(WT1-27) – Titan – Eigenschaften

In diesem Kurstext stellen wir dir als angehenden Techniker ausführlich das Nichteisenmetalle Titan vor.

„Es ist ein Leichtmetall, welches zur Gruppe der Nichteisenmetalle zählt, aber gleichzeitig in dieser Gruppe das schwerste Metall ist mit einer Dichte von $\rho = 4,5 \frac{g}{cm^3}$ “

Grundlagen

Das Metall ist ein Element aus dem Periodensystem und wird dort mit dem Elementsymbol Ti sowie der Ordnungszahl 22 angegeben.

Zu finden ist dieses Übergangsmetall in der 4. Nebengruppe, die mit der Bezeichnung Titangruppe auch dessen Namen trägt.

Entdeckt wurde dieses Metall im Jahr 1791 von dem Briten William Gregor in der Erzform Titaneisen.

Erst im Jahr 1883 gelang es dem Deutschen Justus von Liebig aus dem Titaneisenerz ein metallisches Titan zu gewinnen.

Auf unserer Erde kommt es in Verbindung mit Sauerstoff fast ausschließlich als Titanoxid vor. Obwohl es in der Mengenliste aller Elemente nur mit 0,56 % auf unserer Erde auftaucht, steht es an der 9. Stelle.

Die Hauptlagerstätten und gleichzeitigen Abbaugebiete sind

Nordamerika,

sowie

Skandinavien,

sowie

Australien,

sowie

Malaysia,

sowie

Paraguay,

und

Ural-Gebirge

undefiniert

Missioncontrol wie geht’s dem Titan?....

Da es ein vergleichsweise wertvolles Metall ist, gibt es Überlegungen dieses sogar im großen Stil von der Mondoberfläche und Asteroiden abzubauen. Denn auch im Weltraum gibt es ausreichend von diesem Metall und das von der Apollo 17 mitgebrachte Gestein enthielt bis zu 12,1 % Titanoxid.

Titan - Vorkommen auf dem Mond — Titan – Vorkommen auf dem Mond

Der Name des Metalls entstammt ebenso wie der bekannte Jupitermond der griechischen Mythologie (Titanen = Göttergeschlecht).

Eigenschaften

Wie bereits oben erwählt ist es ein Übergangsmetall der Titangruppe mit dem Kurzzeichen Ti und der Ordnungszahl 22.

Das Metall glänzt und hat eine weiß-metallische Erscheinung. Zudem ist es aufgrund seiner geringen Dichte sehr leicht.

Es wird gerne eingesetzt, denn es ist dehnbar, temperaturbeständig und korrosionsfest.

Die Zugfestigkeit von Titanlegierungen liegt mit 290 – 1200 N/mm² im Bereich von Baustahl mit 310 bis 690 N/mm² und legierten Stählen mit 1100 bis 1300 N/mm².

Obwohl es korrosionsfest ist, besitzt das Metall eine ausgeprägte Sauerstoffaffinität, weshalb es wie oben erwähnt, fast ausschließlich als Titanoxid natürlich vorkommt. In Reaktion mit Sauerstoff bildet das Metall eine Passivierungsschicht aus, die dann wieder als oxidische Schutzschicht gegenüber anderen Medien wirkt.

Die Reaktivität nimmt jedoch mit steigender Temperatur zu, weshalb die Passivierungsschicht ab einem gewissen Schwellenwert nicht mehr standhält.

Merk's dir!

Soll das Metall durch Spanen bearbeitet werden, wird ein Schutzgas benötigt, da es ansonsten an den Schnittkanten aufgrund der Wärme in Brand geraten kann.

Die chemische Bezeichnung für das Oxid ist:

$\boxed{ TiO_2 }$

Verwendung

Das Metall wird in vielen Bereichen der Industrie verwendet. Besonders die Chemische Industrie nutzt es genau in den Bereichen, wo andere Metalle beginnen durch Korrosion aufgeben.

