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Este artículo trata sobre el elemento químico. Para otros usos, consulte Titanio (desambiguación) .

Titanio,  22 Ti
Barra de cristal de titanio.JPG
Titanio
Pronunciación/ T ɪ t eɪ n i ə m , t aɪ - / [1] ( ti- TAY -nee-əm, TY )
Aparienciaplateado gris-blanco metalizado
Peso atómico estándar A r, estándar (Ti) 47.867 (1) [2]
Titanio en la tabla periódica
HidrógenoHelio
LitioBerilioBoroCarbónNitrógenoOxígenoFlúorNeón
SodioMagnesioAluminioSilicioFósforoAzufreCloroArgón
PotasioCalcioEscandioTitanioVanadioCromoManganesoHierroCobaltoNíquelCobreZincGalioGermanioArsénicoSelenioBromoCriptón
RubidioEstroncioItrioCirconioNiobioMolibdenoTecnecioRutenioRodioPaladioPlataCadmioIndioEstañoAntimonioTelurioYodoXenón
CesioBarioLantanoCerioPraseodimioNeodimioPrometeoSamarioEuropioGadolinioTerbioDisprosioHolmioErbioTulioIterbioLutecioHafnioTantalioTungstenoRenioOsmioIridioPlatinoOroMercurio (elemento)TalioDirigirBismutoPolonioAstatineRadón
FrancioRadioActinioTorioProtactinioUranioNeptunioPlutonioAmericioCurioBerkelioCalifornioEinstenioFermioMendelevioNobelioLawrencioRutherfordioDubniumSeaborgioBohriumHassiumMeitnerioDarmstadtiumRoentgenioCopérnicoNihoniumFlerovioMoscoviumLivermoriumTennessineOganesson
-
↑
Ti
↓
Zr
escandio ← titanio → vanadio
Número atómico ( Z )22
Grupogrupo 4
Períodoperíodo 4
Cuadra  bloque d
Configuración electronica[ Ar ] 3d 2 4s 2
Electrones por capa2, 8, 10, 2
Propiedades físicas
Fase en  STPsólido
Punto de fusion1941  K (1668 ° C, 3034 ° F)
Punto de ebullición3560 K (3287 ° C, 5949 ° F)
Densidad (cerca de  rt )4,506 g / cm 3
cuando es líquido (a  mp )4,11 g / cm 3
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 k100 k
en  T  (K)mil novecientos ochenta y dos2171(2403)269230643558
Propiedades atómicas
Estados de oxidación−2, −1, 0, [3] +1, +2 , +3 , +4 [4] (un  óxido anfótero )
ElectronegatividadEscala de Pauling: 1,54
Energías de ionización
  • 1 °: 658,8 kJ / mol
  • 2do: 1309,8 kJ / mol
  • Tercero: 2652,5 kJ / mol
  • ( más )
Radio atómicoempírico: 147  pm
Radio covalente160 ± 8 pm
Líneas espectrales de titanio
Otras propiedades
Ocurrencia naturalprimordial
Estructura cristalinahexagonal compacta (hcp)
Velocidad de sonido varilla fina5090 m / s (a  ta )
Expansión térmica8,6 µm / (m · K) (a 25 ° C)
Conductividad térmica21,9 W / (m · K)
Resistividad electrica420 nΩ · m (a 20 ° C)
Orden magnéticoparamagnético
Susceptibilidad magnética+ 153,0 · 10 −6  cm 3 / mol (293 K) [5]
El módulo de Young116 GPa
Módulo de corte44 GPa
Módulo de volumen110 GPa
Relación de Poisson0,32
Dureza de Mohs6.0
Dureza Vickers830–3420 MPa
Dureza Brinell716-2770 MPa
Número CAS7440-32-6
Historia
DescubrimientoWilliam Gregor (1791)
Primer aislamientoJöns Jakob Berzelius (1825)
Nombrado porMartin Heinrich Klaproth (1795)
Isótopos principales de titanio
IsótopoAbundanciaVida media ( t 1/2 )Modo de decaimientoProducto
44 Tisyn63 añosε44 Sc
γ-
46 Ti8,25%estable
47 Ti7,44%estable
48 Ti73,72%estable
49 Ti5,41%estable
50 Ti5,18%estable
Categoría Categoría: Titanio
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El titanio es un elemento químico con el símbolo Ti y número atómico 22. Su peso atómico es 47.867 medido en daltons . Es un metal de transición brillante con un color plateado, baja densidad y alta resistencia. El titanio es 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 dentro de varios depósitos 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. [6] El metal es extraído de sus principales minerales por el Kroll [7] yProcesos Hunter . El compuesto más común, el dióxido de titanio , es un fotocatalizador popular y se utiliza en la fabricación de pigmentos blancos. [8] Otros compuestos incluyen tetracloruro de titanio (TiCl 4 ), un componente de pantallas de humo y catalizadores ; y tricloruro de titanio (TiCl 3 ), que se utiliza como catalizador en la producción de polipropileno . [6]

