Tytan (Ti, ) – pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych w układzie okresowym o liczbie atomowej 22.
Lekki metal o szarawym kolorze. Ma wysoką wytrzymałość mechaniczną, jest odporny na korozję (w tym również wody morskiej i chloru). Tytan jest dodawany do żelaza, aluminium, wanadu, molibdenu i innych. Stopy tytanu są wykorzystywane w przemyśle lotniczym (silniki odrzutowe), militarnym, procesach metalurgicznych, motoryzacyjnym, medycznym (protezy dentystyczne, ortopedyczne klamry), sportów ekstremalnych i innych. Został odkryty w Wielkiej Brytanii przez Williama Gregora w 1791 roku. Nazwę pochodzącą od bóstw z mitologii greckiej zawdzięcza Martinowi Heinrichowi Klaprothowi.
Występuje w skorupie ziemskiej w ilościach rzędu 0,61%, w postaci minerałów: ilmenitu, rutylu i tytanitu, które są szeroko rozpowszechnione na całej Ziemi. Metaliczny tytan otrzymywany jest przez przerób rud w procesie Krolla. Jego najbardziej rozpowszechniony związek – tlenek tytanu(IV) znajduje zastosowanie w produkcji białych pigmentów. Inne związki zawierające tytan to chlorek tytanu(IV) używany do zasłon dymnych oraz jako katalizator i chlorek tytanu(III), który znajduje zastosowanie jako katalizator w produkcji polipropylenu.
Dwie najbardziej użyteczne własności tytanu to jego odporność na korozję oraz najwyższy stosunek wytrzymałości mechanicznej do masy. Znane są dwie odmiany alotropowe pierwiastka. Ma pięć trwałych izotopów o masach atomowych od 46 do 50. Właściwości fizykochemiczne tytanu są podobne do cyrkonu.
Historia Tytan został odkryty w Kornwalii w Wielkiej Brytanii w 1791 roku przez pastora i geologa amatora Williama Gregora, który zauważył obecność nieznanego pierwiastka w ilmenicie – czarnym piasku ze strumienia płynącego nieopodal jego parafii. Piasek ten był przyciągany przez magnes. Dokładniejsza jego analiza wykazała obecność dwóch substancji: tlenku żelaza (wyjaśniając przyciąganie magnesem) oraz 45,25% białego tlenku, którego nie mógł zidentyfikować. Gregor, zdając sobie sprawę, że niezidentyfikowany tlenek zawierał metal, który nie pasował do właściwości jakiegokolwiek znanego pierwiastka, poinformował o swoim odkryciu Królewskie Towarzystwo Geologiczne w Kornwalii i niemieckie czasopismo naukowe .
thumb|upright|left|Martin Heinrich Klaproth nazwał tytan zaczerpując nazwę z mitologii greckiej Tlenek tytanu został niezależnie odkryty w 1795 roku przez niemieckiego chemika Martina Heinricha Klaprotha w rutylu na Węgrzech. Klaproth postanowił nazwać go tytanem, zaczerpując nazwę z mitologii greckiej. Po usłyszeniu o odkryciu Gregora nowej substancji, nabył jej próbki i potwierdził odkrycie tytanu.
thumb|Tytan otrzymany w procesie Krolla Przez wiele lat próbowano otrzymać czysty tytan, jednak zwyczajne sposoby polegające na ogrzewaniu tlenku w obecności węgla nie przynosiły rezultatów, ponieważ tworzył się węglik tytanu zamiast spodziewanej redukcji do metalu. Dopiero w 1910 roku Matthew A. Hunter otrzymał czysty (99,9%) metaliczny tytan poprzez ogrzewanie z sodem w bombie stalowej w temperaturze 700–800 °C. Do 1946 roku tytan nie był używany poza laboratorium, dopóki William Justin Kroll nie opracował opłacalnego sposobu otrzymywania metalicznego tytanu poprzez redukcję chlorku tytanu(IV) magnezem. Technologia ta została nazwana procesem Krolla. Pomimo badań nad tańszym i wydajniejszym sposobem otrzymywania tytanu, proces Krolla jest do dzisiaj używany do komercyjnego pozyskiwania metalu.
Tytan o bardzo wysokiej czystości został otrzymany przez Anton Eduard van Arkela i Jan Hendrik de Boera w procesie jodkowym w 1925 roku. Rafinację tytanu prowadzi się w próżni w zamkniętym reaktorze. Pary jodu reagują z technicznym tytanem, tworząc jodek tytanu(IV), który następnie ulega rozkładowi na ogrzanym oporowo cienkim drucie wolframowym, pogrubiając go w miarę trwania procesu.
