Titânio
O titânio é um elemento químico de símbolo Ti, número atômico 22 com massa atômica 47,90 u. Trata-se de um metal de transição leve, forte, de cor cinza e aspecto metálico e lustroso, de baixa densidade, sólido na temperatura ambiente e resistente à corrosão pela água do mar, água régia e cloro. O titânio é muito utilizado em ligas leves e no pigmento muito branco.
Abundância e obtenção
Na natureza, o titânio em seu estado nativo está sempre ligado a outros elementos químicos da natureza. É o nono elemento mais abundante da crosta terrestre (0,63% de sua massa) e o sétimo metal mais abundante. Está presente na maioria das rochas ígneas e nos sedimentos delas derivados (como também nos organismo e nos corpos hídricos naturais). Dos 801 tipos de rochas ígneas analisadas pelo Serviço Geológico dos Estados Unidos, 784 contêm titânio. Sua razão nos solos é de aproximadamente de 0,5% até 1,5%. É encontrado principalmente nos minerais anatase (TiO2), brookita (TiO2), ilmenita (FeTiO3), perovskita (CaTiO3), rutilo (TiO2) e titanita (CaTiSiO5); também como titanato em minas de ferro.). Destes minerais, somente a ilmenita e o rutilo têm importância econômica, justificada pela sua concentração de titânio e a facilidade de refino. Cerca de 6,0 e 0,7 milhões de toneladas tinham sido extraídas em 2011, respectivamente. Depósitos eminentes de ilmenita são encontrados na Austrália, no Canadá, na China, na Índia, na Nova Zelândia, na Noruega, na Ucrânia e na África do Sul. Cerca de 186000 toneladas da esponja foram produzidas em 2011, sendo a maior produtora a China (60,0 ton), o Japão (56,0 ton), a Rússia (40,0 ton), os Estados Unidos da América (32,0 ton) e o Casaquistão (20,7 ton). Estimam que todas as reservas de titânio excedem 600 milhões de toneladas.
Isótopos
São encontrados 5 isótopos estáveis na natureza: Ti-46, Ti-47, Ti-48, Ti-49 e Ti-50, sendo o Ti-48 o mais abundante (73,8%). Têm-se caracterizados 11 radioisótopos, sendo os mais estáveis o Ti-44, com uma meia-vida de 5,76 minutos e o Ti-52, de 1,7 minutos. Para os demais, suas meia-vidas são de menos de 33 segundos, e a maioria destes com menos de meio segundo. A massa atómica dos isótopos varia desde 39,99 u (Ti-40) até 57,966 u (Ti-58). O primeiro modo de decaimento antes do isótopo mais estável, o Ti-48, é a captura eletrônica, e após este é a emissão beta. Os isótopos do elemento 21 (escândio) são os principais produtos do decaimento antes do Ti-48, os posteriores são os isótopos do elemento 23 (vanádio).
Propriedades físicas
O titânio é um elemento metálico muito conhecido por sua excelente resistência à corrosão (quase tão resistente quanto a platina) e por sua grande resistência mecânica. Possui baixa condutividade térmica e elétrica. É um metal leve, forte e de fácil fabricação com baixa densidade (40% da densidade do aço). Quando puro é bem dúctil e fácil de trabalhar. O ponto de fusão relativamente alto faz com que seja útil como um metal refratário. Ele é mais forte que o aço, porém 45% mais leve. É 60% mais pesado que o alumínio, porém duas vezes mais forte. Tais características fazem com que o titânio seja muito resistente contra os tipos usuais de fadiga. Esse metal forma uma camada passiva de óxido quando exposto ao ar, mas quando está em um ambiente livre de oxigênio ele é dúctil. Ele queima quando aquecido e é capaz de queimar imerso em nitrogênio gasoso. É resistente à dissolução nos ácidos sulfúrico e clorídrico, assim como à maioria dos ácidos orgânicos.