El titanio se puede alear con hierro , aluminio , vanadio y molibdeno , entre otros elementos, para producir aleaciones fuertes y ligeras para procesos aeroespaciales ( motores a reacción , misiles y naves espaciales ), militares, procesos industriales (químicos y petroquímicos, plantas desalinizadoras , pulpa, etc.). y papel), automoción, agricultura (ganadería), prótesis médicas , implantes ortopédicos , instrumentos y limas dentales y endodónticas, implantes dentales , artículos deportivos, joyería, teléfonos móvilesy otras aplicaciones. [6]

Las dos propiedades más útiles del metal son la resistencia a la corrosión y la relación fuerza-densidad, la más alta de cualquier elemento metálico. [9] En su estado puro, el titanio es tan fuerte como algunos aceros , pero menos denso. [10] Hay dos formas alotrópicas [11] y cinco isótopos naturales de este elemento, del 46 Ti al 50 Ti, siendo el 48 Ti el más abundante (73,8%). [12] Aunque el titanio y el circonio tienen el mismo número de electrones de valencia y están en el mismo grupoen la tabla periódica , difieren en muchas propiedades químicas y físicas.

Caracteristicas

Propiedades físicas

Como metal , el titanio es reconocido por su alta relación resistencia-peso . [11] Se trata de un metal sólido de baja densidad que es bastante dúctil (especialmente en un oxígeno ambiente exento), [6] lustroso, y metálico-blanco en el color . [13] El punto de fusión relativamente alto (más de 1650 ° C o 3000 ° F) lo hace útil como metal refractario . Es paramagnético y tiene una conductividad eléctrica y térmica bastante baja en comparación con otros metales. [6] El titanio es superconductorcuando se enfría por debajo de su temperatura crítica de 0,49 K. [14] [15]

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 comunes de bajo grado, pero son menos densas. El titanio es un 60% más denso que el aluminio, pero más del doble de fuerte [10] que la aleación de aluminio 6061-T6 más utilizada . Ciertas aleaciones de titanio (por ejemplo, Beta C ) alcanzan resistencias a la tracción de más de 1.400 MPa (200.000 psi). [16] Sin embargo, el titanio pierde fuerza cuando se calienta por encima de 430 ° C (806 ° F). [17]

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 agrietarse a menos que se utilicen herramientas afiladas y métodos de enfriamiento adecuados. Al igual que las estructuras de acero, las de titanio tienen un límite de fatiga que garantiza la longevidad en algunas aplicaciones. [13]

El metal es un alótropo dimórfico de una forma α hexagonal que cambia a una forma β cúbica (enrejado) centrada en el cuerpo a 882 ° C (1,620 ° F). [17] 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. [17]

Propiedades químicas

El diagrama de Pourbaix para titanio en agua pura, ácido perclórico o hidróxido de sodio [18]

Al igual que el aluminio y el magnesio , el titanio y sus aleaciones se oxidan inmediatamente al exponerse al aire. 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 . [11] Sin embargo, reacciona lentamente con el agua y el aire a temperatura ambiente porque forma una capa de óxido pasivo que protege el metal a granel de una oxidación adicional. [6] Cuando se forma por primera vez, esta capa protectora tiene solo 1 a 2 nm de grosor, pero continúa creciendo lentamente; alcanzando un espesor de 25 nm en cuatro años. [19]

La pasivación atmosférica confiere al titanio una excelente resistencia a la corrosión, casi equivalente al platino . El titanio es capaz de resistir el ataque de los ácidos sulfúrico y clorhídrico diluidos , las soluciones de cloruro y la mayoría de los ácidos orgánicos. [7] Sin embargo, los ácidos concentrados corroen el titanio. [20] Como lo indica su potencial redox negativo, el titanio es termodinámicamente un metal muy reactivo que arde en una atmósfera normal a temperaturas más bajas que el punto de fusión. La fusión solo es posible en una atmósfera inerte o al vacío. A 550 ° C (1,022 ° F), se combina con el cloro. [7] También reacciona con los otros halógenos y absorbe hidrógeno. [8]

El titanio es uno de los pocos elementos que se quema en gas nitrógeno puro, reaccionando a 800 ° C (1470 ° F) para formar nitruro de titanio , que causa fragilización. [21] Debido a su alta reactividad con oxígeno, nitrógeno y algunos otros gases, los filamentos de titanio se aplican en bombas de sublimación de titanio como captadores de estos gases. Tales bombas producen de forma económica y fiable presiones extremadamente bajas en sistemas de vacío ultra alto . [ cita requerida ]

Ocurrencia

El titanio es el noveno-más abundante elemento en la Tierra corteza 's (0,63% en masa ) [22] y el séptimo más abundante metal. 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. [6] [7] De los 801 tipos de rocas ígneas analizadas por el Servicio Geológico de Estados Unidos , 784 contenían titanio. Su proporción en suelos es de aproximadamente 0,5 a 1,5%. [22]

