O titanio é un elemento químico de símbolo Ti e número atómico 22 que se sitúa no grupo 4 da táboa periódica dos elementos. É un metal de transición de cor gris, baixa densidade e gran dureza. É moi resistente á corrosión por auga do mar, auga rexia e cloro.
Foi descuberto en Cornualla, Gran Bretaña, por William Gregor en 1791 e Martin Heinrich Klaproth nomeouno así polos titáns da mitoloxía grega. Este elemento dáse en diversos depósitos de minerais, principalmente de rútilo e ilmenita, que se distribúen amplamente pola codia terrestre e a litosfera, ademais de formar parte de moitas formas de vida, rochas, corpos de auga e solos. A extracción deste metal dende o mineral realízase por medio do método de Kroll ou polo método de Hunter. O composto máis común é o dióxido de titanio, habitual na fotocatálise e usado na manufactura de pigmentos de cor branca. Outros compostos habituais inclúen o tetracloruro de titanio (TiCl4), un compoñente catalizador, e o tricloruro de titanio (TiCl3), empregado coma catalizador na produción de polipropileno.
O titanio pode formar aliaxes co ferro, o aluminio, o vanadio e o molibdeno entre outros elementos, producindo aliaxes lixeiras e resistentes para aplicacións aeroespaciais (motores de reacción, mísiles e naves espaciais), aplicacións militares, aplicacións industriais (produtos químicos e petroquímicos, plantas de desalinización), na automoción, para próteses médicas e implantes ortopédicos, instrumentos e implantes dentais, aparellos deportivos, xoiería ou teléfonos móbiles entre outras aplicacións.
As dúas propiedades máis útiles deste metal son a resistencia á corrosión e a maior proporción de dureza-densidade de tódolos elementos metálicos. Cando non se atopa nunha aliaxe, o titanio é igual de forte que algúns aceiros, pero presentando unha menor densidade que estes. Ten dúas formas alotrópicas e cinco isótopos naturais que van dende 46Ti ata 50Ti, sendo 48Ti o máis abundante deles.
Características Propiedades físicas O titanio é o elemento metálico que posúe a maior proporción de dureza-densidade. É un metal forte, cunha baixa densidade e alta ductilidade (especialmente en ambientes libres de osíxeno), de cor branca metálica. O seu punto de fusión é relativamente alto, por riba dos 1650 °C (1920 K), o que fai que sexa útil como metal refractario. É paramagnético e presenta baixa condutividade eléctrica e térmica.
As aliaxes comerciais de titanio, cunha pureza do 99,2%, teñen unha tensión de rotura duns 434 MPa (63.000 psi), equivalente á das aliaxes comúns de aceiro pero cunha menor densidade que estas. O titanio ten unha densidade un 60% maior que o aluminio, pero é o dobre de forte que a aliaxe de aluminio máis común 6061-T6. Algunhas aliaxes de titanio acadan unha tensión de rotura por riba dos 1400 MPa (200.000 psi). Porén, o titanio perde resistencia cando se quenta a temperaturas superiores aos 430 °C (703 K). O titanio non é tan duro coma algunhas graduacións de aceiro tratado, e o seu traballo a máquina require certas precaucións, xa que pode presentar unións defectuosas de non empregarse os métodos correctos para arrefrialo. Ao igual que as feitas de aceiro, as estruturas de titanio teñen un límite de fatiga que garante a lonxevidade das súas aplicacións.
É un metal alotrópico dimórfico. A súa estrutura cristalina en estado alfa ten forma hexagonal e tórnase nunha de forma cúbica centrada no corpo ao pasar ao estado beta, a unha temperatura de 882 °C (1155 K). A calor específica da súa forma alfa increméntase drasticamente ao quentarse ata a temperatura de transición para despois baixar e manterse relativamente constante na forma beta, sen afectarlle a temperatura. Ao igual que para o circonio e o hafnio, existe unha fase adicional omega, termodinamicamente estable a altas presións pero metastable a presión ambiente, que adoita ser hexagonal ou trigonal.
Propiedades químicas miniatura|esquerda|Diagrama de Pourbaix para o titanio. Ao igual que o aluminio e o magnesio, o titanio e as súas aliaxes oxídanse cando están expostos ao aire. O titanio reacciona co osíxeno a temperaturas de 1200 °C (1470 K) no aire e 610 °C (883 K) en osíxeno puro, formando dióxido de titanio. Porén, as reaccións de oxidación en contacto co aire e auga son lentas, debido a pasivación que forma unha capa de óxido que protexe o resto do metal perante a propia oxidación. Esta capa protectora só ten entre 1 e 2 nm de anchura cando se forma inicialmente, medrando lentamente ata acadar os 25 nm nun período de catro anos.
O titanio presenta unha gran resistencia á corrosión, comparable á do platino, capaz de resistir o ataque de ácidos como o sulfúrico e outros ácidos hidroclorídricos, así coma solucións de cloro e a maioría de ácidos orgánicos. Porén, os ataques de ácidos concentrados si producen unha maior corrosión. O titanio é termodinamicamente moi reactivo, como indica o feito de que o metal comeza a arder antes de acadar o punto de fusión, e a propia fusión só é posible nunha atmosfera inerte ou no baleiro. Combínase co cloro a unha temperatura de 550 °C (823 K), reacciona co resto de halóxenos e absorbe hidróxeno.
É un dos poucos elementos que arde en gas puro de nitróxeno, reaccionando a unha temperatura de 800 °C (1070 K) para formar nitruro de titanio, o que causa unha perda de ductilidade no material.
Abundancia + Produción de rútilo e ilmenita no 2021 (as cifras están aproximadas) País Miles de toneladas % do total3.40035,71.10811,699510,57908,34915,14684,94304,54144,44114,32532,6Outros países7407,8Total mundial9.500100
O titanio sempre ocorre naturalmente unido a outros elementos. É o noveno elemento e sétimo metal máis abundante na codia terrestre, supoñendo un 0,63% da súa masa. Está presente na maioría de rochas ígneas e sedimentarias, así coma en diversas formas de vida e corpos de auga naturais. Dos 801 tipos de rochas ígneas analizadas nun estudo da United States Geological Survey, 784 contiñan titanio, e a súa proporción no solo resultou ser de entre 0,5 e 1,5%.
A súa ocorrencia dáse principalmente nos minerais anatasa, brookita, ilmenita, perovskita, rútilo e titanita. De todos estes minerais, só o rútilo e a ilmenita presentan importancia económica, malia ser difíciles de atopar en altas concentracións. Mentres no 2011 extraéronse uns 6 millóns de toneladas de rútilo e uns 0,7 millóns de toneladas de ilmenita en todo o mundo, no 2011, foron 8,9 de rútilo e 0,6 de ilmenita. No ano 2011, produciuse un total dunhas 186 000 toneladas de escoura de metal de titanio, na súa maioría na China (60 000 t), o Xapón (56 000 t), Rusia (40 000 t), os Estados Unidos (32 000 t) e Kazakhstán (20 700 t).
En canto ás reservas totais de titanio na Terra que se estimaban no 2011 por riba dos 600 millóns de toneladas, en 2021, só as reservas de ilmenita se contabilizaban en 650 millóns de toneladas e as de rutilo noutros 49 millóns. Os depósitos máis significativos de ilmenita atópanse en Australia, Canadá, China, India, Mozambique, Nova Zelandia, Noruega, Ucraína e Suráfrica.
A concentración molar de titanio nos océanos é aproximadamente de 4 picomoles. A unha temperatura de 100 °C (373 K) a concentración na auga estímase en menos de 10−7 M en pH 7. Non hai evidencias que indiquen cal é o papel biolóxico do titanio, malia que algúns organismos particulares si presentan acumulacións do mesmo en altas concentracións.
Este metal tamén se detectou en meteoritos, no Sol e en estrelas de tipo M, o tipo máis frío de estrelas cunha temperatura na superficie duns 3200 °C (3470 K). As rochas traídas dende a Lúa na misión Apolo 17 están compostas dun 12,1% de TiO2.
