Titanio - Ti

Titanio: caratteristiche, composti, utilizzo e metodo di produzione del Titanio

Il titanio, il cui nome deriva da quello dei Titani, fu scoperto nel 1791 da W. Gregor in una sabbia nera della Cornovaglia (Ilmenite) e, indipendentemente, alcuni anni più tardi da Klaproth nel minerale rutilo; a causa delle difficoltà della riduzione dell'ossido, fu ottenuto come metallo puro solo nel 1910 da Hunter. Il titanio è un elemento relativamente abbondante in natura (al 9° posto nell'ordine, e 4° tra i metalli) costituendo (mai libero ma in composti corrispondenti al suo stato di ossidazione +4) circa lo 0,63% della crosta terrestre. I suoi principali minerali sono l’ilmenite, FeTiO3, generalmente presente come sabbia nera in molte spiagge marine, il rutilo, TiO2, la perovskite, CaTiO3 e la titanite (o sfeno, o sfenite), CaTiSiO5.

Il titanio è un metallo bianco-argenteo, duttile e malleabile, ma a durezza relativamente elevata, di ottime caratteristiche meccaniche. La forma stabile fino a 882,5 °C è la forma a a struttura esagonale, mentre da questa temperatura fino alla fusione è stabile la forma β a struttura cubica. Molte proprietà del titanio variano fortemente in presenza di impurezze, quali per esempio l'ossigeno, facilmente solubile nel metallo a elevata temperatura. A temperatura ambiente il titanio in forma compatta è molto stabile e resistente alla corrosione all'aria, e non è attaccato dagli acidi anche forti, dalle basi e dagli ossidanti a causa della formazione di un film superficiale molto compatto e protettivo di ossido. A caldo si discioglie, formando complessi, in soluzioni concentrate di acido fluoridrico, acido cloridrico e acido fosforico. Reagendo con l'acido nitrico viene trasformato nell'ossido. Ad alte temperature reagisce con quasi tutti i non-metalli.

Titanio: composti

Come tutti gli elementi delle serie di transizione il titanio forma composti sia inorganici sia organici in corrispondenza degli stati di ossidazione +2, +3, +4 (quest'ultimo è il più stabile e importante).

I dialogenuri di titanio sono composti intensamente colorati, fortemente riducenti e instabili, che reagiscono con l'acqua liberando idrogeno. Più importanti e più stabili, ma ancora con carattere di riducenti, sono i trialogenuri, tra cui il tricloruro di titanio, TiCl3. Tra i tetraalogenuri, il più importante è il tetracloruro TiCl4, liquido incolore, a struttura molecolare tetraedrica, che all'aria umida si idrolizza formando diossido e fumi di acido cloridrico. L'idrolisi può essere impedita in soluzione molto concentrata di acido cloridrico: in tal caso si formano ioni complessi generalmente esacoordinati. Il tetracloruro di titanio è uno tra i più forti acidi di Lewis e forma facilmente composti di addizione con leganti ossigeno o azoto-donatori, generalmente esa- o penta-coordinati. È molto utilizzato come intermedio per la sintesi di altri composti del titanio. Il tetrafluoruro di titanio TiF4, è un solido cristallino, a struttura ionica, facilmente idrolizzabile.

Tra gli ossidi, si può ricordare il diossido di titanio, TiO2, un solido bianco, presente in natura in tre distinte forme cristalline, il Rutilo, il Vanatasio  e la Brookite. Il diossido di titanio, in particolare dopo aver subito trattamenti termici, è insolubile in acqua e negli acidi e alcali diluiti, ed è attaccato solo dall'acido fluoridrico concentrato a caldo. Dato il suo elevato indice di rifrazione, da cui deriva il suo elevato potere coprente, è attualmente il prodotto più impiegato come pigmento bianco (bianco di titanio) nei campi soprattutto delle pitture e vernici, della carta, dei laminati plastici, delle fibre tessili, delle gomme, dei prodotti ceramici, degli inchiostri e dei cosmetici.

Esistono anche sali del titanio (IV), che hanno però generalmente struttura molecolare e non ionica, come p.e. il nitrato Ti(NO3)4. Gli alcossidi di titanio (IV) sono composti del tipo Ti(OR)4 (dove R sta per CH3, C2H5, C3H7, C4H9, ecc.), frequentemente polimerici, che si possono preparare a partire dal tetracloruro; hanno importanti applicazioni industriali in vernici, come compatibilizzanti di cariche per gomme e materie plastiche, e come catalizzatori di reazioni di condensazione.

Titanio: utilizzo

Per la sua eccellente resistenza alla corrosione (anche dell'acqua salata) e la sua leggerezza, il titanio e le sue leghe trovano importanti  impieghi  strutturali soprattutto  in campo aerospaziale e navale, nella costruzione di apparecchiature chimiche, di motori a turbina, e in campo medico per protesi; la maggior parte (più del 90%) dei minerali di titanio viene però utilizzata per la produzione del diossido, dati i suoi vastissimi impieghi come pigmento bianco. Altri composti di titanio hanno impieghi nell'industria chimica (catalizzatori ecc.) e in quelle degli adesivi e degli inchiostri.

Leghe metalliche del Titanio

Dal punto di vista delle proprietà fisico-meccaniche il titanio presenta due caratteristiche particolarmente interessanti e ulteriormente migliorabili con l'alligazione: la tendenza a passivarsi in superficie determina una eccezionale resistenza alla maggior parte degli acidi minerali e ai composti alogenati, mentre l'elevata resistenza meccanica unita a tenacità, alta rigidità e basso peso specifico lo rendono adatto a tutti gli usi in cui un favorevole rapporto resistenza/peso deve essere mantenuto in un ampio campo di temperatura, da quelle criogeniche a quelle moderatamente elevate (500-600 °C) nelle applicazioni aerospaziali. Per sfruttarne la resistenza alla corrosione, il titanio viene di solito messo in opera alligato con modeste percentuali di altri elementi o anche allo stato puro; se è richiesta anche una resistenza meccanica sono impiegate leghe con 0,4-0,6% di molibdeno oppure con 0,7-0,9% di nichel, mentre quando c'è alternanza di condizioni ossidanti e riducenti sono consigliabili le leghe con piccole quantità di palladio (0,25%). Queste leghe sono più costose delle altre normalmente usate negli impianti chimici. Il principale campo d'impiego delle leghe di titanio è quello delle applicazioni strutturali, specie in aeronautica. Le proprietà meccaniche delle leghe sono determinate dalla struttura cristallina del metallo e dalle sue variazioni con la temperatura, come succede per gli acciai.

Titanio: metodo di produzione

Per quanto riguarda la produzione del titanio, i minerali a base di rutilo o leucoxene vengono generalmente arricchiti mediante processi di levigazione ed eventualmente separazione magnetica ed elettrostatica fino a un tenore di circa il 95% in TiO2. I metalli a base di ilmenite (più poveri in titanio) vengono sottoposti a procedimenti per la separazione della maggior parte degli ossidi di ferro; per esempio tramite riduzione a ferro metallico con carbone in forno elettrico (o con altri processi) si ottiene una scoria contenente l'equivalente di circa l'85% di TiO2. Poiché non è possibile la riduzione diretta del diossido con carbone (si forma un carburo di titanio stabilissimo) né con metalli riducenti come per esempio i metalli alcalini e alcalino-terrosi (si formano impurezze di ossidi inferiori di titanio), dal diossido di titanio si prepara il tetracloruro che viene quindi ridotto a metallo. A questo scopo i minerali arricchiti vengono clorurati a 700-1000 °C; si forma tetracloruro di titanio che viene separato per distillazione. Il tetracloruro così ottenuto contiene generalmente come principali impurezze cloruri di ferro, silicio, alluminio, vanadio, zirconio e stagno, nonché acido cloridrico e fosgene; pertanto viene ulteriormente purificato, mediante distillazione frazionata e altri procedimenti, fino a un titolo superiore al 99,9%. La riduzione del tetracloruro si può effettuare con magnesio (processo Kroll) o con sodio (processo Hunter), a 800-900 °C in atmosfera di gas inerte (in genere argon). Il cloruro di magnesio (o di sodio) viene recuperato ed elettrolizzato ottenendo così magnesio (o sodio) e cloro che vengono riciclati nel processo; la spugna di titanio ottenuta, dopo distillazione e lavaggi, viene compattata per sinterizzazione. Con tali processi si ottiene un titanio di titolo circa il 99,2-99,8% (principali impurezze: ossigeno, azoto, carbonio, ferro e magnesio), già utilizzabile per la maggior parte delle applicazioni. Titanio più puro (circa al 99,9%) può essere preparato con un processo più recente, basato sulla riduzione del tetracloruro mediante elettrolisi, con formazione di spugna dì titanio al catodo e cloro all'anodo.