Els empèdocles moderns – William Gregor (1791) i l’element 22 (Ti) – titani (nilbibi, Nbb)

Per als astrofísics, són metalls tots aquells elements de nombre Z superior a 2, és a dir tots aquells elements que no són ni hidrogen ni heli. Per exemple, en el Sol, l’hidrogen suposa, en termes de massa, el 73%; l’heli el 25% i els “metalls” el 2%. Tot sovint no es possible calcular aquesta metal•licitat global, i hom empra un índex basat en el logaritme decimal de la ratio entre l’abundància atòmica del ferro (el metall per antonomàsia) i de l’hidrogen. En grec, el terme μέταλλον s’associa al verb μέταλλάω, que vol dir demanar, investigar, inquirir; el substantiu es feia servir per designar mines o pedreres (‘αλoς μέταλλον, vol dir mina de sal o salina), i passà també a designar el producte de manera genèrica, fos or, argent, coure, ferro, estany, plom o mercuri. Els metalls foren definits pels alquimistes com sòlids durs, opacs i brillants, per bé que el mercuri és líquid. Unes altres propietats dels metalls són la mal•leabilitat (la possibilitat de donar-los forma de manera permanent a martellades), fusibles (a grans temperatures es fonen en líquid) i dúctils (capaços de fer-ne fil a partir de la forma fossa). Darrera de les “terres”, com vam veure la setmana passada, hi ha “metalls terris”. Darrera dels “àlcalis”, com va comprovar Humphry Davy, hi ha “metalls alcalins”. I entre els “metalls terris” i els “metalls alcalins” hi ha els metalls alcalino-terris. Una altra possibilitat de classificació, més antiga, és la que distingeix entre metalls nobles i metalls innobles o baixos. Els metalls nobles són els més resistents a la corrosió i l’oxidació, tant de l’aire, com de l’aire humit o la d’aigües corrosives. Els metalls nobles tendeixen a ser també els metalls preciosos, encara que la preciositat té molt a veure amb el treball que en requereix la seva extracció. L’ordre clàssic ens parlava, en termes de preciositat, d’una escala formada per l’or, l’argent, el bronze i el ferro. Mentre or, argent i ferro són metalls elementals, el bronze és un aliatge de coure amb altres metalls, com ara estany. En termes de noblesa, però, l’argent resisteix l’aigua règia, mentre l’or no ho fa. L’electroquímica, però, restaurà l’or en la corona, en calcular una escala quantitativa de potencial: or (1,56 V), platí (1,18 V), iridi (1,156 V), pal•ladi (0,987 V), osmi (0,838 V), argent (0,7996 V), etc. Berzelius ja reconeixia que la majoria d’elements químics eren metalls, i els que no ho eren els designava com a “metal•loids”. Entre els 118 elements químics reconeguts actualment, n’hi ha 91 que són classificats com a metalls. En el 1921, Charles Bury va proposar una reordenació de la taula periòdica que aclaria enormement la relació entre els “metalls” i els “no-metalls”. Bury proposà una categoria de “metalls de transició” en el 1921. La comprensió quàntica de l’escorça electrònica va identificar els “metalls de transició” amb el bloc d de la taula periòdica, separat del bloc s (constituït pels metalls alcalins i els metalls alcalino-terris) i el bloc p (constituït pels grups d’elements del bor, carboni, nitrogen, oxigen, halògens i gasos nobles). Encara calia parlar d’un quart bloc, el bloc f, format pels lantànids i actínids, que reberen el nom comú de “metalls de transició interior”, mentre que els del bloc d eren denominats “metalls de transició exterior” o, més senzillament, “metalls de transició”.

Els metalls poden ser definits també d’acord amb el seu comportament com a conductors elèctrics. En aquest diagrama es mostra en l’eix vertical l’energia i en l’eix horitzontal la densitat d’estats electrònics. Els metalls i semimetalls permeten la conducció elèctrics, mentre els no-metalls són aïllants. De manera intermèdia, trobem els semiconductors, que condueixen corrents electrònics d’una manera condicional que els fa atractius en el disseny de peces electròniques

