22 Ti Titan
Atommasse:
47,867
Fase (ved 25 °C):
Fast
Smeltepunkt:
1668 °C / 1941 K
Kokepunkt:
3287 °C / 3560 K
Vis flere fakta
Gruppe:
4
Periode:
4
Blokk:
d
Elektronkonfigurasjon:
[Ar]4s<sup>2</sup>3d<sup>2</sup>
Elektronegativitet:
1,54
Tetthet (ved 25 °C):
4,54 g/cm³
Vis færre fakta
Foto: Øystein Foss, UiO

Titan

Et grunnstoff med lav masse og stor styrke

Titan er et hardt, lett og glinsende metall som etterhvert har fått mange anvendelser. Selv om titan er tyngre enn aluminium, så er det dobbelt så sterkt. Og selv om det er svakere enn jern er det mye lettere. Så titan er nyttig som metall og i legeringer. Når vi legger til at titan er ganske stabilt fordi det dannes en overflatefilm av titanoksid, at metallet kan ligge i saltvann i år uten at det korroderer og at materialet er biokompatibelt slik at det kan benyttes i kroppen, så er det klart at anvendelsene er mange.

Det fantes inntil 1947 ikke noen enkel måte for fremstilling av metallet, og man trodde derfor metallet var sjeldent. Men det er det ikke. Titan er nummer 10, når grunnstoffene i jordskorpen rangeres etter mengde.

Anvendelser

Sykkel med titanlegering som rammemateriale.
Copyright: Litespeed.

Titan har utallige anvendelser. Mange av oss har briller, og brilleinfatninger er typisk basert på titan. Metallet benyttes dessuten i sykler, i golfkøller og i klokker for å nevne noe av det mer dagligdagse.

Dagligdags er det vel også å fly, og flyindustrien er en storbruker av titan. En Boeing 747 inneholder 12 tonn titan, mye av dette i landingsutstyret. Dessuten består viftebladene i jetmotorer ofte av en legering med 90 % Ti, 6 % Al og 4 % V. På helikoptere er titan foretrukket i rotoren som får vingebladene til å rotere. Enda viktigere blir titan når man skal lage fly som bryter lydmuren. Farten gjør at friksjonen mellom metall og luft gir høye temperaturer. Typisk snakker vi her om overflatetemperaturer på 200-300 oC. Dette er temperaturer som gjør at aluminium ikke kan benyttes fordi den mekaniske styrken til dette metallet er mye lavere ved slike temperaturer. Så i stedet blir titan benyttet, for eksempel i Concorde-flyene. Så mye som 2/3 av verdensproduksjonen av titan benyttes av flyindustrien.

Industrielt benyttes titan mye fordi metallet er syrefast og ikke korroderer i saltvann. Store mengder går med i skip og i oljeinstallasjoner.

Biokompatibiliteten sørger for at titan har viktige anvendelser også innen medisin. Kunstige hofter er et eksempel hvor titan typisk benyttes.

Titanforbindelser

Jotuns fabrikk i Sandefjord.
Copyright: Jotun.
  • Titanoksid og titankarbid er to forbindelser med viktige anvendelser. Store mengder TiO2 benyttes som fargestoff i hvit maling. I Norge er Jotun, som lager maling, en storforbruker av titanoksid. Oksidet har høyere brytningsindeks en selv diamant og dette gjør at refleksjonen fra pulveret i malingen blir stor. Vi sier at malingen har god dekkevne. Oksidet benyttes også som pigment i papir og plast. Omtrent halvdelen av alt TiO2 benyttes som pigment i maling; 1/4 del i plast og resten i papir, keramikk og til matfarging.
  • Andre anvendelser av oksidet er i solkrem (oksidet slipper ikke igjennom UV-stråling) og som fyllstoff i tabletter, tannkrem og annet. I matvarer betegnes pigmentet som E171
  • Evnen oksidet har til å spre lys gjør at de fleste lebestifter inneholder omtrent 10 % av dette stoffet.
  • TiC er svært hardt og benyttes i verktøy og til sliping.

