Titaani

Ominaisuudet

Titaani kestää korroosiota erittäin hyvin. Happi-ilmakehässä se muodostaa pinnalleen inertin oksidikerroksen, joka kestää laimeaa rikki- ja suolahappoaa, orgaanisia happoja ja kloori. Titaani on lähes yhtä lujaa kuin teräs, mutta 45 % kevyempää. Se on 60 % painavampaa kuin alumiini, mutta kaksi kertaa vahvempaa. Titaani on myös erittäin väsymiskestävää ja sillä on korkea sulamispiste.

Titaani palaa normaali-ilmakehässä (> 610°C) muodostaen titaanidioksidia. Hapettumaton titaanipinta palaa jo huoneenlämmössä välittömästi paljastuessaan, esimerkiksi titaanikappaleen murtuessa, jolloin saatetaan nähdä jopa valonvälähdys. Syntynyt lämpö ei yleensä riitä sytyttämään koko kappaletta. Reaktioherkkyyden vuoksi lastuamisnopeus on pidettävä hitaana. Titaani on myös niitä harvoja aineita, jotka reagoivat typen kanssa (> 800°C), jolloin muodostuu titaaninitridiä. Ominaisuus tekee titaanista vaikean hitsattavan. Titaani on hitsattava typpeä sisältämättömässä suojakaasussa.

Käyttökohteet

Titaanikuorinen kello

95 % titaanista käytetään titaanidioksidina (TiO₂), joka on maaleissa, muoveissa, paperissa ja meikeissä käytettävä valkoinen pigmentti. Titaanidioksidi ei läpäise valoa, ja sitä käytetään myös aurinkovoiteissa. Titaanioksidi ei ole myrkyllistä kuten lyijyoksidi, jota aiemmin käytettiin yleisesti valkoisena pigmenttinä. Suomessa titaanioksidia valmistaa Kemiran Oy Pori tehtaalla.

Vaikka metallinen titaani on lujuudessa teräkseen verrattavissa, sen kimmokerroin on vain noin puolet teräksen vastaavasta. Tämän vuoksi pyrittäessä samaan jäykkyyteen kuin teräsrakenteissa, joudutaan titaanin kanssa käyttämään suurempaa ainepaksuutta, jolloin menetetään osa titaanin keveyden tuomasta edusta. Koneenrakennuksessa jäykkyys on usein mitoituksessa määräävämpi ominaisuus kuin lujuus. Kun lisäksi titaanin työstäminenkin on kallista, niin käyttökohteiksi ovat tulleet vaativat sovellukset, joissa haponkestävän teräksen kemiallinen kestävyys ei riitä ja joissa vaaditaan lisäksi keveyttä.

Titaanin käyttökohteita:

Prosessiteollisuuden putkistot, lämmönvaihtimet ja venttiilit, joissa merivettä käytetään lauhdutukseen, esim. voimalaitokset ja suolanpoistolaitokset, ydinvoimaloiden putkistot, etikkahappolaitokset, klooritehtaat, paperi- ja lannoiteteollisuus
Merenalaisissa kohteissa kauko-ohjattavien laitteiden rungot ja välineet (kestävät jopa 3000 m:n syvyyteen), seurantalaitteiden kotelot, prosessilaitteet ja työkalut, sukellusvälineiden osat
Avomeriteollisuudessa porauslauttojen ja alusten pakokaasuputkistot, jäähdytys- ja palokaluston putkistot, joissa suolapitoisuus on korkea
Puolustusteollisuudessa kuten nopeissa lentokoneissa, esim. Lockheed SR-71, ohjuksissa, sukellusveneet, torpedot, ammukset, henkilösuojaimet
Kilpa-autoissa titaanille on monia käyttökohteita, kuten jousitus ja monet moottorin liikkuvat osat; mm. venttiilit, kiertokanget ja männäntapit.
Keveyden ja lujuuden ansiosta sitä käytetään ilmailusovelluksissa, mutta myös kuluttajatuotteissa kuten golf-mailoissa, polkupyörissä ja kannettavissa tietokoneissa.
Kaksi kolmasosaa titaanimetallista käytetään lentokoneisiin. Yli puolet titaanidioksidista menee maaleihin.
Lääketieteellisissä sovelluksissa, esimerkiksi implanteissa, koska elimistön hylkimisreaktio titaania kohtaan on pieni. Samasta syystä sitä käytetään koruissa, esimerkiksi lävistyskorut.
Titaania on käytetty 1950-luvulta lähtien kirurgiassa murtuneiden luiden yhteen kiinnittämiseen. Polven ja lonkan tekonivelet ja myös kallonmurtuman paikkalevyt ovat titaania.
Titaania käytetään seosaineena teräksissä ja alumiineissann. Teräksessä titaania käytetään titaaninitridiä kiteiden kasvun säätämiseen.

