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Titan

Chemie, Physik und Eigenschaften des chemischen Elements Titan.



Titan

Titan - Symbol Ti, Ordnungszahl 22 - ist in reiner Form ein in hexagonal dichtester Kugelpackung kristallisierendes, silberweißes, duktiles, leicht schmiedbares, metallisches chemisches Element. Ti ist erstes Glied der Titangruppe und zählt zu den Übergangselementen und den Leichtmetallen.

Die zwei nützlichsten Materialeigenschaften des Metalls sind die Korrosionsbeständigkeit und das Verhältnis von Festigkeit zu Dichte, die höchste aller metallischen Elemente. Titan ist im unlegierten Zustand so stark wie manche Stähle, aber weniger dicht und damit leichter.

 

Übersicht: Allgemeine Daten zum Titan

Bezeichnung:Titan Symbol:Ti Ordnungszahl:22 Atommasse:47,867(1) u Periodensystem-Stellung:4. Periode, 4. Gruppe, d-Block Gruppen-Zugehörigkeit:Übergangsmetalle Entdeckung:1791 - William Gregor. Bedeutung des Namens:Griechisches Göttergeschlecht der Titanen. Englischer Name:Titanium CAS-Nummer:7440-32-6 InChI-Key:RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N

 

Das Titan-Atom

Das Ti-Atom - und damit das chemische Element Titan - ist eindeutig durch die 22 positiv geladenen Protonen im Atomkern definiert. Für den elektrischen Ausgleich im ungeladenen Titan-Atom sorgt die gleiche Anzahl an Elektronen.

Für Unterschiede bei den Atomkernen sorgen die Kernbausteine der Neutronen. Diese Atomsorten werden unter dem Begriff Titan-Isotope zusammengefasst (Isotopen-Daten: siehe dort).

Die irdischen Titan-Vorkommen bestehen mehreren verschiedenen Titan-Nukliden; die relative Atommasse des Titans wird mit 47,867(1) u angegeben.

 

Elektronenkonfiguration

SymbolOZKurzform1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f
Ti22[Ar] 3d2 4s2 2262622

 

Ionisierungsenergien

Die folgende Tabelle listet die Bindungsenergien bzw. die Ionisierungsenergien IE des Titans auf, also die benötigte Energie in Elektronenvolt (eV), um ein bestimmtes Elektron von einem Ti-Atom zu trennen.

1. IE: 6,82812 eV2. IE: 13,5755 eV3. IE: 27,4919 eV4. IE: 43,2675 eV5. IE: 99,30 eV6. IE: 119,53 eV
7. IE: 140,8 eV8. IE: 170,4 eV9. IE: 192,1 eV10. IE: 215,92 eV11. IE: 265,07 eV12. IE: 291,502 eV
13. IE: 787,84 eV14. IE: 863,1 eV15. IE: 941,9 eV16. IE: 1044 eV17. IE: 1131 eV18. IE: 1221 eV
19. IE: 1346 eV20. IE: 1425,4 eV21. IE: 6249,0 eV22. IE: 6625,87 eV23. IE: eV24. IE: eV

 

Elektronenbindungsenergie

Die nachfolgende Tabelle listet die Elektronenbindungsenergien der einzelnen Titan-Elektronen in den jeweiligen Orbitalen auf. Die Werte sind in Elektronenvolt (eV) angegeben.

KLILIILIII
1s2s2p1/22p3/2
4966560,9460,2453,8

 

MIMIIMIIIMIVMV
3s3p1/23p3/23d3/23d5/2
58,732,632,6

 

Weitere Daten

Atomradius:176 pm (berechnet)
140 pm (empirisch, nach Slater)
Kovalente Radien:160(8) pm (nach Cordero et al.)
136 pm (in Einfach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
117 pm (in Zweifach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
108 pm (in Dreifach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
Van-der-Waals-Radius:200 pm Molvolumen:10,64 cm3 mol-1 Fluoreszenz-Ausbeute:ωK: 0,226; ωL1: 0,00047; ωL2: 0,0015; ωL3: 0,0015 Coster-Kronig-Übergänge:F12: 0,31; F13: 0,59; F23: Austrittsarbeit:4,33 eV

 

Spektrallinien des Titans

Die nachfolgende Darstellung zeigt ein Emissionsspektrum des Titans mit den charakteristischen Spektrallinien im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 400 und 700 nm:

Titan-Spektrallinien

 

 

Chemie des Titans

Titan und seine Legierungen oxidieren rasch durch die Einwirkung von Feuchtigkeit und den Sauerstoff der Luft. Bei normalen Umgebungstemperaturen bildet sich eine schützende Oxidschicht (Passivierung) zunächst von 1 bis 2 nm Dicke, die langsam bis auf 25 nm anwächst, das Metall effektiv vor weiterer Oxidation schützt und dem Titan eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit verleiht, die dem des Platins vergleichbar ist. Passivierte Titan-Metall ist dabei beständig selbst gegen die Einwirkung von verdünnter Salzsäure und Schwefelsäure, Chlorid-Lösungen (Salz), vieler organischer Säuren u. a.

Nicht-passiviertes Titan ist ein sehr reaktives Metall, das in Luftsauerstoff schon unterhalb des Schmelzpunktes unter Bildung von Titandioxid verbrennt. Das Schmelzen ist daher nur in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum möglich. Und es ist eines der wenigen Elemente, die in reinem Stickstoff verbrennen; so setzt sich Titan bei 800°C zu Titannitrid um.

Dominierend in der Titanchemie ist die Oxidationsstufe +IV; daneben sind Ti(III)-Verbindungen stabil und gelegentlich anzutreffen.

Die Koordinationsgeometrie der vierwertigen Titanverbindungen ist in der Regel oktaedrisch; eine Ausnahme ist beispielsweise das tetraedrische Titan(IV)-chlorid.

 

Chemische Daten

Elektronegativität:1,54 nach Pauling
1,38 nach Allen
3,0040 eV nach Gosh-Gupta
3,45 eV nach Pearson
Elektronaffinität:0,075 54(5) eV bzw. 7,289(5) kJ mol-1Oxidationsstufen:+4 (-2, -1. +1, +2. +3)

 

Standardpotentiale

E0 (V)NoxName Ox.Ox.e-Red.Name Red.Nox
-1,63+ IITitan(II)-KationTi2++ 2 e-Ti (s)Titan0
-1,37+ IIITitan(III)-KationTi3++ 3 e-Ti (s)Titan0
-1,31+ IITitanmonoxidTiO (s) + 2 H++ 2 e-Ti (s) + H2OTitan0
-1,23+ IIITitan(III)-oxidTi2O3 + 2 H++ 2 e-2 TiO (s) + H2OTitanmonoxid+ II
-0,56+ IVTitandioxid2 TiO2 (s) + 2 H++ 2 e-Ti2O3 (s) + H2OTitan(III)-oxid+ III

 

Material- und physikalische Eigenschaften des Titans

Die nachfolgende Übersicht führt einige physikalische Daten sowie Materialeigenschaften des reinen Titan-Metalls auf.

Schmelzpunkt:1668 °C Schmelzenthalpie (molar):14,15 kJ mol-1 Siedepunkt:3287 °C Verdampfungsenthalpie:428,9 kJ mol-1 Wärmekapazität:25,060 J mol-1 K-1 (molar)
0,523 J g-1 K-1 (spezifisch)
Debye-Temperatur:420 K Thermische Leitfähigkeit:21,9 W m-1 K-1 Wärmeausdehnung:8,6 μm m-1 K-1 bei 25 °C Elektrische Leitfähigkeit:2,5 × 106 A V-1 m-1 Elektrischer Widerstand:420 nΩ m bei 20 °C Dichte:4,506 g cm-3 bei 20 °C Elastizitätsmodul:120,2 GPa, α-Ti (Young Modulus) Kompressionsmodul (isotherm):105,1 GPa 300 K Kompressibilität (isotherm):0,00951 GPa-1 300 K Poisson-Zahl:0,32 (Querdehnzahl, dimensionslos) Kristallstruktur:hexagonal dichteste Packung - hcp Härte:nach Mohs: 6,0
nach Vickers: 0,97 GPa
nach Brinell: 0,716 GPa
nach Brinell (neu): 1,028 GPa (geglüht)
Magnetismus:paramagnetisch Magnetische Suszeptibilität:1,8 × 10-4 cm3 mol-1 Schallgeschwindigkeit:5090 m s-1 bei 20 °C

