El titanio es un elemento químico ; tiene símbolo Ti y número atómico 22. Se encuentra en la naturaleza sólo como un óxido , puede reducirse para producir un metal de transición brillante con color plateado , baja densidad y alta resistencia, resistente a la corrosión en agua de mar , agua regia y cloro .
El titanio fue descubierto en Cornualles , Gran Bretaña , por William Gregor en 1791 y Martin Heinrich Klaproth lo nombró en honor a los titanes de la mitología griega . El elemento se encuentra dentro de una serie de minerales , principalmente rutilo e ilmenita , que están ampliamente distribuidos en la corteza terrestre y la litosfera ; se encuentra en casi todos los seres vivos, así como en cuerpos de agua, rocas y suelos. [9] El metal se extrae de sus principales minerales mediante los procesos de Kroll y Hunter . [10] El compuesto más común, el dióxido de titanio , es un fotocatalizador popular y se utiliza en la fabricación de pigmentos blancos. [11] Otros compuestos incluyen tetracloruro de titanio (TiCl 4 ), un componente de cortinas de humo y catalizadores ; y tricloruro de titanio (TiCl 3 ), que se utiliza como catalizador en la producción de polipropileno . [9]
El titanio se puede alear con hierro , aluminio , vanadio y molibdeno , entre otros elementos, para producir aleaciones fuertes y livianas para procesos aeroespaciales ( motores a reacción , misiles y naves espaciales ), militares e industriales (químicos y petroquímicos, plantas desalinizadoras , pulpa , y papel ), automoción, agricultura , prótesis médicas , implantes ortopédicos , instrumentos y limas dentales y endodónticos, implantes dentales , artículos deportivos, joyas, teléfonos móviles y otras aplicaciones. [9]
Las dos propiedades más útiles del metal son la resistencia a la corrosión y la relación resistencia-densidad , la más alta de cualquier elemento metálico. [12] En su estado puro, el titanio es tan fuerte como algunos aceros , pero menos denso. [13] Hay dos formas alotrópicas [14] y cinco isótopos naturales de este elemento, del 46 Ti al 50 Ti, siendo el 48 Ti el más abundante (73,8%). [15]
Como metal , el titanio es reconocido por su alta relación resistencia-peso . [14] Es un metal fuerte con baja densidad que es bastante dúctil (especialmente en un ambiente libre de oxígeno ), [9] brillante y de color blanco metálico . [16] Debido a su punto de fusión relativamente alto (1.668 °C o 3.034 °F), a veces se ha descrito como un metal refractario , pero este no es el caso. [17] Es paramagnético y tiene una conductividad eléctrica y térmica bastante baja en comparación con otros metales. [9] El titanio es superconductor cuando se enfría por debajo de su temperatura crítica de 0,49 K. [18] [19]
Los grados de titanio comercialmente puro (99,2% de pureza) tienen una resistencia máxima a la tracción de aproximadamente 434 MPa (63.000 psi ), igual a la de las aleaciones de acero comunes de baja calidad, pero son menos densos. El titanio es un 60 % más denso que el aluminio, pero más del doble de resistente [13] que la aleación de aluminio 6061-T6 más utilizada . Ciertas aleaciones de titanio (por ejemplo, Beta C ) alcanzan resistencias a la tracción de más de 1.400 MPa (200.000 psi). [20] Sin embargo, el titanio pierde resistencia cuando se calienta por encima de 430 °C (806 °F). [21]
El titanio no es tan duro como algunos grados de acero tratado térmicamente; no es magnético y es un mal conductor del calor y la electricidad. El mecanizado requiere precauciones, porque el material puede irritarse a menos que se utilicen herramientas afiladas y métodos de enfriamiento adecuados. Al igual que las estructuras de acero, las fabricadas en titanio tienen un límite de fatiga que garantiza la longevidad en algunas aplicaciones. [dieciséis]
El metal es un alótropo dimórfico de forma α hexagonal que cambia a una forma β cúbica (retícula) centrada en el cuerpo a 882 °C (1620 °F). [21] El calor específico de la forma α aumenta dramáticamente a medida que se calienta a esta temperatura de transición, pero luego cae y permanece bastante constante para la forma β independientemente de la temperatura. [21]
Al igual que el aluminio y el magnesio , la superficie del metal titanio y sus aleaciones se oxidan inmediatamente al exponerse al aire para formar una fina capa de pasivación no porosa que protege el metal en masa de una mayor oxidación o corrosión. [9] Cuando se forma por primera vez, esta capa protectora tiene sólo entre 1 y 2 nm de espesor, pero continúa creciendo lentamente, alcanzando un espesor de 25 nm en cuatro años. [23] Esta capa le da al titanio una excelente resistencia a la corrosión contra ácidos oxidantes, pero se disolverá en ácido fluorhídrico diluido, ácido clorhídrico caliente y ácido sulfúrico caliente.