Titandioksid ved UiO

TiO2, eller titandioksid/titania, er det mest stabile oksidet av titan under normale betingelser. De tre vanligste formene av titania kalles rutil, anatase og brokitt. Titania er et svært vanlig mineral og har et utall bruksområder. Det er blant annet verdens mest brukte hvite pigment, og brukes i alt fra hvit maling til tatoveringer. Det benyttes også til å farge mat og er kjent som E-stoff nummer E171. Titania brukes også i omtrent all solkrem på markedet på grunn av dets evne til å reflektere den skadelige UV-strålingen.

Fotokatalyserende materiale

TiO2 er en såkalt halvleder (slik som silisium), med et båndgap som ligger innenfor energien i strålingen som kommer fra sola, og mange av egenskapene til TiO2 vil derfor påvirkes av sollys. I 1972 oppdaget forskerne Fujishima og Honda at TiO2 er et såkalt fotokatalyserende materiale, det vil si et materiale som katalyserer ulike reaksjoner når det utsettes for UV-stråling.

Denne oppdagelsen førte med seg et stadig voksende forskningsfelt, og også norske forskere ved Universitetet i Oslo er nå med på å undersøke hvordan vi kan utnytte denne egenskapen i nye og smarte teknologiske innretninger.

Til tross for at de fotokatylserende egenskapene til TiO2 ble oppdaget for over 40 år siden, er prosessen som skjer når TiO2 utsettes for sollys ikke fullstendig forstått enda. Dersom det er fuktighet til stede tror man at dette skyldes dannelsen av positive elektronhull som igjen gir svært reaktive hydroksylradikaler på overflaten. Disse radikalene kan reagere med organiske molekyler og drepe bakerier som fester seg på overflaten.

Selvrensende overflater

Rensing av vann ved hjelp av TiO2 og sollys kan bli en framtidig mulighet
Foto: Colourbox

Av den grunn vil en overflate som er dekket med et tynt lag TiO2 være selvrensende, og denne egenskapen kan også utnyttes til å drepe bakterier og alger i drikkevann. TiO2 er et svært vanlig mineral, og de delene av verden som mangler rent drikkevann har som oftest rikelig med sollys. Rensing av vann ved hjelp av TiO2 og sollys er derfor en av de mest lovende fremgangsmåtene for å skaffe rent drikkevann til verdens stadig voksende befolkning.

Siden TiO2 kan oksidere vann ved hjelp av sollys, kan det også benyttes til såkalt fotoelektrokjemisk vannsplitting; dvs. splitting av vann til hydrogen- og oksygengass kun ved hjelp av sollys. I praksis vil man måtte skille de to halvreaksjonene som skjer; på anoden (for eksempel TiO2) oksideres vann til oksygengass, hydrogenioner (protoner) og elektroner, mens protonene reduseres ved hjelp av elektroner på katoden. Med hydrogensamfunnets fremmarsj, som for eksempel hydrogendrevne brenselcellebiler, vil også verdens etterspørsel etter hydrogen øke drastisk. Gassen produseres i dag hovedsakelig via ikke-fornybare metoder, som for eksempel gassreformering av naturgass. Siden vannsplitting med TiO2 og sollys er en fullstendig fornybar prosess, håper man at denne metoden kan realiseres i stor skala i fremtiden.

Titania A/S - et bergverk i Sokndal kommune, Sør-Rogaland

Malmforekomsten på Tellnes, som ligger omlag fem km inn i landet fra Jøssingfjord, er grunnlaget for bedriftens aktivitet. Med reserver på 400 millioner tonn er dette verdens største ilmenittforekomst. Malmen brytes ved hjelp av storskala dagbruddsdrift.

Gjennom en komplisert oppredningsprosess fremstilles ilmenittkonsentrat som hovedprodukt. Som biprodukter utvinnes konsentrater av magnetitt og sulfider. Konsentratene skipes i bulk fra utlastingsanlegget i Jøssingfjord.

Ilmenitt er et jerntitanoksid som foredles videre til titandioksid. Dette brukes igjen i verdens pigmentindustri. Mineralkonsentratet fra Titania selges til pigmentfabrikker i Europa, samt til mellomforedling ved ilmenittsmelteverket i Tyssedal. Ved Titanias søsterbedrift i Fredrikstad, Kronos Titan AS, foredles ilmenitt til ferdig pigment. Titandioksid-pigment benyttes i hovedsak i maling, plast og papir.

Norsk Titanium - et nytt selskap etablert på Rjukan i 2007

Norge er allerede en av verdens største titaneksportører - men bare i oksidform. Ny teknologi kan flytte Norge inn en eksklusiv gruppe Titanmetallprodusenter.

