El titanio es un elemento químico de símbolo Ti y número atómico 22 que se sitúa en el grupo 4 de la tabla periódica de los elementos. Es un metal de transición de color gris, baja densidad y gran dureza. Es muy resistente a la corrosión por agua del mar, agua regia y cloro.
Fue descubierto independientemente en 1791 por William Gregor en una mina de Cornualles, Gran Bretaña, y en 1795 por Martin Heinrich Klaproth, Este elemento abunda en depósitos de minerales, principalmente en forma de óxidos como el rutilo y la ilmenita, ampliamente distribuidos en la corteza terrestre y la litosfera; también se encuentra en los seres vivos, cuerpos de agua y objetos extraterrestres. La extracción de este metal a partir del mineral se realiza mediante el método de Kroll o por el método de Hunter. El compuesto más común es el dióxido de titanio, utilizado para la fotocatálisis y la fabricación de pigmentos de color blanco. Otros compuestos habituales son el tetracloruro de titanio (TiCl4), un componente catalizador, y el tricloruro de titanio (TiCl3), que se utiliza como catalizador en la producción de polipropileno.
En estado puro presenta una elevada resistencia a la corrosión y la mayor proporción de dureza-densidad de todos los elementos metálicos. El titanio es tan fuerte como algunos aceros, pero su densidad es menor. Tiene dos formas alotrópicas y cinco isótopos naturales que van desde 46Ti hasta 50Ti, siendo 48Ti el más abundante de ellos.
El titanio puede formar aleaciones con el hierro, el aluminio, el vanadio y el molibdeno, entre otros elementos, idóneas por sus propiedades de ligereza y resistencia para la construcción de maquinaria para aplicaciones aeroespaciales —motores de reacción, misiles y naves espaciales—, militares, industriales —almacenamiento y transporte de productos químicos y petroquímicos, y plantas de desalinización—, en la automoción, para prótesis médicas e implantes ortopédicos, instrumentos e implantes dentales, aparatos deportivos, joyería o teléfonos móviles.
Características
Propiedades físicas
El titanio es el elemento metálico que posee la mayor proporción de dureza-densidad. Es un metal tenaz, con una baja densidad y alta ductilidad (especialmente en ambientes libres de oxígeno), de color blanco metálico. Su punto de fusión es relativamente alto, sobre los 1668 °C (1941 K), lo que hace que sea útil como metal refractario. Es paramagnético y presenta baja conductividad eléctrica y térmica.
Las aleaciones comerciales de titanio, con una pureza del 99,2%, tienen una tensión de rotura de unos 434 MPa (63000psi), equivalente a la de las aleaciones comunes de acero pero con una menor densidad que estas. El titanio tiene una densidad un 60% mayor que el aluminio, pero es el doble de fuerte que la aleación de aluminio más común 6061-T6. Algunas aleaciones de titanio consiguen una tensión de rotura sobre los 1400 MPa (200 000 psi). Sin embargo, el titanio pierde resistencia cuando se calienta a temperaturas superiores a los 430 °C (703 K). El titanio no es tan duro como algunas graduaciones de acero tratado, y su trabajo a máquina requiere ciertas precauciones, ya que puede presentar uniones defectuosas de no emplear los métodos adecuados de enfriamiento. Al igual que las de acero, las estructuras de titanio tienen un límite de fatiga que garantiza la longevidad de sus aplicaciones.
Es un metal alotrópico dimórfico. Su estructura cristalina en estado alfa tiene forma hexagonal y se torna en una forma cúbica centrada en el cuerpo al pasar al estado beta, a una temperatura de 882 °C (1155 K). El calor específico de su forma alfa se incrementa drásticamente al calentarse hasta la temperatura de transición para después bajar y mantenerse relativamente constante en la forma beta, sin afectarle la temperatura. Al igual que para el circonio y el hafnio, existe una fase adicional omega, termodinámicamente estable a altas presiones pero metaestable a presión ambiente, que generalmente es hexagonal o trigonal.
