titanio

titanio Elemento chimico di transizione, di simbolo Ti, peso atomico 47,88, numero atomico 22, appartenente al gruppo IV A del sistema periodico, di cui sono noti gli isotopi stabili 4822Ti (74%), 4622Ti, 4722Ti, 4922Ti, 5022Ti.

Generalità

Il t. fu scoperto da W. Gregor nel 1791. È assai diffuso nella crosta terrestre (la sua concentrazione è circa un decimo di quella del ferro); ha un tipico aspetto metallico con lucentezza argentea, fonde a circa 1660 °C, bolle a circa 3500 °C, ha una densità di 4,5 g/cm3 e cristallizza, a temperatura ambiente, nella forma esagonale compatta (a 882 °C assume la struttura cubica a corpo centrato). Da un punto di vista chimico, presenta una spiccata reattività a temperatura elevata: si combina facilmente con ossigeno, azoto, carbonio e idrogeno ed è capace di ritenere piccole quantità di questi elementi sotto forma di soluzione solida interstiziale: questa reattività costituisce tra l’altro una grave difficoltà per la metallurgia del t. e per l’ottenimento di metallo assai puro. È tuttavia notevole il fatto che il t. presenti una elevata resistenza alla corrosione nei riguardi di liquidi aggressivi sia a freddo sia a caldo: il t. resiste infatti a soluzioni di cloruri organici e inorganici, al cloro umido, all’acido nitrico concentrato e caldo (anche sotto pressione), all’acido fosforico, all’idrato di ammonio e agli alcali non concentrati, anche alla temperatura di ebollizione; si scioglie però negli acidi cloridrico (concentrato e caldo), solforico e fluoridrico. La resistenza all’azione corrosiva dei composti organici è pure assai elevata; il t. risulta inoltre assai stabile all’influenza degli agenti atmosferici. Il t. commerciale (99,3-99,5% di Ti) ha, a temperatura ambiente, resistenza meccanica pari a quella delle leghe di alluminio e magnesio, mentre a temperature superiori (150-400 °C ca.) le sue caratteristiche di resistenza sono nettamente superiori a quelle delle leghe citate.

Per la sua elevata resistenza meccanica, unita a una densità relativamente bassa, il t. (sia come tale sia soprattutto sotto forma di lega) è particolarmente idoneo per l’impiego nelle costruzioni aeronautiche (per es., la quasi totalità delle strutture degli aerei supersonici è a base di leghe di t.). Le più comuni leghe di t. contengono di norma manganese (7-8%), che può essere sostituito da alluminio e vanadio, da alluminio e stagno, da alluminio, molibdeno e vanadio; gli elementi di alligazione hanno essenzialmente lo scopo di migliorare le caratteristiche meccaniche, specie a caldo, e di rendere possibile l’esecuzione di trattamenti termici in parte analoghi a quelli eseguiti sull’acciaio. In relazione alla proprietà del t. di adsorbire reversibilmente idrogeno, ossigeno, azoto, si usano in siderurgia ferroleghe di t. (contenenti dal 30 al 70% di t.) per fissare i gas presenti nei bagni. Per l’elevata resistenza alla corrosione, il t. si usa anche nell’industria chimica (in apparecchiature per la produzione di cloro e derivati, per l’industria della carta, per anodi nell’industria elettrochimica, negli impianti di dissalazione dell’acqua di mare ecc.); si usa anche in chirurgia come materiale impiantabile (per es., nelle protesi dell’anca).