I dag produseres nesten all titan ved en kjemisk prosess. Titandioksidet tilsettes klorgass og karbon som reagerer til titantetraklorid og karbondioksid. Ved å tilsette titantetrakloridet som gass til flytende magnesium i en såkalt Krollreaktor, reagerer magnesium og titantetrakloridet til magnesiumklorid og metallisk titan. Deretter elektrolyseres magnesiumklorid tilbake til magnesium og klor som går tilbake i prosessen.

Den alternative metoden som Norsk Titanium utvikler, er noe så tradisjonsrikt som elektrolyse. Riktignok i en modifisert form, men ikke så forskjellig at ikke tidligere anlegg kan bygges om til en titanfremtid. I elektrolyseovnen brukes sintret titandioksid som katode og senkes ned i en elektrolytt som er en saltsmelte. Anoden er inert, det vil si ikke reaktiv og danner oksygen og ikke CO2.

I utgangspunktet kan dette høres svært enkelt ut, men hemmeligheten ligger i materialvalg for elektroder og andre prosesshemmeligheter. Prosessen som Norsk Titanium vil benytte er inspirert av forskningsresultater fra Cambridge, men Norsk Titanium regner med å kunne patentere sin egen prosess. Med denne nye teknologien kan gamle almuniumsverk bygges om til titanverk.

Titan benyttes i huskemetall. Dette metallet har den egenskapen at det kan deformeres for så å finne tilbake til opprinnelig form etter oppvarming over en viss kritisk temperatur. Denne spesielle egenskapen har opphav i en temperaturavhengig endring i strukturen til metallet.

Det er tre hovedtyper av slike huskemetaller; kobber-sink-aluminium-nikkel, kobber-aluminium-nikkel, og nikkel-titan (NiTi) legeringer. NiTi legeringer er de beste, men også de dyreste.

I kroppen

Titan har ingen kjent biologisk funksjon. Titanoksid har ingen negative helseeffekter og benyttes derfor både i mat og kosmetikk. Oksidet har av samme grunn overtatt etter blyforbindelser som pigment i maling.

Siden 1950 tallet har titan blitt benyttet medisinsk. Metallet brukes til å nagle sammen bein siden titan ikke korroderer, bindes godt til beinsubstans og ikke avvises av kroppen. Hofter, kne, skruer, nagler og kranieplater kan alt lages av titan og holder i flere tiår. Titan benyttes også av tannleger til å skru inn kunstige tenner.

I miljøet

Titan i seg selv utgjør ingen trussel for miljøet. Fremstillingen av titanoksid har imildertid i tidligere tider gitt store forurensningsutslipp knytta til syrene som benyttes i produksjonen. Problemstillinger rundt dette er fortsatt aktuelle, selv om utslippene i dag er mye mindre enn tidligere.

Navn

Navnet har opphav i gresk/romersk mytologi. Titanene var ifølge romersk mytologi de første sønnene til Jorden, Tellus (Terra), mens de ifølge gresk mytologi var guder som levde før og samtidig med de olympiske gudene.

Historie

Heinrich Klaproth ga navnet titan til grunnstoff nr. 22

Grunnstoffet ble oppdaget av tyske Klaproth i 1795 i mineralet rutil, og det var Klaproth som ga grunnstoffet navnet titan.

På en måte var dette en gjenoppdagelse. Den engelske presten William Gregor hadde fire år tidligere undersøkt en svart sandtype. Han reagerte på at denne sanden ble tiltrukket magneter og fant at den bestod av to metalloksider; jernoksid som forklarte de magnetiske egenskapene og et ikke magnetisk oksid som han ikke klarte å identifisere. Gregor kom til at sanden inneholdt et nytt grunnstoff og forelo at mineralet skulle oppkalles etter prestesognet, og med det kalles menachanitt. Det viste seg senere at det ukjente oksidet i dette mineralet var oksidet av grunnstoffet som Klaproth fikk æren for å oppdage i 1795. Menachanitt er idag kjent som ilmenitt.

Metallet er vanskelig å fremstille fordi oksidet er svært stabilt. Først i 1910 klarte en forsker fra USA, Hunter, kunsstykket. Men metoden var ikke triviell. Hunter som jobbet for General Electric, varmet titantetraklorid og natrium i lukkede beholdere ved høye trykk og det tok mange år før man fikk utviklet en metode som tillot produksjon av større mengder. Så titan ble lenge mest brukt som et kuriøst metall i laboratorier.