Isótopos Atópanse 5 isótopos estables na natureza: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti e 50Ti, sendo 48Ti o máis abundante deles cun 73,8% de abundancia natural. Caracterizáronse once radioisótopos, sendo os máis estables 44Ti cun período de semidesintegración de 63 anos, 45Ti cun período de 184,8 minutos, 51Ti cun período de 5,76 minutos e 52Ti cun período de 1,7 minutos. Para o resto, as súas vidas medias son de menos de 33 segundos, e a maioría de menos de medio segundo.
Os isótopos de titanio teñen pesos atómicos que van dende 39,99 Da (40Ti) ata 57,966 Da (58Ti). O principal método de desintegración antes do isótopo estable máis abundante 48Ti é a captura electrónica, mentres que logo deste é a desintegración beta. Os produtos desta desintegración antes do 48Ti son isótopos do elemento 21 (escandio), e os posteriores son isótopos do elemento 23 (vanadio). O titanio tórnase radioactivo cando é bombardeado con deuterio, emitindo principalmente positróns e raios gamma.
Compostos miniatura|50px|Broca de trade recuberta con TiN. O estado de oxidación +4 domina a química do titanio, mais tamén son comúns os compostos no estado +3. O titanio adopta habitualmente unha xeometría de coordinación octaédrica nos seus compostos, coa notable excepción tetraédrica do TiCl4. Os compostos de titanio(IV) presentan un alto grao de unión covalente por mor do seu alto estado de oxidación.
Óxidos, sulfuros e alcóxidos O óxido máis importante do titanio é o dióxido de titanio TiO2, que existe principalmente na anatasa, a brookita e o rútilo, todos eles sólidos diamagnéticos brancos. Nestes compostos adóptanse unhas estruturas poliméricas na que o Ti arrodéase de seis ligandos de óxido que se unen con outros centros de Ti.
O termo titanato adoita empregarse para facer referencia aos compostos do titanio(IV), coma por exemplo o titanato de bario (BaTiO3). Cunha estrutura coma a da perovskita, este material posúe propiedades piezoeléctricas e emprégase coma transdutor na interconversión de son e electricidade. Os zafiros de estrela e os rubís obteñen o seu asterismo pola presenza de impurezas do dióxido de titanio.
Coñécense diversos óxidos reducidos do titanio. Ti3O5, descrito coma Ti(IV)-Ti(III), é un semicondutor de cor púrpura producido por redución de TiO2 con hidróxeno a altas temperaturas, empregado industrialmente cando se require cubrir superficies con vapor de dióxido de titanio, xa que se evapora coma TiO puro mentres que TiO2 se evapora como unha mestura de óxidos e outros depósitos que teñen un índice de refracción variable. Outros óxidos habituais son o óxido de titanio(III) Ti2O3 e o óxido de titanio(II) TiO.
Os alcóxidos de titanio(IV), preparados mediante reacción de TiCl4 con alcoholes, son compostos incoloros que se converten no dióxido ao reaccionar con auga. Son de utilidade industrial para depositar TiO2 sólido mediante o proceso sol-gel. O isopropóxido de titanio emprégase na síntese de compostos orgánicos por medio da epoxidación de Sharpless.
Nitruros e carburos O nitruro de titanio (TiN) ten unha dureza equivalente ao zafiro e o carburo de silicio (9,0 na escala de Mohs), e emprégase habitualmente coma cuberta de ferramentas industriais de corte. Tamén se emprega coma recubrimento decorativo de cor dourada e coma metal de barreira na fabricación de semicondutores. O carburo de titanio tamén posúe unha gran dureza e emprégase así mesmo en ferramentas de corte.
Haluros miniatura|dereita|120px|Solución acuosa de tricloruro de titanio. O tetracloruro de titanio TiCl4 é un líquido volátil que no aire provoca unha hidrólise emitindo un fume branco. O TiCl4 prodúcese por medio do método de Kroll durante a conversión de minerais de titanio a dióxido de titanio. O seu uso é estendido na química orgánica coma ácido Lewis. O tetraioduro de titanio TiI4 xérase durante o proceso van Arkel para a produción de metal de titanio de alta pureza.
O titanio(III) e o titanio(II) tamén forman cloruros estables. Un exemplo notable é o tricloruro de titanio TiCl3, usado coma catalizador na produción de poliolefinas e coma axente redutor na química orgánica.
Compostos organometálicos