Titanio - PLS - Scienza dei Materiali

Storia del Titanio
Il titanio, il cui nome deriva dal latino Titanus, Titano,
nome del primo figlio di Gea e Urano, fu scoperto nel
1789 nei minerali di rutilo dal chimico tedesco Heinrich
Klaproth. Qualche anno dopo (nel 1791) il Reverendo
inglese William Gregor riconobbe la sua presenza
nell'ilmenite. Nel 1795 Klaproth battezzò l'elemento con il
nome dei Titani della mitologia greca. Il titanio metallico
puro (99,9%) venne preparato per la prima volta nel 1910
da Matthew Albert Hunter tramite riscaldamento di TiCl4
con del sodio a 700-800 °C.
Il metallo di titanio non venne usato al di fuori dei laboratori fino al 1946, quando
William Justin Kroll dimostrò che il titanio poteva essere prodotto
commercialmente tramite riduzione del tetracloruro di titanio con il magnesio.
Questo processo è definito “metodo Kroll” ed è il metodo oggi più usato.
Caratteristiche del Titanio
Il titanio è un elemento metallico che è ben conosciuto per la sua resistenza
alla corrosione (quasi quanto il platino) e per il suo alto rapporto
resistenza/peso. È leggero, duro, con una bassa densità. Allo stato puro è
abbastanza duttile, lucido e di colore bianco metallico. La duttilità è una
proprietà tecnologica della materia che indica la capacità di un corpo o di un
materiale di deformarsi plasticamente sotto carico prima di giungere a
rottura, cioè la capacità di sopportare deformazioni plastiche. Un corpo è
tanto più duttile quanto maggiore è la deformazione raggiunta prima della
rottura. Tuttavia le leghe di titanio non sono facilmente lavorabili. Il punto di
fusione relativamente alto di questo elemento lo rende utile come metallo
refrattario. Un materiale refrattario è un materiale capace di resistere per
lunghi periodi ad elevate temperature senza reagire chimicamente con gli
altri materiali con i quali si trova in contatto.
Il titanio è resistente come l'acciaio ma il 40% più leggero, pesa il 60% in più
dell'alluminio ma ha una resistenza doppia. Queste proprietà rendono il
titanio molto resistente alle forme usuali di fatica dei metalli. La fatica è un
fenomeno meccanico per cui un materiale sottoposto a carichi variabili nel
tempo si danneggia fino alla rottura che può essere cedimento a fatica o
rottura per fatica anche se sia rimasto nel suo limite d'elasticità.
Questo metallo forma una patina di ossido passivo se esposto all'aria, ma
quando è in un ambiente libero da ossigeno è molto duttile. Il titanio, che
brucia se riscaldato nell'aria, è anche l'unico elemento che brucia in un gas di
azoto puro. Il titanio è resistente all'acido solforico diluito e all'acido
cloridrico, oltre che ai gas di cloro, alle soluzioni di cloruri e alla maggior
parte degli acidi carbossilici.
Esperimenti hanno mostrato che il titanio naturale diventa altamente
radioattivo se bombardato con nuclei di deuterio, emettendo principalmente
positroni e raggi gamma. Non è attaccato dagli acidi fatta eccezione
dell'acido fluoridrico che forma fluoro complessi solubili, gli acidi ossidanti
accentuano la formazione della patina passivante di ossido, neanche gli alcali
acquosi a caldo lo attaccano. Gli isotopi radioattivi del titanio sono 11, la
maggior parta ha emivita minore al secondo ma ne esiste uno il 44Ti che ha
una emivita di 63 anni.
L’ ESTRAZIONE DEL TITANIO E LA SUA DISPONIBILITA
Il titanio non si trova libero in natura, ma è il nono elemento per
abbondanza nella crosta terrestre, della quale ne compone lo
0,6% della massa. E’ presente in molte rocce ignee e nei
sedimenti da esse derivanti. Si trova principalmente nei seguenti
minerali: anatasio, brookite, ilmenite, leucoxene, perovskite,
rutilo, e titanite nonché nei titanati e in molti minerali ferrosi. Di
questi minerali solo l'ilmenite, il leucoxene e il rutilo hanno
un'importanza economica significativa. Il metallo si trova nei
meteoriti ed è stato rintracciato nel Sole e nelle stelle di tipo M.