Los minerales comunes que contienen titanio son anatasa , brookita , ilmenita , perovskita , rutilo y titanita (esfena). [19] 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, aunque incluso son difíciles de encontrar en altas concentraciones. Aproximadamente 6,0 y 0,7 millones de toneladas de esos minerales se extrajeron en 2011, respectivamente. [23] Existen importantes depósitos de ilmenita con titanio en Australia occidental , Canadá , China e India., Mozambique , Nueva Zelanda , Noruega , Sierra Leona , Sudáfrica y Ucrania . [19] En 2011 se produjeron unas 186.000 toneladas de esponja de titanio metálico , principalmente en China (60.000 t), Japón (56.000 t), Rusia (40.000 t), Estados Unidos (32.000 t) y Kazajstán (20.700 t). Se estima que las reservas totales de titanio superan los 600 millones de toneladas. [23]

Producción de 2011 de rutilo e ilmenita [23]
Paísmil
toneladas		% del total
Australia130019,4
Sudáfrica1,16017.3
Canadá70010,4
India5748,6
Mozambique5167.7
porcelana5007.5
Vietnam4907.3
Ucrania3575.3
Mundo6.700100

La concentración de titanio es de aproximadamente 4 picomolar en el océano. A 100 ° C, la concentración de titanio en agua se estima en menos de 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 los organismos raros acumulan altas concentraciones de titanio. [24]

El titanio está contenido en meteoritos y se ha detectado en el Sol y en estrellas de tipo M [7] (el tipo más frío) con una temperatura superficial de 3.200 ° C (5.790 ° F). [25] Las rocas traídas de la Luna durante la misión Apolo 17 están compuestas de 12,1% de TiO 2 . [7] También se encuentra en cenizas de carbón , plantas e incluso en el cuerpo humano . El titanio nativo (metálico puro) es muy raro. [26]

Isótopos

Artículo principal: Isótopos de titanio

El titanio natural se compone de cinco isótopos estables : 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti y 50 Ti, siendo el 48 Ti el más abundante (73,8% de abundancia natural ). Se han caracterizado al menos 21 radioisótopos , siendo los más estables el 44 Ti con una vida media de 63 años; 45 Ti, 184,8 minutos; 51 Ti, 5,76 minutos; y 52 Ti, 1,7 minutos. Todos los demás radiactivoslos isótopos tienen vidas medias de menos de 33 segundos, la mayoría de menos de medio segundo. [12]

Los isótopos del titanio varían en peso atómico de 39,002 u ( 39 Ti) a 63,999 u ( 64 Ti). [27] El modo de desintegración principal para los isótopos más ligeros que 46 Ti es la emisión de positrones (con la excepción del 44 Ti que se somete a captura de electrones ), lo que genera isótopos de escandio , y el modo principal para los isótopos más pesados ​​que 50 Ti es la emisión beta , lo que lleva a a isótopos de vanadio . [12]

El titanio se vuelve radiactivo al ser bombardeado con deuterones , emitiendo principalmente positrones y rayos gamma duros . [7]

Compuestos

Ver también: las categorías de compuestos de titanio y minerales de titanio
Revestido con estaño taladro bit

El estado de oxidación +4 domina la química del titanio, [28] pero los compuestos en el estado de oxidación +3 también son comunes. [29] Comúnmente, el titanio adopta una geometría de coordinación octaédrica en sus complejos, 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 . A diferencia de la mayoría de los otros metales de transición, se desconocen los complejos aquo Ti (IV) simples . [ cita requerida ]

Óxidos, sulfuros y alcóxidos

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

El término titanatos generalmente se refiere a compuestos de titanio (IV), representados por titanato de bario (BaTiO 3 ). Con estructura de perovskita , este material presenta propiedades piezoeléctricas y se utiliza como transductor en la interconversión de sonido y electricidad . [11] Muchos minerales son titanatos, por ejemplo, ilmenita (FeTiO 3 ). Los zafiros estrella y los rubíes obtienen su asterismo (brillo en forma de estrella) por la presencia de impurezas de dióxido de titanio. [19]

Se conocen una variedad de óxidos reducidos ( subóxidos ) de titanio, principalmente estequiometrías reducidas de dióxido de titanio obtenido por pulverización de plasma atmosférico . El Ti 3 O 5 , descrito como una especie de Ti (IV) -Ti (III), es un semiconductor violeta producido por reducción de TiO 2 con hidrógeno a altas temperaturas, [30] y se usa industrialmente cuando las superficies necesitan ser recubiertas de vapor. con dióxido de titanio: se evapora como TiO puro, mientras que el TiO 2 se evapora como una mezcla de óxidos y deposita recubrimientos con índice de refracción variable. [31] También se conoce el Ti 2 O 3., con estructura de corindón , y TiO , con estructura de sal gema, aunque a menudo no estequiométrica. [32]

Los alcóxidos de titanio (IV), preparados haciendo reaccionar 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 a través de la epoxidación Sharpless . [ cita requerida ]

El titanio forma una variedad de sulfuros, pero solo el TiS 2 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 a óxido con liberación de sulfuro de hidrógeno. [ cita requerida ]