Titan hingegen ist sehr korrosionsbeständig und neben Metallen auch Kunststoffe ersetzen, wenn diese wegen einer erhöhten Temperatur sowie nicht mehr eingesetzt werden können.

Auch in Hochdruckbereich ist es das erste Metall der Wahl.

Gewinnung und Kroll-Prozess

Die Gewinnung dieses Metalls und spätere Verwendung in Bauteilen oder Verfahren ist im Vergleich zu anderen Metallen sehr kostspielig. So kostet ein Kilogramm des Metalls das zweihundertfache des Kilopreises von Rohstahl.

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Geldanalage in Bitcoin oder doch in Schwamm?...

Eine Tonne Titanschwann (Unterform) kostet ca. 13.000 EUR.

Seit der Entwicklung des Kroll-Prozesses ist die Herstellung von reinem Metall fast gleichgeblieben. Zumeist befindet sich das Metall gebunden in Ilmenit sowie Rutil wieder.

Aus dieser stabilen Verbindung muss das Metall in eine instabile Verbindung überführt werden, damit eine Reduktion möglich ist.

Dazu wird das Titandioxid $TiO_2$ unter Wärmeeinfluss zusammen mit Chlor $Cl$ und Kohlenstoff $C$ bei einer Temperatur von ca. 1000° C zu Titantetrachchlorid $2 TiCl_4$ , Kohlenstoffdioxid $CO_2$ und Kohlenstoffmonoxid $CO$ umgesetzt.

Die Reaktionsgleichung ist:

$\boxed{ 2 TiO_2 + 3C + 4 Cl_2 \rightarrow 2 TiCl_4 + 2 CO + CO_2 }$

Titantetrachlorid – Zwischenprodukt

Zuerst reinigt man das Titantetrachlorid, welches sich im gasförmigen Zustand befindet. Dabei trennt man es von den Chloriden der Begleitelemente. Anschließend wird im Rahmen der Abkühlung das Gas verflüssigt. Der gesamte Prozess läuft unter einer Schutzatmosphäre mit Inertgas ab, um weitere Verunreinigungen auszuschließen.

Endprodukt

Für die Reduzierung des Tetrachlorids zu metallischen Titan nutzt man reaktive Metalle wie Natrium oder flüssiges Magnesium. Dieser Vorgang beschreibt den eigentlichen Kroll-Prozess.

Hier wird das Metall mit dem anderen Metall in Verbindung gebracht und bei einer Temperatur von ca. 900 °C im schmelzflüssigen Zustand gehalten. Das überschüssige Magnesium dient als Inhibitor, welcher weitere Reaktionen vermeiden soll.

Die Reaktionen, die stattfinden sollen, sind nachfolgend aufgeführt:

$\boxed{FeTiO_3 + C \rightarrow Fe + TiO_2 + CO }$

$\downarrow$

$\boxed{ TiO_2 + 2 C + 2 Cl_2 \rightarrow TiCl4 + 2 CO }$

$\downarrow$

Einsatz von Magnesium (Variante 1)

$\boxed{ TiCl4 + 2 Mg \rightarrow Ti + 2 MgCl_2 }$

Einsatz von Natrium (Variante 2)

Alternativ kann man für den letzten Verfahrensschritt auch Natrium anstelle von Magnesium einsetzen.

$\boxed{ TiCl4 + 4 Na \rightarrow Ti + 4 NaCl }$

Titanschwamm

Das Metall liegt nach dem Kroll-Prozess nicht als fester Block vor, sondern in Form von Titanschwamm mit einer Reinheit von ca. 99,0 %. Das in den 1% befindliche Magnesiumchlorid und der übrige Überschuss an Magnesium werden mit verdünnter Salzsäure herausgelaugt.

Merk's dir!

Für eine weitereführende Nutzung wird der Schwamm zuerst in Briketts gepresst und anschließend im Vakuum-Lichtbogenofen in die gewünschte Form umgeschmolzen.

wie gehts weiter?

Im kommenden Kurstext stellen wir dir ausführlich das Nichteisenmetall Kupfer vor.

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