Titanio

Elemento químico con número atómico 22 (Ti)
Titanio,  22 Ti
Titanio
Pronunciación
Aparienciagris plateado-blanco metálico
Peso atómico estándar A r °(Ti)
  • 47,867 ± 0,001 [2]
  • 47,867 ± 0,001  ( abreviado ) [3]
El titanio en la tabla periódica
HidrógenoHelio
LitioBerilioBoroCarbónNitrógenoOxígenoFlúorNeón
SodioMagnesioAluminioSilicioFósforoAzufreCloroArgón
PotasioCalcioEscandioTitanioVanadioCromoManganesoHierroCobaltoNíquelCobreZincGalioGermanioArsénicoSelenioBromoCriptón
RubidioEstroncioItrioCirconioNiobioMolibdenoTecnecioRutenioRodioPaladioPlataCadmioIndioEstañoAntimonioTelurioYodoXenón
CesioBarioLantanoCerioPraseodimioNeodimioPrometeoSamarioEuropioGadolinioTerbioDisprosioHolmioErbioTulioIterbioLutecioHafnioTantalioTungstenoRenioOsmioIridioPlatinoOroMercurio (elemento)TalioDirigirBismutoPolonioAstatoRadón
FrancioRadioActinioTorioProtactinioUranioNeptunioPlutonioAmericioCurioBerkelioCalifornioEinstenioFermioMendelevioNobelioLawrenceRutherfordioDubnioSeaborgioBohrioHassioMeitnerioDarmstadtioRoentgenioCopérnicoNihonioFlerovioMoscovioLivermorioTennesseeOganesón
–
↑
Ti
↓
Zr
escandio ← titanio → vanadio
Número atómico ( Z )22
Grupogrupo 4
Períodoperíodo 4
Bloquear  bloque d
Configuración electrónica[ Ar ] 3d 2 4s 2
Electrones por capa2, 8, 10, 2
Propiedades físicas
Fase en  STPsólido
Punto de fusión1941  K (1668 °C, 3034 °F)
Punto de ebullición3560 K (3287 °C, 5949 °F)
Densidad (a 20° C)4,502 g/cm3 [  4]
Cuando está líquido (a  punto de fusión )4,11 g/ cm3
Calor de fusión14,15  kJ/mol
Calor de vaporización425 kJ/mol
Capacidad calorífica molar25,060 J/(mol·K)
Presión de vapor
P  (Pa)1101001 k10 mil100 mil
en  T  (K)19822171(2403)269230643558
Propiedades atómicas
Estados de oxidacióncomún: +4,
−2, ? −1, [5] 0, [6] +1, ? [7] +2, [5] +3, [5]
ElectronegatividadEscala de Pauling: 1,54
Energías de ionización
  • 1º: 658,8 kJ/mol
  • 2º: 1309,8 kJ/mol
  • 3º: 2652,5 kJ/mol
  • ( más )
Radio atómicoempírico: 147  pm
Radio covalente160 ± 8 pm
Líneas de color en un rango espectral
Líneas espectrales del titanio
Otras propiedades
Ocurrencia naturalprimordial
Estructura cristalinaHexagonal compacto (hcp) ( hP2 )
Constantes de red
Estructura cristalina compacta hexagonal para titanio
a  = 295,05 pm
c  = 468,33 pm (a 20 °C) [4]
Expansión térmica9,68 × 10 −6 /K (a 20 °C) [a]
Conductividad térmica21,9 W/(m⋅K)
Resistividad eléctrica420 nΩ⋅m (a 20 °C)
Ordenamiento magnéticoparamagnético
Susceptibilidad magnética molar+153,0 × 10 −6  cm 3 /mol (293 K) [8]
Módulo de Young116 GPa
Módulo de corte44 GPa
Módulo volumétrico110 GPa
Velocidad del sonido varilla delgada5090 m/s (a  temperatura ambiente )
Relación de Poisson0,32
Dureza de Mohs6.0
Dureza Vickers830–3420 MPa
Dureza Brinell716–2770 MPa
Número CAS7440-32-6
Historia
DescubrimientoGuillermo Gregor (1791)
Primer aislamientoJöns Jakob Berzelius (1825)
Nombrado porMartín Enrique Klaproth (1795)
Isótopos del titanio
Isótopos principales [9]Decadencia
abundanciavida media ( t 1/2 )modoproducto
44Ti​sintetizador59,1 añosmi44 Sc
46Ti​8,25%estable
47Ti​7,44%estable
48Ti​73,7%estable
49Ti​5,41%estable
50Ti​5,18%estable
 Categoría: Titanio
| referencias

El titanio es un elemento químico ; su símbolo es Ti y su número atómico es 22. Se encuentra en la naturaleza únicamente como óxido , y se puede reducir para producir un metal de transición brillante de color plateado , baja densidad y alta resistencia, resistente a la corrosión en agua de mar , agua regia y cloro .

El titanio fue descubierto en Cornualles , Gran Bretaña , por William Gregor en 1791 y fue nombrado por Martin Heinrich Klaproth en honor a los Titanes de la mitología griega . El elemento se encuentra en varios minerales , principalmente rutilo e ilmenita , que están ampliamente distribuidos en la corteza terrestre y la litosfera ; se encuentra en casi todos los seres vivos, así como en cuerpos de agua, rocas y suelos. [10] El metal se extrae de sus principales menas minerales mediante los procesos de Kroll y Hunter . [11] El compuesto más común, el dióxido de titanio , es un fotocatalizador popular y se utiliza en la fabricación de pigmentos blancos. [12] Otros compuestos incluyen tetracloruro de titanio (TiCl 4 ), un componente de cortinas de humo y catalizadores ; y tricloruro de titanio (TiCl 3 ), que se utiliza como catalizador en la producción de polipropileno . [10]

El titanio se puede alear con hierro , aluminio , vanadio y molibdeno , entre otros elementos. Las aleaciones de titanio resultantes son fuertes, ligeras y versátiles, con aplicaciones que incluyen la industria aeroespacial ( motores a reacción , misiles y naves espaciales ), militar, procesos industriales (químicos y petroquímicos, plantas de desalinización , pulpa y papel ), automotriz, agricultura (ganadería), artículos deportivos, joyería y electrónica de consumo . [10] El titanio también se considera uno de los metales más biocompatibles , lo que lleva a una variedad de aplicaciones médicas que incluyen prótesis , implantes ortopédicos , implantes dentales e instrumentos quirúrgicos . [13]

Las dos propiedades más útiles del metal son la resistencia a la corrosión y la relación resistencia-densidad , la más alta de cualquier elemento metálico. [14] En su estado no aleado, el titanio es tan fuerte como algunos aceros , pero menos denso. [15] Hay dos formas alotrópicas [16] y cinco isótopos naturales de este elemento, del 46Ti al 50Ti , siendo el 48Ti el más abundante (73,8%). [17]

Características

Propiedades físicas

Como metal , el titanio es reconocido por su alta relación resistencia-peso . [16] Es un metal fuerte con baja densidad que es bastante dúctil (especialmente en un entorno libre de oxígeno ), [10] brillante y de color blanco metálico . [18] Debido a su punto de fusión relativamente alto (1668 °C o 3034 °F) a veces se lo ha descrito como un metal refractario , pero este no es el caso. [19] Es paramagnético y tiene una conductividad eléctrica y térmica bastante baja en comparación con otros metales. [10] El titanio es superconductor cuando se enfría por debajo de su temperatura crítica de 0,49 K. [20] [21]

Los grados de titanio comercialmente puros (99,2 % de pureza) tienen una resistencia máxima a la tracción de aproximadamente 434  MPa (63 000  psi ), igual a la de las aleaciones de acero de baja calidad comunes, pero son menos densos. El titanio es un 60 % más denso que el aluminio, pero más del doble de fuerte [15] que la aleación de aluminio 6061-T6 más utilizada . Algunas aleaciones de titanio (por ejemplo, Beta C ) alcanzan resistencias a la tracción de más de 1400 MPa (200 000 psi). [22] Sin embargo, el titanio pierde resistencia cuando se calienta por encima de los 430 °C (806 °F). [23]

El titanio no es tan duro como algunos grados de acero tratado térmicamente; no es magnético y es un mal conductor del calor y la electricidad. El mecanizado requiere precauciones, porque el material puede desgastarse a menos que se utilicen herramientas afiladas y métodos de enfriamiento adecuados. Al igual que las estructuras de acero, las fabricadas con titanio tienen un límite de fatiga que garantiza la longevidad en algunas aplicaciones. [18]

El metal es un alótropo dimórfico de una forma α compacta y hexagonal que cambia a una forma β cúbica centrada en el cuerpo (en red) a 882 °C (1620 °F). [23] [24] El calor específico de la forma α aumenta drásticamente a medida que se calienta a esta temperatura de transición, pero luego cae y permanece bastante constante para la forma β independientemente de la temperatura. [23]

Propiedades químicas

Diagrama de Pourbaix para titanio en agua pura, ácido perclórico o hidróxido de sodio [25]

Al igual que el aluminio y el magnesio , la superficie del metal de titanio y sus aleaciones se oxida inmediatamente al exponerse al aire para formar una fina capa de pasivación no porosa que protege al metal a granel de una mayor oxidación o corrosión. [10] Cuando se forma por primera vez, esta capa protectora tiene solo 1-2  nm de espesor, pero continúa creciendo lentamente, alcanzando un espesor de 25 nm en cuatro años. [26] Esta capa le da al titanio una excelente resistencia a la corrosión contra los ácidos oxidantes, pero se disolverá en ácido fluorhídrico diluido , ácido clorhídrico caliente y ácido sulfúrico caliente.

El titanio es capaz de resistir el ataque de los ácidos sulfúrico y clorhídrico diluidos a temperatura ambiente, las soluciones de cloruro y la mayoría de los ácidos orgánicos. [11] Sin embargo, el titanio se corroe con los ácidos concentrados. [27] El titanio es un metal muy reactivo que arde en el aire normal a temperaturas inferiores al punto de fusión. La fusión solo es posible en una atmósfera inerte o al vacío. A 550 °C (1022 °F), se combina con el cloro. [11] También reacciona con los demás halógenos y absorbe hidrógeno. [12]

El titanio reacciona fácilmente con el oxígeno a 1200 °C (2190 °F) en el aire y a 610 °C (1130 °F) en oxígeno puro, formando dióxido de titanio . [16] El titanio es uno de los pocos elementos que arde en nitrógeno gaseoso puro, reaccionando a 800 °C (1470 °F) para formar nitruro de titanio , que causa fragilización. [28] Debido a su alta reactividad con el oxígeno, el nitrógeno y muchos otros gases, el titanio que se evapora de los filamentos es la base de las bombas de sublimación de titanio , en las que el titanio sirve como depurador de estos gases al unirse químicamente a ellos. Estas bombas producen de forma económica presiones extremadamente bajas en sistemas de ultra alto vacío .

Aparición

El titanio es el noveno elemento más abundante en la corteza terrestre (0,63 % en masa ) [29] y el séptimo metal más abundante. Está presente en forma de óxidos en la mayoría de las rocas ígneas , en los sedimentos derivados de ellas, en los seres vivos y en los cuerpos de agua naturales. [10] [11] De los 801 tipos de rocas ígneas analizados por el Servicio Geológico de los Estados Unidos , 784 contenían titanio. Su proporción en los suelos es de aproximadamente el 0,5-1,5 %. [29]

Los minerales comunes que contienen titanio son anatasa , brookita , ilmenita , perovskita , rutilo y titanita (esfena). [26] La akaogiita es un mineral extremadamente raro que consiste en dióxido de titanio. De estos minerales, solo el rutilo y la ilmenita tienen importancia económica, pero incluso ellos son difíciles de encontrar en altas concentraciones. En 2011 se extrajeron alrededor de 6,0 y 0,7 millones de toneladas de esos minerales, respectivamente. [30] Existen importantes depósitos de ilmenita que contienen titanio en Australia , Canadá , China , India , Mozambique , Nueva Zelanda , Noruega , Sierra Leona , Sudáfrica y Ucrania . [26] En 2020 se produjeron alrededor de 210.000 toneladas de esponja metálica de titanio , principalmente en China (110.000 t), Japón (50.000 t), Rusia (33.000 t) y Kazajstán (15.000 t). Se estima que las reservas totales de anatasa, ilmenita y rutilo superan los 2.000 millones de toneladas. [30]

Producción de minerales de titanio y escoria en 2017 [30]
Paísmil
toneladas		% del total
Porcelana3.83033.1
Australia1,51313.1
Mozambique1.0709.3
Canadá1.0308.9
Sudáfrica7436.4
Kenia5624.9
India5104.4
Senegal5024.3
Ucrania4924.3
Mundo11,563100

La concentración de titanio en el océano es de aproximadamente 4 picomolar . A 100 °C, se estima que la concentración de titanio en el agua es inferior a 10 −7 M a pH 7. La identidad de las especies de titanio en solución acuosa sigue siendo desconocida debido a su baja solubilidad y la falta de métodos espectroscópicos sensibles, aunque solo el estado de oxidación 4+ es estable en el aire. No existe evidencia de un papel biológico, aunque se sabe que algunos organismos raros acumulan altas concentraciones de titanio. [31]

El titanio se encuentra en meteoritos y se ha detectado en el Sol y en estrellas de tipo M [11] (el tipo más frío) con una temperatura superficial de 3200 °C (5790 °F). [32] Las rocas traídas de la Luna durante la misión Apolo 17 están compuestas por un 12,1 % de TiO 2 . [11] El titanio nativo (metálico puro) es muy raro. [33]

Isótopos

El titanio natural se compone de cinco isótopos estables : 46Ti , 47Ti , 48Ti , 49Ti y 50Ti , siendo el 48Ti el más abundante (73,8% de abundancia natural ). Se han caracterizado al menos 21 radioisótopos , de los cuales los más estables son el 44Ti con una vida media de 63 años; el 45Ti , 184,8 minutos; el 51Ti , 5,76 minutos; y el 52Ti , 1,7 minutos. Todos los demás isótopos radiactivos tienen vidas medias inferiores a 33 segundos, y la mayoría tienen vidas medias inferiores a medio segundo. [17]

Los isótopos del titanio varían en peso atómico desde39.002  Da ( 39 Ti) a63,999 Da ( 64 Ti). [34] El modo de desintegración primario para los isótopos más ligeros que 46 Ti es la emisión de positrones (con la excepción de 44 Ti que sufre captura de electrones ), dando lugar a los isótopos de escandio , y el modo primario para los isótopos más pesados ​​que 50 Ti es la emisión beta , dando lugar a los isótopos de vanadio . [17]

El titanio se vuelve radiactivo al ser bombardeado con deuterones , emitiendo principalmente positrones y rayos gamma duros . [11]

Compuestos

Una broca helicoidal de color acero con la ranura en espiral coloreada en un tono dorado.
Broca recubierta de TiN

El estado de oxidación +4 domina la química del titanio, [35] pero los compuestos en el estado de oxidación +3 también son numerosos. [36] Comúnmente, el titanio adopta una geometría de coordinación octaédrica en sus complejos, [37] [38] pero el TiCl 4 tetraédrico es una excepción notable. Debido a su alto estado de oxidación, los compuestos de titanio (IV) exhiben un alto grado de enlace covalente . [35]

Óxidos, sulfuros y alcóxidos

El óxido más importante es el TiO 2 , que existe en tres polimorfos importantes : anatasa, brookita y rutilo. Los tres son sólidos diamagnéticos blancos, aunque las muestras minerales pueden aparecer oscuras (véase rutilo ). Adoptan estructuras poliméricas en las que el Ti está rodeado por seis ligandos de óxido que se unen a otros centros de Ti. [39]

El término titanatos se refiere generalmente a compuestos de titanio (IV), como el titanato de bario (BaTiO 3 ). Con una estructura de perovskita, este material exhibe propiedades piezoeléctricas y se utiliza como transductor en la interconversión de sonido y electricidad . [16] Muchos minerales son titanatos, como la ilmenita (FeTiO 3 ). Los zafiros estrella y los rubíes obtienen su asterismo (brillo formador de estrellas) de la presencia de impurezas de dióxido de titanio. [26]

Se conocen diversos óxidos reducidos ( subóxidos ) de titanio , principalmente estequiometrías reducidas de dióxido de titanio obtenidas por pulverización de plasma atmosférico . El Ti3O5 , descrito como una especie Ti(IV)-Ti(III), es un semiconductor púrpura producido por reducción de TiO2 con hidrógeno a altas temperaturas, [40] y se utiliza industrialmente cuando es necesario recubrir superficies con vapor de dióxido de titanio: se evapora como TiO puro, mientras que el TiO2 se evapora como una mezcla de óxidos y deposita recubrimientos con índice de refracción variable. [41] También se conoce el Ti2O3 , con la estructura de corindón , y el TiO , con la estructura de sal de roca , aunque a menudo no estequiométrica . [42]

Los alcóxidos de titanio (IV), preparados mediante el tratamiento de TiCl 4 con alcoholes , son compuestos incoloros que se convierten en dióxido al reaccionar con agua. Son industrialmente útiles para depositar TiO 2 sólido mediante el proceso sol-gel . El isopropóxido de titanio se utiliza en la síntesis de compuestos orgánicos quirales mediante la epoxidación de Sharpless . [43]

El titanio forma una variedad de sulfuros, pero solo el TiS2 ha atraído un interés significativo. Adopta una estructura en capas y se utilizó como cátodo en el desarrollo de baterías de litio . Debido a que el Ti(IV) es un "catión duro" , los sulfuros de titanio son inestables y tienden a hidrolizarse al óxido con liberación de sulfuro de hidrógeno . [44]

Nitruros y carburos

El nitruro de titanio (TiN) es un sólido refractario que presenta una dureza extrema, conductividad térmica/eléctrica y un alto punto de fusión. [45] El TiN tiene una dureza equivalente al zafiro y al carborundo (9,0 en la escala de Mohs ), [46] y se utiliza a menudo para recubrir herramientas de corte, como brocas . [47] También se utiliza como acabado decorativo de color dorado y como capa de barrera en la fabricación de semiconductores . [48] El carburo de titanio (TiC), que también es muy duro, se encuentra en herramientas de corte y recubrimientos. [49]

Haluros

Los compuestos de titanio (III) son característicamente de color violeta, como lo ilustra esta solución acuosa de tricloruro de titanio .

El tetracloruro de titanio (cloruro de titanio (IV), TiCl 4 [50] ) es un líquido volátil incoloro (las muestras comerciales son amarillentas) que, en el aire, se hidroliza con una espectacular emisión de nubes blancas. A través del proceso Kroll , el TiCl 4 se utiliza en la conversión de minerales de titanio en titanio metálico. El tetracloruro de titanio también se utiliza para fabricar dióxido de titanio, por ejemplo, para su uso en pintura blanca. [51] Se utiliza ampliamente en química orgánica como ácido de Lewis , por ejemplo en la condensación aldólica de Mukaiyama . [52] En el proceso de van Arkel–de Boer , el tetrayoduro de titanio (TiI 4 ) se genera en la producción de titanio metálico de alta pureza. [53]

El titanio (III) y el titanio (II) también forman cloruros estables. Un ejemplo notable es el cloruro de titanio (III) (TiCl 3 ), que se utiliza como catalizador para la producción de poliolefinas (véase el catalizador de Ziegler-Natta ) y como agente reductor en química orgánica. [54]

Complejos organometálicos

Debido al importante papel de los compuestos de titanio como catalizadores de polimerización , los compuestos con enlaces Ti-C se han estudiado intensamente. El complejo de organotitanio más común es el dicloruro de titanoceno ((C 5 H 5 ) 2 TiCl 2 ). Los compuestos relacionados incluyen el reactivo de Tebbe y el reactivo de Petasis . El titanio forma complejos de carbonilo , por ejemplo (C 5 H 5 ) 2 Ti(CO) 2 . [55]

Estudios de terapia contra el cáncer

Tras el éxito de la quimioterapia basada en platino , los complejos de titanio (IV) estuvieron entre los primeros compuestos no derivados del platino que se probaron para el tratamiento del cáncer. La ventaja de los compuestos de titanio radica en su alta eficacia y baja toxicidad in vivo . [56] En entornos biológicos, la hidrólisis conduce al dióxido de titanio, un compuesto seguro e inerte. A pesar de estas ventajas, los primeros compuestos candidatos no superaron los ensayos clínicos debido a una relación eficacia-toxicidad insuficiente y a complicaciones en la formulación. [56] Un desarrollo posterior dio como resultado la creación de fármacos a base de titanio potencialmente eficaces, selectivos y estables. [56]

Historia

Imagen de perfil grabada de un hombre de mediana edad con frente amplia. La persona lleva un abrigo y un pañuelo al cuello.
Martin Heinrich Klaproth denominó titanio en honor a los Titanes de la mitología griega .

El titanio fue descubierto en 1791 por el clérigo y geólogo William Gregor como una inclusión de un mineral en Cornualles , Gran Bretaña. [57] Gregor reconoció la presencia de un nuevo elemento en la ilmenita [12] cuando encontró arena negra junto a un arroyo y notó que la arena era atraída por un imán . [57] Al analizar la arena, determinó la presencia de dos óxidos metálicos: óxido de hierro (lo que explica la atracción hacia el imán) y un 45,25% de un óxido metálico blanco que no pudo identificar. [29] Al darse cuenta de que el óxido no identificado contenía un metal que no coincidía con ningún elemento conocido, en 1791 Gregor informó sus hallazgos en revistas científicas alemanas y francesas: Crell's Annalen y Observations et Mémoires sur la Physique . [57] [58] [59] Llamó a este óxido manaccanita . [60]

Casi al mismo tiempo, Franz-Joseph Müller von Reichenstein produjo una sustancia similar, pero no pudo identificarla. [12] El óxido fue redescubierto independientemente en 1795 por el químico prusiano Martin Heinrich Klaproth en rutilo de Boinik (el nombre alemán de Bajmócska), un pueblo en Hungría (ahora Bojničky en Eslovaquia). [57] [b] Klaproth descubrió que contenía un nuevo elemento y lo nombró en honor a los Titanes de la mitología griega . [32] Después de enterarse del descubrimiento anterior de Gregor, obtuvo una muestra de manaccanita y confirmó que contenía titanio. [62]

Los procesos actualmente conocidos para extraer titanio de sus diversos minerales son laboriosos y costosos; no es posible reducir el mineral calentándolo con carbono (como en la fundición de hierro) porque el titanio se combina con el carbono para producir carburo de titanio. [57] El titanio metálico puro (99,9%) fue preparado por primera vez en 1910 por Matthew A. Hunter en el Instituto Politécnico Rensselaer calentando TiCl 4 con sodio a 700–800 °C (1292–1472 °F) bajo gran presión [63] en un proceso por lotes conocido como el proceso Hunter . [11] El titanio metálico no se utilizó fuera del laboratorio hasta 1932, cuando William Justin Kroll lo produjo reduciendo tetracloruro de titanio (TiCl 4 ) con calcio . [64] Ocho años más tarde, refinó este proceso con magnesio y con sodio en lo que se conoció como el proceso Kroll. [64] Aunque la investigación continúa buscando rutas más baratas y eficientes, como el proceso FFC Cambridge , el proceso Kroll todavía se utiliza predominantemente para la producción comercial. [11] [12]

"Esponja" de titanio, fabricada mediante el proceso Kroll

El titanio de muy alta pureza se fabricó en pequeñas cantidades cuando Anton Eduard van Arkel y Jan Hendrik de Boer descubrieron el proceso del yoduro en 1925, reaccionando con yodo y descomponiendo los vapores formados sobre un filamento caliente hasta obtener metal puro. [65]

En las décadas de 1950 y 1960, la Unión Soviética fue pionera en el uso del titanio en aplicaciones militares y submarinas [63] ( clase Alfa y clase Mike ) [66] como parte de programas relacionados con la Guerra Fría. [67] A principios de la década de 1950, el titanio comenzó a usarse ampliamente en la aviación militar, particularmente en aviones a reacción de alto rendimiento, comenzando con aviones como el F-100 Super Sabre y el Lockheed A-12 y SR-71 . [68]

Durante el período de la Guerra Fría, el gobierno de los EE. UU. consideró que el titanio era un material estratégico y el Centro Nacional de Reservas de Defensa mantuvo una gran reserva de esponja de titanio (una forma porosa del metal puro) hasta que la reserva se dispersó en la década de 2000. [69] En 2021, los cuatro principales productores de esponja de titanio eran China (52 %), Japón (24 %), Rusia (16 %) y Kazajstán (7 %). [30]

Producción

Un pequeño montón de granos negros uniformes de menos de 1 mm de diámetro.
Titanio (concentrado mineral)
Productos básicos de titanio: placas, tubos, varillas y polvo

Procesos de beneficiación de minerales

Procesos de purificación

Proceso de Hunter

El proceso Hunter fue el primer proceso industrial para producir titanio metálico puro. Fue inventado en 1910 por Matthew A. Hunter , un químico nacido en Nueva Zelanda que trabajaba en los Estados Unidos. [71] El proceso implica la reducción del tetracloruro de titanio (TiCl 4 ) con sodio (Na) en un reactor discontinuo con una atmósfera inerte a una temperatura de 1000 °C. Luego se utiliza ácido clorhídrico diluido para lixiviar la sal del producto. [72]

TiCl 4 (g) + 4 Na(l) → 4 NaCl(l) + Ti(s)

Proceso Kroll

El procesamiento del metal de titanio ocurre en cuatro pasos principales: reducción del mineral de titanio en "esponja", una forma porosa; fusión de la esponja, o esponja más una aleación maestra para formar un lingote; fabricación primaria, donde un lingote se convierte en productos de laminación generales como tochos , barras, placas , láminas , tiras y tubos ; y fabricación secundaria de formas terminadas a partir de productos de laminación. [73]

Debido a que no se puede producir fácilmente mediante la reducción del dióxido de titanio, [18] el metal titanio se obtiene mediante la reducción del tetracloruro de titanio (TiCl 4 ) con magnesio metálico en el proceso Kroll. La complejidad de esta producción por lotes en el proceso Kroll explica el valor de mercado relativamente alto del titanio, [74] a pesar de que el proceso Kroll es menos costoso que el proceso Hunter. [63] Para producir el TiCl 4 requerido por el proceso Kroll, el dióxido se somete a una reducción carbotérmica en presencia de cloro . En este proceso, el gas de cloro se pasa sobre una mezcla al rojo vivo de rutilo o ilmenita en presencia de carbono. Después de una extensa purificación por destilación fraccionada , el TiCl 4 se reduce con magnesio fundido a 800 °C (1470 °F) en una atmósfera de argón . [16]

2 FeTiO 3 + 7 Cl 2 + 6 do → 900 o do 2 FeCl 3 + 2 TiCl 4 + 6 CO {\displaystyle {\ce {2FeTiO3 + 7Cl2 + 6C ->[900^oC] 2FeCl3 + 2TiCl4 + 6CO}}}
TiCl 4 + 2 Mg → 1100 o do Sí + 2 Cloruro de magnesio 2 {\displaystyle {\ce {TiCl4 + 2Mg ->[1100^oC] Ti + 2MgCl2}}}

Proceso Arkel-Boer

El proceso van Arkel-de Boer fue el primer proceso semiindustrial para obtener titanio puro. Implica la descomposición térmica del tetrayoduro de titanio .

Proceso Armstrong

El polvo de titanio se fabrica mediante un proceso de producción en flujo conocido como proceso Armstrong [75] que es similar al proceso Hunter de producción por lotes . Se añade una corriente de gas de tetracloruro de titanio a una corriente de sodio fundido; los productos (sal de cloruro de sodio y partículas de titanio) se filtran del sodio adicional. Luego, el titanio se separa de la sal mediante lavado con agua. Tanto el sodio como el cloro se reciclan para producir y procesar más tetracloruro de titanio. [76]

Plantas piloto

Se han investigado y probado métodos para la producción electrolítica de metal Ti a partir de TiO2 utilizando electrolitos de sal fundida a escala de laboratorio y de planta piloto pequeña. El autor principal de una revisión imparcial publicada en 2017 consideró que su propio proceso "está listo para ser ampliado". [77] Una revisión de 2023 "analiza los principios electroquímicos involucrados en la recuperación de metales a partir de soluciones acuosas y electrolitos de sal fundida", con especial atención al titanio. Si bien algunos metales como el níquel y el cobre se pueden refinar mediante electroobtención a temperatura ambiente, el titanio debe estar en estado fundido y "existe una gran posibilidad de que el revestimiento refractario sea atacado por el titanio fundido". [78] Zhang et al. concluyeron en su Perspectiva sobre los procesos termoquímicos y electroquímicos para la producción de metal de titanio en 2017 que "si bien existen fuertes intereses en la industria por encontrar un mejor método para producir metal Ti, y se han investigado una gran cantidad de nuevos conceptos y mejoras en el laboratorio o incluso a escala de planta piloto, hasta la fecha no existe un proceso nuevo que pueda reemplazar comercialmente el proceso Kroll". [79]

El proceso de reducción magnesiotérmica asistida por hidrógeno (HAMR) utiliza dihidruro de titanio .

Fabricación

Precio de mercado del titanio

Toda soldadura de titanio debe realizarse en una atmósfera inerte de argón o helio para protegerlo de la contaminación con gases atmosféricos (oxígeno, nitrógeno e hidrógeno). [23] La contaminación provoca una variedad de condiciones, como la fragilización , que reducen la integridad de las soldaduras de ensamblaje y conducen a fallas en las juntas. [80]

El titanio es muy difícil de soldar directamente, por lo que se recubre el titanio con un metal o aleación soldable, como el acero, antes de soldarlo. [81] El titanio metálico se puede mecanizar con el mismo equipo y los mismos procesos que el acero inoxidable . [23]

Aleaciones de titanio

Las aleaciones de titanio más comunes se obtienen por reducción. Por ejemplo, el cuprotitanio (rutilo con cobre añadido), el titanio ferrocarbonado (ilmenita reducida con coque en un horno eléctrico) y el manganotitanio (rutilo con manganeso u óxidos de manganeso) se reducen. [82]

Actualmente se diseñan y utilizan alrededor de cincuenta grados de aleaciones de titanio , aunque solo un par de docenas están disponibles comercialmente. [83] La ASTM International reconoce 31 grados de metal y aleaciones de titanio, de los cuales los grados uno a cuatro son comercialmente puros (sin aleaciones). Estos cuatro varían en resistencia a la tracción en función del contenido de oxígeno, siendo el grado 1 el más dúctil (resistencia a la tracción más baja con un contenido de oxígeno de 0,18%) y el grado 4 el menos dúctil (resistencia a la tracción más alta con un contenido de oxígeno de 0,40%). [26] Los grados restantes son aleaciones, cada una diseñada para propiedades específicas de ductilidad, resistencia, dureza, resistividad eléctrica, resistencia a la fluencia , resistencia específica a la corrosión y combinaciones de las mismas. [84]

Además de las especificaciones ASTM, las aleaciones de titanio también se producen para cumplir con las especificaciones aeroespaciales y militares (SAE-AMS, MIL-T), las normas ISO y las especificaciones específicas de cada país, así como las especificaciones patentadas del usuario final para aplicaciones aeroespaciales, militares, médicas e industriales. [85]

Conformado y forjado

Se pueden formar fácilmente productos planos comercialmente puros (láminas, placas), pero el procesamiento debe tener en cuenta la tendencia del metal a recuperar su forma elástica . Esto es especialmente cierto en el caso de ciertas aleaciones de alta resistencia. [86] [87] La ​​exposición al oxígeno del aire a las temperaturas elevadas utilizadas en la forja da como resultado la formación de una capa superficial metálica frágil rica en oxígeno llamada " caja alfa " que empeora las propiedades de fatiga, por lo que debe eliminarse mediante fresado, grabado o tratamiento electroquímico. [88] El trabajo del titanio es muy complicado, [89] [90] [91] y puede incluir soldadura por fricción , [92] crioforja, [93] y refundición con arco al vacío .

Aplicaciones

Un cilindro de titanio de calidad “grado 2”

El titanio se utiliza en acero como elemento de aleación ( ferrotitanio ) para reducir el tamaño del grano y como desoxidante , y en acero inoxidable para reducir el contenido de carbono. [10] El titanio se alea a menudo con aluminio (para refinar el tamaño del grano), vanadio , cobre (para endurecer), hierro , manganeso , molibdeno y otros metales. [94] Los productos laminados de titanio (láminas, placas, barras, alambres, forjados, fundiciones) encuentran aplicación en los mercados industriales, aeroespaciales, recreativos y emergentes. El titanio en polvo se utiliza en pirotecnia como fuente de partículas de combustión brillante. [95]

Pigmentos, aditivos y recubrimientos

Vidrio de reloj sobre una superficie negra con una pequeña porción de polvo blanco
El dióxido de titanio es el compuesto de titanio más comúnmente utilizado.

Aproximadamente el 95% de todo el mineral de titanio se destina al refinamiento en dióxido de titanio ( TiO
2), un pigmento permanente de color blanco intenso que se utiliza en pinturas, papel, pasta de dientes y plásticos. [30] También se utiliza en cemento, en piedras preciosas y como opacificante óptico en papel. [96]

TiO
2El pigmento es químicamente inerte, resiste la decoloración por la luz solar y es muy opaco: imparte un color blanco puro y brillante a los químicos marrones o grises que forman la mayoría de los plásticos domésticos. [12] En la naturaleza, este compuesto se encuentra en los minerales anatasa, brookita y rutilo. [10] La pintura hecha con dióxido de titanio se comporta bien en temperaturas severas y ambientes marinos. [12] El dióxido de titanio puro tiene un índice de refracción muy alto y una dispersión óptica mayor que el diamante . [11] El dióxido de titanio se usa en protectores solares porque refleja y absorbe la luz ultravioleta . [18]

Aeroespacial y marina

Lockheed A-12 , primer avión fabricado con un 93% de titanio

Debido a que las aleaciones de titanio tienen una alta relación entre resistencia a la tracción y densidad, [16] alta resistencia a la corrosión , [11] resistencia a la fatiga, alta resistencia al agrietamiento, [97] y capacidad para soportar temperaturas moderadamente altas sin deslizarse, se utilizan en aeronaves, blindaje, buques de guerra, naves espaciales y misiles. [11] [12] Para estas aplicaciones, el titanio se alea con aluminio, circonio, níquel, [98] vanadio y otros elementos para fabricar una variedad de componentes que incluyen piezas estructurales críticas, tren de aterrizaje , cortafuegos , conductos de escape (helicópteros) y sistemas hidráulicos. De hecho, aproximadamente dos tercios de todo el metal de titanio producido se utiliza en motores y marcos de aeronaves. [99] La aleación de titanio 6AL-4V representa casi el 50% de todas las aleaciones utilizadas en aplicaciones aeronáuticas. [100]

El Lockheed A-12 y el SR-71 "Blackbird" fueron dos de los primeros armazones de aeronaves en los que se utilizó titanio, allanando el camino para un uso mucho más amplio en las aeronaves militares y comerciales modernas. Una gran cantidad de productos laminados de titanio se utilizan en la producción de muchas aeronaves, como (los siguientes valores son la cantidad de productos laminados en bruto utilizados, solo una fracción de esto termina en la aeronave terminada): 116 toneladas métricas se utilizan en el Boeing 787 , 77 en el Airbus A380 , 59 en el Boeing 777 , 45 en el Boeing 747 , 32 en el Airbus A340 , 18 en el Boeing 737 , 18 en el Airbus A330 y 12 en el Airbus A320 . [101] En aplicaciones de motores aeronáuticos, el titanio se utiliza para rotores, álabes de compresores, componentes del sistema hidráulico y góndolas . [102] [103] Uno de los primeros usos en motores a reacción fue en el Orenda Iroquois en la década de 1950. [ se necesita una mejor fuente ] [104]

Debido a que el titanio es resistente a la corrosión por el agua de mar, se utiliza para fabricar ejes de hélice, aparejos, intercambiadores de calor en plantas de desalinización , [11] calentadores-enfriadores para acuarios de agua salada, líneas y guías de pesca y cuchillos de buceo. El titanio se utiliza en las carcasas y componentes de dispositivos de vigilancia y monitoreo desplegados en el océano para la ciencia y el ejército. La ex Unión Soviética desarrolló técnicas para fabricar submarinos con cascos de aleaciones de titanio, [105] forjando titanio en enormes tubos de vacío. [98]

Industrial

Sellos de sellado de titanio

Las tuberías y equipos de proceso de titanio soldados (intercambiadores de calor, tanques, recipientes de proceso, válvulas) se utilizan en las industrias química y petroquímica principalmente por su resistencia a la corrosión. Se utilizan aleaciones específicas en aplicaciones de pozos de petróleo y gas y en la hidrometalurgia del níquel por su alta resistencia (por ejemplo: aleación de titanio beta C), resistencia a la corrosión o ambas. La industria de la pulpa y el papel utiliza titanio en equipos de proceso expuestos a medios corrosivos, como hipoclorito de sodio o gas de cloro húmedo (en el blanqueo). [106] Otras aplicaciones incluyen soldadura ultrasónica , soldadura por ola , [107] y objetivos de pulverización catódica . [108]

El tetracloruro de titanio (TiCl 4 ), un líquido incoloro, es importante como intermediario en el proceso de fabricación de TiO 2 y también se utiliza para producir el catalizador Ziegler-Natta. El tetracloruro de titanio también se utiliza para iridiscer el vidrio y, debido a que emite fuertes vapores en el aire húmedo, se utiliza para hacer cortinas de humo. [18]

Consumidor y arquitectura

Controlador de altavoz de agudos con membrana de 25 mm de diámetro fabricada en titanio; de una caja de altavoz JBL TI 5000 , c.  1997

El metal de titanio se utiliza en aplicaciones automotrices, particularmente en carreras de automóviles y motocicletas donde el bajo peso y la alta resistencia y rigidez son fundamentales. [109] (p 141) El metal es generalmente demasiado caro para el mercado de consumo general, aunque algunos Corvette de modelos recientes se han fabricado con escapes de titanio, [110] y el motor supercargado LT4 de un Corvette Z06 utiliza válvulas de admisión de titanio sólido y liviano para una mayor resistencia y resistencia al calor. [111]

El titanio se utiliza en muchos artículos deportivos: raquetas de tenis, palos de golf, varillas de palos de lacrosse, rejillas para cascos de cricket, hockey, lacrosse y fútbol, ​​y cuadros y componentes de bicicletas. Aunque no es un material común para la producción de bicicletas, las bicicletas de titanio han sido utilizadas por equipos de carreras y ciclistas de aventura . [112]

Las aleaciones de titanio se utilizan en monturas de gafas que son bastante caras pero muy duraderas, resistentes, ligeras y no provocan alergias en la piel. El titanio es un material habitual para utensilios de cocina y de mesa para mochileros. Aunque son más caros que las alternativas tradicionales de acero o aluminio, los productos de titanio pueden ser significativamente más ligeros sin comprometer la resistencia. Los herradores prefieren las herraduras de titanio a las de acero porque son más ligeras y duraderas. [113]

Revestimiento de titanio del Museo Guggenheim de Frank Gehry , Bilbao

El titanio se ha utilizado ocasionalmente en arquitectura. El monumento de 42,5 m (139 pies) a Yuri Gagarin , el primer hombre en viajar al espacio ( 55°42′29.7″N 37°34′57.2″E / 55.708250, -37.582556 ), así como el monumento de 110 m (360 pies) a los Conquistadores del Espacio en la parte superior del Museo de los Cosmonautas en Moscú están hechos de titanio por el color atractivo del metal y su asociación con la cohetería. [114] [115] El Museo Guggenheim Bilbao y la Biblioteca Cerritos Millennium fueron los primeros edificios en Europa y América del Norte, respectivamente, en estar revestidos con paneles de titanio. [99] En el edificio Frederic C. Hamilton de Denver, Colorado, se utilizó un revestimiento de titanio. [116]

Debido a la superior resistencia y ligereza del titanio en relación con otros metales (acero, acero inoxidable y aluminio), y debido a los recientes avances en las técnicas de trabajo de los metales, su uso se ha extendido en la fabricación de armas de fuego. Los usos principales incluyen armazones de pistolas y cilindros de revólveres. Por las mismas razones, se utiliza en el cuerpo de algunas computadoras portátiles (por ejemplo, en el PowerBook G4 de Apple ). [117] [118]

En 2023, Apple lanzó el iPhone 15 Pro , que utiliza una carcasa de titanio. [119]

Algunas herramientas de alta calidad, ligeras y resistentes a la corrosión, como palas, mangos de cuchillos y linternas, están hechas de titanio o aleaciones de titanio. [118]

Joyas

Relación entre el voltaje y el color del titanio anodizado

Debido a su durabilidad, el titanio se ha vuelto más popular para la joyería de diseño (en particular, anillos de titanio ). [113] Su inercia lo convierte en una buena opción para quienes tienen alergias o quienes usarán las joyas en entornos como piscinas. El titanio también se alea con oro para producir una aleación que se puede comercializar como oro de 24 quilates porque el 1% de Ti aleado es insuficiente para requerir una marca menor. La aleación resultante tiene aproximadamente la dureza del oro de 14 quilates y es más duradera que el oro puro de 24 quilates. [120]