Le rocce portate dalla Luna durante la missione Apollo 17 erano
composte per il 12,1% di TiO2. Il titanio si trova inoltre nelle
ceneri di carbone, nelle piante ed anche nel corpo umano.
Miniere di Rutilo
Nel mondo
Miniere di Ilmenite
nel mondo
La produzione del titanio ha subito delle
evoluzione nel corso del tempo e ad oggi si
possono usare i seguenti metodi: il primo
processo di produzione commerciale del titanio è
stato il processo «van Arkel-de Boer», ma oggi
viene ottenuto tramite riduzione di TiCl4 con il
magnesio attraverso un processo sviluppato nel
1946 da William Justin Kroll, e dal processo
Hunter, analogo al processo Kroll ma effettuato
con sodio metallico. Questo processo è
complicato e costoso, ma un nuovo
procedimento, chiamato metodo "FFCCambridge" potrebbe rimpiazzarlo. Questo
nuovo metodo usa come materiale di base la
polvere di diossido di titanio (che è una forma
raffinata di rutilo) per ottenere il prodotto finale,
un flusso continuo di titanio fuso adatto
all'utilizzo immediato per la manifattura di leghe.
Si spera che il metodo FFC-Cambridge renderà il
titanio un materiale meno raro e costoso per
l'industria aerospaziale e il mercato dei beni di
lusso, e che verrà impiegato in molti prodotti
attualmente fabbricati con alluminio o acciai
speciali.
Le Applicazioni del Titanio
All'incirca il 95% del titanio viene consumato in forma di
Diossido di titanio (TiO2), nelle vernici, nella carta, nei cementi
per renderli più brillanti, e nelle plastiche. Le vernici fatte con il
biossido di titanio riflettono molto bene la radiazione infrarossa
e sono quindi molto usate dagli astronomi. Grazie alla loro
resistenza, leggerezza, e capacità di sopportare
temperature estreme, le leghe di titanio vengono utilizzate principalmente
nell'industria aeronautica e aerospaziale, anche se il loro utilizzo in prodotti di consumo
quali mazze da golf, biciclette, componenti motociclistici e computer portatili, sta
diventando sempre più comune
Il titanio viene spesso messo in lega con: alluminio, ferro, manganese, molibdeno e altri
metalli. Grazie all'eccellente resistenza all'acqua di mare, viene usato per fabbricare
parti dei propulsori marini. Un uso tecnologico molto importante, legato alla sua
resistenza alle soluzioni saline, è come materiale metallico di contatto con i fluidi ad
alta concentrazione salina negli impianti di dissalazione dell'acqua marina. Viene
utilizzato per produrre gemme artificiali relativamente morbide
Diossido
di
Titanio
Il Tetracloruro di titanio (TiCl4), un liquido
incolore, viene usato per ottenere l'iridescenza
del vetro, e poiché emette un fumo denso
nell'aria umida, viene anche usato per la
fabbricazione di fumogeni. Inoltre è un
importante pigmento che viene impiegato nei
filtri solari grazie alla sua capacità di proteggere
la pelle. Ha la proprietà di essere biocompatibile,
in quanto lo strato di ossido che forma in
superficie fornisce un valido attacco per i tessuti
biologici, in particolare quello osseo. Per questo
motivo il titanio puro CP4 e la lega a base di
titanio Ti6Al4V vengono utilizzati nelle
componenti protesiche di anca e ginocchio, per
la fabbricazione di clips chirurgiche da sutura
permanente ed in odontoiatria per la
realizzazione di impianti dentali. Tuttavia dato
l'alto coefficiente di frizione non viene mai
utilizzato come componente di giunzione
articolare. Il suo essere inerte e la colorazione
attraente lo rendono un metallo popolare per
l'uso nei piercing. Il titanio viene anche usato per
le lenti degli occhiali.
