Titaan

Allikas: Vikipeedia
Disambig gray.svg  See artikkel räägib keemilisest elemendist; vanakreeka mütoloogia tegelaste kohta vaata artiklit Titaanid; Saturni kaaslane kannab nime Titan.

22



2
10
8
2
Ti
47,90
Titaan
Titaan kristallina

Titaan on element järjenumbriga 22. Tema sümbol on Ti. Omadustelt on titaan metall. Tema tihedus on 4,5 g/cm³ ja sulamistemperatuur 1668 °C. Püsivaim oksüdatsiooniaste on +4, see on amfoteerne. Oksüdatsiooniastmed +3 ja +2 on redutseerivate omadustega. Tal on 5 stabiilset isotoopi massiarvudega 46, 47, 48, 49 ja 50.

Titaan avastati Inglismaal Cornwallis William Gregori poolt aastal 1791. Nime sai Martin Heinrich Klaprothilt Kreeka mütoloogia Titaanide järgi. Elementi leidub paljudes mineraalides maakoores (litosfääris). Leidub peaaegu kõigis elusorganismides, kivimites, veekogudes ja muldades.[1] Titaani eraldamiseks mineraalidest kasutatakse praegu enamasti Krolli meetodit.[2] Kõige levinum ühend, titaandioksiid, on populaarne fotokatalüsaator ning seda kasutatakse valgete pigmentide tootmisel.[3] Teiste ühendite hulka kuuluvad veel titaantetrakloriid (TiCl4), mida kasutatakse suitsukatetes ja katalüsaatorina ning titaantrikloriid (TiCl3), mis leiab kasutust katalüsaatorina polüpropüleeni tootmisel. [4]

Titaanist moodustakse sulamit raua, alumiiniumi, vanaadiumi, molübdeeni ning teiste elementidega, et moodustada tugevaid kergekaalulisi sulameid lennunduse (reaktiivmootorid, raketid, kosmoseaparaadid), autotööstuse, meditsiini, sporditarvete, ehete ja muude kasutusalade tarvis.

Kaks kõige kasulikumat omadust on titaani vastupidavus korrosioonile (sealhulgas mereveele, kuningveele ja kloorile) ja tema suurim tugevuse ja kaalu suhe metallide hulgas. Puhtal kujul on ta sama tugev kui mõned terase sulamid, kuid 45% kergem. Keemiliste ja füüsikaliste omaduste poolest on titaan sarnane tsirkooniumile, kuna mõlemal on sama arv valentselektrone ning asuvad perioodilisustabelis samas grupis.

Tunnused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Füüsikalised omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Titaansilinder

Metallilise elemendina on titaan tuntud oma kõrge tugevuse ja kaalu suhte poolest. Tegu on tugeva metalliga millel on madal tihedus ning metalselt hõbedane läige. Sulamistemperatuur on 1650 °C. Omab madalat elektri- ja soojusjuhtivust.

Titaani (99,2% puhtusega) suurim tugevuspiir on 63 000 psi (434 MPa), mis on samas suurusjärgus terase sulamitega, kuigi titaan on umbes 45% kergem. Titaan on 60% tihedam kui alumiinium, kuigi üle kahe korra tugevam kui üks enim levinud alumiiniumsulam (6061-T6). Teatud titaanisulamid on võimelised saavutama tugevuspiiri kuni 200 000 psi (1,400 MPa). Titaan kaotab oma tugevuse kui kuumutada teda kõrgemale temperatuurile kui 430 °C.

Titaan on suhteliselt kõva, mittemagnetiline ning halb elektri- ja soojusjuht. Titaani töödeldes tuleb kasutada ettevaatusabinõusid, kuna metall muutub üpris madalatel temperatuuridel pehmeks. Seega tuleb kasutada jahutust ning teravaid tööriistu.

Keemilised omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Titaanoksiid

Nagu alumiinium ja magneesium, oksüdeerub ka titaan kohe kui puutub kokku õhuga. Titaan reageerib hõlpsasti hapnikuga õhus temperatuuril 1200 °C ning 610 °C juures juhul kui on tegemist puhta hapnikuga. Mõlemal juhul moodustub titaandioksiid. Sellele vaatamata reageerib titaan väga halvasti vees ja õhus, kuna ta pinnale moodustub oksiidikiht, mis kaitseb metalli edasiste reaktsioonide eest. Alguses on kiht ainult 1–2 nanomeetrit (nm), kuid selle paksus ajapikku kasvab ning jõuab nelja aastaga 25 nm. Titaan reageerib ka lämmastikuga moodustades enda pinnale nitraadikihi. Mõlemad kihid muudavad titaani välispinna väga inertseks ning kõvaks.

Kõige tähelepanuväärsem keemiline omadus on titaani vastupidavus korrosioonile. Tegu on peaaegu sama vastupidava metalliga nagu plaatina, suutes vastu pidada lahjendatud väävelhappele, soolhappele ning ka gaasilisele kloorile ja enamikele orgaanilistele hapetele[2]. Kontsentreeritud hapetes on titaan lahustuv.

Metalli ei ole võimalik sulatada õhukeskkonnas, kuna ta põleb enne, kui sulamistemperatuur on saavutatud. Seega sulatatakse seda kas inertses gaasis (nagu argoonis) või vaakumis. 550 °C juures reageerib titaan klooriga[2]. Ta reageerib ka teiste halogeenidega ja neelab ka vesinikku.[3]

Titaan on üks väheseid elemente, mis põleb puhtas lämmastikus (800 °C juures), et moodustada titaannitraat. Puhas titaan on väga reageerimisaldis ning titaanpulber õhus on plahvatusohtlik.

Kuna puhas titaan on väga reageerimisaldis hapniku ning lämmastikuga, kasutatakse titaani filamente odava ja töökindla variandina vaakumpumpades, et luua kõrge vaakumiga süsteeme.

Paiknemine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Titaan on looduses alati seotud teiste elementidega. Tegu on üheksanda enim levinud elemendiga maakera koores (0,62% massi poolest) ja seitsmes levinuim metall. Leidub enamikes tardkivimites ja nende setetes (ka elusorganismides ning veekogudes)[1][2]. 801 tardkivimi tüübist, mida uuris Ameerika Ühendriikide Geoloogiateenistus, leiti et 784 leidus titaani. Titaani suhe mullas on umbes 0,5–1,5%

Titaan on laialt levinud anastaasis, rutiilis, ilmeniidis ning ka teistes mineraalides. Rutiil ja ilmeniit on aga ainsad, millel on majanduslik tähtsus, kuid neid on suurtes kontsentratsioonides raske leida. Vastavalt 6,0 ja 0,7 miljonit tonni aastal 2011. Suuremad leiukohad on Lääne-Austraalias, Kanadas, Hiinas, Indias, Mosambiigis, Uus-Meremaal, Norras, Ukrainas ja Lõuna-Aafrikas. Titaani reservid on hinnanguliselt suuremad kui 600 miljonit tonni.

Isotoobid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Looduses esineval titaanil on 5 stabiilset isotoopi: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti ja 50Ti, millest 48Ti on kõige levinum. On kirjeldatud üksteist radioaktiivset isotoopi, millest kõige stabiilsem on 44Ti poolestusajaga 63 aastat. 45Ti poolestusaeg on 184,8 minutit, 51Ti-l on 5,76 minutit ja 52Ti-l on see 1,7 minutit. Kõigil ülejäänutel jääb poolestusaeg alla 33 sekundi ning neist enamustel on see alla poole sekundi.[5]

Tootmine[muuda | redigeeri lähteteksti]

2011 rutiili ja ilmeniidi tootmine[6]
Riik Tuhandetes tonnides  % tervikust
Austraalia 1300 19,4
Lõuna-Aafrika 1160 17,3
Kanada 700 10,4
India 574 8,6
Mosambiik 516 7,7
Hiina 500 7,5
Vietnam 490 7,3
Ukraina 357 5,3
Maailm 6700 100

Kuna titaan reageerib kõrgetel temperatuuridel hapnikuga, ei saa tema eraldamiseks kasutada tavalisi meetodeid ning ajalooliselt on kasutuses olnud Knolli meetod. Esialgsest oksiidist saadakse TiCl4, juhtides aurustunud kloor süsiniku juuresolekul üle hõõgpunaste mineraalide. TiCl4 kondenseeritakse ja puhastatakse fraktsioneeriva destillatsiooni abil. Edasi saadus redutseeritakse 800 °C sulanud magneesiumiga argooni atmosfääris. Titaanil on suhteliselt kõrge turuhind sellepärast, et tema tootmiseks kasutatakse magneesiumi, mis on üpriski kallis metall.[7]

Hilisem meetod, mis võib ajapikku eelneva asendada, kasutab titaandioksiidi pulbrit (töödeldud rutiili) ning pulbrite segust on võimalik saada sulamit vähesemate astmetega kui kasutades Knolli meetodit. Tänu sellele võib tulevikus titaan muutuda tavapärasemaks kohtades, kus praegu kasutatakse erinevaid teras- ja alumiiniumsulameid.[7]

Tavalisemad titaani sulamid saadakse reduktsiooni teel.

2 FeTiO3 + 7 Cl2 + 6 C → 2 TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 CO (900 °C)
TiCl4 + 2 Mg → 2 MgCl2 + Ti (1100 °C)

Kasutus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ligi 95% toodetud titaanist leiab kasutust titaanoksiidi koosseisus.[8]

Titaani kasutatakse mõnede terase sulamite valmistamiseks, et vähendada süsinikusisaldust. Titaani sulameid tehakse tihti alumiiniumi, vanaadiumi, vase, raua, mangaani ja teiste metallidega.

Lennundus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tänu heale vastupidavusele korrosiooni ja mõrade tekkele ning oma tugevuse ja kaalu suhtele on titaan leidnud laia kasutust lennunduses. Kasutatakse mootorites, tuleseintes, maandumistelikus, hüdraulikas, tähtsates üldstruktuuri osades ning mujal.[2] Kuni kaks kolmandikku toodetud metallilisel kujul olevast titaanist kasutatakse lennukite tootmisel. SR-71 "Blackbird" oli esimene lennuk, kus kasutati laialdaselt titaani, luues pretsedendi tulevastele lennukitele sõja- ning tsiviilkasutuses. Umbes 59 tonni titaani kasutatakse Boeing 777-s, 45 tonni Boeing 747-s ja 32 tonni Airbus A340-s. Tulevane Airbus A380 võib kasutada kuni 146 tonni, millest 26 tonni oleks puhtalt mootorite jaoks. Mootori osad, mis on tehtud titaanist, on näiteks turbiililabad ja hüdraulika.[8]

Tarbija[muuda | redigeeri lähteteksti]

Titaani kasutatakse paljudes sporditarvetes: tennisereketites, golfikeppides, spordikiivrites, jalgrattaraamides ning muudes osades. Kuigi tegu ei ole laialt levinud materjaliga rataste tegemisel, kasutatakse seda eelistatuna võistlusratastel. Titaani kasutatakse ka prilliraamides. Tulemuseks on küll kallid, kuid vastupidavad raamid, mis on kerged ning ei põhjusta nahaallergiaid. Matkajad kasutavad titaanist varustust pottidest, pannidest kuni telgivaiadeni välja. Kuigi kallimad kui teras- või alumiiniumalternatiivid on titaanist esemed kerged, vähendamata seejuures tugevust.

Titaani kasutatakse ka sõrmuste tegemisel, kuna pole vaja muretseda korrosiooni pärast näiteks ujulates või kusagil mujal. Lisatakse ka kullale, et muuta kuldehteid vastupidavamaks. Lisaks leiab titaan kasutust veel kellaraamide tegemisel ning kunstnikud kasutavad seda ka mööbli või dekoratiivsete objektide valmistamiseks.

Meditsiin[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kuna titaan on elava koega kokkusobiv (ei ole mürgine ega tõrjutud organismi poolt) kasutatakse titaani kirurgiliste tööriistade valmistamiseks, hambaravis, puusa ning liigeste siiretes, kuhu ta võib jääda kuni 20 aastaks.[9] Kasutust implantaadina soodustab ka titaani mittemagnetilisus, mis lubab siiretega patsientidel käia magnetuuringutel. Samal põhjusel kasutatakse titaani ka iluaugustamisel vajaminevate neetide tegemiseks, kuna ei põhjusta kehaga reaktsiooni.

Tuumajäätmete hoiustamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tänu oma vastupidavusele korrosiooni suhtes on titaani uuritud ka tuumajäätmete hoiustamiseks. Konteinerid, mis peaksid vastu kuni 100 000 aastat, on võimalikud teatud tootmismeetodeid kasutades. [10]

Muud kasutused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tänu kergele kaalule on titaanil tähtis koht motospordis ja kosmoseaparaatides. Titaani omadus vastu pidada mereveele on taganud ta kasutuse merenduses, laevaosadest tamiilini. Kasutatakse ka meres paiknevate uurimisseadmete ehitusel.

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 "Titanium" (2006). Vaadatud 29.12.2006.
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 Lide, D. R., ed. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86s väljaanne.). Boca Raton (FL): CRC Press.
  3. 3,0 3,1 Krebs, Robert E. (2006). The History and Use of Our Earth's Chemical Elements: A Reference Guide (2ne väljaanne).
  4. Lide, D. R., ed. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86s väljaanne.). Boca Raton (FL): CRC Press.
  5. Poolestusajad
  6. Titanium: Statistics and Information Ameerika Ühendriikide Geoloogiateenistus
  7. 7,0 7,1 Titaanist ja tema tootmisest
  8. 8,0 8,1 Rosoboronexport controls titanium in Russia
  9. Emsley, John (2001). "Titanium". Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, England, UK: Oxford University Press.
  10. Hydrogen absorption and the lifetime performance of titanium nuclear waste containers
Keemiliste elementide perioodilisussüsteem
Metallid Poolmetallid Väärisgaasid Mittemetallid Leelismetallid Leelismuldmetallid Lantanoidid Aktinoidid

Berüllium - Magneesium - Alumiinium - Skandium - Titaan - Vanaadium - Kroom - Mangaan - Raud - Koobalt - Nikkel - Vask - Tsink - Gallium - Ütrium - Tsirkoonium - Nioobium - Molübdeen - Tehneetsium - Ruteenium - Roodium - Pallaadium - Hõbe - Kaadmium - Indium - Tina - Hafnium - Tantaal - Volfram - Reenium - Osmium - Iriidium - Plaatina - Kuld - Elavhõbe - Tallium - Plii - Vismut - Poloonium - Rutherfordium - Dubnium - Seaborgium - Bohrium - Hassium - Meitneerium - Darmstadtium - Röntgeenium - Koperniitsium - Ununtrium - Fleroovium - Ununpentium