Nitruros y carburos

El nitruro de titanio (TiN) es un miembro de una familia de nitruros de metales de transición refractarios y exhibe propiedades similares a ambos compuestos covalentes que incluyen; estabilidad termodinámica, dureza extrema, conductividad térmica / eléctrica y un alto punto de fusión. [33] El TiN tiene una dureza equivalente al zafiro y al carborundo (9,0 en la escala de Mohs ), [34] y se utiliza a menudo para revestir herramientas de corte, como brocas . [35] También se utiliza como acabado decorativo de color dorado y como metal de barrera en la fabricación de semiconductores . [36] Carburo de titanio, que también es muy duro, se encuentra en herramientas de corte y revestimientos. [37]

Los compuestos de titanio (III) son característicamente violetas, ilustrado por esta solución acuosa de tricloruro de titanio .

Haluros

El tetracloruro de titanio (cloruro de titanio (IV), TiCl 4 [38] ) es un líquido volátil incoloro (las muestras comerciales son amarillentas) que, en el aire, se hidroliza con una espectacular emisión de nubes blancas. Mediante el proceso Kroll , el TiCl 4 se utiliza en la conversión de minerales de titanio en metal titanio. El tetracloruro de titanio también se usa para fabricar dióxido de titanio, por ejemplo, para usar en pintura blanca. [39] Se usa ampliamente en química orgánica como ácido de Lewis , por ejemplo en la condensación aldólica de Mukaiyama . [40] En el proceso de van Arkel , el tetrayoduro de titanio (TiI 4) se genera en la producción de titanio metálico de alta pureza. [ cita requerida ]

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 (ver catalizador Ziegler-Natta ) y como agente reductor en química orgánica. [ cita requerida ]

Complejos organometálicos

Artículo principal: Química del organotitanio

Debido al importante papel de los compuestos de titanio como catalizador 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 . [41]

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 distintos 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. En entornos biológicos, la hidrólisis conduce al dióxido de titanio inerte y seguro. A pesar de estas ventajas, los primeros compuestos candidatos fracasaron en los ensayos clínicos. Un mayor desarrollo dio como resultado la creación de fármacos basados ​​en titanio potencialmente eficaces, selectivos y estables. [42] Su modo de acción aún no se comprende bien. [ cita requerida ]

Historia

Martin Heinrich Klaproth nombró titanio para los titanes de la mitología griega

El titanio fue descubierto en 1791 por el clérigo y geólogo aficionado William Gregor como una inclusión de un mineral en Cornualles , Gran Bretaña. [43] Gregor reconoció la presencia de un nuevo elemento en la ilmenita [8] cuando encontró arena negra junto a un arroyo y notó que la arena era atraída por un imán . [43] Analizando la arena, determinó la presencia de dos óxidos metálicos: óxido de hierro (que explica la atracción al imán) y 45,25% de un óxido metálico blanco que no pudo identificar. [22]Al darse cuenta de que el óxido no identificado contenía un metal que no coincidía con ningún elemento conocido, Gregor informó sus hallazgos a la Royal Geological Society of Cornwall y en la revista científica alemana Crell's Annalen . [43] [44] [45]

Casi al mismo tiempo, Franz-Joseph Müller von Reichenstein produjo una sustancia similar, pero no pudo identificarla. [8] El óxido fue redescubierto independientemente en 1795 por el químico prusiano Martin Heinrich Klaproth en rutilo de Boinik (el nombre alemán de Bajmócska), una aldea en Hungría (ahora Bojničky en Eslovaquia). [43] [46] Klaproth descubrió que contenía un nuevo elemento y lo nombró en honor a los Titanes de la mitología griega . [25] Después de enterarse del descubrimiento anterior de Gregor, obtuvo una muestra de manaccanita y confirmó que contenía titanio. [ cita requerida ]

Los procesos actualmente conocidos para extraer titanio de sus diversos minerales son laboriosos y costosos; no es posible reducir el mineral calentando con carbono (como en la fundición de hierro) porque el titanio se combina con el carbono para producir carburo de titanio . [43] 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 a gran presión [47] en un proceso por lotes conocido como Hunter proceso . [7] El metal titanio no se utilizó fuera del laboratorio hasta 1932 cuandoWilliam Justin Kroll demostró que se puede producir reduciendo el tetracloruro de titanio (TiCl 4 ) con calcio . [48] Ocho años después, refinó este proceso con magnesio e incluso sodio en lo que se conoció como el proceso Kroll . [48] Aunque continúa la investigación sobre procesos más eficientes y baratos (por ejemplo, FFC Cambridge , Armstrong ), el proceso Kroll todavía se utiliza para la producción comercial. [7] [8]

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 de yoduro, o barra de cristal , en 1925, al reaccionar con yodo y descomponer los vapores formados sobre un filamento caliente en metal puro. [49]