El titanio es capaz de resistir el ataque de los ácidos sulfúrico y clorhídrico diluidos a temperatura ambiente, soluciones de cloruro y la mayoría de los ácidos orgánicos. [10] Sin embargo, el titanio se corroe con ácidos concentrados. [24] El titanio es un metal muy reactivo que arde en el aire normal a temperaturas más bajas que el punto de fusión. La fusión sólo es posible en atmósfera inerte o al vacío. A 550 °C (1022 °F), se combina con el cloro. [10] También reacciona con los otros halógenos y absorbe hidrógeno. [11]
El titanio reacciona fácilmente con el oxígeno a 1200 °C (2190 °F) en el aire y a 610 °C (1130 °F) en oxígeno puro, formando dióxido de titanio . [14] El titanio es uno de los pocos elementos que se quema en gas nitrógeno puro y reacciona a 800 °C (1470 °F) para formar nitruro de titanio , lo que provoca fragilidad. [25] Debido a su alta reactividad con el oxígeno, el nitrógeno y muchos otros gases, el titanio que se evapora de los filamentos es la base de las bombas de sublimación de titanio , en las que el titanio sirve como eliminador de estos gases al unirse químicamente a ellos. Estas bombas producen presiones extremadamente bajas de forma económica en sistemas de vacío ultraalto .
El titanio es el noveno elemento más abundante en la corteza terrestre (0,63% en masa ) [26] y el séptimo metal más abundante. Está presente como óxidos en la mayoría de las rocas ígneas , en sedimentos derivados de ellas, en seres vivos y cuerpos de agua naturales. [9] [10] De los 801 tipos de rocas ígneas analizadas por el Servicio Geológico de Estados Unidos , 784 contenían titanio. Su proporción en los suelos es aproximadamente del 0,5 al 1,5%. [26]
Los minerales comunes que contienen titanio son anatasa , brookita , ilmenita , perovskita , rutilo y titanita (esfena). [23] La akaogiita es un mineral extremadamente raro que consiste en dióxido de titanio. De estos minerales, sólo el rutilo y la ilmenita tienen importancia económica, aunque incluso ellos son difíciles de encontrar en altas concentraciones. En 2011 se extrajeron alrededor de 6,0 y 0,7 millones de toneladas de esos minerales, respectivamente. [27] Existen importantes depósitos de ilmenita que contienen titanio en Australia , Canadá , China , India , Mozambique , Nueva Zelanda , Noruega , Sierra Leona , Sudáfrica y Ucrania . [23] En 2020 se produjeron alrededor de 210.000 toneladas de esponja metálica de titanio, principalmente en China (110.000 t), Japón (50.000 t), Rusia (33.000 t) y Kazajstán (15.000 t). Se estima que las reservas totales de anatasa, ilmenita y rutilo superan los 2 mil millones de toneladas. [27]
La concentración de titanio en el océano es de aproximadamente 4 picomolar . A 100 °C, se estima que la concentración de titanio en agua es inferior a 10 −7 M a pH 7. La identidad de las especies de titanio en solución acuosa sigue siendo desconocida debido a su baja solubilidad y a la falta de métodos espectroscópicos sensibles, aunque sólo el estado de oxidación 4+ es estable en el aire. No existe evidencia de un papel biológico, aunque se sabe que organismos raros acumulan altas concentraciones de titanio. [28]
El titanio está contenido en meteoritos y se ha detectado en el Sol y en estrellas de tipo M [10] (el tipo más frío) con una temperatura superficial de 3200 °C (5790 °F). [29] Las rocas traídas de la Luna durante la misión Apolo 17 están compuestas por un 12,1% de TiO 2 . [10] El titanio nativo (metálico puro) es muy raro. [30]
El titanio natural se compone de cinco isótopos estables : 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti y 50 Ti, siendo el 48 Ti el más abundante (73,8% de abundancia natural ). Se han caracterizado al menos 21 radioisótopos , los más estables son el 44 Ti con una vida media de 63 años; 45 Ti, 184,8 minutos; 51 Ti, 5,76 minutos; y 52 Ti, 1,7 minutos. Todos los demás isótopos radiactivos tienen vidas medias de menos de 33 segundos, y la mayoría de menos de medio segundo. [15]
Los isótopos del titanio varían en peso atómico desde 39,002 u ( 39 Ti) hasta 63,999 u ( 64 Ti). [31] El modo de desintegración principal para los isótopos más livianos que el 46 Ti es la emisión de positrones (con la excepción del 44 Ti que sufre captura de electrones ), lo que lleva a isótopos de escandio , y el modo primario para los isótopos más pesados que el 50 Ti es la emisión beta , lo que lleva a a isótopos de vanadio . [15]
El titanio se vuelve radiactivo tras el bombardeo con deuterones , emitiendo principalmente positrones y rayos gamma duros . [10]
El estado de oxidación +4 domina la química del titanio, [32] pero los compuestos en el estado de oxidación +3 también son numerosos. [33] Comúnmente, el titanio adopta una geometría de coordinación octaédrica en sus complejos, [34] [35] pero el TiCl 4 tetraédrico es una excepción notable. Debido a su alto estado de oxidación, los compuestos de titanio (IV) exhiben un alto grado de enlace covalente . [32]
