Titânio

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Pix.gif Titânio Stylised Lithium Atom.svg
EscândioTitânioVanádio
  Hexagonal.png
 
22
Ti
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Ti
Zr
Tabela completaTabela estendida
Aparência
prateado

Informações gerais
Nome, símbolo, número Titânio, Ti, 22
Série química metais de transição
Grupo, período, bloco 4 (IVB), 4, d
Densidade, dureza 4507 kg/m3, 6
Número CAS
Número EINECS
Propriedade atómicas
Massa atômica 47,867(1) u
Raio atómico (calculado) 140 (176) pm
Raio covalente 136 pm
Raio de Van der Waals pm
Configuração electrónica [Ar] 3d2 4s2
Elétrons (por nível de energia) 2, 8, 10, 2 (ver imagem)
Estado(s) de oxidação 4 (anfótero)
Óxido
Estrutura cristalina hexagonal
Propriedades físicas
Estado da matéria sólido
Ponto de fusão 1941 K
Ponto de ebulição 3560 K
Entalpia de fusão 15,45 kJ/mol
Entalpia de vaporização 421 kJ/mol
Temperatura crítica  K
Pressão crítica  Pa
Volume molar m3/mol
Pressão de vapor 0,49 Pa a 1933 K
Velocidade do som 4140 m/s a 20 °C
Classe magnética
Susceptibilidade magnética
Permeabilidade magnética
Temperatura de Curie  K
Diversos
Eletronegatividade (Pauling) 1,54
Calor específico 520 J/(kg·K)
Condutividade elétrica 2,34×106 S/m
Condutividade térmica 21,9 W/(m·K)
Potencial de ionização 658,8 kJ/mol
2º Potencial de ionização 1309,8 kJ/mol
3º Potencial de ionização 2652,5 kJ/mol
4º Potencial de ionização 4174,6 kJ/mol
5º Potencial de ionização 9581 kJ/mol
6º Potencial de ionização 11533 kJ/mol
7º Potencial de ionização 13590 kJ/mol
8º Potencial de ionização 16440 kJ/mol
9º Potencial de ionização 18530 kJ/mol
10º Potencial de ionização 20833 kJ/mol
Isótopos mais estáveis
iso AN Meia-vida MD Ed PD
MeV
44Ti sintético 63 anos ε 0,268 44Sc
46Ti 8,0% estável com 24 neutrões
47Ti 7,3% estável com 25 neutrões
48Ti 73,8% estável com 26 neutrões
49Ti 5,5% estável com 27 neutrões
50Ti 5,4% estável com 28 neutrões
Unidades do SI & CNTP, salvo indicação contrária.

O titânio é um elemento químico de símbolo Ti, número atômico 22 (22 prótons e 22 elétrons) com massa atômica 47,90 u. Trata-se de um metal de transição leve, forte, cor branca metálica, lustroso e resistente à corrosão, sólido na temperatura ambiente. O titânio é muito utilizado em ligas leves em pigmento preto.

O titânio foi descoberto em Cornualha por William Justin Gregor em 1791 e nomeado por Martin Heinrich Klaproth pela proximidade das características do filho mitológico do céu (Uranus) e da terra (Gaia), gigantes considerados personificações das forças da natureza para a mitologia grega. Este elemento encontra-se em vários minerais, em especial no rutilo e na Ilmenita que são geralmente encontrados na litosfera, e é encontrado em quase todos os tipos de rochas, solos e corpos de água.[1] O metal produzido comercialmente é extraido do rutilo e da ilmenita e fabricado pelo processo Kroll ou pelo processo Hunter. O composto mais comum do titânio é o dióxido de titânio que é um popular fotocatalisador e útil na produção de tinta com coloração branca.[2] Outros compostos incluem o tetracloreto de titânio (TiCl4), uma substância utilizada para a produção de catalisadores e fumos para fins militares e o cloreto de titânio (III) (TiCl3), que é uma substância catalisadora para a produção de polipropileno.[1]

O titânio pode ser utilizado para a produção de ligas com ferro, alumínio, vanádio e molibdênio, entre outros elementos, para aumentar a resistência mecânica, utilizada na indústria aeroespacial (motores, mísseis e foguetes). Também é utilizado para a produção de catalisadores na indústria química e petroquímica, automobilística, agrícola, médica (para a produção de implantes ortopédicos, próteses e instrumentos odontológicos), em produtos esportivos, jóias, telefones celulares, entre outros.[1]

A duas propriedades mais utilizadas do titânio são: a resistência à corrosão e a maior relação densidade/força se comparado com outros elementos químicos.[3] Nas ligas, o titânio é forte como o ferro, porém sua densidade é aproximadamente 45% menor se comparado ao ferro.[4] Na natureza encontra-se duas formações alotrópicas [5] e cinco isótopos deste elemento, sendo eles: 46Ti até 50Ti, com 48Ti, sendo o último o mais abundante na natureza, cerca de 73.8%.[6] As propriedades físicas e químicas do titânio são similares as do zircônio, e ambos tem o mesmo número de valência e encontram no mesmo grupo da tabela periódica.