En las décadas de 1950 y 1960, la Unión Soviética fue pionera en el uso de titanio en aplicaciones militares y submarinas [47] ( clase Alfa y clase Mike ) [50] como parte de programas relacionados con la Guerra Fría. [51] A principios de la década de 1950, el titanio se empezó a utilizar ampliamente en la aviación militar, particularmente en aviones de alto rendimiento, comenzando con aviones como el F-100 Super Sabre y Lockheed A-12 y SR-71 . [ cita requerida ]

Reconociendo la importancia estratégica del titanio, [52] el Departamento de Defensa de los Estados Unidos apoyó los primeros esfuerzos de comercialización. [53]

Durante el período de la Guerra Fría, el titanio fue considerado un material estratégico por el gobierno de los EE. UU., Y el Centro de Almacenamiento Nacional de Defensa mantuvo una gran reserva de esponja de titanio , que finalmente se agotó en la década de 2000. [54] Según datos de 2006 , se estimaba que el mayor productor mundial, VSMPO-AVISMA , con sede en Rusia , representaba alrededor del 29 por ciento de la cuota de mercado mundial. [55] En 2015, el metal de esponja de titanio se producía en siete países: China, Japón, Rusia, Kazajstán, Estados Unidos, Ucrania e India. (en orden de salida). [56] [57]

En 2006, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos (DARPA) otorgó $ 5,7 millones a un consorcio de dos empresas para desarrollar un nuevo proceso para la fabricación de polvo metálico de titanio . Bajo calor y presión, el polvo se puede usar para crear artículos fuertes y livianos que van desde blindaje hasta componentes para las industrias aeroespacial, de transporte y de procesamiento químico. [58]

Producción y fabricación

Artículos principales: proceso Kroll y proceso Hunter
Ver también: proceso van Arkel – de Boer y proceso FFC Cambridge
Titanio (concentrado mineral)
Productos básicos de titanio: placa, tubo, varillas y polvo

El procesamiento del metal titanio se produce en cuatro pasos principales: [59] reducción del mineral de titanio en "esponja", una forma porosa; fusión de esponja o esponja más una aleación maestra para formar un lingote; fabricación primaria, en la que un lingote se convierte en productos de laminación generales como palanquilla , barra, placa , hoja , tira y tubo ; y fabricación secundaria de formas acabadas a partir de productos de fábrica. [ cita requerida ]

Debido a que no se puede producir fácilmente por reducción de dióxido de titanio , [13] el metal de titanio se obtiene mediante la reducción de TiCl 4 con metal de magnesio en el proceso Kroll . La complejidad de esta producción por lotes en el proceso Kroll explica el valor de mercado relativamente alto del titanio, [60] a pesar de que el proceso Kroll es menos costoso que el proceso Hunter . [47] 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 cloro gaseoso se pasa sobre una mezcla al rojo vivo de rutilo o ilmenita en presencia de carbono. Después de una purificación exhaustiva por destilación fraccionada , el TiCl 4 se reduce con magnesio fundido a 800 ° C (1470 ° F) en una atmósfera de argón . [11] El titanio metálico se puede purificar aún más mediante el proceso de van Arkel-de Boer , que implica la descomposición térmica del tetrayoduro de titanio.

2 FeTiO 3 + 7 Cl 2 + 6 C → 2 TiCl 4 + 2 FeCl 3 + 6 CO (900 ° C)
TiCl 4 + 2 Mg → 2 MgCl 2 + Ti (1.100 ° C)

Un método de producción por lotes desarrollado más recientemente, el proceso FFC Cambridge , [61] reduce electroquímicamente el dióxido de titanio en cloruro de calcio fundido para producir titanio metálico en forma de polvo o esponja. [62] Si se utilizan polvos de óxidos mixtos, el producto es una aleación . [ cita requerida ]

Las aleaciones de titanio comunes se fabrican por reducción. Por ejemplo, se reducen el cuprotitanio (se reduce el rutilo con cobre añadido), el ferrocarburo de titanio (ilmenita reducida con coque en un horno eléctrico) y el manganotitanio (rutilo con manganeso u óxidos de manganeso). [63]

Aproximadamente cincuenta grados de aleaciones de titanio se diseñan y utilizan actualmente, aunque solo un par de docenas están disponibles comercialmente. [64] La ASTM International reconoce 31 grados de titanio y aleaciones, de los cuales los grados del uno al cuatro son comercialmente puros (sin alear). Esos 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 del 0,18%) y el grado 4 el menos dúctil (resistencia a la tracción más alta con un contenido de oxígeno del 0,40%). ). [19] Los grados restantes son aleaciones, cada una diseñada para propiedades específicas de ductilidad, resistencia, dureza, resistividad eléctrica, fluencia.resistencia, resistencia específica a la corrosión y combinaciones de las mismas. [sesenta y cinco]

Además de las especificaciones de ASTM, las aleaciones de titanio también se producen para cumplir con las especificaciones militares y aeroespaciales (SAE-AMS, MIL-T), las normas ISO y las especificaciones específicas de cada país, así como las especificaciones del usuario final patentadas para la industria aeroespacial, militar, aplicaciones médicas e industriales. [66]