El óxido más importante es el TiO2 , que existe en tres polimorfos importantes ; anatasa, brookita y rutilo. Los tres son sólidos diamagnéticos blancos, aunque las muestras minerales pueden aparecer oscuras (ver rutilo ). Adoptan estructuras poliméricas en las que el Ti está rodeado por seis ligandos de óxido que se unen a otros centros de Ti. [36]
El término titanatos generalmente se refiere a compuestos de titanio (IV), representados por titanato de bario (BaTiO 3 ). Con estructura de perovskita, este material exhibe propiedades piezoeléctricas y se utiliza como transductor en la interconversión de sonido y electricidad . [14] Muchos minerales son titanatos, como la ilmenita (FeTiO 3 ). Los zafiros y rubíes estrella obtienen su asterismo (brillo de formación de estrellas) de la presencia de impurezas de dióxido de titanio. [23]
Se conocen una variedad de óxidos reducidos ( subóxidos ) de titanio, principalmente estequiometrías reducidas de dióxido de titanio obtenidas mediante pulverización de plasma atmosférico . Ti 3 O 5 , descrito como una especie de Ti (IV) -Ti (III), es un semiconductor púrpura producido por la reducción de TiO 2 con hidrógeno a altas temperaturas, [37] y se utiliza industrialmente cuando las superficies necesitan ser recubiertas con vapor. con dióxido de titanio: se evapora como TiO puro, mientras que el TiO 2 se evapora como una mezcla de óxidos y deposita recubrimientos con índice de refracción variable. [38] También se conoce el Ti 2 O 3 , con estructura de corindón , y el TiO , con estructura de sal gema, aunque a menudo no estequiométrico. [39]
Los alcóxidos de titanio (IV), preparados tratando TiCl 4 con alcoholes, son compuestos incoloros que se convierten en dióxido al reaccionar con agua. Son industrialmente útiles para depositar TiO 2 sólido mediante el proceso sol-gel . El isopropóxido de titanio se utiliza en la síntesis de compuestos orgánicos quirales mediante la epoxidación Sharpless . [40]
El titanio forma una variedad de sulfuros, pero sólo el TiS 2 ha despertado un interés significativo. Adopta una estructura en capas y se utilizó como cátodo en el desarrollo de baterías de litio . Debido a que el Ti (IV) es un "catión duro" , los sulfuros de titanio son inestables y tienden a hidrolizarse hasta formar óxido con liberación de sulfuro de hidrógeno. [41]
El nitruro de titanio (TiN) es un sólido refractario que presenta una dureza extrema, conductividad térmica/eléctrica y un alto punto de fusión. [42] El TiN tiene una dureza equivalente al zafiro y al carborundo (9,0 en la escala de Mohs ), [43] y se utiliza a menudo para recubrir herramientas de corte, como brocas . [44] También se utiliza como acabado decorativo de color dorado y como capa de barrera en la fabricación de semiconductores . [45] El carburo de titanio (TiC), que también es muy duro, se encuentra en herramientas de corte y revestimientos. [46]
El tetracloruro de titanio (cloruro de titanio (IV), TiCl 4 [47] ) es un líquido volátil incoloro (las muestras comerciales son amarillentas) que, en el aire, se hidroliza con una espectacular emisión de nubes blancas. Mediante el proceso Kroll , el TiCl 4 se utiliza en la conversión de minerales de titanio en titanio metálico. El tetracloruro de titanio también se utiliza para producir dióxido de titanio, por ejemplo, para uso en pintura blanca. [48] Se utiliza ampliamente en química orgánica como ácido de Lewis , por ejemplo en la condensación aldólica de Mukaiyama . [49] En el proceso van Arkel-de Boer , se genera tetrayoduro de titanio (TiI 4 ) en la producción de metal titanio de alta pureza. [50]
El titanio (III) y el titanio (II) también forman cloruros estables. Un ejemplo notable es el cloruro de titanio (III) (TiCl 3 ), que se utiliza como catalizador para la producción de poliolefinas (ver Catalizador Ziegler-Natta ) y agente reductor en química orgánica. [51]
Debido al importante papel de los compuestos de titanio como catalizadores de polimerización , se han estudiado intensamente los compuestos con enlaces Ti-C. El complejo de organotitanio más común es el dicloruro de titanoceno ((C 5 H 5 ) 2 TiCl 2 ). Los compuestos relacionados incluyen el reactivo de Tebbe y el reactivo de Petasis . El titanio forma complejos carbonílicos , por ejemplo (C 5 H 5 ) 2 Ti (CO) 2 . [52]
Tras el éxito de la quimioterapia basada en platino , los complejos de titanio (IV) estuvieron entre los primeros compuestos sin platino que se probaron para el tratamiento del cáncer. La ventaja de los compuestos de titanio radica en su alta eficacia y baja toxicidad in vivo . [53] En ambientes biológicos, la hidrólisis conduce al dióxido de titanio seguro e inerte. A pesar de estas ventajas, los primeros compuestos candidatos fracasaron en los ensayos clínicos debido a una eficacia insuficiente en relación con la toxicidad y a las complicaciones de la formulación. [53] Un mayor desarrollo dio como resultado la creación de fármacos basados en titanio potencialmente eficaces, selectivos y estables. [53]
