsékletre való melegítéskor drasztikusan nő, de utána ismét lecsökken és közel állandó marad a β-módosulatnál a hőmérséklettől függetlenül. A cirkóniumhoz és a hafniumhoz hasonlóan egy omega-módosulat is létezik, ami nagy nyomáson stabil, de normális nyomáson metastabil. Ez a módosulat általában hexagonális (ideális), vagy trigonális (torzult).
Kémiai tulajdonságai
Az alumíniumhoz és a magnéziumhoz hasonlóan a titánon és ötvözetein levegő hatására azonnal oxidréteg alakul ki. A titán könnyedén reagál oxigénnel levegőn 1200 °C-on, tiszta oxigénben pedig 610 °C-on titán-dioxidot képezve. Vízzel és a levegővel közönséges körülmények közt nem, vagy csak lassan reagál a felületén kialakuló passzív oxidréteg miatt, ami megvédi a fémet a további oxidációtól. Ez a védőréteg kialakulásakor mindössze 1–2 nanométer vastag, de lassan növekszik és négy év alatt 25 nanométeres vastagságot ér el.
A passzivációnak köszönhetően a titán kitűnően ellenáll a korróziónak, közel ugyanannyira, mint a platina. A titán ellenálló a híg kénsavval, a sósavval, a klorid-oldatokkal és a legtöbb szerves savval szemben. A forró tömény ásványi savak viszont megtámadják, a hidrogén-fluorid pedig jól oldja. Negatív standardpotenciáljából következően a titán termodinamikailag egy igen reaktív fém, normál atmoszférában már az olvadáspontja előtt elég. Így az olvasztása egyedül inert atmoszférában, vagy vákuumban lehetséges. 550 °C-on reagál a klórgázzal. Emellett reagál a többi halogénnel is és megköti a hidrogént.
A titán azon kevés elemek egyike, melyek tiszta nitrogéngázban égnek: a reakció 800 °C-on megy végbe és titán-nitrid keletkezik, amelyre a törékenység jellemző. Az oxigénnel, nitrogénnel és néhány más gázzal való nagyfokú reakcióképessége miatt az úgynevezett titán-szublimációs szivattyúkban fel lehet használni olcsó és megbízhatóan ultranagy vákuum kialakítására.
Izotópjai
A természetben előforduló titán (Ti) öt stabil izotópból áll: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti és 50Ti, ezek közül a 48Ti részaránya a legmagasabb (természetes előfordulása 73,8%). Huszonegy radioizotópját írták le, ezek közül a legstabilabbak: 44Ti (felezési ideje 60 év), 45Ti (felezési ideje 184,8 perc), 51Ti (5,76 perces felezési idő) és 52Ti (felezési ideje 1,7 perc). A többi radioaktív izotóp felezési ideje 33 másodpercnél kevesebb, többségüké a fél másodpercet sem éri el. A legkevésbé a 61Ti stabil, felezési ideje valamivel több mint 300 nanomásodperc.
A titánizotópok atomtömege 38,01 (38Ti) és 62,99 (63Ti) atomi tömegegység közé esik. A leggyakoribb (48Ti) izotópnál könnyebbek főként elektronbefogással, a nehezebbek β−-bomlással alakulnak át. A 48Ti előtti izotópok elsődleges bomlásterméke főként szkandium-, a nehezebbeké elsősorban vanádiumizotóp.
A titán deutérium-atommagokkal való bombázáskor radioaktívvá válik, főként pozitronok és gamma-sugárzás kibocsátása közben.
Története
A titánt William Gregor lelkész és amatőr geológus fedezte fel 1791-ben Cornwallban, a helyi Helford folyóból származó homokot vizsgálva. A homokból mágnessel sikerült elkülönítenie egy fekete színű anyagot, amit ma ilmenitnek neveznek. Az anyagból sósavval kioldotta a vasat, de a hátramaradó 45,25%-nyi fehér színű fém-oxidot képtelen volt azonosítani. Miután ráébredt arra, hogy az ismeretlen oxid egy olyan fémet tartalmazott, ami nem egyezett egy ismert elemmel sem, Gregor felfedezéséről beszámolt a Cornwalli Királyi Geológiai Társaság előtt, valamint egy német tudományos folyóiratban, a Crell's Annalen-ben.Gregor, William (1791) "Beobachtungen und Versuche über den Menakanit, einen in Cornwall gefundenen magnetischen Sand" (Observations and experiments regarding menaccanite [i.e., ilmenite], a magnetic sand found in Cornwall), Chemische Annalen … , 1, pp. 40–54, 103–119.Gregor, William (1791) "Sur le menakanite, espèce de sable attirable par l'aimant, trouvé dans la province de Cornouilles" (On menaccanite, a species of magnetic sand, found in the county of Cornwall), Observations et Mémoires sur la Physique, 39 : 72–78, 152–160.
Nagyjából ugyanebben az időben Franz-Joseph Müller von Reichenstein előállított egy hasonló vegyületet, de nem tudta azonosítani. Az oxidot Gregortól függetlenül 1795-ben Martin Heinrich Klaproth porosz vegyész újra felfedezte a felvidéki Bajmócskáról származó rutilban.Klaproth, Martin Heinrich (1795) „Chemische Untersuchung des sogenannten hungarischen rothen Schörls” (Chemical investigation of the so-called Hungarian red tourmaline [rutile]) in: Beiträge zur chemischen Kenntniss der Mineralkörper (Contributions to the chemical knowledge of mineral substances), vol. 1, (Berlin, (Germany): Heinrich August Rottmann, 233–244. From page 244: "Diesem zufolge will ich den Namen für die gegenwärtige metallische Substanz, gleichergestalt wie bei dem Uranium geschehen, aus der Mythologie, und zwar von den Ursöhnen der Erde, den Titanen, entlehnen, und benenne also diese neue Metallgeschlecht: Titanium; … " (By virtue of this I will derive the name for the present metallic substance — as happened similarly in the case of uranium — from mythology, namely from the first sons of the Earth, the Titans, and thus [I] name this new species of metal: "titanium"; … ) Klaproth felfedezte, hogy az oxid egy új elemet tartalmazott, és azt a titánokról nevezte el. Ők a görög mitológiában Gaia és Uranosz gyermekei, az erő megtestesítői voltak, akiket Kronosz bukása után arra kárhoztattak, hogy a Föld mélyének rejtett tüzei között éljenek. Miután értesült Gregor korábbi felfedezéséről, megszerzett egy mintát a vizsgált anyagból és bebizonyította, hogy az tényleg titánt tartalmazott.
A ma ismert eljárások a titán különféle érceiből való előállítására költségesek és sok munkát igényelnek. Az érc szénnel való hevítéssel történő redukálása (mint a nyersvasgyártásban) nem lehetséges, mert a titán reagál a szénnel titán-karbidot alkotva. A fémet szennyezett formában először Jöns Jakob Berzelius állította elő 1825-ben, de nagy tisztaságú (99,9%-os) titánt először csak 1910-ben Matthew A. Hunter állított elő a TiCl4 nátriummal 700–800 °C-on és nagy nyomáson való hevítésével, ezt ma Hunter-eljárásként ismerik. A titánt a laboratóriumon kívül nem nagyon használták egészen 1932-ig, amikor William Justin Kroll felfedezte, hogy titán-tetraklorid (TiCl4) kalciummal való redukálásával is elő lehet azt állítani. Nyolc évvel később az eljárást magnéziummal és nátriummal is véghez vitte. Bár ma is zajlik a kutatás költséghatékonyabb módszerek kidolgozására, a Kroll-eljárás még mindig a legelterjedtebb mód a titán előállítására.
Nagyon nagy tisztaságú fémet kis mennyiségben először akkor állítottak elő, amikor Anton Eduard van Arkel és Jan Hendrik de Boer 1925-ben a titánt jóddal reagáltatta, majd a keletkező tetrajodidot elpárologtatás után izzó fémszálon bontotta, így tiszta fémet nyerve.
Az 1950-es és 60-as években a Szovjetunió úttörő módon kezdte alkalmazni a titánt katonai célokra és tengeralattjárókban (Alfa-osztály, K-278 Komszomolec) a hidegháborúhoz kapcsolódó programjai részeként. Az 1950-es évektől kezdődően a titánt kiterjedten kezdték használni a katonai repülőgépeknél, különösen a nagyteljesítményű sugárhajtóművekben kezdve a F–100 Super Sabre-rel, a Lockheed A-12-vel és a SR–71 Blackbirddel. Felismerve a titán stratégiai fontosságát, az Amerikai Védelmi Minisztérium támogatta a fém termelésének üzleti alapokra helyezésére irányuló korai törekvéseket.