El polvo de titanio se fabrica mediante un proceso de producción de flujo conocido como proceso Armstrong [67] que es similar al proceso de producción por lotes de Hunter. Se añade una corriente de tetracloruro de titanio gaseoso a una corriente de sodio metálico fundido ; los productos (cloruro de sodio de sal y partículas de titanio) se filtra de la sodio extra. 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. [68]

Fabricación

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 ). [17] La contaminación causa una variedad de condiciones, como la fragilización , que reducen la integridad de las soldaduras del ensamblaje y conducen a fallas en las juntas. [ cita requerida ]

El titanio no se puede soldar sin antes recubrirlo con un metal soldable . [69] El metal se puede mecanizar con el mismo equipo y los mismos procesos que el acero inoxidable . [17]

Formando y forjando

El producto plano comercialmente puro (hoja, placa) se puede formar fácilmente, pero el procesamiento debe tener en cuenta la tendencia del metal a la recuperación elástica . Esto es especialmente cierto en el caso de determinadas aleaciones de alta resistencia. [70] [71]

Aplicaciones

Un cilindro de titanio de calidad "grado 2"

El titanio se utiliza en acero como elemento de aleación ( ferro-titanio ) para reducir el tamaño de grano y como desoxidante, y en acero inoxidable para reducir el contenido de carbono. [6] El titanio a menudo se alea con aluminio (para refinar el tamaño de grano), vanadio , cobre (para endurecer), hierro , manganeso , molibdeno y otros metales. [72] Los productos de titanio (láminas, placas, barras, alambres, piezas forjadas, piezas fundidas) 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. [ cita requerida]

Pigmentos, aditivos y recubrimientos.

El dióxido de titanio es el compuesto de titanio más utilizado.

Aproximadamente el 95% de todo el mineral de titanio se destina al refinamiento en dióxido de titanio ( Ti O
2), un pigmento permanente de color blanco intenso que se utiliza en pinturas, papel, pasta de dientes y plásticos. [23] También se utiliza en cemento, en piedras preciosas, como opacificante óptico en papel, [73] y como agente reforzante en cañas de pescar y palos de golf compuestos de grafito. [ cita requerida ]

TiO
2El pigmento es químicamente inerte, resiste la decoloración a la luz del sol y es muy opaco: imparte un color blanco puro y brillante a las sustancias químicas marrones o grises que forman la mayoría de los plásticos domésticos. [8] En la naturaleza, este compuesto se encuentra en los minerales anatasa , brookita y rutilo. [6] La pintura hecha con dióxido de titanio funciona bien en ambientes marinos y temperaturas severas. [8] El dióxido de titanio puro tiene un índice de refracción muy alto y una dispersión óptica más alta que el diamante . [7] Además de ser un pigmento muy importante, el dióxido de titanio también se usa en protectores solares. [13]

Aeroespacial y marino

Debido a que las aleaciones de titanio tienen una alta resistencia a la tracción a una relación de densidad, [11] alta resistencia a la corrosión , [7] resistencia a la fatiga, alta resistencia al agrietamiento, [74] y capacidad para soportar temperaturas moderadamente altas sin arrastrarse , se utilizan en aviones, blindaje, naves navales, naves espaciales y misiles. [7] [8] Para estas aplicaciones, el titanio se alea con aluminio, circonio, níquel, [75] vanadio y otros elementos para fabricar una variedad de componentes que incluyen piezas estructurales críticas, muros cortafuegos, trenes de aterrizaje., conductos de escape (helicópteros) y sistemas hidráulicos. De hecho, alrededor de dos tercios de todo el metal de titanio producido se utiliza en motores y bastidores de aviones. [76] La aleación de titanio 6AL-4V representa casi el 50% de todas las aleaciones utilizadas en aplicaciones aeronáuticas. [77]

El Lockheed A-12 y su desarrollo el SR-71 "Blackbird" fueron dos de los primeros bastidores de aviones en los que se utilizó titanio, allanando el camino para un uso mucho más amplio en aviones militares y comerciales modernos. Se estima que se utilizan 59 toneladas métricas (130.000 libras) en el Boeing 777 , 45 en el Boeing 747 , 18 en el Boeing 737 , 32 en el Airbus A340 , 18 en el Airbus A330 y 12 en el Airbus A320 . El Airbus A380 puede utilizar 77 toneladas métricas, incluidas aproximadamente 11 toneladas en los motores. [78] En aplicaciones de motores aeronáuticos, el titanio se utiliza para rotores, álabes de compresores, componentes del sistema hidráulico ygóndolas . Un uso temprano en los motores a reacción fue para el Orenda Iroquois en la década de 1950. [79] : 412

Debido a que el titanio es resistente a la corrosión por el agua de mar, se utiliza para fabricar ejes de hélice, aparejos e intercambiadores de calor en plantas desalinizadoras ; [7] calentadores-enfriadores para acuarios de agua salada, hilo de pescar y líder, y cuchillos de buceo. El titanio se utiliza en las carcasas y componentes de los 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 [80] forjando titanio en enormes tubos de vacío. [75]