El titanio fue descubierto en 1791 por el clérigo y geólogo William Gregor como una inclusión de un mineral en Cornualles , Gran Bretaña. [54] Gregor reconoció la presencia de un nuevo elemento en la ilmenita [11] cuando encontró arena negra junto a un arroyo y notó que la arena era atraída por un imán . [54] Al analizar la arena, determinó la presencia de dos óxidos metálicos: óxido de hierro (que explica la atracción hacia el imán) y 45,25% de un óxido metálico blanco que no pudo identificar. [26] Al darse cuenta de que el óxido no identificado contenía un metal que no coincidía con ningún elemento conocido, en 1791 Gregor informó sus hallazgos en revistas científicas alemanas y francesas: Crell's Annalen y Observations et Mémoires sur la Physique . [54] [55] [56] Llamó a este óxido manaccanita . [57]
Casi al mismo tiempo, Franz-Joseph Müller von Reichenstein produjo una sustancia similar, pero no pudo identificarla. [11] El óxido fue redescubierto de forma independiente en 1795 por el químico prusiano Martin Heinrich Klaproth en rutilo de Boinik (el nombre alemán de Bajmócska), un pueblo de Hungría (ahora Bojničky en Eslovaquia). [54] [a] Klaproth descubrió que contenía un nuevo elemento y lo nombró en honor a los titanes de la mitología griega . [29] Después de enterarse del descubrimiento anterior de Gregor, obtuvo una muestra de manaccanita y confirmó que contenía titanio. [59]
Los procesos actualmente conocidos para extraer titanio de sus diversos minerales son laboriosos y costosos; No es posible reducir el mineral calentándolo con carbono (como en la fundición de hierro) porque el titanio se combina con el carbono para producir carburo de titanio. [54] El titanio metálico puro (99,9%) fue preparado por primera vez en 1910 por Matthew A. Hunter en el Instituto Politécnico Rensselaer calentando TiCl 4 con sodio a 700–800 °C (1292–1472 °F) bajo gran presión [60] en un proceso por lotes conocido como proceso Hunter . [10] El titanio metálico no se utilizó fuera del laboratorio hasta 1932, cuando William Justin Kroll lo produjo reduciendo el tetracloruro de titanio (TiCl 4 ) con calcio . [61] Ocho años más tarde refinó este proceso con magnesio y sodio en lo que se conoció como el proceso de Kroll. [61] Aunque la investigación continúa buscando rutas más baratas y eficientes, como el proceso FFC Cambridge , el proceso Kroll todavía se utiliza predominantemente para la producción comercial. [10] [11]
El titanio de muy alta pureza se fabricó en pequeñas cantidades cuando Anton Eduard van Arkel y Jan Hendrik de Boer descubrieron el proceso del yoduro en 1925, reaccionando con yodo y descomponiendo los vapores formados sobre un filamento caliente hasta obtener metal puro. [62]
En las décadas de 1950 y 1960, la Unión Soviética fue pionera en el uso de titanio en aplicaciones militares y submarinas [60] ( clase Alfa y clase Mike ) [63] como parte de programas relacionados con la Guerra Fría. [64] A principios de la década de 1950, el titanio se empezó a utilizar ampliamente en la aviación militar, particularmente en aviones a reacción de alto rendimiento, comenzando con aviones como el F-100 Super Sabre y Lockheed A-12 y SR-71 . [sesenta y cinco]
Durante el período de la Guerra Fría, el gobierno de los EE. UU. consideró el titanio un material estratégico , y el Centro de Reservas Nacionales de Defensa mantuvo una gran reserva de esponja de titanio (una forma porosa del metal puro) , hasta que la reserva se dispersó en la década de 2000. . [66] En 2021, los cuatro principales productores de esponja de titanio eran China (52%), Japón (24%), Rusia (16%) y Kazajstán (7%). [27]
El procesamiento del titanio metálico se produce en cuatro pasos principales: reducción del mineral de titanio a una "esponja", una forma porosa; fusión de esponja o esponja más una aleación maestra para formar un lingote; fabricación primaria, donde un lingote se convierte en productos industriales generales como palanquilla , barras, placas , láminas , tiras y tubos ; y fabricación secundaria de formas terminadas a partir de productos de fábrica. [67]
Debido a que no puede producirse fácilmente mediante la reducción de dióxido de titanio, [16] el titanio metálico se obtiene mediante la reducción de TiCl 4 con magnesio metálico en el proceso Kroll. La complejidad de esta producción por lotes en el proceso Kroll explica el valor de mercado relativamente alto del titanio, [68] a pesar de que el proceso Kroll es menos costoso que el proceso Hunter. [60] Para producir el TiCl 4 requerido por el proceso de Kroll, el dióxido se somete a una reducción carbotérmica en presencia de cloro . En este proceso, el cloro gaseoso pasa sobre una mezcla al rojo vivo de rutilo o ilmenita en presencia de carbono. Después de una extensa purificación por destilación fraccionada , el TiCl 4 se reduce con magnesio fundido a 800 °C (1470 °F) en una atmósfera de argón . [14] El metal de titanio se puede purificar aún más mediante el proceso de van Arkel-de Boer, que implica la descomposición térmica del tetrayoduro de titanio.