Propiedades químicas
izquierda|miniaturadeimagen|Diagrama de Pourbaix para el titanio Al igual que el aluminio y el magnesio, el titanio y sus aleaciones se oxidan cuando están expuestos al aire. El titanio reacciona con el oxígeno a temperaturas de 1200 °C (1470 K) en el aire y 610 °C (883 K) en oxígeno puro, formando dióxido de titanio. Sin embargo, las reacciones de oxidación en contacto con el aire y agua son lentas, debido a la pasivación que forma una capa de óxido que protege al resto del metal ante su propia oxidación. Inicialmente, cuando se forma esta capa protectora solo tiene entre 1 y 2 nm de grosor, aumentando de tamaño lentamente hasta conseguir los 25 nm en un período de cuatro años.
El titanio presenta una gran resistencia a la corrosión, comparable a la del aluminio, capaz de resistir el ataque de ácidos minerales fuertes como el sulfúrico y otros oxoácidos, de la mayoría de ácidos orgánicos y de soluciones de cloro. Sin embargo, los ataques de ácidos concentrados sí producen una mayor corrosión. El titanio es termodinámicamente muy reactivo, como indica el hecho de que el metal comience a arder antes de conseguir el punto de fusión, y la propia fusión solo es posible en una atmósfera inerte o en el vacío. Se combina con el cloro a una temperatura de 550 °C (823 K), reacciona con el resto de halógenos y absorbe hidrógeno.
Es uno de los pocos elementos que arden en nitrógeno puro, reaccionando a una temperatura de 800 °C (1070 K) para formar nitruro de titanio, lo que causa una pérdida de ductilidad en el material.
Abundancia
+ Producción de rutilo e ilmenita en 2011 País Miles de toneladas % del total 130019,4 116017,3 70010,4 5748,6 5167,7 5007,5 4907,3 3575,3Otros países110316,5Total mundial6700100 El titanio siempre aparece naturalmente unido a otros elementos. Es el noveno elemento y séptimo metal más abundante en la corteza terrestre, suponiendo un 0,63% de su masa. Está presente en la mayoría de rocas ígneas y sedimentarias, así como en diversas formas de vida y cuerpos de agua naturales. De los 801 tipos de rocas ígneas analizadas en un estudio de la United States Geological Survey, 784 contenían titanio, y su proporción en el suelo resultó ser de entre 0,5 y 1,5%.
Su aparición se produce principalmente en los minerales anatasa, brookita, ilmenita, perovskita, rutilo y titanita. Entre todos estos minerales, solo el rutilo y la ilmenita presentan importancia económica, a pesar de ser difíciles de encontrar en altas concentraciones. En 2011 se extrajeron alrededor de seis millones de toneladas de rutilo y alrededor de 0,7 millones de toneladas de ilmenita en todo el mundo. Los depósitos más significativos de ilmenita se encuentran en Australia, Canadá, China, India, Mozambique, Nueva Zelanda, Noruega, Ucrania y Sudáfrica. También en 2011 se produjo un total de 186 000 toneladas de escoria de metal de titanio, en su mayoría en China (60 000 t), Japón (56 000 t), Rusia (40 000 t), Estados Unidos (32 000 t) y Kazajistán (20 700 t). El total de las reservas de titanio en la Tierra se estiman en ese mismo año por encima de los 600 millones de toneladas.
La concentración molar de titanio en los océanos es de aproximadamente 4 picomoles. A una temperatura de 100 °C (373 K) la concentración en el agua se estima en menos de 10−7 M en pH 7. No hay evidencias que indiquen cuál es el papel biológico del titanio, a pesar de que algunos organismos particulares presentan altas concentraciones.
Este metal también se detectó en meteoritos, en el Sol y en estrellas de tipo M, el tipo más frío de estrellas con una temperatura en la superficie de unos 3200 °C (3470 K). Las rocas traídas desde la Luna en la misión Apolo 17 están compuestas de un 12,1% de TiO2.