 

Neben der α-Modifikation tritt Titan bei 882 °C in die β-Form über, die eine kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur aufweist.

 

Geochemie, Vorkommen, Verteilung

Titan ist das siebthäufigste Metall in der Erdkruste. Es ist in den meisten magmatischen Gesteinen, in den davon abgeleiteten Sedimenten, in Lebewesen und in natürlichen Gewässern in Form seines Oxids vorhanden.

Erdkruste:5650 mg kg-1 (ppmw, bezogen auf die Masse) Erdmantel:1280 ppm Meerwasser:0,001 mg L-1 (ppmw, bezogen auf die Masse) Sonnensystem:0,0024 (bezogen auf Silicium, Si=1)

 

Externe Informationsangebote

Die folgen einige Berichte sowie interessante Informationsangebote zum Titan und zu den Titanverbindungen anderer Anbieter, für dessen Inhalte die jeweiligen Seitenbetreiber verantwortlich sind.



Gruppenelemente - Informationen

Titangruppe
Vorlesungsmaterialien: Chemie der Metalle - IV. Nebengruppe / 4. Gruppe. Universität Freiburg

Übergangsmetalle
Vorlesungsskript: Chemie der Übergangselemente, Koordinationschemie, Stoffchemie - Format: PDF

Übergangsmetalle
Übergangsmetalle Gruppen 3-12; Innere Übergangsmetalle. Universität Marburg - Format: PDF



Einzelne Verbindungen

Oxo-Verbindungen der Titangruppe
Strukturen in Abbildungen. Universität Mainz - Format: PDF

Titan und Titanverbindungen
Chemikalien-Datenbank: physikalische und chemische Eigenschaften, Sicherheitsdatenblätter, kommerziell verfügbaren Stoffen und Verbindungen; verschiedene Suchkriterien einschließlich Struktursuche

Titandioxid
Eigenschaften, Rohstoffe und Lagerstätten, Erzaufbereitung, Sulfatverfahren, Chloridverfahren, Ökologie. Thomas Seilnacht



Chemische Reaktionen

Übergangsmetall-katalysierte Reaktionen
Vorlesungsskript. Universität des Saarlandes - Format: PDF



Synthese, Herstellung, Produktion

Titan - Herstellung und Anwendung
Vorkommen, Herstellung, Anwendung von Titanwerkstoffen. Universität Bayreuth

Übergangsmetalle
Gewinnung und Reinigung. FH Münster - Format: PDF

Übergangsmetalle
Skript: Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle - Format: PDF



Metallorganische Chemie und Reagenzien

Koordinations- und Übergangsmetallchemie
Vorlesungsmaterialien zur Anorganischen Chemie. FH Münster - Format: PDF



Mineralogie

Titanhaltige Minerale
Informationen zum Titan und den Titanmineralien. Mineralien Atlas



Dissertationen

Titankomplexe mit Pentalenliganden
Synthese und Reaktionen von Titankomplexen mit Pentalenliganden. Dissertation, 2000. Universität Bochum

Titankomplexe
Neue Titan- und Zirconiumkomplexe für die homogene Olefinpolymerisation. Dissertation, 2000. Universität Bochum



Organisationen, Verbände

 


Kategorie: Chemische Elemente

Aktualisiert am 05.02.2019.



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