Las aleaciones de titanio comunes se obtienen por reducción. Por ejemplo, se reducen el cuprotitanio (se reduce el rutilo con cobre añadido), el ferrocarbono de titanio (ilmenita reducida con coque en un horno eléctrico) y el manganotitanio (rutilo con manganeso u óxidos de manganeso). [69]
Actualmente se diseñan y utilizan alrededor de cincuenta grados de aleaciones de titanio , aunque sólo un par de docenas están disponibles comercialmente. [70] La ASTM International reconoce 31 grados de metal y aleaciones de titanio, de los cuales los grados uno a cuatro son comercialmente puros (sin alear). Esos cuatro varían en cuanto a resistencia a la tracción en función del contenido de oxígeno, siendo el grado 1 el más dúctil (resistencia a la tracción más baja con un contenido de oxígeno del 0,18%) y el grado 4 el menos dúctil (resistencia a la tracción más alta con un contenido de oxígeno del 0,40%). ). [23] Los grados restantes son aleaciones, cada una diseñada para propiedades específicas de ductilidad, resistencia, dureza, resistividad eléctrica, resistencia a la fluencia , resistencia a la corrosión específica y combinaciones de las mismas. [71]
Además de las especificaciones ASTM, las aleaciones de titanio también se producen para cumplir con las especificaciones aeroespaciales y militares (SAE-AMS, MIL-T), las normas ISO y las especificaciones específicas de cada país, así como las especificaciones patentadas del usuario final para los sectores aeroespacial, militar, aplicaciones médicas e industriales. [72]
El polvo de titanio se fabrica mediante un proceso de producción de flujo conocido como proceso Armstrong [73] que es similar al proceso Hunter de producción por lotes. Se añade una corriente de gas tetracloruro de titanio a una corriente de sodio fundido; Los productos (sal de cloruro de sodio y partículas de titanio) se filtran para eliminar el sodio extra. Luego se separa el titanio de la sal mediante lavado con agua. Tanto el sodio como el cloro se reciclan para producir y procesar más tetracloruro de titanio. [74]
Toda soldadura de titanio debe realizarse en una atmósfera inerte de argón o helio para protegerlo de la contaminación con gases atmosféricos (oxígeno, nitrógeno e hidrógeno). [21] La contaminación causa una variedad de condiciones, como la fragilización , que reducen la integridad de las soldaduras del conjunto y provocan fallas en las juntas. [75]
El titanio es muy difícil de soldar directamente y, por lo tanto, un metal o aleación soldable , como el acero, se recubre con titanio antes de soldarlo. [76] El metal titanio se puede mecanizar con el mismo equipo y los mismos procesos que el acero inoxidable . [21]
Los productos planos comercialmente puros (láminas, placas) se pueden formar fácilmente, pero el procesamiento debe tener en cuenta la tendencia del metal a recuperarse . Esto es especialmente cierto en el caso de determinadas aleaciones de alta resistencia. [77] [78] La exposición al oxígeno del aire a las temperaturas elevadas utilizadas en la forja da como resultado la formación de una capa superficial metálica frágil rica en oxígeno llamada " caso alfa " que empeora las propiedades de fatiga, por lo que debe eliminarse mediante fresado. grabado o tratamiento electroquímico. [79]
El titanio se utiliza en acero como elemento de aleación ( ferrotitanio ) para reducir el tamaño de grano y como desoxidante, y en acero inoxidable para reducir el contenido de carbono. [9] El titanio a menudo se alea con aluminio (para refinar el tamaño de grano), vanadio , cobre (para endurecer), hierro , manganeso , molibdeno y otros metales. [80] Los productos laminados de titanio (láminas, placas, barras, alambres, piezas forjadas, piezas fundidas) encuentran aplicación en los mercados industriales, aeroespaciales, recreativos y emergentes. El titanio en polvo se utiliza en pirotecnia como fuente de partículas brillantes. [81]
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Aproximadamente el 95% de todo el mineral de titanio está destinado al refinamiento en dióxido de titanio ( TiO
2), un pigmento permanente de color blanco intenso que se utiliza en pinturas, papel, pasta de dientes y plásticos. [27] También se utiliza en cemento, piedras preciosas, como opacificante óptico en papel, [82] y agente fortalecedor en cañas de pescar y palos de golf compuestos de grafito. [83]
TiO2