William Gregor i la descoberta del titani

William Gregor (*Trewedhenek, Trerigoni, Cornualla, 25.12.1761) era fill del matrimoni format per Francis Gregor (*1728) i Mary Copley. El fill gran, Francis, havia nascut l’1 de juny del 1760. Els Gregor eren els propietaris de Trewarthenick Estate. Els joves Francis i William s’educaren en la Truro Grammar School, primer, i després a la Bristol Grammar School. Fou a Bristol on William Gregor començà a interessar-se per la química. Els pares tenien pensat per a Francis una carrera jurídica i per a William una carrera religiosa. Després de l’etapa de Bristol, continuaren els estudis a la casa pairal sota tutors privats durant dos anys, com a preparació per a ingressar en el St. John’s College, de Cambridge. Francis hi anà primer i es graduà en el 1782, amb l’honor de “third Wrangler” (és a dir el tercer alumne en estudis de matemàtica). William s’hi va graduar en el 1784. Llavors, Francis ja havia començat els estudis de dret a la Lincoln’s Inn, a Londres. William, després de graduar-se, realitzà un mestratge, completat el 1787, que li obrí les portes a l’ordenació religiosa de l’Església d’Anglaterra. El seu primer destí fou la vicaria de St Mary’s Church Diptford, prop de Totnes, al Comtat de Devon. En el 1788, el seu germà gran, casat amb la pubilla de Restormel Park, esdevenia High Sheriff de Cornualla, amb nomenament publicat el 5 de febrer, pel període d’un any. Francis Gregor, no sense esforç, aconseguí un escó a la Cambra dels Comuns el 10 de juliol del 1790, com un dels cavallers del comtat de Cornualla. En el mateix any, William Gregor es casava amb Charlotte Anne Gwatkin, matrimoni del qual naixeria una única filla.

La nova posició familiar i religiosa, ans de distanciar William Gregor de la dedicació per la mineralogia i la química, li oferia noves oportunitats d’estudi. Després d’un temps a Bratton Clovely, Gregor esdevingué rector de Krid. Col•leccionava i estudiava mostres minerals d’arreu de Cornualla, tant des del punt de mira cristal•logràfic com químic.

Espècimen d’ilmenita, procedent de Froland (Aust-Agder, Noruega)

Entre els espècimens que analitzà hi hagué un de roca ígnia, concretament d’ilmenita, procedent de la vall de Manahan, en la península d’An Lysardh, al sud de Cornualla. Aquesta ilmenita donava lloc a una sorra negra en la llera d’un torrent. El contingut metàl•lic de la sorra quedava demostrat en veure com un interactuava amb un magnet. En el residu calcinat de la ilmenita, William Gregor identificà dos òxids metàl•lics: d’una banda, òxid de ferro, amb una proporció del 54,75%; de l’altra un òxid igualment metàl•lic de color blanc, del 45,25%. L’òxid de ferro explicava el caràcter magnètic de la sorra d’ilmenita, però Gregor s’interessa més per l’altre òxid, que no va poder identificar. En comunicació a la revista científica “Chemische Annalen für die Freunde der Naturlehre” (els Crell’s Annalen, de la Universitat de Helmstedt, Brunswick-Wolfenbüttel)”, Gregor denominava aquest material “manaccanita” i proposava que es tractava de l’òxid d’un metall prèviament desconegut.

Martin Heinrich Klaproth (1743-1817), en un gravat d’Ambroise Tardieu (1788-1841), segons un retrat d’Eberhard-Siegried Henne (1759-1828)

En el mateix any del 1791, Martin Heinrich Klaproth, professor de química de l’Artilleria Reial Prussiana, estudiava una mostra de rútil. Suggeria que el rútil, químicament, era l’òxid d’un metall prèviament desconegut.

Espècimen de rútil procedent de la Vall de Binn, en el Valês (Suïssa). El nom de rútil procedeix del mot llatí rutilus, en referència al color vermell rutilant que presenta de vegades

Franz-Joseph Müller von Reichenstein (1740-1825), conseller del govern de Transilvània, i amb una llarga experiència en anàlisi mineralògica, feia una descripció de l’òxid d’un metall desconegut.

En el 1795, Klaproth, estudiant mostres de rútil procedents de Boinik, al Regne d’Hongria, refermava la idea que es tractava de l’òxid d’un metall desconegut. Es decidí a denominar aquest metall com a “titani”, en memòria dels Titans, que en la mitologia grega fou la generació divina destronada pels seus propis fills, els Déus Olímpics. Klaproth no entrava en l’etimologia mateixa del mot grec “τιτάν”. Jane Ellen Harrison (1850-1928) deia que el mot es podia relacionar amb τιτανος, mot emprat per designar la calç o el guix, o qualsevol terra blanca, com el mateix òxid de titani. Harrison considerava que els antic grecs havien aplicat aquest terme als sacerdots de la religió primitiva i, per extensió, als seus déus pre-olímpics. Altres vinculen el mot al verb grec “τείνω”, que vol dir estendre o ampliar, tal com deixa entendre Hesíode quan diu “Τοὺς δὲ πατὴρ Τιτῆνας ἐπίκλησιν καλέεσκε / παῖδας νεικείων μέγας Οὐρανός, οὓς τέκεν αὐτός / φάσκε δὲ τιταίνοντας ἀτασθαλίῃ μέγα ῥέξαι / ἔργον, τοῖο δ᾽ ἔπειτα τίσιν μετόπισθεν ἔσεσθαι.”. Paul Faure (1916-2007), sense entrar en aquestes associacions, proposa que la denominació procedeix de Tan o Ttan, una divinitat present en textos cretencs.