El titanio se utiliza en las paredes de la bóveda de la nave espacial Juno para proteger la electrónica de a bordo. [81]

Industrial

Titanio de alta pureza (99,999%) con cristalitos visibles

Los equipos de proceso y tuberías de titanio soldados (intercambiadores de calor, tanques, recipientes de proceso, válvulas) se utilizan en las industrias química y petroquímica principalmente para la resistencia a la corrosión. Se utilizan aleaciones específicas en aplicaciones de fondo de pozo de petróleo y gas y en hidrometalurgia de níquel por su alta resistencia (p. Ej., 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 el hipoclorito de sodio o el gas de cloro húmedo (en las blanqueadoras). [82] Otras aplicaciones incluyen soldadura ultrasónica , soldadura por ola , [83] y objetivos de pulverización catódica .[84]

El tetracloruro de titanio (TiCl 4 ), un líquido incoloro, es importante como intermedio en el proceso de fabricación de TiO 2 y también se utiliza para producir el catalizador Ziegler-Natta . El tetracloruro de titanio también se usa para iridizar el vidrio y, debido a que emana mucho humo en el aire húmedo, se usa para hacer cortinas de humo. [13]

Consumidor y arquitectónico

Sellos de sellado de titanio

El titanio metálico se utiliza en aplicaciones automotrices, particularmente en carreras de automóviles y motocicletas donde el bajo peso y la alta resistencia y rigidez son fundamentales. [85] El metal es generalmente demasiado caro para el mercado de consumo en general, aunque algunos Corvettes de último modelo se han fabricado con escapes de titanio, [86] y el motor sobrealimentado LT4 de un Corvette Z06 usa válvulas de admisión de titanio sólido y liviano para mayor fuerza y ​​resistencia a calor. [87]

El titanio se utiliza en muchos artículos deportivos: raquetas de tenis, palos de golf, varillas de palos de lacrosse; parrillas para cascos de cricket, hockey, lacrosse y fútbol americano, 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 . [88]

Las aleaciones de titanio se utilizan en monturas de gafas que son bastante caras pero muy duraderas, duraderas, livianas y no causan alergias en la piel. Muchos mochileros usan equipos de titanio, incluidos utensilios de cocina, utensilios para comer, linternas y estacas de carpa. Aunque un poco más caro 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 al acero porque son más ligeras y duraderas. [89]

Titanio revestimiento de Frank Gehry 's Museo Guggenheim , 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 en el espacio ( 55 ° 42′29,7 ″ N 37 ° 34′57,2 ″ E / 55.708250 ° N 37.582556 ° E / 55.708250; 37.582556 ), así como el Monumento a los Conquistadores de 110 m (360 pies) of Space en la parte superior del Museo del Cosmonauta en Moscú están hechos de titanio por el atractivo color del metal y su asociación con los cohetes. [90] [91] El Museo Guggenheim Bilbao y la Biblioteca Cerritos Millennium fueron los primeros edificios en Europa y Norteamérica, respectivamente, revestidos con paneles de titanio. [76]El revestimiento de titanio se utilizó en el edificio Frederic C. Hamilton en Denver, Colorado. [92]

Debido a la resistencia superior y al peso ligero del titanio en comparación con otros metales (acero, acero inoxidable y aluminio), y debido a los avances recientes en las técnicas de trabajo de los metales, su uso se ha generalizado en la fabricación de armas de fuego. Los usos principales incluyen armazones de pistola y cilindros de revólver. Por las mismas razones, se utiliza en el cuerpo de los ordenadores portátiles (por ejemplo, en el de Apple PowerBook 's). [93]

Algunas herramientas de alta gama, livianas y resistentes a la corrosión, como palas y linternas, están hechas de titanio o aleaciones de titanio. [ cita requerida ]

Joyas

Relación entre voltaje y color para titanio anodizado. (Cateb, 2010).

Debido a su durabilidad, el titanio se ha vuelto más popular para las joyas de diseño (en particular, los anillos de titanio ). [89] Su inercia lo convierte en una buena opción para quienes padecen alergias o para 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. [94]

La durabilidad, el peso ligero y la resistencia a las abolladuras y la corrosión del titanio lo hacen útil para las cajas de relojes . [89] Algunos artistas trabajan con titanio para producir esculturas, objetos decorativos y muebles. [95]

El titanio se puede anodizar para variar el grosor de la capa de óxido de la superficie, provocando franjas de interferencia óptica y una variedad de colores brillantes. [96] Con esta coloración e inercia química, el titanio es un metal popular para perforaciones corporales . [97]

El titanio tiene un uso menor en monedas y medallas dedicadas que no circulan. En 1999, Gibraltar lanzó la primera moneda de titanio del mundo para la celebración del milenio. [98] Los Gold Coast Titans , un equipo de la liga australiana de rugby, otorgan una medalla de titanio puro a su jugador del año. [99]