2El pigmento es químicamente inerte, resiste la decoloración con la luz solar y es muy opaco: imparte un color blanco puro y brillante a los químicos marrones o grises que forman la mayoría de los plásticos domésticos. [11] En la naturaleza, este compuesto se encuentra en los minerales anatasa, brookita y rutilo. [9] La pintura hecha con dióxido de titanio funciona bien en temperaturas severas y ambientes marinos. [11] El dióxido de titanio puro tiene un índice de refracción muy alto y una dispersión óptica superior a la del diamante . [10] Además de ser un pigmento muy importante, el dióxido de titanio también se utiliza en protectores solares. [dieciséis]
Debido a que las aleaciones de titanio tienen una alta relación entre resistencia a la tracción y densidad, [14] alta resistencia a la corrosión , [10] resistencia a la fatiga, alta resistencia al agrietamiento, [84] y capacidad para soportar temperaturas moderadamente altas sin fluencia, se utilizan en aviones, blindajes, buques de guerra, naves espaciales y misiles. [10] [11] Para estas aplicaciones, el titanio se alea con aluminio, circonio, níquel, [85] vanadio y otros elementos para fabricar una variedad de componentes que incluyen piezas estructurales críticas, cortafuegos, trenes de aterrizaje y conductos de escape (helicópteros). y sistemas hidráulicos. De hecho, alrededor de dos tercios de todo el titanio metálico producido se utilizan en motores y estructuras de aviones. [86] La aleación de titanio 6AL-4V representa casi el 50% de todas las aleaciones utilizadas en aplicaciones aeronáuticas. [87]
El Lockheed A-12 y el SR-71 "Blackbird" fueron dos de los primeros armazones de avión en los que se utilizó titanio, allanando el camino para un uso mucho más amplio en aviones militares y comerciales modernos. En la producción de muchos aviones se utiliza una gran cantidad de productos de molienda de titanio, como por ejemplo (los siguientes valores son la cantidad de productos de molienda en bruto utilizados, sólo una fracción de esto termina en el avión terminado): 116 toneladas métricas se utilizan en el Boeing 787 , 77 en el Airbus A380 , 59 en el Boeing 777 , 45 en el Boeing 747 , 18 en el Boeing 737 , 32 en el Airbus A340 , 18 en el Airbus A330 y 12 en el Airbus A320 . [88] En aplicaciones de motores aeronáuticos, el titanio se utiliza para rotores, palas de compresores, componentes de sistemas hidráulicos y góndolas . [ cita necesaria ] Uno de los primeros usos en motores a reacción fue el Orenda Iroquois en la década de 1950. [ se necesita una mejor fuente ] [89]
Debido a que el titanio es resistente a la corrosión del agua de mar, se utiliza para fabricar ejes de hélice, aparejos e intercambiadores de calor en plantas desalinizadoras ; [10] calentadores-enfriadores para acuarios de agua salada, hilo y líder de pesca y cuchillos de buceo. El titanio se utiliza en las carcasas y componentes de los dispositivos de vigilancia y monitoreo desplegados en los océanos para la ciencia y el ejército. La antigua Unión Soviética desarrolló técnicas para fabricar submarinos con cascos de aleaciones de titanio [ cita necesaria ] forjando titanio en enormes tubos de vacío. [85]
Las tuberías y equipos de proceso soldados de titanio (intercambiadores de calor, tanques, recipientes de proceso, válvulas) se utilizan en las industrias química y petroquímica principalmente para resistir la corrosión. Se utilizan aleaciones específicas en aplicaciones de fondo de pozo de petróleo y gas y en hidrometalurgia de níquel por su alta resistencia (por ejemplo, aleación de titanio beta C), resistencia a la corrosión o ambas. La industria de la pulpa y el papel utiliza titanio en equipos de proceso expuestos a medios corrosivos, como el hipoclorito de sodio o el cloro gaseoso húmedo (en la blanquería). [90] Otras aplicaciones incluyen soldadura ultrasónica , soldadura por ola , [91] y objetivos de pulverización catódica . [92]
El tetracloruro de titanio (TiCl 4 ), un líquido incoloro, es importante como intermediario en el proceso de producción de TiO 2 y también se utiliza para producir el catalizador Ziegler-Natta. El tetracloruro de titanio también se utiliza para iridiscente del vidrio y, debido a que desprende fuertes humos en el aire húmedo, se utiliza para fabricar cortinas de humo. [dieciséis]