Propriedades Químicas
Como as superfícies metálicas do alumínio e do magnésio, o titânio metálico e suas ligas oxidam imediatamente após a exposição no ar. O nitrogênio atua de forma similar produzindo uma superfície de nitreto. O titânio reage rapidamente com o oxigênio sob 1 200 °C (2 190 °F) no ar e em 610 °C (1 130 °F) sob oxigênio puro produzindo o dióxido de titânio. Contudo, sob contato do ar com água ele reage lentamente, passando em um processo chamado de passivação e a superfície de óxidos que protege mais o volume da oxidação. Quando há esta reação, este tem uma camada de proteção de 1–2 nm porém a sua camada aumenta lentamente, podendo chegar até a 25 nm durante quatro anos.
O estado de oxidação +4 domina as substâncias químicas que contêm titânio, apesar dos compostos com +3 também serem comum. Normalmente, o titânio adota uma geometria molecular octaédrica nos seus complexos, a geometria molecular tetraédrica TiCl4 é uma notável exceção. Por causa do seu alto estado de oxidação, os compostos de titânio (IV) apresentam uma elevado grau de ligações covalentes. A maioria dos compostos de titânio no estado +4 são brancos ou incolores, com algumas poucas exceções como o complexo com peróxido de cor laranja intensa.
Estados de oxidação
O titânio forma compostos em três estados de oxidação possíveis: +2, +3 e +4.
Compostos organometálicos
Devido a importância dos compostos organometálicos com titânio na produção de catalisadores para polimerização, os compostos com as ligações Ti-C tem sidos intensivamente estudados. O complexo mais comum dos organometálicos é o dicloreto de titanoceno ((C5H5)2TiCl2). Estes compostos são relatados nos reagentes de Tebbe e nos reagentes de Petasis. Os complexos de carbonila com titânio estão no (C5H5)2Ti(CO)2.
Haletos
O tetracloreto de titânio (cloreto de titânio (IV) - TiCl4) é um líquido volátil e incolor (comercialmente são amostras amareladas) que no ar se hidrolisa com uma emissão espetacular de vapores brancos. Via processo Kroll, o TiCl4 é produzido pela conversão dos minérios de titânio para o dióxido de titânio, como por exemplo na produção de tintas. Ele é geralmente usado na química orgânica como um ácido de Lewis, como por exemplo nas reações aldólicas de Mukaiyama. No processo de van Arkel, o tetraiodeto de titânio (TiI4) é utilizado na produção de titânio metálico de alta pureza. O titânio(III) e o titânio (II) também formam cloretos estáveis. Um exemplo notável é o cloreto de titânio (III)(TiCl3), que é utilizado como um catalisador para a produção de poliolefinas (ver catalisador Ziegler-Natta) e um agente redutor na química orgânica.
Óxidos, sulfetos e alcóxidos
O óxido mais importante do titânio é o TiO2, o qual existe na forma de três formas minerais: anatase,brookita e a rutilo. Todas as formas são sólidos brancos diamagnéticos, embora as amostras do mineral aparentem ser pretas. Os óxidos adotam as estruturas cristalinas onde o titânio (Ti) é rodeado por seis ligantes que se ligam a outros núcleos do titânio. Os titanatos referem-se geralmente aos compostos de titânio, como por exemplo o titanato de bário (BaTiO3). Assim como na estrutura de uma perovskita, este material apresenta propriedades piezoelétricas e é utilizado como um transdutor de interconversão de som e eletricidade. Muitos minerais são titanatos, como a ilmenita (FeTiO3). As estrelas de safira e as de rubis apresentam seu asterismo (brilho em forma de estrela) devido a presença de impurezas do dióxido de titânio.
Complexo com Peróxido
O titânio +4 tem a característica peculiar de reagir com o peróxido de hidrogênio em solução ácida para formar um peroxocomplexo de cor laranja-avermelhada intensa, de estrutura [Ti(O2)(H2O)3OH]+. Este complexo muito solúvel e intensamente colorido (algo incomum para um composto de titânio +4) é o complexo de peróxido mais estável conhecido, e sua formação é um teste comum para detecção de titânio em amostras.
Nitretos e carbonetos
O nitreto de titânio (TiN) tem uma dureza equivalente a safira e o carbeto de silício (9,0 na escala de Mohs) e é utilizado na produção de ferramentas de corte, como as brocas. Também é útil em acabamentos decorativos pela cor dourada e como uma barreira de metal na fabricação de semicondutores. O carbeto de titânio, graças a sua alta dureza, é utilizado nas ferramentas de corte e nos revestimentos.
O processamento do titânio metálico ocorre em quatro etapas importantes, sendo elas: Como é inviável a produção do titânio a partir da redução do dióxido de titânio, a obtenção do titânio metálico ocorre pelo Processo Kroll. Este processo ocorre pela redução do tetracloreto de titânio (TiCl4) com magnésio metálico. A complexidade de conseguir produzir por lotes elucida o valor de mercado relativamente alto do titânio. Para produzir o TiCl4 requisitado pelo processo Kroll, o dióxido é submetido a redução carbotérmica com o gás cloro. Este processo, o cloro em estado gasoso entra em contato com uma mistura quente avermelhada de rutila e ilmenita com carbono. Depois de uma trabalhosa purificação por destilação fracionada, o TiCl4 é reduzido sob temperatura de 800 °C com magnésio fundido e sob atmosfera modificada, do qual é acionado o gás argônio. O metal pode ser também purificado pelo processo de van Arkel–de Boer, que envolve a decomposição térmica de tetraiodeto de titânio.
O titânio é utilizado no aço como um elemento de liga metálica (ferro-titânio) para redução do grão e como desoxidante, além de auxiliar na redução da concentração de carbono nos aços inoxidáveis. O titânio também é aplicado para a produção de ligas com o alumínio (para refinar o grão), vanádio, cobre (para endurecer), ferro, manganês, molibdênio e outros metais, que proporciona qualidades superiores aos produtos. Outra aplicação, que se dá somente com a rutila está no revestimento de eletrodos de soldar. As aplicações industriais do titânio (chapas, placas, barras, arames, forjamentos e lingotes) podem ser úteis na indústria, no setor aeroespacial, recreativo e nos mercados emergentes. Também é aplicado na pirotécnica como um recurso para geração de luz e calor.
Indústria aeroespacial e naval
Devido a sua alta resistência à tração e à corrosão por sua densidade relativa, a resistência à fadiga e impacto e a capacidade de resistir moderadamente as altas temperaturas sem deformar, as ligas de titânio são utilizadas nas aeronaves, navios e veículos e militares, naves espaciais e em mísseis. Para estas aplicações, as ligas de titânio com alumínio, zircônio, níquel , vanádio e outros elementos químicos são aplicadas em uma variedade de componentes incluindo partes críticas das estruturas, sendo elas: as paredes corta-fogo, os trens de pouso, os dutos de exaustão de helicópteros e os sistemas hidráulicos. Na realidade, cerca de dois terços de toda a produção de ligas de titânios é utilizada nos motores e nas estruturas dos aviões. O SR-71 "Blackbird" foi um dos primeiros aviões a utilizar em grande quantidade o titânio em sua estrutura, principiando o seu uso nos aviões comerciais e militares. Cerca de 59 toneladas de titânio são empregadas no Boeing 777, 45 toneladas no Boeing 747, 18 toneladas no Boeing 737, 32 toneladas no Airbus A340, 18 toneladas no Airbus A330 e 12 toneladas no Airbus A320. O Airbus A380 deve empregar cerca de 77 toneladas, com cerca de 11 toneladas de titânio nos motores. Nos motores, o titânio é útil na produção de rotores, nos compressores axiais, nos componentes hidráulicos e nos naceles. As ligas de titânio do tipo titanium 6AL-4V correspondem a cerca de metade do consumo de todas as ligas utilizadas nas aeronaves.
