Il titanio è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi che ha come simbolo Ti e numero atomico 22. È un metallo del blocco d, leggero, resistente, di colore bianco metallico, lucido, resistente alla corrosione. Il titanio viene utilizzato nelle leghe leggere resistenti e nei pigmenti bianchi; si trova in numerosi minerali (i principali sono il rutilo e l'ilmenite). Il titanio non è tossico, e non risulta essenziale per nessuna specie vivente.^[2]

Cenni storici

Il titanio (dal latino Titanus, Titano, nome del 12° figlio di Gea e Urano^[3] tra i titani) fu scoperto nel 1789 nei minerali di rutilo dal chimico tedesco Heinrich Klaproth.^[3] Qualche anno dopo (nel 1791) il presbitero inglese William Gregor riconobbe la sua presenza nell'ilmenite. Nel 1795 Klaproth battezzò l'elemento con il nome dei Titani della mitologia greca.^[3] Il titanio metallico puro (99,9%) venne preparato per la prima volta nel 1910 da Matthew Albert Hunter tramite riscaldamento di TiCl₄ con del sodio a 700-800 °C.

Il metallo di titanio non venne usato al di fuori dei laboratori fino al 1946 quando William Justin Kroll dimostrò che il titanio poteva essere prodotto commercialmente tramite riduzione del tetracloruro di titanio con il magnesio (processo Kroll, il metodo oggi più usato).

Caratteristiche

Il titanio è un elemento metallico che è ben conosciuto per la sua resistenza alla corrosione (quasi quanto il platino) e per il suo alto rapporto resistenza/peso. È leggero, duro, con una bassa densità. Allo stato puro è abbastanza duttile, lucido, di colore bianco metallico. Tuttavia le leghe di titanio non sono facilmente lavorabili, e la difficoltà di lavorazione alle macchine utensili è paragonabile a quella dell'acciaio inossidabile, notoriamente il più problematico da lavorare per asportazione di truciolo. Il punto di fusione relativamente alto di questo elemento lo rende utile come metallo refrattario. Il titanio è resistente come l'acciaio ma il 40% più leggero, pesa il 60% in più dell'alluminio ma con una resistenza doppia. Queste proprietà rendono il titanio molto resistente alle forme usuali di fatica dei metalli.

Questo metallo forma una patina di ossido passivo se esposto all'aria a temperatura ambiente, ma quando si trova in un'atmosfera libero da ossigeno è molto duttile. Il titanio, che brucia se riscaldato nell'aria, è anche l'unico elemento che brucia in atmosfera di azoto, reagendo anche con idrogeno e alogeni. Il titanio è resistente all'acido solforico diluito e all'acido cloridrico, oltre che ai gas di cloro, alle soluzioni di cloruri, alla maggior parte degli acidi carbossilici e gli alcali acquosi a caldo. L'unica eccezione è l'acido fluoridrico che forma fluorocomplessi solubili, gli acidi ossidanti, invece, accentuano la formazione della patina passivante di ossido.

Esperimenti hanno mostrato che il titanio naturale diventa altamente radioattivo se bombardato con nuclei di deuterio, emettendo principalmente positroni e raggi gamma. Il metallo è dimorfico con forma alfa esagonale che diventa beta cubica molto lentamente, alla temperatura di circa 880 °C. Quando raggiunge il colore rosso il titanio si combina con l'ossigeno e quando raggiunge i 550 °C si combina con il cloro.

Isotopi

Il titanio riscontrabile in natura è composto da cinque isotopi stabili; ⁴⁶Ti, ⁴⁷Ti, ⁴⁸Ti, ⁴⁹Ti e ⁵⁰Ti, di questi il ⁴⁸Ti è il più abbondante (73,8%). 11 radioisotopi sono stati prodotti, i più stabili dei quali sono il ⁴⁴Ti con emivita di 63 anni, il ⁴⁵Ti ha emivita di 184,8 minuti, il ⁵¹Ti di 5,76 minuti, e il ⁵²Ti di 1,7 minuti. Tutti i restanti isotopi radioattivi hanno emivita inferiore ai 33 secondi, e la maggior parte di questi ha emivita sotto al mezzo secondo.

Gli isotopi del titanio variano in peso atomico da 39,99 (⁴⁰Ti) a 57,966 (⁵⁸Ti). La modalità di decadimento primaria prima dell'isotopo stabile più abbondante è la cattura di elettrone, la modalità primaria dopo l'isotopo più diffuso è l'emissione beta. I prodotti del decadimento prima del ⁴⁸Ti sono isotopi di scandio e i prodotti primari dopo il ⁴⁸Ti sono isotopi di vanadio.