El metal de titanio se utiliza en aplicaciones automotrices, particularmente en carreras de automóviles y motocicletas, donde el bajo peso y la alta resistencia y rigidez son fundamentales. [93] (p. 141) El metal es generalmente demasiado caro para el mercado de consumo general, aunque algunos Corvettes de último modelo se han fabricado con escapes de titanio, [94] y el motor sobrealimentado LT4 de un Corvette Z06 utiliza válvulas de admisión de titanio sólidas y livianas para mayor fuerza y resistencia al calor. [95]
El titanio se utiliza en muchos artículos deportivos: raquetas de tenis, palos de golf, varillas de palos de lacrosse; parrillas para cascos de cricket, hockey, lacrosse y fútbol americano, y cuadros y componentes de bicicletas. Aunque no es un material común para la producción de bicicletas, las bicicletas de titanio han sido utilizadas por equipos de carreras y ciclistas de aventuras . [96]
Las aleaciones de titanio se utilizan en monturas de gafas que son bastante caras pero muy duraderas, ligeras y no causan alergias en la piel. El titanio es un material común para los utensilios de cocina y para comer que se transportan con mochila. Aunque son más caros que las alternativas tradicionales de acero o aluminio, los productos de titanio pueden ser significativamente más livianos sin comprometer su resistencia. Los herradores prefieren las herraduras de titanio a las de acero porque son más ligeras y duraderas. [97]
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Ocasionalmente se ha utilizado titanio en arquitectura. El Monumento de 42,5 m (139 pies) a Yuri Gagarin , el primer hombre en viajar al espacio ( 55°42′29.7″N 37°34′57.2″E / 55.708250°N 37.582556°E / 55.708250; 37.582556 ), así como el Monumento a los Conquistadores del Espacio de 110 m (360 pies) en la cima del Museo de Cosmonautas en Moscú están hechos de titanio por el atractivo color del metal y su asociación con los cohetes. [98] [99] El Museo Guggenheim Bilbao y la Biblioteca Cerritos Millennium fueron los primeros edificios en Europa y América del Norte, respectivamente, en estar revestidos con paneles de titanio. [86] Se utilizó revestimiento de titanio en el edificio Frederic C. Hamilton en Denver, Colorado. [100]
Debido a la resistencia superior y el peso ligero del titanio en comparación con otros metales (acero, acero inoxidable y aluminio), y debido a los recientes avances en las técnicas de trabajo de metales, su uso se ha generalizado en la fabricación de armas de fuego. Los usos principales incluyen armazones de pistola y cilindros de revólver. Por las mismas razones, se utiliza en el cuerpo de algunas computadoras portátiles (por ejemplo, en el PowerBook G4 de Apple ). [101] [102]
En 2023, Apple lanzó el iPhone 15 Pro , que utiliza una carcasa de titanio. [103]
Algunas herramientas de lujo, livianas y resistentes a la corrosión, como palas, mangos de cuchillos y linternas, están hechas de titanio o aleaciones de titanio. [102]
Debido a su durabilidad, el titanio se ha vuelto más popular para las joyas de diseño (en particular, los anillos de titanio ). [97] Su carácter inerte lo convierte en una buena opción para quienes padecen alergias o quienes usarán las joyas en entornos como piscinas. El titanio también se alea con oro para producir una aleación que puede comercializarse como oro de 24 quilates porque el 1% de Ti aleado es insuficiente para requerir una marca menor. La aleación resultante tiene aproximadamente la dureza del oro de 14 quilates y es más duradera que el oro puro de 24 quilates. [104]
La durabilidad, el peso ligero y la resistencia a las abolladuras y la corrosión del titanio lo hacen útil para las cajas de relojes . [97] Algunos artistas trabajan con titanio para producir esculturas, objetos decorativos y muebles. [105]
El titanio se puede anodizar para variar el espesor de la capa de óxido de la superficie, provocando franjas de interferencia óptica y una variedad de colores brillantes. [106] Con esta coloración e inercia química, el titanio es un metal popular para perforaciones corporales . [107]
El titanio tiene un uso menor en monedas y medallas dedicadas que no circulan. En 1999, Gibraltar lanzó la primera moneda de titanio del mundo para la celebración del milenio. [108] Los Gold Coast Titans , un equipo de la liga australiana de rugby, otorgan una medalla de titanio puro a su jugador del año. [109]
Debido a que el titanio es biocompatible (no es tóxico y no es rechazado por el cuerpo), tiene muchos usos médicos, incluidos implementos e implantes quirúrgicos, como las cavidades y cavidades de la cadera ( reemplazo de articulaciones ) e implantes dentales que pueden permanecer en su lugar hasta por 20 años. [54] El titanio suele estar aleado con aproximadamente un 4% de aluminio o un 6% de Al y un 4% de vanadio. [110]