Pigmentos, aditivos e revestimentos
Cerca de 95% do minério de titânio extraído da Terra é destinado para a produção dióxido de titânio ( TiO2), um pigmento branco permanente utilizado nas tintas para edificações e na astronomia, nos refletores de radiação infravermelha, nos papeis, nas pastas de creme dental, nos plásticos e nos protetores solares graças a propriedade de reflexão dos raios ultravioleta. Ele é também utilizado como um dos aditivos do cimento, nas gemas, como um opacificante óptico em papeis O TiO2 é uma substância quimicamente inerte, resistente à luz solar e opaca: esta liga confere uma coloração branca, pura e brilhante para as substâncias químicas marrom e roxa que formam a maioria dos utensílios domésticos de plástico. Na natureza, este composto é encontrado nos minerais anatase, na brookita e na rutila. Pinturas feitas com dióxido de titânio são resistentes à temperaturas severas e ambientes marinhos. O dióxido de titânio puro tem um índice de refração muito elevado e uma dispersão óptica superior a do diamante. O dióxido de titânio é um pigmento importante também utilizado nos protetores solares conforme a sua propriedade de proteger a pele da radiação ultravioleta. Recentemente, tem sido utilizado nos purificadores de ar (como um revestimento do filtro) ou em filmes utilizados para revestir janelas nas edificações pois quando a substância é exposta aos raios ultravioletas (seja ela luz solar ou artificial) e sob a combinação do ar, as espécies redox reativos como por exemplo os radicais de hidroxila atuam como purificante de ar e na manutenção das superfícies de janelas limpas.
Produtos industriais
Tubulações com soldas de titânio e os equipamentos de processos industriais (trocadores de calor, tanques, vasos de processo, válvulas) são utilizados na indústria química e petroquímica por causa de sua resistência à corrosão. Ligas específicas são utilizadas nos fundos dos poços e nas aplicações de hidrometalurgia com níquel devido a sua grande resistência mecânica, sua resistência à corrosão, ou pela combinação de ambas as características. A indústria do papel e de celulose utiliza o titânio nos equipamentos industriais pela exposição das substâncias química como o hidróxido de sódio e do gás cloro (no clareamento). Outras aplicações incluem: nas soldas ultrassônicas, em soldas ondulatórias e nos alvos de pulverização catódica.
Armazenagem de lixo nuclear
Devido a sua extrema resistência à corrosão, os contêineres de titânio de acordo com diversos estudos tem uma grande meia-vida (que segundo estimativas eles podem durar cerca de 100 milênios observando a aplicação de todos os meios de evitar defeitos de fabricação).
O titânio (chamado assim pelos Titãs, filhos de Urano e Gaia da mitologia grega) foi descoberto na Inglaterra por William Justin Gregor em 1791, a partir do mineral conhecido como ilmenita (FeTiO3). Este elemento foi novamente descoberto mais tarde pelo químico alemão Heinrich Klaproth, desta vez no mineral rutilo (TiO2), que o denominou de titânio em 1795. Matthew A. Hunter preparou pela primeira vez o titânio metálico puro (com uma pureza de 99,9%) aquecendo tetra cloreto de titânio (TiCl4) com sódio a 700-800 °C num reator de aço. O titânio como metal não foi utilizado fora do laboratório até 1946, quando William J. Kroll desenvolveu um método para produzi-lo comercialmente. O processo Kroll consiste na redução do TiCl4 com magnésio, método que continua sendo utilizado atualmente. Em 2006, a Agência de Defesa dos Estados Unidos da América premiou um consórcio de duas companhias com a remuneração de 5,7 milhões de dólares pelo desenvolvimento de um novo processo pela fabricação via metalurgia do pó de titânio metálico. Sob pressão e calor, o pó pode ser utilizado graças a sua resistência e leveza, diversificando suas aplicações desde a blindagem até na produção de componentes na indústria aeronaútica, logística e química .
O pó metálico é pirofórico. Por outro lado, acredita-se que seus sais não sejam especialmente perigosos. Entretanto, seus cloretos, como TiCl3 e TiCl4, são considerados corrosivos. O titânio tem a tendência de acumular-se nos tecidos biológicos. Em princípio, não se conhece nenhum papel biológico.
As espécies de fungos Marasmius oreades e Hypholoma capnoides podem fazer a bioconversão do titânio em solos poluídos por este metal.