En remarcar la similitud entre l’òxid de titani de Klaproth i la manaccanita descrita per Gregor, Klaproth sol•licità al mineralogista còrnic una mostra d’aquesta substància. Klaproth confirmà que la manaccanita era òxid de titani, la qual cosa equivalia a concedir la prioritat de la descoberta a Gregor. També es va poder identificar com a òxid de titani el material identificat per Von Reichenstein en mostres transsilvanes. En qualsevol cas, hom acceptà universalment el terme “titani”, adaptat en pràcticament totes les llengües, per denominar el nou metall.

En el decurs dels seus estudis de química mineralògica, William Gregor va poder identificar la presència de menaccanita o titània en altres minerals, com en espècimens de corindó procedents del Tibet o en turmalina procedent d’una mina d’estany de Cornualla. En aquests casos, l’òxid de titani és, però, un constituent menor, i no pas el majoritari (com en el rútil) o ben abundant (com en la ilmenita, que és un òxid de ferro i titani).

En la primera edició de “New System of Chemical Philosophy” (1808), John Dalton no esmenta el titani en el llista d’elements simples. Però si ho fa en edicions posteriors, en les quals presenta una llista de 36 elements simples, amb els corresponents símbols. Per al titani, proposa com a símbol les inicials “Tit” (en tant que la inicial “T” havia estat reservada a l’estany, en anglès “tin”).

Jöns Jacob Berzelius, en el seu assaig pioner sobre proporcions químiques, del 1813, ofereix una llista de 47 elements químics, amb símbols basats exclusivament en les inicials. El titani hi apareix amb el símbol Ti, que ja ha quedat fixat en la literatura posterior.

L’acceptació definitiva del titani entre els metalls, consagrà el prestigi de William Gregor com a mineralogista. Gregor fou membre fundador de la Royal Geological Society of Cornwall (1814). Com a geòleg, cal remarcar la seva destresa com a dibuixant, manifestada en els seus quadres i gravats paisatgístics. Artísticament, també s’expressà com a músic. La seva activitat pastoral, artística i científica, però, declinà com a conseqüència de la tuberculosi. El 12 de juliol del 1815, es moria el seu germà gran, Francis Gregor, que havia representat Cornualla a la Cambra dels Comuns fins el 1806. Com que de cap dels dos matrimonis contrets per Francis Gregor en quedava descendència, Trewarthenick Estate passà a William. En tot cas, William Gregor continuà a Krik, on es morí l’11 de juny del 1817, a 55 anys.

Berzelius i d’altres havien pogut determinar per al titani un pes atòmic de vora 50 equivalents d’hidrogen. Aquesta determinació era indirecta, basada en l’òxid de titani ja que, malgrat diversos intents, no havia estat possible obtindre titani metàl•lic. Per exemple, la reducció de l’òxid de titani (TiO2) a través d’altes temperatures no conduïa a la formació de titani metàl•lic sinó de carbur (TiC). En el 1825, Berzelius aconseguí una mostra de titani metàl•lic, per bé que d’escassa quantitat i puresa.

En les dècades següents, al mateix temps que s’ampliava la llista d’elements químics, es feien diversos intents de presentar-los de manera sistemàtica. John Newlands provà d’aplicar-hi una llei d’octaus en el 1865. Al titani li assignava un nombre elemental de 18, la qual cosa el posava en el grup d’elements encapçalat pel carboni i el silici, que com el titani, formaven diòxids monovalents (RO2).

Dmitri Mendeleev presentà en el 1869 una taula periòdica. El titani (Ti), amb un pes atòmic de 50, era comptat com un element del “quart període”, encapçalant un grup propi, continuar pel zirconi (pes atòmic de 90) i un altre element per descobrir (“eka-zirconi”), ja en el sisè període, de pes atòmic de 180.

Mendeleev “simplifica” la taula periòdica en el 1871, simplificació que descobertes posteriors acabarien per impugnar. En aquesta versió el titani, que apareix amb el pes atòmic més refinat de 48, és (re)integrat en el “grup IV”, és a dir el grup del carboni i del silici, bo i mantenint-lo en el quart període. El “grup IV” era definit per la formació de diòxids monovalents (RO2) i de tetrahidrurs monovalents (RH4).

Lars Nilson (1840-1899) i Sven Otto Petersson (1848-1941) aconseguir obtindre i estudiar mostres de titani d’una puresa del 95%. Henri Moissan (1852-1907), més tard, arribà a una puresa del 98%, emprant el forn d’arc elèctric. Matthew Albert Hunter (1878-1961), professor d’enginyeria elèctrica del Rensselaer Polytechnic Institute (Troy, Nova York), desenvolupà en el 1910 una metodologia per obtindre titani metàl•lic d’una puresa del 99,9%. El procés de Hunter incloïa les següents fases:
– barrejar rútil (TiO2) amb gas clor (Cl2) i carbó (C). Aplicant-hi un calor extrem (1000-1100 K), té lloc la reacció TiO2(sòlid) + 2 Cl2 (gas) + C (sòlid) → TiCl4 (líquid) + CO2 (gas).
– el tetraclorur de titani que resulta és reduït amb sodi líquid: TiCl4 (líquid) + 4 Na (líquid) → 4 NaCl (líquid) + Ti (sòlid)

Les noves teories electròniques produïren una revisió de la taula periòdica de Mendeleev. El grup IV, com els altres grups químics, fou escindit entre els elements dels “grups principals” i els elements de “transició”. En el “grup del carboni” (conegut com a grup IVB) s’hi quedaren el carboni, el silici, el germani, l’estany i el plom. En el “grup del titani” (conegut com a grup IVA) hi quedaren el titani i el zirconi. En el 1923, a aquest grup hom afegia un tercer element, el hafni. Tots tres elements compartien la característica d’ésser metalls refractoris, en el sentit de resistir l’efecte de la calor i del desgast.

L’estudi del titani en el laboratori fou facilitat per Anton Eduard van Arkel (1893-1976) i Jan Hendrik de Boer (1899-1971), que en el 1925, idearen un mètode d’obtenció de titani de molt alta puresa basat en la reacció amb el iode i la consegüent descomposició dels vapors de iodur de titani. El mateix mètode l’aplicaren al zirconi, al hafni i al tori.

Les propietats del titani, estudiades en el laboratori, el feien interessant des d’un punt de mira metal•lúrgic. Però el procés de Hunter era massa car per a una aplicació comercial. En el 1932, William Justin Kroll (1899-1973) començà a treballar-hi, tant en el procés d’obtenció com en el desenvolupament d’aliatges. Kroll pensà en substituir el sodi en la reacció de reducció del TiCl4 per calci líquid. Més tard, per comptes de calci, assajà magnesi i barreges de magnesi i sodi. L’estiu del 1938 ja va patentar l’anomenat “procés de Kroll” per a la fabricació de titani i aliatges de titani. El procés fou dut a la pràctica en la fàbrica de Cerametal de Bereldange (Luxemburg). Kroll va fer un viatge als Estats Units l’hivern del 1938-1939 per atraure investors, però sense gaire èxit, de manera que tornà a Luxemburg. La situació bèl•lica va fer que Kroll optés per tornar als Estats Units el febrer del 1940. Amb penes i treballs, aconseguí d’interessar les autoritats i la indústria i, el 1948, la companyia Dupont de Nemours arrencà la producció comercial de titani amb el procés de Kroll.

Les aplicacions pioneres del titani foren, com és natural en el context de la “guerra freda”, les militars. Els aliatges de titani foren emprats en els primers anys 1950 als Estats Units en components d’aviació militar. En els anys 1950 i 1960, la Unió Soviètica va fer servir aliatges de titani en alguns dels seus submarins. Totes dues potències seguiren una política de “material estratègic” per al titani, la qual cosa en fomentava la producció, destinada en part a la creació d’enormes estocs.

El procés de Kroll genera “esponges de titani metàl•lic”

