Ti/Titaan

Naam

Titaan is vanwege de sterkte van het metaal genoemd naar de Titanen, het geslacht van krachtige reuzen uit de Griek­se mytholo­gie, de kinderen van hemel (Uranus) en aarde (Gaia).

Het Nederlands kent zowel titaan als titanium als benaming voor dit element. Het onderwijs hanteert titaan, maar in het algemeen spraakgebruik lijkt titanium de afgelopen decennia de overhand te hebben gekregen. Mogelijk omdat men in het Engels taalgebied ook over titanium spreekt.

Ontdekking

In 1791 ontdekte de Britse amateurgeoloog William Gregor (foto) titaan in het mineraal ilmeniet, dat hij met behulp van magneten scheidde uit rivier­zand. Na verwijde­ren van ijzer door behandeling met zoutzuur bleef een nieuw oxide (aarde) over, dat alleen oplos­baar was in geconcentreerd zwavelzuur.

Met het door hem ontwikkelde proces om het oxide zuiver in handen te krijgen, legde Gregor de basis voor de productie van titaandioxide via het sulfaatproces (zie tabblad bereiding). In 1795 werd titaandi­oxide – onaf­hanke­lijk van Gregor – door de Duitse chemicus Martin Heinrich Klap­roth aange­toond in het mineraal rutiel uit Hongarije.

De uit Nieuw Zeeland afkomstige metallurg Matthew A. Hunter was in 1910 de eerste die zuiver metallisch titaan wist te produceren.

Voorkomen

Met een aandeel van 0,57 % in de aardkost is titaan verre van zeldzaam. Het staat op plaats negen in de lijst van meest voorkomende elementen.

Ook in meteorieten, op de zon en in andere sterren is titaan aangetoond. Maanstenen bevatten eveneens titaan, tot wel twaalf procent.

Op aarde zijn de belangrijkste titaanhoudende mineralen

• anataas (foto)              TiO₂
• brookiet                        TiO₂
• ilmeniet                        Fe⁺²TiO₃
• perovskiet                    CaTiO₃
• rutiel                             TiO₂
• titaniet of sfeen           CaTiSi­O₅ 

De aanwezigheid van sporen Ti³⁺ zorgt voor een violette kleur van de betreffende mineralen. In de meeste soorten ijzererts komt ook titaan voor.

Winning

De belangrijkste wingebieden van ilmeniet en rutiel liggen in Brazilië, de Verenigde Staten van Amerika, Canada, Noorwe­gen, Finland, Portugal, Rusland, Oekraïne, China, Australië, Zuid-Afrika, Maleisië, India, Sierra-Leone, Egypte, Madagaskar en Sri-Lanka.

De mineralen anataas en titaancarbonaat vindt men voornamelijk in Brazilië.

De EU heeft met de Critical Raw Materials Act in 2022 het element titaan op de lijst van schaarse en strategische grondstoffen gezet.

Bereiding

Vroeger

De Zweedse scheikundige Jöns Jacob Berzelius maakte in 1825 zeer onzuiver titaan uit titaandioxide en natrium. De uit Nieuw Zeeland afkomstige metallurg Matthew A. Hunter was in 1910 de eerste die zuiver metallisch titaan wist te produceren. Als hoogleraar bij het Amerikaanse Rensselaer Polytechnic Institute ontwikkelde hij het naar hem vernoemde proces waarin titaantetrachloride (TiCl₄) wordt verhit met natrium tot 700-800 °C. Het is weinig efficiënt maar levert wel zeer zuiver titaan (ca. 98,5 %).

Tegenwoordig

Titaan wordt in grote hoeveelheden verkregen via het zogenoemde Kroll-proces. Nadat het erts, bij­voorbeeld ilme­niet, diverse fysische bewerkingen heeft ondergaan, wordt het met behulp van chloor en koolstof omgezet in ti­taan(IV)chlori­de:

$2 {\mathrm{FeTiO}}_{3 } + 7 {\mathrm{Cl}}_2 + 6 \mathrm{C} \stackrel{( 900 °\mathrm{C})}{\to }2 {\mathrm{TiCl}}_4 + 2 {\mathrm{FeCl}}_3 + 6 \mathrm{CO}$

Het chlori­de wordt door gefractioneerde destilla­tie gescheiden en gezuiverd. Reductie met gesmolten magnesium in vacuüm of argon levert vervolgens titaan:

${\mathrm{TiCl}}_4 + 2 \mathrm{Mg} \stackrel{(900–1.150°\mathrm{C})}{\to } \mathrm{Ti} + 2 {\mathrm{MgCl}}_2$

Het titaan is nog verder te zuiveren via omsmel­ten onder vacuüm.

Bijzonder zuiver titaan is te maken met het in 1925 ontwikkelde proces van de Nederlandse chemici Anton Eduard van Arkel en Jan Hendrik de Boer. Dit betreft thermische ontleding van titaan(IV)jodide in een inerte atmosfeer. Hiervoor wordt onzuiver titaan met wat jood in een vat met zeer lage druk gebracht. Bij ca. 200 °C reageert het titaan tot titaan(IV)jodide. Dit verdampt, waarna het in de nabijheid van een gloei­draad bij zeer hoge temperatuur (ca. 1.300 °C) weer ont­leedt in jood en titaan. Het gevormde titaan slaat neer op de gloeidraad.

Titaandioxide

Men bereidt zuiver titaandioxide uit ilmeniet of rutiel via het chloride-proces. De grondstof wordt omgezet in titaan(IV)chloride, dat na zuivering en verbranding zuiver titaandi­oxide oplevert:

${\mathrm{TiCl}}_4 + {\mathrm{O}}_2 \to {\mathrm{TiO}}_2 + 2 {\mathrm{Cl}}_2$

Het voordeel van het sulfaat-proces is dat hiermee ertsen met een geringer titaangehalte zijn te benutten. Het gaat meestal om anataas, dat bij 125 – 200°C wordt behandeld met geconcentreerd zwavelzuur. Dat levert ijzer(II)sulfaat en titaan(IV)sulfaat.

Het ijzersulfaat wordt weggefiltreerd en het titaansulfaat met water omge­zet in titaanzuur:

${\mathrm{Ti}}^{4+} + 3 {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to {\mathrm{H}}_2{\mathrm{TiO}}_3 + 4 {\mathrm{H}}^{+}$

Dit ontleedt vervolgens door verhitting in water en titaandioxi­de.

Vanwege de problemen met reststoffen in het sulfaatproces schakelt men steeds vaker over op het chloride-proces.