Disponibilità

Il titanio non si trova libero in natura, ma è il nono elemento per abbondanza nella crosta terrestre (0,6% della massa) ed è presente in molte rocce ignee e nei sedimenti da esse derivanti. Si trova principalmente nei seguenti minerali: anatasio, brookite, ilmenite, leucoxene, perovskite, rutilo e titanite, nonché nei titanati e in molti minerali ferrosi. Di questi minerali solo l'ilmenite, il leucoxene e il rutilo hanno un'importanza economica significativa. Significativi depositi di minerali di titanio si trovano in Australia, Scandinavia, Nord America, Malaysia e nel Parco naturale regionale del Beigua in Liguria.

Poiché il titanio metallico può bruciare in atmosfera pura di azoto ed alle alte temperature reagisce facilmente con l'ossigeno e il carbonio, è difficoltoso preparare il metallo di titanio puro. Il metallo si trova nei meteoriti ed è stato rintracciato nel Sole e nelle stelle di tipo M. Le rocce portate dalla Luna durante la missione Apollo 17 erano composte per il 12,1% di TiO₂. Il titanio si trova inoltre nelle ceneri di carbone, nelle piante ed anche nel corpo umano.

Produzione

Il primo processo di produzione commerciale del titanio è stato il processo van Arkel-de Boer, ma oggi viene ottenuto tramite riduzione di TiCl₄ con il magnesio, un processo sviluppato nel 1946 da William Justin Kroll, e dal processo Hunter, analogo al processo Kroll ma effettuato con sodio metallico. Questo processo è complicato e costoso, ma un nuovo procedimento, chiamato metodo "FFC-Cambridge" potrebbe rimpiazzarlo. Questo nuovo metodo usa come materiale di base la polvere di diossido di titanio (che è una forma raffinata di rutilo) per ottenere il prodotto finale, un flusso continuo di titanio fuso adatto all'utilizzo immediato per la manifattura di leghe.

Si spera che il metodo FFC-Cambridge renderà il titanio un materiale meno raro e costoso per l'industria aerospaziale e il mercato dei beni di lusso, e che verrà impiegato in molti prodotti attualmente fabbricati con alluminio o acciai speciali.

Applicazioni

All'incirca il 95% del titanio viene consumato in forma di diossido di titanio (TiO₂), nelle vernici, nella carta, nei cementi per renderli più brillanti e nelle plastiche. Le vernici fatte con il biossido di titanio riflettono molto bene la radiazione infrarossa e sono quindi molto usate dagli astronomi.

Grazie alla loro resistenza (anche alla corrosione), leggerezza, e capacità di sopportare temperature estreme, le leghe di titanio vengono utilizzate principalmente nell'industria aeronautica e aerospaziale, anche se il loro utilizzo in prodotti di consumo quali mazze da golf, biciclette, componenti motociclistici e computer portatili, sta diventando sempre più comune. Il titanio viene spesso messo in lega con alluminio, ferro, manganese, molibdeno e altri metalli.

Il carburo di titanio (TiC; peso specifico 4,93; punto di fusione 2 940 °C) il nitruro di titanio (TiN; peso specifico 5,40; punto di fusione 2 960 °C) e più recentemente, il derivato carbonitrurico (Ti₁₀C₇N₃; peso specifico 5,02; punto di fusione 3 520 °C) sono composti altamente refrattari, inerti sotto le comuni condizioni di temperatura e resistenti all'attacco della maggior parte degli acidi minerali ed alcali.

Per tali ragioni sono impiegati nella costruzione di utensili e macchinari che possiedono parti destinate alle alte velocità con attrito, nel rivestimento di crogioli per contenere acidi o basi molto forti e componenti di missili sottoposti a usura termica (ad esempio ugelli).

Altri impieghi:

• Grazie all'eccellente resistenza all'acqua di mare e alle soluzioni saline in generale, viene usato per fabbricare parti dei propulsori marini ed molto spesso anche come rivestimento delle casse degli orologi.
• Un uso tecnologico molto importante, legato alla sua resistenza alle soluzioni saline, è come materiale metallico di contatto con i fluidi ad alta concentrazione salina negli impianti di dissalazione dell'acqua marina.
• Viene utilizzato per produrre gemme artificiali relativamente morbide.
• Il tetracloruro di titanio (TiCl₄), un liquido incolore, viene usato per ottenere l'iridescenza del vetro, e poiché emette un fumo denso nell'aria umida, viene anche usato per la fabbricazione di fumogeni.
• In aggiunta ad essere un importante pigmento, il biossido di titanio viene impiegato nei filtri solari grazie alla sua capacità di proteggere la pelle.
• Ha la proprietà di essere biocompatibile, in quanto lo strato di ossido che forma in superficie fornisce un valido attacco per i tessuti biologici, in particolare quello osseo. Per questo motivo il titanio puro CP4 e la lega a base di titanio Ti6Al4V vengono utilizzati nelle componenti protesiche di anca e ginocchio, per la fabbricazione di clips chirurgiche da sutura permanente ed in odontoiatria per la realizzazione di impianti dentali^[4]. Tuttavia dato l'alto coefficiente di attrito non viene mai utilizzato come componente di giunzione articolare.
• Il suo essere inerte e la colorazione attraente lo rendono un metallo popolare per l'uso nei piercing.
• Il titanio viene usato per le lenti degli occhiali.
• Il carburo ed il nitruro di titanio (TiC e TiN) vengono utilizzati nella fabbricazione di inserti per utensili adatti al taglio dei metalli ad alta velocità, cioè i cosiddetti inserti in "metallo duro". In particolare il carburo di titanio viene utilizzato, insieme al carburo di tungsteno (WC), al cobalto e ad altri carburi (carburo di niobio e carburo di tantalio) per realizzare il corpo degli inserti, mentre il nitruro di titanio serve per il rivestimento superficiale degli inserti.
• L'Alluminuro di Titanio, grazie alle doti di tenacità ad alte temperature, leggerezza e resistenza all'ossidazione sta lentamente iniziando a soppiantare le Superleghe base nichel nella produzione delle pale utilizzate nelle turbine dei motori aeronautici.
• Facendo attraversare una corrente elettrica a temperature molto basse in stati sottili di nitruro di titanio, si è scoperto il fenomeno detto di superisolamento.
• In alcune occasioni, è stato utilizzato per la fabbricazione di penne stilografiche. Nel 1970, all'indomani dell'allunaggio, la Parker produsse per un breve periodo la T-1, una stilografica interamente in titanio, in omaggio ai materiali usati nella missione spaziale. Nel 2000 la casa produttrice italiana Omas produsse una serie di stilografiche del modello classico a dodici facce "arte italiana" interamente in titanio (sia il corpo che il pennino). La serie venne denominata T-2 ed è stata commercializzata solo per un breve periodo.

Composti

Anche se il metallo di titanio è relativamente poco comune, a causa dei costi di estrazione, il diossido di titanio è economico, facilmente disponibile in grandi quantità, e largamente utilizzato come pigmento bianco in vernici, plastiche e cemento da costruzione. La polvere di TiO₂ è chimicamente inerte, non svanisce con la luce solare, ed è molto opaca, ciò le permette di impartire un colore bianco brillante alle sostanze chimiche grigie o marroni che formano le plastiche normalmente usate. Il diossido di titanio puro ha un indice di rifrazione molto alto, e una dispersione ottica superiore al diamante. Zaffiri e rubini prendono il loro asterismo dal diossido di titanio in essi presente. Si trovano tuttavia anche giacimenti di TiO₂ cristallino, che prende nomi diversi a seconda della struttura cristallina che presenta, (rutilio, anatasio…). Altri minerali di titanio sono la ilmenite(titanato di ferro, FeTiO₂) e la titanite (titanato di calcio, CaTiO₂)

Gli ossidi possono essere ottenuti per reazione diretta del metallo con l'ossigeno ad alta temperatura, l'ossido di titanio è molto usato nell'industria come pigmento per le vernici bianche. Gli alogenuri sono principalmente formati dall'attacco di un alogeno con il biossido di titanio, hanno un comportamento di acido di Lewis per formare alogenocomplessi

Forma numerosi complessi soprattutto con Ti a numero di ossidazione +2, sono tutti complessi diamagnetici il numero di coordinazione più comune per il Ti e il 6. Forma anche complessi a numero di ossidazione 3 ma si ossidano facilmente all'aria, forma anche complessi con numero di ossidazione inferiori al 3 ad esempio un metallocarbonile in cui il Ti è complessato da 6 molecole di monossido di carbonio che non rispetta la regola dei 18 elettroni.

Precauzioni

La polvere di titanio metallico è altamente infiammabile, mentre i sali di titanio sono spesso considerati relativamente innocui. Composti con il cloro, come il TiCl₃ e il TiCl₄ sono corrosivi ed a contatto con acidi (il tetracloruro anche con l'acqua) possono liberare HCl. Il titanio inoltre ha una tendenza al bioaccumulo nei tessuti che contengono silice^{[senza fonte]}, ma non gioca alcun ruolo conosciuto negli esseri umani. Allo stato gassoso (è il caso del taglio al plasma dei metalli) è tossico se inalato.

Citazioni letterarie

• Al titanio è dedicato uno dei racconti de "Il sistema periodico" di Primo Levi.

Note

• Francesco Borgese, Gli elementi della tavola periodica. Rinvenimento, proprietà, usi. Prontuario chimico, fisico, geologico, Roma, CISU, 1993, ISBN 88-7975-077-1.
• R. Barbucci, A. Sabatini, P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998 (archiviato dall'url originale il 22 ottobre 2010).
• (EN) M. R. Zierden e A. M. Valentine, Contemplating a role for titanium in organisms, in Metallomics, vol. 8, nº 1, 2016, pp. 9-16, DOI:10.1039/C5MT00231A.

Voci correlate

• Titanio nativo
• Taglio ad acqua – lavorazione di grossi spessori
• Electron beam melting (EBM) – fusione a fascio di elettroni