Titan

Vydáno: 13. 04. 2014; Poslední aktualizace: 01. 10. 2023; Autor: Zdeněk Moravec

Titan objevil v roce 1791 farář a amatérský chemik William Gregor v minerálu ilmenitu. Izolován v čistém stavu byl až v roce 1910 redukcí TiCl4 pomocí sodíku. Patří mezi hojně rozšířené prvky v zemské kůře, jeho obsah je cca 0,63 %. Kovový titan má dobré mechanické vlastnosti při malé hustotě, zároveň je i odolný vůči korozi, toho se využívá v letectví a také při výrobě námořních zařízení.

Atomové číslo22Počet přírodních izotopů5
Atomová hmotnost47,88Elektronová konfigurace[Ar] 3d2 4s2
Teplota tání [°C]1667Teplota varu [°C]3285
Hustota4,50  

Výroba je založena na redukci ilmenitu (FeTiO3) nebo rutilu (TiO2) uhlíkem v proudu chloru za vysoké teploty. Následně se vzniklý TiCl4 redukuje hořčíkem na kovový titan.

2 FeTiO3 + 7 Cl2 + 6 C → 2 TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 CO
TiO2 + 2 Cl2 + 2 C → TiCl4 + 2 CO
TiCl4 + 2 Mg → Ti + MgCl2

Tímto postupem vzniká tzv. titanová houba, která je následně očištěna v lučavce královské, rozdrcena a přetavena na ingoty.

Výroba titanu Krollovým procesem

Chemické vlastnosti

Podobně jako hořčík nebo hliník se titan pasivuje vznikem oxidu na povrchu. Podobně se chová i v atmosféře dusíku, kdy vzniká povrchová vrstva nitridu, za vyšší teploty v dusíkové atmosféře i hoří. Nereaguje s bázemi, ani za zvýšené teploty a nerozpouští se v minerálních kyselinách za pokojové teploty. S horkou HCl reaguje na TiCl3 za uvolňování vodíku. S kyselinou dusičnou reaguje až na TiO2.

Sloučeniny

Oxid titaničitý

Nejdůležitější sloučeninou je oxid titaničitý, TiO2, který existuje ve třech modifikacích. První je anatas, čteverečný minerál. Brookit krystaluje jako kosočtverečný minerál a nejdůležitější modifikací je čtverečný rutil, který je využíván jako zdroj titanu a také jako součást tavidel pro svařování.

Vyrábí se dvěma způsoby:

1. Síranovým způsobem, ten byl využíván především v minulosti, dnes se od něj pomalu upouští. Surovinou je ilmenit, FeTiO3, který se reakcí s kyselinou sírovou převede na směs síranů – železnatého, železitého a titanylu (TiOSO4). Ten se po separaci ze směsi hydrolyzuje vodou a vzniklý hydrát oxidu titaničitého se kalcinuje na čistý TiO2. Kyselina sírová vzniklá po hydrolýze se neutralizuje vápencem. Oxid titaničitý vzniká jako anatas, ale lze získat i rutil, přídavkem krystalizačních jader v poslední fází výroby.

TiOSO4 + H2O → TiO2.nH2O + H2SO4
TiO2.nH2O → TiO2 + n H2O

2. Chloridový způsob, zde je výchozí surovinou přírodní rutil, který se nejprve nechá reagovat s chlorem a uhlím při teplotě 1200 °C za vzniku TiCl4. Ten se spaluje v kyslíku při 1500 °C na TiO2. V druhém kroku se uvolňuje chlor, který se vrací zpět do prvního kroku.

TiO2 + 2 Cl2 + C → TiCl4 + CO2
TiCl4 + O2 → TiO2 + 2 Cl2

Vytváří sloučeniny v oxidačních stavech II, III a IV a výjimečně i v oxidačním stavu 0. Stabilnější jsou titaničité sloučeniny. V organické chemii jsou důležité organotitaničité sloučeniny, které se využívají např. jako katalyzátory v Ziegler-Nattových reakcí.

Oxid titaničitý je sloučeninou titanu s největším průmyslovým významem. Zhruba polovina se používá jako pigment – titanová běloba. Je to také polovodič a fotokatalyzátor, využívá se i v kosmetice, např. v opalovacích krémech.

