Titan (Element)

Grundlagen und Bedeutung

Titan ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Ti und der Ordnungszahl 22. Es gehört zu den Übergangsmetallen und steht in der 4. IUPAC-Gruppe, der Titangruppe. Das Metall ist silbrig bis weiß-metallisch glänzend, fest, mechanisch belastbar und duktil, das heißt gut verformbar, ohne sofort zu brechen.

Titan zählt heute meist zu den Leichtmetallen. Mit einer Dichte von 4,50 g/cm³ bei Raumtemperatur ist es aber das schwerste Element dieser Gruppe und liegt nahe an der häufig verwendeten Grenze zwischen Leicht- und Schwermetallen von 5 g/cm³. Wichtig ist Titan vor allem, weil es eine geringe Dichte mit hoher Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Temperaturbeständigkeit verbindet. Deshalb wird es dort genutzt, wo Bauteile leicht, belastbar und gegen aggressive Umgebungen beständig sein müssen.

Wichtige Grunddaten sind: Atommasse 47,867(1) u, Schmelzpunkt 1941 K beziehungsweise 1668 °C, Siedepunkt 3533 K beziehungsweise 3260 °C, Mohshärte 6 und Elektronenkonfiguration [Ar] 3d² 4s². Die stabilen Oxidationszustände sind +2, +3 und +4, wobei nur Verbindungen mit +4 wirklich stabil sind. Natürlich vorkommende stabile Isotope sind unter anderem 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti und 50Ti; 48Ti hat mit 73,8 % den größten Anteil.

Vorkommen und Herstellung

Titan kommt in der Erdkruste fast nie als elementares Metall vor, sondern beinahe ausschließlich chemisch gebunden. Mit einem Gehalt von 0,565 % steht es an 9. Stelle der Elementhäufigkeit in der kontinentalen Erdkruste. Die wichtigsten Titanminerale sind oxidische Verbindungen, weil Titan eine hohe Affinität zu Sauerstoff hat. Dazu gehören Ilmenit FeTiO3, Leukoxen, Perowskit CaTiO3, Titanit CaTi[SiO4]O sowie die drei TiO2-Minerale Rutil, Anatas und Brookit.

Bekannte Hauptvorkommen liegen unter anderem in Australien, China, Norwegen, Indien, Russland, der Ukraine, Brasilien, Kanada und Südafrika. 2020 wurden weltweit 8,4 bis 8,6 Millionen Tonnen Titan, gemessen als TiO2, abgebaut. Hauptabbauland war China; weitere große Abbauländer waren Australien, Mosambik, Südafrika, Kanada und die Ukraine. Etwa 90 % der abgebauten Titanminerale waren Ilmenit, und der größte Teil wurde zur Herstellung von TiO2-Pigmenten für Farbstoffe, Papier und Kunststoffe verwendet. Titan steht auf der Liste kritischer Rohstoffe der USA und wurde 2020 auch von der EU in die Liste kritischer Rohstoffe aufgenommen.

Die Gewinnung von metallischem Titan ist aufwendig und teuer. Meist dient Ilmenit oder Rutil als Ausgangsstoff. Beim Kroll-Prozess wird Titandioxid zunächst mit Chlor und Kohle zu Titantetrachlorid und Kohlenstoffmonoxid umgesetzt; anschließend wird Titantetrachlorid mit flüssigem Magnesium zu Titanschwamm reduziert. Wichtige Reaktionsgleichungen sind: FeTiO3 + C -> Fe + TiO2 + CO, TiO2 + 2 C + 2 Cl2 -> TiCl4 + 2 CO und TiCl4 + 2 Mg -> Ti + 2 MgCl2. Im letzten Schritt kann statt Magnesium auch Natrium verwendet werden.

Pro Tonne Titan werden etwa 55.000 kWh elektrische Energie benötigt, etwa 3,7-mal so viel wie bei der Aluminiumherstellung mit rund 15.000 kWh/t. Deshalb ist die Herstellung vor allem in Ländern mit niedrigen Stromkosten rentabel; Recycling ist wirtschaftlich und ökologisch besonders sinnvoll. Aus porösem Titanschwamm wird kompaktes Metall durch Umschmelzen im Vakuum-Lichtbogenofen oder seltener mit Elektronenstrahl bei über 1700 °C hergestellt. Ultrareines Titan kann nach dem Van-Arkel-de-Boer-Verfahren gewonnen werden.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Titan besitzt bei Temperaturen bis 882 °C eine hexagonal dichteste Kugelpackung, die sogenannte α-Phase. Die Gitterparameter betragen a = 295,04 pm und c = 468,33 pm; das Achsenverhältnis c/a beträgt 1,587. Oberhalb von 882 °C entsteht die β-Phase mit raumzentriertem Gitter. In Titanlegierungen kann die β-Phase schon bei Raumtemperatur auftreten, wenn Vanadium, Niobium oder Tantal enthalten sind.

Die elektrische Leitfähigkeit beträgt 2,5 · 10^6 S/m und ist damit deutlich geringer als bei Kupfer oder Aluminium. Unterhalb von 0,4 K wird Titan supraleitend. Durch Anodisieren kann Titan farbig erscheinen: Die Farbe entsteht nicht durch Pigmente, sondern durch Lichtbrechung an unterschiedlich dicken Oxidschichten, also durch Dünnschichtinterferenz. Bei 10–25 nm erscheint Goldfarbe, bei 25–40 nm Lila, bei 40–50 nm Dunkelblau, bei 50–80 nm Hellblau, bei 80–120 nm Gelb, bei 120–150 nm Orange, bei 150–180 nm Lila und bei 180–210 nm Grün.

Chemisch ist Titan durch eine spontan entstehende oxidische Passivierungsschicht geschützt. Eine Passivierungsschicht ist eine sehr dünne Schutzschicht, die weitere Reaktionen stark verlangsamen kann. Dadurch ist Titan gegen viele Medien beständig, zum Beispiel gegen verdünnte Schwefelsäure, Salzsäure, chloridhaltige Lösungen, kalte Salpetersäure, Natriumhydroxid und die meisten organischen Säuren. In konzentrierter Schwefelsäure löst es sich langsam unter Bildung von violettem Titansulfat.

Bei erhöhter Temperatur oder erhöhtem Druck kann Titan sehr reaktionsfreudig werden, besonders wenn die Passivierungsschicht nicht standhält. In reinem Sauerstoff bei 25 °C und 25 bar verbrennt Titan von einer frischen Schnittkante aus vollständig zu Titandioxid. Oberhalb von 880 °C reagiert es trotz Passivierungsschicht mit Sauerstoff, ab 550 °C mit Chlor. Titan reagiert auch in reinem Stickstoff. In Pulverform ist es pyrophor, also selbstentzündlich; kompaktes Titan ist dagegen nicht brennbar. Bei höheren Temperaturen nimmt es leicht Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff auf, was Versprödung und eine Zunahme der Härte bewirkt.

Ein Nachweis für Titan beruht auf TiO2+, das mit Wasserstoffperoxid einen charakteristischen gelb-orangen Komplex bildet. Die Probe wird mit überschüssiger konzentrierter Schwefelsäure gekocht und in ein Eisbad mit Wasserstoffperoxid gegossen; dabei färbt sich das Eisbad gelb-orange. Wegen der Farbe wird dieser Nachweis umgangssprachlich „Tequila Sunrise-Nachweis“ genannt.

Werkstoffe und Legierungen

Unlegiertes Titan wird als Reintitan in vier Reinheitsgraden verwendet: Titan Grade 1 mit DIN-Werkstoffnummer 3.7025, Grade 2 mit 3.7035, Grade 3 mit 3.7055 und Grade 4 mit 3.7065. Von Grade 1 bis Grade 4 nimmt der Reinheitsgrad ab. Die wichtigsten Begleitelemente sind Eisen, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff; ihre Konzentration liegt jeweils deutlich unter 1 %. Die Festigkeit steigt von Grade 1 zu Grade 4, während die Duktilität abnimmt.

Reintitan kann für viele Anwendungen ausreichend fest sein, obwohl es keine metallischen Legierungselemente enthält. Sein Elastizitätsmodul beträgt 105.000–110.000 N/mm² und ist damit etwa halb so groß wie der von Stahl. Die Zugfestigkeit liegt je nach Reinheitsgrad und Wärmebehandlung zwischen 290 und 740 N/mm², also im Bereich vieler Stähle, bei geringerer Dichte von 4,5 g/cm³ statt rund 7,9 g/cm³. Reintitan lässt sich kalt oder warm verformen; dabei tritt Kaltverfestigung auf.

Durch kleine Zusätze von Aluminium, Vanadium, Mangan, Molybdän, Palladium, Kupfer, Zirconium und Zinn lassen sich mechanische Eigenschaften und Korrosionsverhalten deutlich verbessern. Titanlegierungen eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen hohe Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und geringes Gewicht wichtig sind. Oberhalb von 400 °C gehen die Festigkeitseigenschaften jedoch zurück.

Man unterscheidet α-Titanlegierungen, β-Titanlegierungen und α+β-Titanlegierungen. α-Legierungen besitzen eine hexagonal dichteste Packung; Aluminium fördert diese Phase. β-Legierungen besitzen ein kubisch raumzentriertes Gitter; Vanadium, Niob und Tantal fördern diese Phase. α+β-Legierungen enthalten beide Phasen. Der wichtigste Werkstoff ist Ti-6Al-4V, auch Ti64 genannt, mit 6 % Aluminium und 4 % Vanadium. Er entspricht ASTM Grade 5, hat die Werkstoffnummer 3.7165 für industrielle Anwendungen und 3.7164 für Luftfahrtanwendungen und gehört zu den α+β-Legierungen. Weitere wichtige Luftfahrtlegierungen sind Ti6246, also Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, und Ti6242, also Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo.

Anwendungen und Sicherheit

Titan wird überall dort verwendet, wo geringes Gewicht, hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder Temperaturbeständigkeit gebraucht werden. In Flugzeugen und Raumschiffen dient es für besonders beanspruchte leichte Teile, zum Beispiel Außenhaut bei Überschallgeschwindigkeit, Verdichterschaufeln, Triebwerksteile und Fahrwerke. Auch in Dampfturbinen, Lötanlagen, Fahrzeugfedern, Niveauanzeigen und Schwimmern wird es eingesetzt. In der Rüstung wurden unter anderem einige sowjetische U-Boot-Typen mit Druckkörpern aus Titanlegierungen gebaut; auch in der militärischen Luftfahrt ist Titan wichtig.

In Seewasser und chloridhaltigen Medien wird Titan wegen seiner Beständigkeit genutzt, etwa für Schiffspropellerteile, Wellen, Verspannungen, Meerwasserentsalzungsanlagen, Bauteile zur Eindampfung von Kaliumchlorid-Lösungen, Anoden von HGÜ-Seekabeln und Apparate der Chlorchemie. In der Medizin ist Titan ein wichtiges Biomaterial für Implantate, Zahnimplantate, Endoprothesen und Osteosynthesen wie Platten, Nägel und Schrauben. Seine Oxidschicht ermöglicht Osseointegration, also das feste Anwachsen von Knochen an das Implantat. In der Mittelohrchirurgie wird Titan für Gehörknöchelchenersatz-Prothesen und Paukenröhrchen verwendet; in der Neurochirurgie haben Titan-Clips für Aneurysma-Operationen Edelstahlclips weitgehend verdrängt.

Weitere Anwendungen sind hochwertige Fahrradrahmen, Schrauben, Messer, Essbestecke, Zeltheringe, Golfschlägerköpfe, Eisschrauben, Schmuck, Armbanduhren, Brillengestelle, Münzen mit Titankern, Lautsprechermembranen, Titandraht in elektrischen Zigaretten und Gehäuseteile elektronischer Geräte. Als Legierungselement verbessert Titan Stahl schon bei 0,01–0,1 Prozent Massenanteil hinsichtlich Zähigkeit, Festigkeit und Duktilität; in rostfreien Stählen verhindert es interkristalline Korrosion. Titanzink wird für witterungsbeständige Bleche genutzt, Nitinol ist eine Formgedächtnis-Legierung mit hohem Titangehalt.

Sicherheitlich gilt: kompaktes Titan ist ungefährlich und nicht brennbar, Titanpulver ist dagegen feuergefährlich. Die meisten Titansalze gelten als harmlos. Unbeständige Verbindungen wie Titantrichlorid sind stark korrosiv, weil sie schon mit Spuren von Wasser Salzsäure bilden. Titantetrachlorid reagiert mit Luftfeuchte zu weißem Rauch aus Titandioxid und Salzsäurenebel und wird in Rauchgranaten verwendet. Biologische Nachteile von Titan im menschlichen Körper sind zurzeit unbekannt; bisherige Hüftgelenke oder Kieferimplantate aus Titan lösten im Gegensatz zu nickelhaltigem Edelstahl keine Allergien aus. Für Titandioxid als Lebensmittel-Farbstoff wurde die EU-weite Verwendung in der Lebensmittelindustrie 2022 verboten, weil eine erbgutschädigende Wirkung nicht ausgeschlossen werden kann.

Wichtige Verbindungen

Während metallisches Titan wegen der hohen Herstellungskosten eher für anspruchsvolle technische Anwendungen verwendet wird, ist Titandioxid ein günstiges und ungiftiges Farbpigment des Alltags. Praktisch alle heutigen weißen Kunststoffe und Farben enthalten Titandioxid. Als Lebensmittelfarbstoff E 171 ist Titandioxid in der EU seit 2022 verboten, weil eine langfristige schädigende Wirkung auf das menschliche Erbgut nicht ausgeschlossen werden kann. Titanverbindungen werden außerdem in der Elektro- und Werkstofftechnik sowie in Lithium-Titanat-Akkumulatoren eingesetzt.

Das wichtigste Titanoxid ist Titan(IV)-oxid TiO2. Es kommt in den drei wichtigen polymorphen Formen Anatas, Brookit und Rutil vor. Polymorph bedeutet, dass dieselbe chemische Zusammensetzung in unterschiedlichen Kristallstrukturen auftreten kann. Außerdem gibt es reduzierte Titanoxide, sogenannte Suboxide, sowie Titan(III)-oxid und Titan(II)-oxid. Titan(IV)-sulfid besitzt eine Schichtstruktur und kann als Elektrodenmaterial in Lithiumbatterien oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet werden.

Titanate werden als Keramikmaterial genutzt. Beispiele sind Bleititanat, Blei-Zirkonat-Titanat, Bariumtitanat und Strontiumtitanat; viele besitzen eine Perowskit-Struktur und ferroelektrische Eigenschaften. Bariumtitanat ist piezoelektrisch, kann also mechanischen Druck und elektrische Spannung miteinander koppeln, und wird als Wandler zwischen Schall und Elektrizität verwendet.

Titan bildet Halogenide je nach Oxidationszustand. Titan(IV)-chlorid ist eine farblose flüchtige Flüssigkeit, die an Luft unter Bildung weißer Wolken hydrolysiert. Es entsteht beim Kroll-Prozess und wird in der organischen Chemie als Lewis-Säure eingesetzt. Beim Van-Arkel-de-Boer-Verfahren entsteht Titan(IV)-iodid zur Herstellung von hochreinem Titan. Weitere wichtige anorganische Verbindungen sind Titannitrid und Titancarbid, die sehr hart sind und hohe Schmelz- und Siedepunkte besitzen, außerdem Titanborid, Titanylsulfat und Titandihydrid. Titanocendichlorid ist ein metallorganischer Komplex des Titans, also eine Verbindung, in der Titan an organische Ringsysteme gebunden ist.