Médico

Artículo principal: biocompatibilidad del titanio

Debido a que el titanio es biocompatible (no es tóxico y no es rechazado por el cuerpo), tiene muchos usos médicos, incluidos implementos e implantes quirúrgicos, como bolas y encajes de cadera ( reemplazo de articulaciones ) e implantes dentales que pueden permanecer en su lugar hasta por 20 años. [43] El titanio a menudo se alea con aproximadamente un 4% de aluminio o un 6% de Al y un 4% de vanadio. [100]

Tornillos médicos y placa 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 . [43] Estos se benefician del módulo de elasticidad más bajo 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 de tensión y a la periprotésica.fracturas óseas, 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. [101] [102]

Debido a que el titanio no es ferromagnético , los pacientes con implantes de titanio pueden ser examinados de manera segura con imágenes de resonancia magnética (conveniente para implantes a largo plazo). 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 el titanio fresco que se oxida instantáneamente. [43]

Los avances modernos en las técnicas de fabricación aditiva han aumentado el potencial para el uso del titanio en aplicaciones de implantes ortopédicos. [103] Los diseños de andamios de implantes complejos se pueden imprimir en 3D utilizando aleaciones de titanio, lo que permite aplicaciones más específicas para el paciente y una mayor osteointegración del implante. [104] "

El titanio se utiliza para los instrumentos quirúrgicos utilizados en la cirugía guiada por imágenes , así como para sillas de ruedas, muletas y cualquier otro producto en el que sea deseable una alta resistencia y un peso reducido. [ cita requerida ]

Las nanopartículas de dióxido de titanio se utilizan ampliamente en la electrónica y la distribución de productos farmacéuticos y cosméticos. [105]

Almacenamiento de residuos nucleares

Debido a su resistencia a la corrosión, los contenedores de titanio se han estudiado para el almacenamiento a largo plazo de desechos nucleares. Se cree que los envases que duran más de 100.000 años son posibles con condiciones de fabricación que minimizan los defectos de los materiales. [106] También se podría instalar un "protector de goteo" de titanio sobre contenedores de otros tipos para mejorar su longevidad. [107]

Biorremediación

Las especies de hongos Marasmius oreades e Hypholoma capnoides pueden bioconvertir titanio en suelos contaminados con titanio. [108]

Precauciones

Las ortigas contienen hasta 80 partes por millón de titanio. [25]

El titanio no es tóxico incluso en grandes dosis y no juega ningún papel natural dentro del cuerpo humano . [25] Los seres humanos ingieren una cantidad estimada de 0,8 miligramos de titanio cada día, pero la mayoría pasa sin ser absorbida por los tejidos. [25] Sin embargo, a veces se bioacumula en tejidos que contienen sílice . Un estudio indica una posible conexión entre el titanio y el síndrome de la uña amarilla . [109] Un mecanismo desconocido en las plantas puede usar titanio para estimular la producción de carbohidratos y estimular el crecimiento. Esto puede 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. [25]

Como polvo o en forma de virutas de metal, el metal de titanio presenta un riesgo de incendio significativo y, cuando se calienta en el aire , un riesgo de explosión. [110] El agua y el dióxido de carbono son ineficaces para extinguir un incendio de titanio; En su lugar , deben usarse agentes en polvo seco de clase D. [8]

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 cloro-titanio. [111] Incluso el cloro húmedo presenta un peligro de incendio cuando las condiciones climáticas extremas provocan un secado inesperado.

El titanio puede incendiarse cuando una superficie fresca no oxidada entra en contacto con oxígeno líquido . [112] El metal fresco puede quedar expuesto cuando la superficie oxidada se golpea o raya con un objeto duro, o cuando la tensión mecánica provoca una grieta. Esto plantea una limitación para su uso en sistemas de oxígeno líquido, como los de la industria aeroespacial. Debido a que las impurezas de los tubos de titanio pueden causar incendios cuando se exponen al oxígeno, el titanio está prohibido en los sistemas de respiración de oxígeno gaseoso. Los tubos de acero se utilizan para sistemas de alta presión (3000 psi) y los tubos de aluminio para sistemas de baja presión. [ cita requerida ]

Ver también

  • Lista de países por producción de titanio
  • Subóxido
  • Aleación de titanio
  • Recubrimiento de titanio
  • Titanio en África
  • Titanio en geotermometría de circón
  • Hombre de titanio
  • Corporación de metales de titanio
  • Anillo de titanio
  • Bomba de sublimación de titanio
  • VSMPO-AVISMA

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( Ayuda de audio  · Más artículos hablados )
  • "Titanium: Our Next Major Metal" , Popular Science , octubre de 1950, uno de los primeros artículos detallados para el público en general sobre el titanio.
  • Titanio en la tabla periódica de videos (Universidad de Nottingham)
  • Titanio en The Essential Chemical Industry - en línea (CIEC Promoting Science en la Universidad de York)
  • International Titanium Association Archivado el 4 de noviembre de 2020 en Wayback Machine.
  • Metalurgia del titanio y sus aleaciones, Universidad de Cambridge
  • Producción mundial de concentrados de titanio, por país
  • Metal de los dioses