Halogenidy

Oxidační stavFluoridyChloridyBromidyJodidy
IVTiF4
Bílý
Tt=284 °C
TiCl4
bezbarvý
Tt=-24 °C
Tv=136,6 °C
TiBr4
oranžový
Tt=39 °C
Tv=230 °C
TiI4
tmavě hnědý
Tt=150 °C
Tv=377 °C
IIITiF3
Fialový
Tt=1200 °C
Tv=1400 °C
TiCl3
červenofialový
Tt=440 °C (rozkl.)
TiBr3
modročerný
Tt=550 °C
TiI3
červenofialový
Tt=350 °C (rozkl.)
IITiCl2
černý
Tt=1035 °C
Tv=1500 °C
TiBr2
černý
Tt=500 °C
TiI2
černý
Tt=480 °C

Sendvičové komplexy

Známe řadu titanocenů, které jsou analogické ferrocenu, např. dichlorid titanocenu, viz obr. dole. Ten lze připravit reakcí chloridu titaničitého s cyklopentadienem nebo s cyklopentadienidem sodným.

Strukturní vzorec dichloridu titanocenu. Zdroj: Commons

Titan byl prvním kovem, u kterého se povedla příprava sendvičového komplexu s čistě anorganickými ligandy.[5] Reakcí chloridu titaničitého s bílým fosforem se povedlo připravit a izolovat sendvičový aniontový komplex, kde je titan obklopen obklopen dvěma cyklickými anionty P5. Průměrná délka vazby P-P je 2,154(9) Å, což ji řadí mezi jednoduchou a dvojnou P-P vazbu. Tato sloučenina se jeví jako první dostupný zdroj aniontu P5 pro další reakce.

Anion [Ti(P5)2]2-
Anion [Ti(P5)2]2-

Karbid titanu

Karbid titanu, TiC, je extrémně tvrdý materiál, podle Mohsovy stupnice je jeho tvrdost v rozmezí 9,0-9,5 (pro srovnání diamant má tvrdost 10). Jeho krystalová struktura je podobná chloridu sodnému, krystaluje v kubické, plošně centrované krystaly. V přírodě se vyskytuje jako minerál khamrabaevit.[6]

Krystalová struktura TiC. Zdroj: Ben Mills/Commons

Hlavní využití karbidu titanu je při výrobě kompozitních keramik pro řezné nástroje. Ty se označují jako CerMet – Ceramic Metal. Vysoké tepelné odolnosti se také využívá v tepelných štítech raketoplánů a raket.

NMR

Titan má dva NMR aktivní izotopy. Oba mají nízkou citlivost, zajímavostí je velmi malý rozdíl rezonančních frekvencí obou jader, proto je při měření pozorujeme obě naráz. Sloučeniny titaničité poskytují poměrně úzké signály, titanité sloučeniny jsou paramagnetické a proto není možné jejich měření. Standardem je většinou TiCl4.

 47Ti49Ti
Jaderný spin5/27/2
Přírodní zastoupení [%]7,445,41
Rezonanční frekvence při B=1 T2,40412,4045
Citlivost vůči 1H0,0001560,000205
Citlivost vůči 13C0,9181,2
Rozsah chemických posunů-1400 – +1400 ppm
Jaderný magnetický moment-0,78848-1,10417

Chemické posuny

Roztok TiI41400-1200Methyltrihalogenidy800-600
TiBr4480TiCl40
Roztok TiCl40-(-300)N-komplexy(-150)-(-350)
Cyklopentadienyl trihalogenidy-50-(-450)Cyklopentadienyl dihalogenidy-400-(-900)
O-komplexy-800-(-950)TiF62--1150-(-1300)
Ti(CO)62--1300-(-1450)  

Odkazy

  1. Titan na české wikipedii
  2. Titan na anglické wikipedii
  3. Titanium NMR
  4. 47Ti a 49Ti NMR reference
  5. Urnius, E., Brennessel, W. W., Cramer, C. J., Ellis, J. E. & Schleyer, P. von R. A carbon-free sandwich complex [(P5)2Ti]2-. Science 295, 832–4 (2002). DOI: 10.1126/science.1067325.
  6. Khamrabaevite
  7. Ilmenit
  8. Rutil

Navigace

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr