Il titanio è un metallo di transizione appartenente al 4° Periodo e al 4° Gruppo avente configurazione elettronica [Ar],4s2,3d2 con numeri di ossidazione +4, +3, +2, +1, -1 e -2.
E’ un metallo leggero, resistente, di colore bianco metallico che in presenza di ossigeno si passiva ricoprendosi di una patina di ossido e pertanto non viene attaccato da acidi, dalle basi e da agenti ossidanti
Il Pastore inglese William Gregor nel 1791 nell’ambito degli studi dell’ilmenite, minerale costituito da ferro e titanio isolò per primo l’elemento.
Ottenimento
Nel 1910 l’ingegnere metallurgico Matthew Albert Hunter, con l’intento di ottenere un metallo ad alta temperatura di fusione per sostituire i filamenti di carbonio usati a quel tempo nelle lampadine elettriche, ottenne il metallo ad alto grado di purezza tramite il processo Hunter dalla riduzione del tetracloruro di titanio in presenza di sodio metallico secondo la reazione:
TiCl4 + 4 Na → Ti + 4 NaCl
Il metallo ottenuto, del quale si sarebbero scoperte successivamente le potenzialità, aveva tuttavia una temperatura di fusione molto minore a quella auspicata ed inoltre tale processo si rivelò scarsamente efficiente e fu utilizzato solo in laboratorio e non per scopi industriali.
Fu solo nel 1940 che Wilhelm Kroll mise a punto il processo Kroll tramite il quale viene ottenuto il titanio che consiste di quattro stadi:
1) Clorurazione
2) Purificazione
3) Ottenimento di titanio poroso
4) Ottenimento di titanio
I minerali contengono il titanio abitualmente sotto forma di biossido TiO2 che si presenta stabile alle alte temperature e resistente agli attacchi chimici, inoltre esso non può essere ridotto con il carbonio, il monossido di carbonio o l’idrogeno e la riduzione con metalli meno elettronegatività è incompleta. Se l’ossido è convertito in tetracloruro di titanio TiCl4 il processo diventa più agevole. La roccia è trattata a circa 1000 °C in presenza di cloro e carbonio dove avviene la conversione da biossido a tetracloruro di titanio:
TiO2(s) + 2 Cl2(g) + C(s) → TiCl4(g) + CO2(g)
2) Il tetracloruro di titanio è purificato per distillazione
3) Il tetracloruro di titanio è un liquido volatile ed è riscaldato per portarlo allo stato gassoso. Il vapore è fatto passare in un reattore preriscaldato a circa 500 °C in atmosfera di Argon contenente magnesio in eccesso allo stato fuso. A causa delle reazioni esotermiche che danno luogo alla formazione di TiCl2 e di TiCl3 la temperatura si innalza a oltre 800 °C; per avere il processo di riduzione che avviene lentamente la temperatura è innalzata a 1000 °C dove avviene in un tempo di 36-50 ore la reazione:
TiCl4(g) + 2 Mg(l) → Ti(s) + 2 MgCl2(s)
Il tempo necessario per raffreddare i prodotti della reazione è di almeno quattro giorni; il titanio ottenuto purificato per distillazione sotto vuoto, dà luogo al metallo presente in forma porosa
4) Il metallo in forma porosa all’interno del quale sono contenuti sali è compresso ridotto in piccoli pezzi
Reazioni
Il titanio brucia in presenza di aria per formare biossido di titanio dando una fiamma bianca:
Ti(s) + O2(g) → TiO2(s)
Il titanio inoltre brucia in presenza di azoto puro per dare il nitruro:
2 Ti(s) + N2(s) → TiN(s)
In presenza di vapore acqueo dà luogo alla formazione di biossido di titanio e idrogeno gassoso:
Ti(s) + 2 H2O(g) → TiO2(s) + H2(g)
Ad elevate temperature il titanio reagisce con gli alogeni per dare i rispettivi alogenuri che hanno colori caratteristici: il tetrafluoruro di titanio è bianco, il tetracloruro è incolore, il tetrabromuro è arancione mentre il tetraioduro è marrone.
Sebbene sia resistente all’azione degli acidi il titanio reagisce con acido fluoridrico diluito per dare lo ione complesso [TiF6]3- secondo la reazione:
2 Ti(s) + 12 HF(aq) → 2 [TiF6]3-(aq) + 3 H2(aq) + 6 H+(aq)
Usi
Tra i composti più importanti vi è il biossido TiO2 usato quale pigmento bianco, quale catalizzatore, nell’industria cosmetica e come filtro solare e il tetracloruro TiCl4 usato quale catalizzatore per la produzione di polietilene e polipropilene nell’industria elettronica e quale acido di Lewis
Per la sua resistenza alla corrosione e il basso peso specifico è largamente usato nelle leghe ed in particolare in leghe utilizzate in campo aerospaziale per la realizzazione di componenti per turbine, motori per jet, strutture aeree, nell’ambito dell’edilizia, per ottenere attrezzature sportive, veicoli blindati, giubbotti corazzati, caschi, gioielli, occhiali da vista, biciclette, mazze da golf.
E’ usato nell’ambito dell’implantologia dentale a causa della sua elevata biocompatibilità. Tuttavia per minimizzare il rischio di rigetto o di infezioni è necessario che l’impianto dentale sia costituito da titanio al massimo grado di purezza.
A causa degli alti costi di produzione un impianto affidabile è quindi abbastanza costoso pertanto bisogna diffidare di quanti offrono impianti low cost. I pazienti dovrebbero quindi chiedere l’azienda produttrice dell’impianto e farsi rilasciare un passaporto implantare che certifichi le caratteristiche del materiale utilizzato. Basta una semplice ricerca per conoscere le poche aziende accreditate in campo mondiale evitando quelle che operano fuori da ogni controllo.