Il Carburo ed il Nitruro di titanio (TiC e TiN) vengono utilizzati nella fabbricazione di
inserti per utensili adatti al taglio dei metalli ad alta velocità, cioè i cosiddetti inserti
in "metallo duro". In particolare il carburo di titanio viene utilizzato, insieme al
carburo di tungsteno WC (non il bagno), al cobalto e ad altri carburi (carburo di
niobio e carburo di tantalio) per realizzare il corpo degli inserti, mentre il nitruro di
titanio serve per il rivestimento superficiale degli inserti
Casse di orologi
In titanio
Elica al titanio
Per imbarcazioni
L'Alluminuro di Titanio, grazie alle doti di tenacità ad alte
temperature, leggerezza e resistenza all'ossidazione sta
lentamente iniziando a soppiantare le Superleghe a base nichel
nella produzione delle pale utilizzate nelle turbine dei motori
aeronautici. Facendo attraversare una corrente elettrica, a
temperature molto basse, in strati sottili di nitruro di titanio, si
è scoperto il fenomeno detto di «superisolamento». In alcune
occasioni, è stato utilizzato per la fabbricazione di penne
stilografiche. Nel 1970, all'indomani dell'allunaggio, la Parker
produsse per un breve periodo la T-1, una stilografica
interamente in titanio, in omaggio ai materiali usati nella
missione spaziale. Nel 2000 la casa produttrice italiana Omas
produsse una serie di stilografiche del modello classico a dodici
facce "arte italiana" interamente in titanio (sia il corpo che il
pennino). La serie venne denominata T-2 ed è stata
commercializzata solo per un breve periodo. Grazie alla sua
resistenza alle soluzioni saline, il titanio viene impiegato nella
fabbricazione delle casse degli orologi.
INFORMAZIONI GENERICHE SUL TITANIO
Anche se il metallo di titanio è relativamente poco comune, a causa dei costi di
estrazione, il diossido di titanio è economico, facilmente disponibile in grandi
quantità, e largamente utilizzato come pigmento bianco in vernici, plastiche e
cemento da costruzione. La polvere di TiO2 è chimicamente inerte, non svanisce
con la luce solare, ed è molto opaca. Ciò le permette di impartire un colore
bianco brillante alle sostanze chimiche grigie o marroni che formano le plastiche
normalmente usate. Il diossido di titanio puro ha un indice di rifrazione molto
alto. Si trovano tuttavia anche giacimenti di TiO2 cristallino, che prende nomi
diversi a seconda della struttura cristallina che presenta, (rutilo, anatasio...). Altri
minerali di titanio sono l’ilmenite(titanato di ferro, FeTiO2) e la titanite (titanato
di calcio, CaTiO2).
Ilmenite
Rutilo
Gli ossidi possono essere ottenuti per reazione diretta
del metallo con l'ossigeno ad alta temperatura, l'ossido
di titanio è molto usato nell'industria come pigmento
bianco per vernici . Gli alogenuri sono principalmente
formati dall'attacco di un alogeno con il biossido di
titanio e hanno un comportamento da acido di Lewis
per formare alogenocomplessi.
Il Titanio genera numerosi complessi, soprattutto a numero di
ossidazione +2 e sono tutti complessi diamagnetici. Il numero
di coordinazione più comune per il Ti è il 6. Forma anche
complessi a numero di ossidazione +3, (si ossidano facilmente
all'aria) e complessi con numero di ossidazione inferiori al 3
come un metallocarbonile in cui il Ti è complessato da 6
molecole di monossido di carbonio che non rispetta la regola
dei 18 elettroni. La regola dei 18 elettroni è una regola che
afferma che sono particolarmente stabili i complessi con un
totale di 18 elettroni nel livello elettronico più esterno. La
formula è usata per razionalizzare struttura e stabilità dei
complessi metallorganici dei metalli di transizione. Essa si basa
sul fatto che il livello elettronico più esterno di un metallo di
transizione conti nove orbitali, che possono contenere un
totale di 18 elettroni, in parte derivanti dal metallo e in parte
donati dai leganti nel formare il complesso. Al titanio è
dedicato uno dei racconti de "Il sistema periodico" di Primo
Levi.
Bici in Titanio
La facciata del Guggenheim Museum, a
Bilbao, rivestita da pannelli in titanio