O titânio é um elemento químico de símbolo Ti, número atômico 22 (tendo 22 prótons e 22 elétrons) com massa atômica 47,90 u. Trata-se de um metal de transição leve, forte, de cor cinza e aspecto metálico e lustroso, de baixa densidade, sólido na temperatura ambiente e resistente à corrosão pela água do mar, água régia e cloro. O titânio é muito utilizado em ligas leves e no pigmento muito branco.
O titânio foi descoberto em Cornualha por William Justin Gregor em 1791 e nomeado por Martin Heinrich Klaproth pela proximidade das características do filho mitológico do céu (Uranus) e da terra (Gaia), titãs considerados personificações das forças da natureza na mitologia grega. Este elemento encontra-se em vários minerais, em especial no rutilo e na ilmenita que são geralmente encontrados na litosfera, e é encontrado em quase todos os tipos de rochas, solos e corpos de água. O metal produzido comercialmente é extraído do rutilo e da ilmenita e fabricado pelo processo Kroll ou pelo processo Hunter. O composto mais comum do titânio é o dióxido de titânio que é um popular fotocatalisador e útil na produção de tinta com coloração branca. Outros compostos incluem o tetracloreto de titânio (TiCl4), uma substância utilizada para a produção de catalisadores e fumos para fins militares e o cloreto de titânio (III) (TiCl3), que é uma substância catalisadora para a produção de polipropileno.
O titânio pode ser utilizado para a produção de ligas com ferro, alumínio, vanádio e molibdênio, entre outros elementos, para aumentar a resistência mecânica, utilizada na indústria aeroespacial (motores, mísseis e foguetes). Também é utilizado para a produção de catalisadores na indústria química e petroquímica, automobilística, agrícola, médica (para a produção de implantes ortopédicos, próteses e instrumentos odontológicos), em produtos esportivos, jóias, telefones celulares, entre outros.
As duas propriedades mais utilizadas do titânio são: a resistência à corrosão e a maior relação densidade/força se comparado com outros elementos químicos. Nas ligas, o titânio é forte como o ferro, porém sua densidade é aproximadamente 45% menor se comparado ao ferro. Há duas formas alotrópicas e cinco isótopos deste elemento: 46Ti até 50Ti, com 48Ti, sendo o mais abundante na natureza, com cerca de 73,8%. As propriedades físicas e químicas do titânio são similares às do zircônio, porque ambos têm o mesmo número de valência e encontram-se no mesmo grupo da tabela periódica.
Características principais
Abundância e obtenção
Na natureza, o titânio em seu estado nativo está sempre ligado a outros elementos químicos da natureza. É o nono elemento mais abundante da crosta terrestre (0,63% de sua massa) e o sétimo metal mais abundante. Está presente na maioria das rochas ígneas e nos sedimentos delas derivados (como também nos organismo e nos corpos hídricos naturais). Dos 801 tipos de rochas ígneas analisadas pelo Serviço Geológico dos Estados Unidos, 784 contêm titânio. Sua razão nos solos é de aproximadamente de 0,5% até 1,5%.
+ Produção mundial de rutilo e ilmenita em 2011 País Toneladas (milhares) Participação produtiva(%) Austrália130019,4África do Sul116017,3Canadá70010,4Índia5748,6Moçambique5167,7China5007,5Vietnã4907,3Ucrânia3575,3Produção Mundial6700100
É encontrado principalmente nos minerais anatase (TiO2), brookita (TiO2), ilmenita (FeTiO3), perovskita (CaTiO3), rutilo (TiO2) e titanita (CaTiSiO5); também como titanato em minas de ferro.). Destes minerais, somente a ilmenita e o rutilo têm importância econômica, justificada pela sua concentração de titânio e a facilidade de refino. Cerca de 6,0 e 0,7 milhões de toneladas tinham sido extraídas em 2011, respectivamente. Depósitos eminentes de ilmenita são encontrados na Austrália, no Canadá, na China, na Índia, na Nova Zelândia, na Noruega, na Ucrânia e na África do Sul. Cerca de 186000 toneladas da esponja foram produzidas em 2011, sendo a maior produtora a China (60,0 ton), o Japão (56,0 ton), a Rússia (40,0 ton), os Estados Unidos da América (32,0 ton) e o Casaquistão (20,7 ton). Estimam que todas as reservas de titânio excedem 600 milhões de toneladas.
A concentração de Ti é de aproximadamente 4 picomolar no oceano. Sob temperatura de 100 °C, a concentração de titânio é estimada por ser menor do que 10−7 M sob pH 7. A identidade das espécies de titânio em soluções aquosas continua desconhecida por causa da sua baixa solubilidade e a falta de métodos de espectroscopia precisos, embora o número de oxidação 4+ é estável na atmosfera. Não existe evidência de papel biológico para titânio, além disso, são conhecidas poucas espécies que têm elevadas concentrações.Katherine M. Buettner, Ann M. Valentine "Bioinorganic Chemistry of Titanium" Chemical Reviews 2012, vol. 112, 1863–1881.
Isótopos
São encontrados 5 isótopos estáveis na natureza: Ti-46, Ti-47, Ti-48, Ti-49 e Ti-50, sendo o Ti-48 o mais abundante (73,8%). Têm-se caracterizados 11 radioisótopos, sendo os mais estáveis o Ti-44, com uma meia-vida de 5,76 minutos e o Ti-52, de 1,7 minutos. Para os demais, suas meia-vidas são de menos de 33 segundos, e a maioria destes com menos de meio segundo.
A massa atómica dos isótopos varia desde 39,99 u (Ti-40) até 57,966 u (Ti-58). O primeiro modo de decaimento antes do isótopo mais estável, o Ti-48, é a captura eletrônica, e após este é a emissão beta. Os isótopos do elemento 21 (escândio) são os principais produtos do decaimento antes do Ti-48, os posteriores são os isótopos do elemento 23 (vanádio).
Propriedades físicas
left|180px|thumb|Titânio (mineral concentrado)
O titânio é um elemento metálico muito conhecido por sua excelente resistência à corrosão (quase tão resistente quanto a platina) e por sua grande resistência mecânica. Possui baixa condutividade térmica e elétrica. É um metal leve, forte e de fácil fabricação com baixa densidade (40% da densidade do aço). Quando puro é bem dúctil e fácil de trabalhar. O ponto de fusão relativamente alto faz com que seja útil como um metal refratário. Ele é mais forte que o aço, porém 45% mais leve. É 60% mais pesado que o alumínio, porém duas vezes mais forte. Tais características fazem com que o titânio seja muito resistente contra os tipos usuais de fadiga. Esse metal forma uma camada passiva de óxido quando exposto ao ar, mas quando está em um ambiente livre de oxigênio ele é dúctil. Ele queima quando aquecido e é capaz de queimar imerso em nitrogênio gasoso. É resistente à dissolução nos ácidos sulfúrico e clorídrico, assim como à maioria dos ácidos orgânicos.
Experimentos têm mostrado que titânio natural se torna notavelmente radioativo após ser bombardeado por deutério, emitindo principalmente pósitrons e raios gama. O metal é dimórfico com a forma hexagonal alfa mudando para um cúbico beta muito lentamente por volta dos 800 °C. Quando incandescente ele se combina com oxigênio, e ao alcançar 550 °C é capaz de combinar com o cloro.
Quanto à fabricação do titânio metálico, existem atualmente seis tipos de processos disponíveis: "Kroll", "Hunter", redução eletrolítica, redução gasosa, redução com plasma e redução metalotérmica. Dentre estes, destaca-se o processo Kroll, que é o responsável, até hoje, pela maioria do titânio metálico produzido no mundo ocidental.
Na forma de metal e suas ligas, cerca de 60% do titânio são utilizados nas indústrias aeronáuticas e aeroespaciais, sendo aplicados na fabricação de peças para motores e turbinas, fuselagem de aviões e foguetes.
Propriedades Químicas
thumb|left|O diagrama de Pourbaix para o titânio em água pura, ácido perclórico ou hidróxido de sódioPuigdomenech, Ignasi (2004) Hydra/Medusa Chemical Equilibrium Database and Plotting Software , KTH Royal Institute of Technology.
Como as superfícies metálicas do alumínio e do magnésio, o titânio metálico e suas ligas oxidam imediatamente após a exposição no ar. O nitrogênio atua de forma similar produzindo uma superfície de nitreto. O titânio reage rapidamente com o oxigênio sob no ar e em sob oxigênio puro produzindo o dióxido de titânio. Contudo, sob contato do ar com água ele reage lentamente, passando em um processo chamado de passivação e a superfície de óxidos que protege mais o volume da oxidação. Quando há esta reação, este tem uma camada de proteção de 1–2 nm porém a sua camada aumenta lentamente, podendo chegar até a 25 nm durante quatro anos.
O titânio possui grande resistência à corrosão, comparável à da platina, capaz de resistir ao ataque de ácidos como o sulfúrico e outros ácidos clorídricos , bem como de soluções de cloro e da maioria dos ácidos orgânicos. No entanto, ataques ácidos concentrados produzem maior corrosão. O titânio é termodinamicamente muito reativo, conforme indicado pelo fato de que o metal começa a queimar antes de atingir o ponto de fusão, e a própria fusão só é possível em uma atmosfera inerte ou no vácuo . Combina-se com o cloro a uma temperatura de 550 °C (823 K), reage com o resto dos halogênios e absorve hidrogênio.
É um dos poucos elementos que queima em gás nitrogénio puro, reagindo a uma temperatura de 800 °C (1070 K) para formar nitreto de titânio, o que causa perda de ductilidade no material.
Compostos
O estado de oxidação +4 domina as substâncias químicas que contêm titânio, apesar dos compostos com +3 também serem comum. Normalmente, o titânio adota uma geometria molecular octaédrica nos seus complexos, a geometria molecular tetraédrica TiCl4 é uma notável exceção. Por causa do seu alto estado de oxidação, os compostos de titânio (IV) apresentam uma elevado grau de ligações covalentes. A maioria dos compostos de titânio no estado +4 são brancos ou incolores, com algumas poucas exceções como o complexo com peróxido de cor laranja intensa.
Estados de oxidação O titânio forma compostos em três estados de oxidação possíveis: +2, +3 e +4. O íon , de cor esverdeada, é um agente redutor muito poderoso, capaz de reduzir a água a gás hidrogênio e os íons nitrato a amônio. Poucos compostos são conhecidos, geralmente como sólidos ou certos organometálicos, e eles são muito vulneráveis à oxidação pelo ar, sendo raramente encontrados em solução aquosa, exceto como certos complexos. O íon , de cor lavanda-violeta e paramagnético, é também um agente redutor relativamente forte, porém é estável em solução aquosa ácida. Em meio básico, ele precipita como hidróxido de titânio III ) azul-preto, que é um agente redutor poderoso e reduz a água a hidrogênio. Esse íon forma muitos sais, como o cloreto de titânio III () e o sulfato de titânio III (). Este íon pode ser obtido dissolvendo titânio em pó em ácidos não-oxidantes, tais como HCl.https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/TiIII O titânio no estado de oxidação +4 é a forma dominante do elemento em seus compostos, sendo muito estável e não propenso à oxidação. Seus compostos são geralmente incolores ou brancos ( é um notório pigmento branco intenso e inerte, largamente utilizado) e com um elevado caráter covalente. não existe como um íon livre, existindo geralmente como compostos insolúveis em água ou altamente propensos à hidrólise, reagindo com a água para precipitar hidratado insolúvel ou coloidal a partir de soluções que não sejam fortemente ácidas, o que torna a química aquosa do titânio +4 bastante complicada. O titânio +4 existe em solução aquosa fortemente ácida na forma do íon complexo incolor , conhecido como titanila e frequentemente simplificado como .https://www.scielo.br/j/qn/a/XXNDHYvRWCmJvRYX3brfbwM/
Compostos organometálicos