El titanio tiene la capacidad inherente de osteointegrarse , lo que permite su uso en implantes dentales que pueden durar más de 30 años. Esta propiedad también es útil para aplicaciones de implantes ortopédicos . [54] Estos se benefician del módulo de elasticidad más bajo del titanio ( módulo de Young ) para parecerse más al del hueso que dichos dispositivos están destinados a reparar. Como resultado, las cargas esqueléticas se comparten de manera más uniforme entre el hueso y el implante, lo que lleva a una menor incidencia de degradación ósea debido a la protección contra el estrés y a las fracturas óseas periprotésicas , que ocurren en los límites de los implantes ortopédicos. Sin embargo, la rigidez de las aleaciones de titanio sigue siendo más del doble que la del hueso, por lo que el hueso adyacente soporta una carga muy reducida y puede deteriorarse. [111] [112]
Debido a que el titanio no es ferromagnético , los pacientes con implantes de titanio pueden ser examinados de manera segura mediante resonancia magnética (conveniente para implantes a largo plazo). La preparación del titanio para su implantación en el cuerpo implica someterlo a un arco de plasma de alta temperatura que elimina los átomos de la superficie, exponiendo el titanio fresco que se oxida instantáneamente. [54]
Los avances modernos en las técnicas de fabricación aditiva han aumentado el potencial del uso del titanio en aplicaciones de implantes ortopédicos. [113] Los diseños complejos de armazones de implantes se pueden imprimir en 3D utilizando aleaciones de titanio, lo que permite aplicaciones más específicas para el paciente y una mayor osteointegración del implante. [114]
El titanio se utiliza para los instrumentos quirúrgicos utilizados en la cirugía guiada por imágenes , así como para sillas de ruedas, muletas y cualquier otro producto donde se desee alta resistencia y bajo peso. [115]
Las nanopartículas de dióxido de titanio se utilizan ampliamente en electrónica y en la distribución de productos farmacéuticos y cosméticos. [116]
Debido a su resistencia a la corrosión, se han estudiado contenedores fabricados en titanio para el almacenamiento a largo plazo de residuos nucleares. Se cree que es posible construir contenedores que duren más de 100.000 años con condiciones de fabricación que minimicen los defectos del material. [117] También se podría instalar un "protector contra goteo" de titanio sobre contenedores de otros tipos para mejorar su longevidad. [118]
El titanio no es tóxico incluso en grandes dosis y no desempeña ningún papel natural dentro del cuerpo humano . [29] Los seres humanos ingieren una cantidad estimada de 0,8 miligramos de titanio cada día, pero la mayor parte pasa sin ser absorbida por los tejidos. [29] Sin embargo, a veces se bioacumula en tejidos que contienen sílice . Un estudio indica una posible conexión entre el titanio y el síndrome de la uña amarilla . [119]
En forma de polvo o virutas de metal, el titanio metálico presenta un importante riesgo de incendio y, cuando se calienta al aire , un riesgo de explosión. [120] El agua y el dióxido de carbono son ineficaces para extinguir un fuego de titanio; En su lugar, se deben utilizar agentes en polvo seco de clase D. [11]
Cuando se utiliza en la producción o manipulación de cloro, el titanio no debe exponerse al cloro gaseoso seco porque puede provocar un incendio de cloro-titanio. [121]
El titanio puede incendiarse cuando una superficie fresca y no oxidada entra en contacto con oxígeno líquido . [122]
Un mecanismo desconocido en las plantas puede utilizar titanio para estimular la producción de carbohidratos y estimular el crecimiento. Esto puede explicar por qué la mayoría de las plantas contienen aproximadamente 1 parte por millón (ppm) de titanio, las plantas alimenticias tienen aproximadamente 2 ppm y la cola de caballo y la ortiga contienen hasta 80 ppm. [29]
Definiciones de Wikcionario
Medios de los comunes
Recursos de Wikiversidad![{\displaystyle {\ce {2FeTiO3 + 7Cl2 + 6C ->[900^oC] 2FeCl3 + 2TiCl4 + 6CO}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1eeb2d68819d30ab4f11311db1e92a04acc56bc6)
![{\displaystyle {\ce {TiCl4 + 2Mg ->[1100^oC] Ti + 2MgCl2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f228cf9d1b37bed2a16479329a0cbac935343617)