Fremstilling

Den såkalte kroll-prosessen ble utviklet i 1947. Klorgass og karbon tilsettes titandioksid som med det omdannes til titantetraklorid og karbondioksid. I neste omgang reduseres dette kloridet med magnesium ved relativt høye temperaturer. TiCl4 som er en klar flyktig væske som koker ved 136 oC tilsettes som gass til flytende magnesium i en krollreaktor. Reaksjonen er

TiCl4(g) + 2Mg(l) = 2MgCl2(l) + Ti(s)

Her er det selvfølgelig viktig at det ikke er luft tilstede. I så fall dannes det stabile titanoksidet istedet. Det er vanlig å benytte argon som en slik intert gassatmosfære. Til slutt elektrolyseres magnesiumklorid tilbake til magnesium og klor som sendes tilbake i prosessen.

En alternativ metode utvikles nå av det nye norske selskapet Norsk Titanium. Metoden er noe så tradisjonsrikt som en elektrolyse-basert fremstilling. Anlegg som tidligere ble brukt til aluminiumproduksjon kan bygges om og istedet benyttes til elektrolyttisk fremstilling av titan. I disse elektrolyseovnen brukes nå sintret titandioksid som katode og denne senkes ned i en elektrolytt som er en saltsmelte. Anoden er inert, det vil si ikke-reaktiv og det dannes oksygen og ikke CO2.

Forekomst

Røkkvarts (SiO2) med rutilnåler (TiO2)..
Foto: Per Aas, Naturhistorisk museum, UiO.

De viktigste råstoffene for fremstilling av titan og titanforbindelser er mineralene ilmenitt (FeTiO3) og rutil (TiO2). Store ilmenittforekomster på Tellnes i Rogaland har gjort Norge til en av de største produsentene av titan. Andre store forekomster finnes i Australia, Ukraina og Kanada. Slagg fra titanholdig jernmalm spiller også en viss rolle som råstoffkilde. Mens ilmenittkonsentrat fortrinnsvis blir brukt til fremstilling av rent titandioksid (TiO2), blir rutil brukt til fremstilling av titanmetall.

90 000 tonn metal produseres årlig. Produksjonen av titandioksid er enda større - årlig produseres mer en 4 millioner tonn av denne viktige forbindelsen.

Titania A/S har gruvedrift på ilmenitt i Tellnes-forekomsten i Sokndal kommune, Rogaland. Dette er en av verdens største ilmenitt-forekomster med reserver på 300-350 millioner tonn og en gehalt i råmalmen på ca. 18 % TiO2. Selskapet har tidligere drevet på Storgangen og Blåfjell i samme område. Foredling av svart ilmenitt til skinnende hvitt pigment foregår ved søsterselskapet Kronos Titan A/S i Fredrikstad ved en sulfatoprosess. Årsproduksjonen er ca. 30 000 tonn pigment. Ilmenittsmelteverket i Tyssedal, Odda, foredler ilmenittkonsentrat fra Titanias anlegg i Sokndal til titandioksidslagg og spesialråjern.

Rødsand gruver på Nord-Møre leverte i sine siste produksjonsår som biprodukt et ilmenittkonsentrat med omkring 3 000 tonn TiO2. Hovedproduktet var vanadiumholdig magnetitt (Fe3O4) med 0,5 % vanadium.

Rutilforekomster har vært drevet i flere små gruver i området Bamble-Arendal og på Lindvikskollen ved Kragerø.

Tre varianter av titandioksid

Anatas, TiO2.
Foto: Per Aas, Naturhistorisk museum, UiO.

I tillegg til TiO2-modifikasjonen rutil, som er den vanligste, finnes også TiO2i modifikasjonene anatas og brookitt. Rutil dannes ved høye temperaturer og holder seg i denne modifikasjonen ved romtemperatur hvis den først har blitt dannet (vi sier at rutil er metastabilt ved romtemperatur). Begge bildene som vises her er av mineraler fra Hardangervidda.

Brookitt, TiO2.
Foto: Per Aas, Naturhistorisk museum, UiO.
Krystallstrukturen til rutil.