Composti inorganici del titanio

Nei suoi composti il t. può presentarsi in forma bi-, tri- e tetravalente; quest’ultima è la forma più stabile. Carburo di t. Ha formula TiC; si può preparare riducendo l’ossido di t. con carbone nel vuoto o in atmosfera inerte; ha proprietà e usi analoghi a quelli del diboruro. È noto anche un carboazoturo di t., di formula Ti5CN4. Idruro di t. È noto un diidruro, TiH2, preparato per riduzione del biossido TiO2 con idruro di calcio. Trova uso come fondente in alcune particolari tecniche di saldatura, come mezzo per introdurre t. in metalli e leghe, o per ottenere su queste uno strato superficiale ricco di titanio. Ossidi di t. Il più importante è il biossido TiO2, che esiste in tre forme cristalline (rutilo, anatasio, brookite): polvere da bianca a nera a seconda del grado di purezza, insolubile in acqua e negli acidi diluiti freddi, solubile in acido solforico concentrato e caldo, in acido fluoridrico e negli alcali; fonde a 1855 °C. Il biossido di t. reagisce a caldo con altri ossidi metallici, dando titanati, e con carbonio e azoto, formando carburi, azoturi e carboazoturi. Industrialmente il biossido di t. si prepara a partire dal rutilo, che si trova come tale in natura, sebbene impuro, e dall’ilmenite, che è un titanato di ferro, di composizione variabile. Quest’ultima viene di norma sottoposta a digestione con acido solforico in modo da solubilizzare sia il ferro sia il t. sotto forma di solfati; l’operazione può essere effettuata sia sfruttando il calore che si sviluppa per la diluizione dell’acido solforico concentrato con cui il minerale viene previamente mescolato sia riscaldando con vapore la miscela di acido e minerale. A questa fase segue una chiarificazione, così da eliminare, con l’aggiunta di agenti coagulanti, le parti che restano in sospensione (silice e ilmenite non attaccata); il liquido chiarificato viene quindi raffreddato a 10 °C, in modo da far cristallizzare gran parte del solfato ferroso, e infine si procede all’idrolisi del solfato solubile di t., che si trasforma pertanto in biossido idrato. Vari fattori incidono sul processo di idrolisi; tra questi hanno particolare importanza l’acidità della soluzione, la temperatura, la presenza di sali titanosi e di nuclei che funzionino da innesco. Il precipitato idrato di t. viene filtrato, lavato e quindi sottoposto a calcinazione a una temperatura intorno a 1000 °C (così da consentire di ottenere il biossido di t. in forma rutilica). Il principale inconveniente di questo procedimento è rappresentato dal difficile smaltimento delle grandi quantità di materiale solido (solfato ferroso) e liquido (soluzioni acide di solfati) che residuano dal trattamento (18 t ca. per ogni t di biossido di t. prodotto). Per ridurre drasticamente le quantità dei residui si può sottoporre l’ilmenite a riduzione in un forno elettrico dal quale si ottiene il ferro in forma di ghisa e una scoria molto ricca in TiO2. Si è anche affermato un processo basato sull’attacco del minerale titanifero con cloro gassoso; si ottiene così il tetracloruro di t., che si può facilmente depurare per distillazione e poi si trasforma in ossido mediante idrolisi in fase vapore (TiCl4+2H2O→TiO2+4HCl) oppure per ossidazione con ossigeno (TiCl4+O2→TiO2+2Cl2); in questo secondo caso il cloro ottenuto può essere direttamente riutilizzato per preparare altro tetracloruro dal materiale. Il più largo impiego del biossido di t. si ha come pigmento nell’industria dei colori, vernici e lacche; si cerca di norma di ottenere biossido di t. nella forma cristallina di rutilo, perché questo presenta un potere coprente assai elevato e comunque superiore del 30% a quello dell’anatasio; altre importanti applicazioni si hanno nell’industria della carta, della gomma, tessile ecc. In particolare, a partire da biossido di t. si possono anche preparare pigmenti misti contenenti ossido di calcio (per es., calcinando il precipitato ottenuto trattando con solfato di calcio la soluzione chiarificata di attacco dell’ilmenite), mentre nell’industria ceramica un prodotto di alta purezza, anche piuttosto grossolano dal punto di vista granulometrico, è largamente impiegato per la preparazione di smalti e vetrine, caratterizzati da buona resistenza agli acidi e da ottime proprietà opacizzanti. Infine, si ricordano le applicazioni del biossido di t. nella fabbricazione di parti per circuiti elettronici (elementi capacitivi, dielettrici ecc.), per usi dermatologici, come fotocatalizzatore in processi ossidativi (impiegati, per es., nella depurazione ambientale) e, sotto forma di rutilo sintetico, nella preparazione di gemme artificiali. Tetracloruro di t. Ha formula TiCl4; è il più importante alogenuro di t.; liquido incolore, bolle a 135,8 °C, si scioglie in acqua con formazione di cloruri basici, è facilmente ridotto da idrogeno, metalli alcalini e alcalino-terrosi con formazione di cloruri inferiori o anche di t. elementare, e reagisce facilmente con alcuni composti organici (per es., con gli alcali dà i corrispondenti esteri). È suscettibile di purificazione spinta per semplice distillazione frazionata. Si prepara prevalentemente per riduzione del biossido con coke in presenza di cloro operando a 600-800 °C in reattori continui (per lo più del tipo a letto fluidizzato). Oltre che per l’ottenimento del t., il tetracloruro viene impiegato nella preparazione del biossido di t. e di altri composti del t., come mordente nell’industria tessile, per ottenere iridescenza in vetri speciali, per produrre, con ammoniaca, cortine e scie fumogene ecc. T.-silicalite Zeolite sintetica contenente silicio e titanio. Catalizzatori a base di t.-silicalite sono usati nelle ossidazioni selettive con acqua ossigenata.

Titanati

I titanati sono sali di un ossiacido del t. (per es., acido metatitanico, acido ortotitanico). Presentando rapporti variabili tra ossidi basici e biossido di t. devono essere considerati propriamente ossidi misti piuttosto che sali veri e propri. I titanati dei metalli alcalino-terrosi e dei metalli pesanti hanno importanza particolare nell’industria ceramica, degli smalti, dei dielettrici ecc. Si preparano di norma mescolando il biossido di t. con i corrispondenti ossidi (o con sali capaci di fornire questi ultimi per riscaldamento) e calcinando a temperature variabili la miscela risultante.

I titanati organici sono derivati dell’acido ortotitanico, H4TiO4, per sostituzione degli atomi di idrogeno con altrettanti radicali idrocarburici: così, il titanato di metile, Ti(OCH3)4, il titanato di etile, Ti(OC2H5)4, il titanato di isopropile, Ti(OC3H7)4, che è il più usato e si prepara a partire da TiCl4 e alcol isopropilico ecc. I titanati organici, per la loro capacità di decomporsi depositando strati sottili di TiO2, trovano impiego come catalizzatori (polimerizzazione di olefine, esterificazione di acido ftalico, di acido adipico ecc.), come agenti reticolanti o indurenti di resine alchidiche ed epossidiche, o come additivi a prodotti vernicianti per alte temperature. Sono anche noti composti organometallici contenenti legami t.-carbonio.

Titanite Minerale, di colore giallo, verde e bruno tendente al nero; è silicato di calcio e t., CaTiOSiO4, monoclino. È minerale accessorio di rocce eruttive e metamorfiche. Si rinviene in cristalli prismatici a volte allungati o tozzi a forma di cuneo sovente geminati; sono frequenti anche aggregati di minuti cristalli.