El titani: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del titani és de 47,867 uma, que deriva de la mitjana ponderada dels seus isòtops estables (de 46Ti a 50Ti). El bombardeig d’aquests isòtops estables amb 2H+, permet la síntesi artificial d’isòtops radiactius pesants. Una llista completa de tots els isòtops coneguts faria:
– titani-38 (38Ti; 38,00977 uma). Nucli format per 22 protons i 16 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida inferior a 1,2•10-7 s. Decau, amb emissió de dos protons, a calci-36.
– titani-39 (39Ti; 39,00161 uma). Nucli format per 22 protons i 17 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de vora 0,031 s. Decau majoritàriament (85%) a calci-38 (amb emissió d’un protó i d’un positró) o, alternativament, a escandi-39 (15%; amb emissió d’un positró) o a potassi-37 (<0,1%; amb emissió de dos protons i d’un positró).
– titani-40 (40Ti; 39,99050 uma). Nucli format per 22 protons i 18 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0533 s. Decau bé a escandi-40 (56,99%; amb emissió d’un positró) o a calci-39 (43,01%; amb emissió d’un protó i d’un positró).
– titani-41 (41Ti; 40,98315 uma). Nucli format per 22 protons i 19 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0804 s. Decau normalment (>99,9%) a calci-40 (amb emissió d’un protó i d’un positró) o, alternativament (<0,1%) a escandi-41 (amb emissió d’un positró).
– titani-42 (42Ti; 41,973031 uma). Nucli format per 22 protons i 20 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,199 s. Decau a escandi-42, amb emissió d’un positró.
– titani-43 (43Ti; 42,968522 uma). Nucli format per 22 protons i 21 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,509 s. Decau a escandi-43, amb emissió d’un positró. Presenta dos estats metastable, un de 313,0 keV (43m1Ti; amb una semivida de 1,26•10-5 s) i un de 3066,4 keV (43m2Ti; amb una semivida de 5,6•10-7 s).
– titani-44 (44Ti; 43,9596901 uma). Nucli format per 22 protons i 22 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,9•109 s (60 anys). Decau, per captura electrònica, a escandi-44.
– titani-45 (45Ti; 44,9581256 uma). Nucli format per 22 protons i 23 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,109•104 s (3 hores). Decau a escandi-45, amb emissió d’un positró.
– titani-46 (46Ti; 45,9526316 uma). Nucli format per 22 protons i 24 neutrons. És un isòtop estable, amb una abundància relativa del 8,25%.
– titani-47 (47Ti; 46,9517631 uma). Nucli format per 22 protons i 25 neutrons. És un isòtop estable, amb una abundància relativa del 7,44%.
– titani-48 (48Ti; 47,9479463 uma). Nucli format per 22 protons i 26 neutrons. És un isòtop estable. Amb una abundància relativa del 73,72%, és l’isòtop majoritari.
– titani-49 (49Ti; 48,9478700 uma). Nucli format per 22 protons i 27 neutrons. És un isòtop estable, amb una abundància relativa del 5,41%.
– titani-50 (50Ti; 49,9447912 uma). Nucli format per 22 protons i 28 neutrons. És un isòtop estable, amb una abundància relativa del 5,18%.
– titani-51 (51Ti; 50,946615 uma). Nucli format per 22 protons i 29 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 346 s (5 minuts i 46 segons). Decau a vanadi-51, amb emissió d’un electró.
– titani-52 (52Ti; 51,946897 uma). Nucli format per 22 protons i 30 protons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 102 s (1 minuts i 42 segons). Decau a vanadi-52, amb emissió d’un electró.
– titani-53 (53Ti; 52,94973 uma). Nucli format per 22 protons i 31 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 32,7 s. Decau a vanadi-53, amb emissió d’un electró.
– titani-54 (54Ti; 53,95105 uma). Nucli format per 22 protons i 32 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,5 s. Decau a vanadi-54, amb emissió d’un electró.
– titani-55 (55Ti; 54,95527 uma). Nucli format per 22 protons i 33 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,490 s. Decau a vanadi-55, amb emissió d’un electró.
– titani-56 (56Ti; 55,95820 uma). Nucli format per 22 protons i 34 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,164 s. Decau normalment (>99,9%) a vanadi-56 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (<0,1%) a vanadi-55 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– titani-57 (57Ti; 56,96399 uma). Nucli format per 22 protons i 35 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,060 s. Decau normalment (>99,9%) a vanadi-57 (amb emissió d’un electró) o, alternativament, a vanadi-56 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– titani-58 (58Ti; 57,96697 uma). Nucli format per 22 protons i 36 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,054 s. Decau a vanadi-58, amb emissió d’un electró.
– titani-59 (59Ti; 58,97293 uma). Nucli format per 22 protons i 37 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,030 s. Decau a vanadi-59, amb emissió d’un electró.
– titani-60 (60Ti; 59,97676 uma). Nucli format per 22 protons i 38 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,022 s. Decau a vanadi-60, amb emissió d’un electró.
– titani-61 (61Ti; 60,98320 uma). Nucli format per 22 protons i 39 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,010 s. Decau bé a vanadi-61 (amb emissió d’un electró) o a vanadi-60 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– titani-62 (62Ti; 61,98749 uma). Nucli format per 22 protons i 40 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,01 s.
– titani-63 (63Ti; 62,99442 uma). Nucli format per 22 protons i 41 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,003 s.

L’àtom neutre de titani conté 22 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d24s2. Tot i pertànyer al quart període és, doncs, el primer element del grup 4 (IVB en la nomenclatura nord-americana i IVA en la nomenclatura europea), i en conseqüència és comptat entre els metalls de transició. El nombre d’oxidació més habitual és +4 (Ti4+, corresponent a la cessió dels electrons dels nivells 4s i 3d), encara que també el podem trobar amb els nombres +3 (com en el triclorur de titani, TiCl3), +2 i +1 (com és el cas del monohidrur de titani, sintetitzat i descrit per Andersson et al., 2003). El seu radi atòmic és de 1,47•10-10 m.