W latach 50. i 60. XX w. Związek Sowiecki zapoczątkował wykorzystywanie tytanu do celów militarnych (m.in. w okrętach podwodnych K-278 Komsomolec i projektu 705). We wczesnych latach 50. XX wieku tytan był szeroko stosowany w lotnictwie wojskowym, szczególnie w odrzutowcach o wysokich parametrach silnika zaczynając od F-100 Super Sabre i . W Stanach Zjednoczonych Departament Obrony zdał sobie sprawę ze strategicznego znaczenia tytanu i rozpoczął magazynowanie tego metalu.
W 2006 roku Agencja Obrony Stanów Zjednoczonych przyznała 5,7 mln dolarów konsorcjum dwóch spółek, dla opracowania nowego procesu otrzymywania tytanu sproszkowanego.
Właściwości Fizyczne Tytan jest stosunkowo lekkim metalem (gęstość 4507 kg/m³) o dużej wytrzymałości mechanicznej. Przy wysokiej czystości jest ciągliwy (zwłaszcza w atmosferze redukcyjnej). Charakteryzuje się wysoką temperaturą topnienia: 1668 °C. Jest błyszczący, ma biały, metaliczny kolor.
Handlowy tytan o czystości 99,2% ma wytrzymałość na rozciąganie 434 MPa, porównywalną z rozciągliwością stali, jednak jest lżejszy od niej o 45%. Tytan jest cięższy od aluminium o 60%, ale charakteryzuje się ponad dwukrotnie większą wytrzymałością mechaniczną niż najpopularniejszy stop Al: 6061-T6. Pewne stopy tytanu (np. Beta C) mają wytrzymałość na rozciąganie ponad 1380 MPa (spada ona przy podgrzaniu powyżej temperatury 430 °C).
Ma wysoką twardość (jednak nie tak wysoką jak niektóre hartowane stale), jest trudny w obróbce mechanicznej.
Metal ma dwie odmiany alotropowe: Ti-α – krystalizujący w układzie heksagonalnym do temperatury 882 °C; powyżej tej temperatury występuje Ti-β – krystalizujący w układzie regularnym przestrzennie centrowanym. Pojemność cieplna Ti-α gwałtownie wzrasta wraz z podgrzewaniem, po przekroczeniu temperatury 882 °C i przemianie w Ti-β pojemność cieplna kształtuje się na stałym poziomie.
Jest paramagnetykiem. Wykazuje stosunkowo niską przewodność elektryczną i cieplną.
Przejawia znaczną promieniotwórczość wzbudzoną po naświetleniu deuteronami. Produktami tej reakcji są pozytony i twarde promieniowanie gamma.
Chemiczne thumb|Wykres Pourbaix dla tytanu w wodzie Wykazuje doskonałą odporność na korozję, prawie taką samą jak platyna. Jest także odporny na działanie rozcieńczonych kwasów np. siarkowego, solnego i większości kwasów organicznych, chloru gazowego oraz roztworów zasadowych i morskiej wody. Czysty tytan roztwarzają stężone kwasy. Jest jednym z nielicznych pierwiastków, które gwałtownie reagują z czystym azotem. Reakcja przebiega powyżej temperatury 800 °C z wytworzeniem azotku tytanu.
Wykres Pourbaix dla tytanu ukazuje bardzo wysoką reaktywność termodynamiczną przy niskiej aktywności z wodą i tlenem.
Na skutek kontaktu tytanu z tlenem na jego powierzchni tworzy się pasywacyjna warstwa tlenku tytanu o grubości ok. 2 nm (po czterech latach osiąga grubość 25 nm). Warstwa ta dodatkowo zwiększa odporność na korozję.
Występowanie Producent Tysiące ton % całościAustralia1291,030,6Republika Południowej Afryki850,020,1Kanada767,018,2Norwegia382,99,1Ukraina357,08,5Pozostałe państwa573,113,6Cały świat4221,0100 Źródło: 2003 produkcja tlenku tytanu(IV).Z powodu zaokrągleń suma nie wynosi dokładnie 100%
Tytan zawsze występuje w rudach innych pierwiastków. Jest dziewiąty pod względem występowania na Ziemi (0,63%), siódmy spośród metali. Na 801 skał przebadanych przez United States Geological Survey, tytan zawarty był w 784. Jego udział w ziemiach wynosi w przybliżeniu 0,5–1,5%.
Jest szeroko rozpowszechniony, występuje głównie pod postacią minerałów: anatazytu, brukitu, ilmenitu, perowskitu, rutylu, tytanitu (sfen) oraz w wielu rudach żelaza. Z powyższych minerałów tylko ilmenit i rutyl mają znaczenie ekonomiczne (pod warunkiem eksploatacji rudy o odpowiednio wysokiej zawartości tytanu). Znaczące złoża tytanu (ilmenitu) znajdują się w zachodniej Australii, Kanadzie, Nowej Zelandii, Norwegii i Ukrainie. Duże ilości rutylu są eksploatowane w Ameryce Północnej i Republice Południowej Afryki. Roczna produkcja wynosi ton metalu i 4,3 miliona ton tlenku tytanu(IV). Całkowite zasoby tytanu na Ziemi szacuje się na ponad 600 milionów ton.
Tytan jest zawarty w meteorytach, jego obecność zauważono na Słońcu i gwiazdach typu M (najchłodniejszy typ gwiazd o temperaturze powierzchni około 3200 °C). Skały dostarczone przez Apollo 17 z Księżyca zawierają 12,1% tytanu.
Produkcja thumb|Koncentrat tytanu
Otrzymywanie metalicznego tytanu zachodzi w pięciu głównych etapach: przeróbka rud tytanu; otrzymywanie chlorku tytanu(IV) ; proces Krolla – redukcja magnezem; oczyszczanie tytanu – proces jodkowy; topienie tytanu.
Ponieważ tytan reaguje z tlenem przy wysokich temperaturach (610 °C), nie może być otrzymywany przez redukcję bieli tytanowej. Dlatego do celów handlowych stosuje się kosztowny proces Krolla (stosunkowo wysoka wartość rynkowa tytanu jest spowodowana głównie zastosowaniem w tym procesie innego drogiego metalu – magnezu). Przemysłowa produkcja chlorku tytanu(IV) polega na chlorowaniu przy jednoczesnej redukcji zbrykietowanego z węglem surowca tytanowego (rutylu lub ilmenitu) w szybowym piecu elektrycznym.
Reakcje zachodzące podczas procesu Krolla:
Techniczny tytan otrzymany w procesie Krolla powinien być rafinowany. Zasada procesu pozwalającego na otrzymanie czystego tytanu polega na rozkładzie termicznym jodku tytanu(IV).
W wysokich temperaturach (około 1400 °C) i przy określonym ciśnieniu reakcja ta przebiega w kierunku dysocjacji jodku tytanu(IV), natomiast niskie temperatury sprzyjają jego tworzeniu. Zaletą tego procesu jest otrzymanie czystego tytanu niezawierającego domieszek (tlen, azot, węgiel) obniżających jego własności mechaniczne.
Proces topienia tytanu stanowi poważny problem. Trudności sprawiają wysoka temperatura topienia (1668 °C) i duża aktywność chemiczna w tej temperaturze. Ponadto stopiony tytan reaguje niemal ze wszystkimi materiałami ogniotrwałymi. Jedynie tlenek toru(IV), rekrystalizowany tlenek wapnia i grafit są odporne na jego działanie. Topienie tytanu odbywa się w piecach łukowych, indukcyjnych, plazmowych oraz elektronowych. .
Związki chemiczne tytanu Tytan w związkach chemicznych występuje najczęściej na IV stopniu utlenienia, rzadziej na stopniu III.
thumb|upright=.3|Wiertło pokryte azotkiem tytanu Tlenek tytanu(IV) () jest najpopularniejszym związkiem tytanu. Znajduje on szerokie zastosowanie: przemysł metalurgiczny – do produkcji elektrod, stopów, radioelementów ceramicznych; przemysł barw i lakierów – bardzo dobra intensywność kolorów; przemysł papierniczy – wysoka jakość białego papieru; przemysł włókien szklanych – zastosowanie dzięki nietoksyczności, małej reaktywności chemicznej; przemysł wyrobów gumowych – do produkcji naturalnego i sztucznego kauczuku; przemysł spożywczy – barwnik, oznaczony jako E171.
Azotek tytanu (TiN) nanosi się na narzędzia tnące, formujące i ślizgowe. Warstwa TiN o grubości od 0,5 do kilku mikrometrów daje wzrost twardości powierzchniowej do 2400 HV. Czas pracy narzędzi ulega znacznemu wydłużeniu (do kilkunastu razy). Powłoki z TiN są natryskiwane plazmowo na elementy robocze łopatek turbin, silników i narzędzi skrawających.
Chlorek tytanu(IV) () jest bezbarwną cieczą, używaną w procesie produkcji tlenku tytanu(IV) do farb lub redukowany magnezem bezpośrednio do tytanu. Tytan tworzy również chlorek tytanu(III) , który jest używany jak czynnik redukcyjny.
Węglik tytanu (TiC) ma szereg niepospolitych właściwości, tj. wysoką twardość (ok. 90 HRC), niski współczynnik tarcia, wysoką temperaturę topienia, dobrą odporność korozyjną i cieplną (zachowuje własności skrawalne do ok. 1000 °C). Stosowany jest w przemyśle narzędziowym, kosmicznym i energetyce atomowej. Węglik tytanu znalazł też zastosowanie w kompozytach diamentowo-węglikowych przeznaczonych na ostrza skrawające.