La durabilidad del titanio, su peso ligero y su resistencia a las abolladuras y la corrosión lo hacen útil para cajas de relojes . [113] Algunos artistas trabajan con titanio para producir esculturas, objetos decorativos y muebles. [121]

El titanio se puede anodizar para variar el espesor de la capa de óxido de la superficie, lo que provoca franjas de interferencia óptica y una variedad de colores brillantes. [122] Con esta coloración e inercia química, el titanio es un metal popular para perforaciones corporales . [123]

El titanio tiene un uso menor en monedas y medallas no circulantes. En 1999, Gibraltar lanzó la primera moneda de titanio del mundo para la celebración del milenio. [124] Los Gold Coast Titans , un equipo de la liga de rugby australiana, otorgan una medalla de titanio puro a su jugador del año. [125]

Médico

Debido a que el titanio es biocompatible (no es tóxico y no es rechazado por el cuerpo), tiene muchos usos médicos, incluidos instrumentos quirúrgicos e implantes, como bolas y cavidades para la cadera ( reemplazo de articulaciones ) e implantes dentales que pueden permanecer en su lugar hasta por 20 años. [57] El titanio a menudo se alea con aproximadamente 4% de aluminio o 6% de Al y 4% de vanadio. [126]

Tornillos y placas médicos utilizados para reparar fracturas de muñeca. La escala está en centímetros.

El titanio tiene la capacidad inherente de osteointegrarse , lo que permite su uso en implantes dentales que pueden durar más de 30 años. Esta propiedad también es útil para aplicaciones de implantes ortopédicos . [57] Estos se benefician del menor módulo de elasticidad del titanio ( módulo de Young ) para coincidir más estrechamente con el del hueso que dichos dispositivos están destinados a reparar. Como resultado, las cargas esqueléticas se comparten de manera más uniforme entre el hueso y el implante, lo que conduce a una menor incidencia de degradación ósea debido al blindaje contra el estrés y las fracturas óseas periprotésicas , que ocurren en los límites de los implantes ortopédicos. Sin embargo, la rigidez de las aleaciones de titanio sigue siendo más del doble que la del hueso, por lo que el hueso adyacente soporta una carga muy reducida y puede deteriorarse. [127] [128]

Como el titanio no es ferromagnético , los pacientes con implantes de titanio pueden ser examinados de forma segura con imágenes por resonancia magnética (conveniente para implantes de larga duración). La preparación del titanio para su implantación en el cuerpo implica someterlo a un arco de plasma de alta temperatura que elimina los átomos de la superficie, exponiendo titanio fresco que se oxida instantáneamente. [57]

Los avances modernos en las técnicas de fabricación aditiva han aumentado el potencial del uso del titanio en aplicaciones de implantes ortopédicos. [129] Los diseños complejos de estructuras de implantes se pueden imprimir en 3D utilizando aleaciones de titanio, lo que permite aplicaciones más específicas para el paciente y una mayor osteointegración del implante. [130]

El titanio se utiliza para los instrumentos quirúrgicos utilizados en cirugía guiada por imágenes , así como en sillas de ruedas, muletas y cualquier otro producto donde se desee alta resistencia y bajo peso. [131]

Las nanopartículas de dióxido de titanio se utilizan ampliamente en electrónica y en el suministro de productos farmacéuticos y cosméticos. [132]

Almacenamiento de residuos nucleares

Debido a su resistencia a la corrosión, se han estudiado contenedores fabricados con titanio para el almacenamiento a largo plazo de residuos nucleares. Se cree que es posible fabricar contenedores que duren más de 100.000 años si se fabrican en condiciones que minimicen los defectos del material. [133] También se podría instalar un "protector antigoteo" de titanio sobre contenedores de otros tipos para aumentar su longevidad. [134]

Precauciones

El titanio no es tóxico ni siquiera en grandes dosis y no desempeña ninguna función natural en el cuerpo humano . [32] Se estima que los seres humanos ingieren una cantidad de 0,8 miligramos de titanio cada día, pero la mayor parte pasa a través de los tejidos sin ser absorbida. [32] Sin embargo, a veces se bioacumula en los tejidos que contienen sílice . Un estudio indica una posible conexión entre el titanio y el síndrome de las uñas amarillas . [135]

En forma de polvo o virutas de metal, el titanio metálico representa un riesgo de incendio significativo y, cuando se calienta al aire , un riesgo de explosión. [136] El agua y el dióxido de carbono son ineficaces para extinguir un incendio de titanio; en su lugar, se deben utilizar agentes de polvo seco de clase D. [12]

Cuando se utiliza en la producción o manipulación de cloro, el titanio no debe exponerse al gas de cloro seco porque puede provocar un incendio de titanio y cloro. [137]

El titanio puede incendiarse cuando una superficie fresca y no oxidada entra en contacto con oxígeno líquido . [138]

Función en las plantas

Las hojas elípticas dentadas de color verde oscuro de una ortiga
Las ortigas contienen hasta 80 partes por millón de titanio. [32]

Un mecanismo desconocido en las plantas podría utilizar el titanio para estimular la producción de carbohidratos y fomentar el crecimiento. Esto podría explicar por qué la mayoría de las plantas contienen alrededor de 1 parte por millón (ppm) de titanio, las plantas alimenticias tienen alrededor de 2 ppm y la cola de caballo y la ortiga contienen hasta 80 ppm. [32]

Véase también

Notas al pie

  1. ^ La expansión térmica es anisotrópica : los coeficientes para cada eje del cristal son (a 20 °C): α a  = 9,48 × 10 −6 /K, α c  = 10,06 × 10 −6 /K, y α promedio = α V /3 = 9,68 × 10 −6 /K.
  2. ^ "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; ... " [61] (p. 244) [En virtud de esto, el nombre de la actual sustancia metálica, como sucedió de manera similar en el caso del uranio, derivaré de la mitología, es decir, de los primeros hijos de la Tierra, los Titanes, y por lo tanto [Yo] llamo a esta nueva especie de metal: "titanio"; ... ]

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