Barra de cristalls de titani elemental

El titani elemental, en condicions estàndards de pressió i temperatura, es presenta com un metall llustrós, de color argentí, baixa densitat (4506 kg•m-3) i d’elevada fortalesa. En termes de relació fortalesa:densitat supera qualsevol altre metall elemental. Presenta una duresa de 6,0 en l’escala de Mohs. És molt resistent a la corrosió, fins i tot submergit en aigua marina, aigua règia o en àcid clorhídric, gràcies a la formació d’una capa superficial passiva (de l’ordre d’uns pocs nanòmetres, feta de TiO2, TiN, segons els casos). És dúctil, especialment en atmosferes no-oxidants. Ofereix una resistivitat elèctrica relativament elevada (420 nΩ•m, a 293 K) i tampoc no és bon conductors de valor (21,9 W•m-1•K-1.

Posseeix tres al•lòtrops:
– la forma alfa consisteix en una xarxa cristal•lina hexagonal estretament empacada.
– la forma beta consisteix en una xarxa cúbica centra en el cos. La transició de la forma alfa a la forma beta té lloc a 1155 K.
– la forma omega, que en condicions ideals consisteix en una xarxa cristal•lina hexagonal, però que sota distorsió pot donar lloc a una xarxa trigonal. És metastable en condicions de pressió estàndards, però esdevé la forma termodinàmicament estable en pressions elevades.

Metall refractari (calor de fusió de 14,15 kJ•mol-1), presenta una elevada temperatura de fusió (1941 K en condicions estàndards de pressió). Per tal que el titani no es cremi o reaccioni abans de fondre’s, la fusió ha de fer-se en una atmosfera inert.

En condicions estàndards de pressió, la temperatura d’ebullició de situa a 3560 K.

Gràfic de pH i de potencial elèctric per a una solució aquosa de Ti3+ de 0,01 mols•L-1

El titani metàl•lic s’oxida ràpidament en presència d’aire atmosfèric, per bé que la formació d’una capa superficial de TiO2 preserva de l’oxidació les capes inferiors. L’oxidació esdevé completa, en tot cas, a temperatures de 1500 K. En termes de resistència a la corrosió, és superat per pocs metalls (com ara, el platí). De totes formes, amb una electronegativitat de 1,54 en l’escala de Pauling, el titani és comptat entre els metalls molt reactius. En conseqüència, la pólvora de titani s’ha manipular amb cura, pel risc d’incendi o explosió. En cas d’un incendi de titani, no s’han d’emprar ni aigua ni extintors de neu carbònica, sinó amb agents de classe D (grànuls de NaCl, pólvora de grafit, pólvora de coure).

L’òxid de titani (TiO2) fou descrit originàriament per William Gregor com a menaccanita. En la natura es presenta en forma de tres polimorfs principals, l’anatasa, la brookita i el rútil

Entre els compostos de titani podem citar:
– els òxids, dels quals el més habitual és el TiO2. El TiO2 és la base del titanats (TiO32-). El tianat ferrós (FeTiO3) és present a la natural com a ilmenita.
– el nitrur de titani (TiN) és un compost de gran duresa (9,0 en l’escala de Mohs) que, per això mateix, és emprat en revestiments de ganivetes o perforadores.
– entre els halurs, el més habitual és el TiCl4, que en condicions estàndards de pressió i temperatura, es presenta com un líquid volàtil. El seu ús principal és com a acceptor d’electrons en reaccions de síntesi en química orgànica.
– entre els compostos organotitànics, basats en l’enllaç Ti-C, hi ha el diclorur de titanocè ((C5H5)2TiCl2), emprat en reaccions de síntesi orgànica i organometàl•lica.

El titani, com a element amb un nombre Z parell, supera en abundància als elements que el flanquegen en la taula periòdica, tant per sota, l’escandi, com per damunt, el vanadi. Tot i això, en termes generals, el titani, pel seu nombre Z és una mica menys abundant que no pas esperaríem. A banda de l’escandi, entre els elements de menor nombre atòmic, únicament supera al fluor, al liti, al bor i al beril•li. Entre els que tenen un nombre atòmic superior, el titani és superat en abundància pel crom, el manganès, el ferro i el níquel.

L’abundància del titani en l’univers és condicionada per la seva producció en la fase de supernova d’estels molt massiu. Aquesta producció també segella el 48Ti com l’isòtop més abundant d’aquest element. L’abundància del titani seria major si de la reacció 40Ca + 4He → 44Ti, no en resultés un isòtop inestable i que, a més, en les condicions de les supernoves, ràpidament entra en la reacció successiva de 44Ti + 4He → 48Cr.