Isótopos
Se encuentran cinco isótopos estables en la naturaleza: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti e 50Ti, siendo 48Ti el más abundante de ellos con un 73,8% de abundancia natural. Se caracterizaron once radioisótopos, siendo los más estables 44Ti con un período de semidesintegración de 63 años, 45Ti con un período de 184,8 minutos, 51Ti con un período de 5,76 minutos y 52Ti con un período de 1,7 minutos. Para el resto, sus vidas medias son de menos de 33 segundos, y la mayoría de menos de medio segundo.
Los isótopos de titanio tienen pesos atómicos que van desde 39,99 Da (40Ti) hasta 57,966 de la (58Ti). El principal método de desintegración antes del isótopo estable más abundante 48Ti es la captura electrónica, mientras que luego de este es la desintegración beta. Los productos de esta desintegración antes del 48Ti son isótopos del elemento 21 (escandio), y los posteriores son isótopos del elemento 23 (vanadio). El titanio se torna radiactivo cuando es bombardeado con deuterio, emitiendo principalmente positrones y rayos gamma.
Compuestos
miniaturadeimagen|308x308px|Broca de taladro recubierta con TiN El estado de oxidación +4 domina la química del titanio, pero también son comunes los compuestos en el estado +3. El titanio adopta habitualmente una geometría de coordinación octaédrica en sus compuestos, con la notable excepción tetraédrica del TiCl4. Los compuestos de titanio(IV) presentan un alto grado de unión covalente debido su alto estado de oxidación.
Óxidos, sulfuros y alcóxidos
El óxido más importante del titanio es el dióxido de titanio TiO2, que existe principalmente en la anatasa, la brookita y el rutilo, todos ellos sólidos diamagnéticos blancos. En estos compuestos se adoptan unas estructuras poliméricas, en las que el Ti se rodea de seis ligandos del óxido que se unen con otros centros de Ti.
El término titanato suele emplearse para hacer referencia a los compuestos del titanio(IV), como por ejemplo el titanato de bario (BaTiO3). Con una estructura como la de la perovskita, este material posee propiedades piezoeléctricas y se emplea como transductor en la interconversión de sonido y electricidad. Los zafiros de estrella y los rubís obtienen su asterismo por la presencia de impurezas del dióxido de titanio.
Se conocen diversos óxidos reducidos del titanio. Ti3O5, descrito como Ti(IV)-Ti(III), es un semiconductor de color púrpura producido por reducción de TiO2 con hidrógeno a altas temperaturas, empleado industrialmente cuando se requiere cubrir superficies con vapor de dióxido de titanio, ya que se evapora como TiO puro mientras que TiO2 se evapora como una mezcla de óxidos y otros depósitos que tienen un índice de refracción variable. Otros óxidos habituales son el óxido de titanio(III) Ti2O3 y el óxido de titanio(II) TiO.
Los alcóxidos de titanio(IV), preparados mediante reacción de TiCl4 con alcoholes, son compuestos incoloros que se convierten en el dióxido al reaccionar con agua. Son de utilidad industrial para depositar TiO2 sólido mediante el proceso sol-gel. El isopropóxido de titanio se emplea en la síntesis de compuestos orgánicos por medio de la epoxidación de Sharpless.
Nitruros y carburos
El nitruro de titanio (TiN) tiene una dureza equivalente a las del zafiro y el carburo de silicio (9,0 en la escala de Mohs), y se emplea habitualmente como cubierta de herramientas industriales de corte. También se emplea como recubrimiento decorativo de color dorado y como metal de barrera en la fabricación de semiconductores. El carburo de titanio también posee una gran dureza y se emplea asimismo en herramientas de corte.
Haluros
derecha|miniaturadeimagen|120px|Solución acuosa de tricloruro de titanio El tetracloruro de titanio TiCl4 es un líquido volátil que en el aire provoca una hidrólisis emitiendo un humo blanco. El TiCl4 se produce por medio del método de Kroll durante la conversión de minerales de titanio en dióxido de titanio. Su uso es extendido en la química orgánica como ácido Lewis. El tetraioduro de titanio TiI4 se genera durante el proceso de van Arkel para la producción de metal de titanio de alta pureza.