Características principais[editar | editar código-fonte]

Titânio (mineral concentrado)

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.

Experimentos têm mostrado que titânio natural se torna notavelmente radioativo após ser bombardeado por deutério, emitindo principalmente pósitrons e raios gama. O metal é dimórfico com a forma hexagonal alfa mudando para um cúbico beta muito lentamente por volta dos 800 °C. Quando incandescente ele se combina com oxigênio, e ao alcançar 550 °C é capaz de combinar com o cloro.

Quanto à fabricação do titânio metálico, existem atualmente seis tipos de processos disponíveis: "Kroll", "Hunter", redução eletrolítica, redução gasosa, redução com plasma e redução metalotérmica. Dentre estes, destaca-se o processo Kroll, que é o responsável, até hoje, pela maioria do titânio metálico produzido no mundo ocidental.

Na forma de metal e suas ligas, cerca de 60% do titânio são utilizados nas indústrias aeronáuticas e aeroespaciais, sendo aplicados na fabricação de peças para motores e turbinas, fuselagem de aviões e foguetes.

Abundância e obtenção[editar | editar código-fonte]

Produção mundial de rutilo e ilmenita em 2011[7]
País Toneladas
(milhares)
Participação produtiva(%)
Austrália 1300 19,4
África do Sul 1160 17,3
Canadá 700 10,4
Índia 574 8,6
Moçambique 516 7,7
China 500 7,5
Vietnã 490 7,3
Ucrânia 357 5,3
Produção Mundial 6700 100

O titânio como metal, não é encontrado livre na natureza, porém é o nono em abundância na crosta terrestre e está presente na maioria das rochas ígneas e sedimentos derivados destas rochas. É encontrado principalmente nos minerais anatase (TiO2), brookita (TiO2), ilmenita (FeTiO3), leucoxena, perovskita (CaTiO3), rutilo (TiO2) e titanita (CaTiSiO5); também como titanato em minas de ferro. Destes minerais, somente a ilmenita, a leucoxena e o rutilo apresentam importância econômica. São encontrados depósitos importantes na Austrália, na Escandinávia, Estados Unidos e Malásia.

O titânio metálico é produzido comercialmente a partir da redução do tetracloreto de titânio (TiCl4) com magnésio a 800 °C em atmosfera de argônio. Em presença do ar reagiria com o nitrogênio e oxigênio. Este processo, desenvolvido por William Justin Kroll em 1946, é conhecido como "processo Kroll". Deste modo é obtido um produto poroso conhecido como esponja de titânio que, posteriormente, é purificado para a obtenção do produto comercial.

Com o objetivo de atenuar o grande consumo energético do processo Kroll (1,7 vezes maior que o necessário para o alumínio) encontram-se em desenvolvimento procedimentos de eletrólise com sais fundidos, ainda sem aplicação comercial.

Para a obtenção de titânio com pureza maior, em pequenas quantidades (escala de laboratório), pode-se empregar o método de van Arkel-de Boer. Este método baseia-se na reação do titânio com iodo a uma determinada temperatura para a obtenção do tetraiodeto de titânio (TiI4) que, posteriormente, é decomposto numa determinada temperatura para devolver o metal com pureza maior.


Isótopos[editar | editar código-fonte]

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 Químicas[editar | editar código-fonte]

O diagrama de Pourbaix para o titânio em água pura, ácido percloreto ou hidróxido de sódio[8]

Como as superfícies metálicas do alumínio e do magnésio, o titânio metálico e suas ligas oxidam imediamente 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.[5] 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.[1]

Compostos[editar | editar código-fonte]

A steel colored twist drill bit with the spiral groove colored in a golden shade.
Uma broca de furadeira de TiN.

Compostos organometálicos[editar | editar código-fonte]

Devivo 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.[9]

Haletos[editar | editar código-fonte]

O tetracloreto de titânio (cloreto de titânio (IV) - TiCl4[10] ) 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.[11] Ele é geralmente usado na química orgânica como um ácido de Lewis, como por exemplo nas reações aldólicas de Mukaiyama .[12] 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[editar | editar código-fonte]

O óxido mais importante do titânio é o TiO2, o qual existe na forma de três formas minerais: anatase,brookita e a rutila. Todas as formas são sólidos brancos diamagnéticos, embora as amostras do mineral aparentem ser pretas. Os óxidos adotam as estruturas poliméricas 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.[5] 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.[13]

Uma variedade de óxido redutores de titânio são conhecidos. O Ti3O5, descrito como uma espécie de Ti(IV)-Ti(III), é um semicondutor roxo produzido pela redução de TiO2 com hidrogênio sob altas temperaturas,[14] e é utilizado na indústria quando os revestimentos precisam ser aditivados com dióxido de titânio: ele evapora TiO puro enquanto o TiO2 evapora sob uma mistura de óxidos e depósitos de revestimentos com um índice variável refrativo.[15]

Nitretos e carbonetos[editar | editar código-fonte]

O nitreto de titânio (TiN) tem uma dureza equivalente a safira e o carbeto de silício (9,0 na escala de Mohs)[16] e é utilizado na produção de ferramentas de corte, como as brocas.[17] Também é útil em acabamentos decorativos pela cor dourada e como uma barreira de metal na fabricação de semicondutores.[18] O carbeto de titânio, graças a sua alta dureza, é utilizado nas ferramentas de corte e nos revestimentos.


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Aplicações[editar | editar código-fonte]

Um cilindro 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.[1] 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.[19] As aplicações industriais do titânio (chapas, placas, barras, arames, forjamentos e lingotes) podem ser uteis 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[editar | editar código-fonte]

Devido a sua alta resistência à tração e à corrosão por sua densidade relativa[5] , a resistência à fadiga e impacto [20] 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 .[2] [21] Pra estas aplicações, as ligas de titânio com alumínio, zircônio, níquel [22] , 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.[23] 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.[24] 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.[25]

Devido a sua grande resistência a corrosão da água do mar, o titânio é utilizada para fazer os eixos cardã, nos aparelhos naúticos, nos trocadores de calor das plantas de dessalinização;[21] , nos chillers de aquecimento de água salgada nos aquários, nas linhas de pesca e nos condutores e nas facas de mergulho. O titânio é utilizado na produção de alojamentos e em outros componentes de sobrevivência no oceano e nos aparelhos de monitoramento para fins militares e científicos. A antiga União Soviética desenvolveu técnicas para produção de submarinos com casco de ligas de titânio. [26] Esta técnicas forjam o titânio em tubos a vácuo gigantes.[22]

Pigmentos, aditivos e revestimentos[editar | editar código-fonte]

Watch glass on a black surface with a small portion of white powder
A substância mais utilizada no dia-a-dia que contém o elemento químico titânio é o dióxido de titânio TiO2.

Cerca de 95% do minério de titânio extraido 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.[7] Ele é também utilizado como um dos aditivos do cimento, nas gemas, como um opacificante óptico em papeis [27]

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.[2] Na natureza, este composto é encontrado nos minerais anatase, na brookita e na rutila.[1] Pinturas feitas com dióxido de titânio são resistentes à temperaturas severas e ambientes marinhos.[2] O dióxido de titânio puro tem um índice de refração muito elevado e uma dispersão óptica superior a do diamante.[21] O dióxido de titânio é um pigmento importante também utilizado nos protetores solares conforme a sua propriedade de proteger a pele da radiação ultravioleta.[28] 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.[29]

Produtos industriais[editar | editar código-fonte]

Um placa de titânio cristalino de alta pureza com cerca de 99.999%.

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 nas aplicações de hidrometarlurgia 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).[30] Outras aplicações incluem: nas soldas ultrassônicas, em soldas ondulatórias[31] e nos alvos de pulverização catódica.[32]

O Tetracloreto de titânio (TiCl4), um líquido incolor, é importante como um intermediário nos processos de fabricação de TiO2, utilizado como catalisador no processo Ziegler-Natta, na iridização de vidro e para a produção de fumos para fins militares.[28]

Armazenagem de lixo nuclear[editar | editar código-fonte]

Devido a sua extrema resistência à corrosão, os conteineires 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).[33]

Na engenharia[editar | editar código-fonte]

Relógio de pulso com tampa de titânio
  1. Indústria química, devido à sua resistência à corrosão e ao ataque químico;
  2. Indústria nuclear: é empregado na fabricação de recuperadores de calor em usinas de energia nuclear;
  3. Indústria bélica: o titânio metálico é sempre empregado na fabricação de mísseis e peças de artilharia;
  4. Também é usado na condutividade Térmica nos computadores.

Outras Aplicações[editar | editar código-fonte]

  1. Aplicações em produtos para consumo como bicicletas, óculos, instrumentos musicais e computadores estão se tornando bem comuns. As ligas mais comuns são com alumínio, ferro, manganês, molibdênio e outros metais;
  2. Tetra cloreto de titânio (TiCl4), um líquido incolor, é usado para iridizar vidro e na produção de bombas de fumaça;[34]
  3. Por ser considerado fisiologicamente inerte, o metal é utilizado em implantes.

História[editar | editar código-fonte]

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.

Precauções[editar | editar código-fonte]

The dark green dentated elliptic leaves of a nettle
Urtica dioica contêm cerca de 80 partes por milhão no titânio.

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.

Bioremediação[editar | editar código-fonte]

As espécies de fungos Marasmius oreades e Hypholoma capnoides podem fazer a bioconversão do titânio em solos poluídos por este metal.[35]

Ligações externas[editar | editar código-fonte]

Commons
O Commons possui imagens e outros ficheiros sobre Titânio

Referências

  1. Erro de citação: Tag <ref> inválida; não foi fornecido texto para as refs chamadas EBC
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  23. Erro de citação: Tag <ref> inválida; não foi fornecido texto para as refs chamadas Emsley2001p454
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