Si en el Sistema Solar, en el seu conjunt, per cada milió d’àtoms de silici, n’hi ha uns pocs milers de titani, la distància es redueix una mica si hom s’hi fixa en el planeta Terra. La presència de titani és detectable en el Sol i, en termes generals, en nans grocs i nans vermells. El titani és un element relativament abundant en els meteorits. És remarcable el fet que el contingut de TiO2 mitjà de les roques de la Lluna recollides en la missió Apol•lo 17, que visità la vall de Taurus-Littrow el desembre del 1972, fos d’un 12,1%.

L’abundància atòmica del titani en el conjunt de la Terra és de 440 ppm, valor que en termes de massa passa a 810 ppm. Com a element litòfil, la major concentració la trobem en l’escorça terrestre, on s’arriba a valors de 6300 ppm, en termes de massa. Això el converteix en el novè element més abundant de l’escorça terrestre, i en el setè metall elemental més abundant (el superen l’alumini, el ferro, el calci, el potassi i el magnesi). La seva abundància en sòls oscil•la entre el 0,5% i l’1,5%.

El titani és àmpliament difós en l’escorç, particularment en roques ígnies (el 98% dels diferents tipus de roques ígnies contenen titani, sobretot en forma de TiO2) i en roques sedimentàries o metamòrfiques que en deriven. Freqüentment, però, aquesta presència de TiO2 és en forma d’impureses i, en aquest sentit, són les responsables dels asterismes de gemmes com el safir o el robí.

Algunes gemmes, com aquest safir, quan són tallades en caboixó, mostren un asterisme, un reflex estel•lat. Aquests asterismes són produït per cavitats tubulars formades per la presència, en forma d’impureses, d’òxid de titani

Des d’un punt de mira econòmic, els únics minerals de titani rellevants serien el rútil (extracció mundial anual de 6 milions de tones) i la ilmenita (0,7 milions de tones). Altres minerals de titani són els polimorfs menys freqüents de TiO2, l’anatasa i la brookita, així com els minerals de titanats, com la perovskita (titanat de calci, CaTiO3). Entre els silicats de titani podem esmentar la titatina o esfena (CaTiSiO5). Les reserves econòmicament explotables de titani es calculen en 600 milions de tones.

L’abundància de titani en la hidrosfera continental és condicionada pel context geològic. Les regions ígnies tendeixen a presentar un major contingut de titani. En l’aigua oceànica, la concentració elemental de titani és de 1 μg•L-1.

La presència de titani en l’atmosfera es redueix a traces transitòries.

El titani, pel que se sap, no compleix cap funció biològica en cap organisme. No obstant, donada la seva abundància relativa en l’escorça, el trobem en els organismes, particularment en plantes. Val a dir, que les quantitats són generalment minses. Així si la concentració de titani en sòls és de 5000-15000 ppm, els valors habituals en les plantes són d’1-2 ppm. En algunes espècies, segons les condicions del sòl, podem trobar concentracions superiors, fins a 80 ppm, com és el cas de les cues de cavall (Equisetum) o de les ortigues (Urtica). En termes generals, el titani tendeixen a acumular-se diferencialment en teixits rics en silici. Elekes & Busuioc (2010) han estudiat el procés de concentració del titani i d’altres metalls pesants en els cossos fructífers de fongs, procés que pot ser aprofitat en la “destitanització” de sòls que presentin concentracions excessives d’aquest metall.

En els teixits animals, les concentracions solen ser inferiors. En l’ésser humà, la concentració de titani en termes de massa és típicament de 0,13 ppm, que en termes atòmics suposa 0,75 ppm. Així en un cos humà típic de 70 kg, hi haurà uns 20 mg de titani. De totes formes, dels 0,8 mg diaris de Ti que apareixen en una dieta típica dels països industrialitzats, la major part no s’absorbeix. El titani és considerat el més biocompatible de tots els metalls de transició, ja que és capaç de resistir l’atac dels fluids corporals, romandre inert i ésser compatible amb el creixement dels teixits sense perdre força ni flexibilitat. La clau d’aquesta biocompatibilitat es trobaria en el fet que el titani seria un metall biològicament inert, i en el fet que en les condicions del medi intern s’hi forma damunt de les peces titani una pel•lícula de TiO2, que altament adherent, insoluble i poc reactiva. D’ací que, des dels anys 1940, se’l faci servir en pròtesis dentals i òssies. Berglund & Calmark (2011) han estudiat una possible relació entre l’exposició a titani i la síndrome d’ungles grogues.