Titaanin erikoisominaisuuksia

Lockheedin pohtiessa 1960-luvun alussa vedyn käyttämistä lentokoneen polttoaineena havaittiin titaanin hauraus kylmänä. Kylmähaurauden lisäksi vety kulkeutuu titaanin kiteiden raerajoille ja tekee siitä lasimaisen hauraan. Ilmiö voi aiheutua myös titaanin työstön koneistusnesteistä. Hiilikuiturakenteissa titaanin ja hiilikuidun kontakti pitää estää titaanin galvaanisen korroosion estämiseksi.

Vety haurastuttaa titaanin, mutta toisaalta titaanijauhe kykenee varastoimaan itseensä suuren määrän vetyä.

Titaanin lämpölaajenemiskerroin on pieni, samaa luokkaa kuin lasin. Titaania voidaan jopa hitsata yhteen lasin kanssa, mitä ominaisuutta on hyödynnetty joissakin laboratoriosovelluksissa.

Titaaninitridiä ja titaanikarbidia käytetään pinnoitteena kovuutensa ja kulutuksenkestonsa vuoksi työstökoneiden terissä.

Historia

Titaani on saanut nimensä kreikkalaisen mytologian titaaneiltann, Gaia ensimmäisiltä lapsilta. Sen löysi englantilainen pastori William Gregor 1791 mineraali ilmeniitistä (FeTiO₃) ja uudelleen saksalainen kemisti Martin Heinrich Klaproth rutiilista. Klaproth nimesi alkuaineen 1795 titaanien mukaan.

Metallia valmistettiin ensimmäisen kerran laboratorion ulkopuolella 1946, kun Willam Justin Kroll keksi keinon valmistaa sitä pelkistämällä titaanitetrakloridiina (TiCl₄) magnesium avulla.

Esiintyminen

Titaania ei esiinny vapaana luonnossa, vaikka se onkin maan yhdeksänneksi yleisin alkuaine (0,9 % massasta). Merkittävimmät titaanivarannot ovat Australiassa, Skandinaviassa, Pohjois-Amerikassa ja Malesiassa. Titaania esiintyy meteoriiteissä, Auringossa ja muissa M-tyypin tähdissä. Apollo 17:n Kuusta tuomissa näytteissä sitä oli 12,1 % kuukivistä.

Isotoopit

Titaania

Luonnontitaanissa esiintyy viittä isotooppia: Ti-46, Ti-47, Ti-48, Ti-49 ja Ti-50. Ti-48 on yleisin (73,8%). Yhtätoista radioaktiivista isotooppia on valmistettu, vakain on Ti-44 63 vuoden puoliintumisajalla. Ti-45 isotoopin puoliintumisaika on 184,8 minuuttia, Ti-51:n 5,76 minuuttia ja Ti-52:n 1,7 minuuttia. Muiden isotooppien puoliintumisajat ovat alle 33 sekuntia ja suurimman osan alle puoli sekuntia.