Les aplicacions del titani en la ciència dels materials

El 95% de la producció mundial anual de minerals de titani es destina a l’obtenció d’òxid de titani (TiO2). La pols refinada de TiO2 és químicament inert, amb un blanc opac que resisteix bé l’acció continuada de la llum solar. D’ací que una de les aplicacions més destacades del TiO2 sigui com a pigment blanc permanent, tant en pintures com en molts altres productes (paper, plàstics, pasta de dents). El color blanc del TiO2 respon a l’elevat índex de refracció i al poder de dispersió òptica, aspecte que és aprofitat per a la confecció d’algunes cremes solars. El TiO2 també és emprat com a agent enfortidor en la indústria del grafit. Així com el TiO2 és responsable en la natura d’algunes característiques de gemmes, també és emprat en petites quantitats en gemmes artificials.

Una part relativament petita del TiO2 es destina a l’obtenció de titani metàl•lic, la producció mundial anual del qual és de 186.000 tones.

La producció pel procés de Kroll és encara el principal mètode de fabricació de titani metàl•lic, amb considerables costos energètics i materials (p.ex., de magnesi). Del procés de Kroll en resulta titani metàl•lic de forma porosa (esponja). Cal una passa posterior per fer-ne lingots comercialitzables, que seran la base per a la producció de barres, làmines, tires, tubs, etc.

Una alternativa al procés de Kroll és el procés FFC Cambridge, desenvolupat per Chen et al. (2000). Es tracta d’un mètode electroquímic que permet la reducció directa de TiO2 sòlid, dissolt en NaCl fos. Encara, però, resten esculls per una aplicació competitiva d’aquest procés.

La perdurabilitat del titani ha fet que sigui emprat de manera creixent en joieria, com ara en anells de titani. És un dels metalls més populars en la confecció de pírcings

És habitual que la matèria primera d’alguns aliatges de titani no sigui el titani metàl•lic sinó l’òxid, freqüentment en la forma mineral. Així, el cuprotitani i el manganotitani empren rútil com a matèria primera, mentre que el titani ferrocarbònic fa servir ilmenita. En aquests casos, la reducció del titani es realitza en la barreja del mineral processat amb metalls i/o carbó.

Tres components d’una pròtesi de maluc. Al costat de la peça de titani, apareix un cap ceràmic i una copa de polietilè

Les aplicacions dels aliatges de titani depenen de les propietats d’aquest metall, quant a força tensil, resistència a la corrosió i a la fatiga, etc. En l’acer, el titani actua com a agent reductor, i permet en les formulacions d’acer inoxidable disminuir el contingut de carboni. El trobem en:
– indústria aeronàutica. El titani apareix en aliatges amb alumini, zirconi, vanadi, etc., en la construcció de parts estructurals crítiques, murs ignífugs, components dels sistemes hidràulics i del tren d’aterratge, etc. L’aliatge més emprat, amb diferència, en aeronàutica, és el 6AL-4V (vora un 90% de Ti, 6% Al, 4% V, <0,25% Fe, <0,2% O) En un Boeing 777, de 150 tones, gairebé un 40% de la massa es correspon al titani.
– indústria automobilística. Ara com ara, l’aplicació és relativament limitada, especialitzada en els vehicles de competició, on paga la pena la reducció del pes que ofereix el titani.
– indústria química i petroquímica. Els aliatges de titani apareixen en la confecció de canonades i altres equipaments (tancs, vàlvules, etc.), per la seva resistència a la corrosió química.
– en plantes desalinitzadores. Els aliatges de titani són emprats en diversos components d’aquestes plantes, especialment per la seva alta resistència a la corrosió malgrat ser exposats a l’aigua del mar. La mateixa raó és la que explica l’ús d’aquests aliatges en components d’aquaris marins, en ganivets de submarinisme, etc.

A partir dels anys 1950, la metal•lúrgia soviètica del titani trobà aplicacions en la construcció de components per a submarins, però també en components de cosmonaus. L’associació entre el titani i la cosmonàutica la representa el “Monument als Conqueridors de l’Espai”, aixecat a Moscou en el 1964, una escultura de titani de 110 metres d’alçada. No és gens casual que fos en el 1965 quan Stan Lee i Don Heck crearen “Titanium Man” (a sota), un “supervillain” d’origen soviètic

Paga la pena esmentar especialment l’ús mèdic dels aliatges de titani, particularment de l’aliatge ja esmentat 6AL-4VA. La capacitat d’osteointegració del titani explica la perdurabilitat de les pròtesis fetes amb aquest metall. Els implants dentals de titani tenen una durada d’ús típica superior a 30 anys. Pròtesis de maluc o de genoll fetes de titani poden perdurar durant 20 anys. Un altre avantatge de les pròtesis de titani és que no presenten ferromagnetisme, i així no hi són contraindicades les tècniques de ressonància magnètica.

Instal•lacions de Sierra Rutile a Tonkoli (Sierra Leone), de mineria i processament de rútil per a l’obtenció de TiO2. La principal problemàtica ambiental del titani s’associa al processament del rútil i de la ilmenita

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: