Titanio

El titanio es un elemento químico de símbolo Ti y número atómico 22 que se sitúa en el grupo 4 de la tabla periódica de los elementos. Es un metal de transición de color gris, baja densidad y gran dureza. ES muy resistente a la corrosión por agua del mar, agua regia y cloro.

Fue descubierto en Cornwall, Gran Bretaña, William Gregor en 1791 y Martin Heinrich Klaproth lo llamó así por los titanes de la mitología griega. Este elemento se produce en varios depósitos de minerales, principalmente de rutilo e ilmenita, que se distribuyen ampliamente en la corteza terrestre y la litosfera, además de ser parte de muchas formas de vida, rocas, cuerpos de agua y suelos.​ La extracción de este metal a partir del mineral se realiza mediante el método de Kroll​ o por el método de Hunter. El compuesto más común es el dióxido de titanio, habitual en lafotocatálisis y se utiliza en la fabricación de pigmentos de color blanco.​ Otros compuestos habituales incluyen el tetracloruro de titanio (TiCl₄), un componente de catalizador, y el tricloruro de titanio (TiCl₃), que se utiliza como catalizador en la producción de polipropileno.​

El titanio puede formar aleaciones con el hierro, el aluminio, el vanadio y el molibdeno entre otros elementos, produciendo aleaciones ligeras y resistentes para aplicaciones aeroespaciales (motores de reacción, misiles y naves espaciales), aplicaciones militares, aplicaciones industriales (productos químicos y petroquímicos, plantas de desalinización), en la automoción, para prótesis médicas e implantes ortopédicos, instrumentos e implantes dentales, aparatos deportivos, joyería o teléfonos móviles entre otras aplicaciones.

Las dos propiedades más útiles de este metal son la resistencia a la corrosión y la mayor proporción de dureza-densidad de todos los elementos metálicos. Cuando no se encuentra en una aleación, el titanio es igual de fuerte que algunos aceros, pero presentando una menor densidad que estos. Tiene dos formas alotrópicas y cinco isótopos naturales que van desde 46Ti hasta 50Ti, siendo 48Ti el más abundante de ellos.

El titanio es el elemento metálico que posee la mayor proporción de de dureza-densidad. ES un metal fuerte, con una baja densidad y alta ductilidade (especialmente en ambientes libres de oxígeno), de color blanco metálica. Su punto de fusión es relativamente alto, por riba de los 1650 °C (1920 K), lo que hace que sea útil como metal refractario. ES paramagnético y presenta baja conductividad eléctrica y térmica.

Las aleaciones comerciales de titanio, con una pureza del 99,2%, tienen una tensión de rotura de unos 434 MPa (63.000 psi), equivalente a la de las aleaciones comunes de acero pero con una menor densidad que estas. El titanio tiene una densidad un 60% mayor que el aluminio, pero es el doble de fuerte que la aleación de aluminio más común 6061-T6. Algunas aleaciones de titanio consiguen una tensión de rotura por riba de los 1400 MPa (200.000 psi). Sin embargo, el titanio pierde resistencia cuando se calienta a temperaturas superiores a los 430 °C (703 K). El titanio no es tan duro como algunas graduaciones de acero tratado, y su trabajo a máquina requiere ciertas precauciones, ya que puede presentar uniones defectuosas de no emplearse los métodos correctos para enfriarlo. Al igual que las hechas de acero, las estructuras de titanio tienen un límite de fatiga que garantiza la longevidad de sus aplicaciones.

ES un metal alotrópico dimórfico. Su estructura cristalina en estado alfa tiene forma hexagonal y se torna en una de forma cúbica centrada en el cuerpo al pasar al estado beta, la una temperatura de 882 °C (1155 K).​ El calor específico de su forma alfa se incrementa drásticamente al calentarse hasta la temperatura de transición para después bajar y mantenerse relativamente constante en la forma beta, sin afectarle la temperatura.​ Al igual que para el circonio y el hafnio, existe una fase adicional omega, termodinamicamente estable a altas presiones pero metaestable a presión ambiente, que generalmente es hexagonal o trigonal.​

Propiedades químicas

Diagrama de Pourbaix para el titanio.​

Al igual que el aluminio y el magnesio, el titanio y sus aleaciones se oxidan cuando están expuestos al aire. El titanio reacciona con el oxígeno a temperaturas de 1200 °C (1470 K) en el aire y 610 °C (883 K) en oxígeno puro, formando dióxido de titanio.​ Sin embargo, las reacciones de oxidación en contacto con el aire y agua son lentas, debido a pasivación que forma una capa de óxido que protege al resto del metal ante su propia oxidación.​ Inicialmente, cuando se forma esta capa protectora solo tiene entre 1 y 2 nm de ancho, aumentando de tamaño lentamente hasta conseguir los 25 nm en un período de cuatro años.​

El titanio presenta una gran resistencia a la corrosión, comparable a la del platino, capaz de resistir el ataque de ácidos como el sulfúrico y otros ácidos hidroclorídricos, así como soluciones de cloro y la mayoría de ácidos orgánicos.​ Sin embargo, los ataques de ácidos concentrados sí producen una mayor corrosión.​ El titanio es termodinámicamente muy reactivo, como indica el hecho de que el metal comienza a arder antes de conseguir el punto de fusión, y la propia fusión solo es posible en una atmósfera inerte o en el vacío. Se combina con el cloro la una temperatura de 550 °C (823 K), reacciona con el resto de halóxenos y absorbe hidrógeno.​​

Es uno de los pocos elementos que arde en gas puro de nitrógeno, reaccionando a una temperatura de 800 °C (1070 K) para formar nitruro de titanio, lo que causa una pérdida de ductilidade en el material.​

Abundancia

Producción de rutilo y ilmenita en el 2011​

País	Miles de toneladas	% del total
Australia	1300	19,4
Sudáfrica	1160	17,3
Canadá	700	10,4
India	574	8,6
MozambiqueMozambique	516	7,7
ChinaChina	500	7,5
VietnamVietnam	490	7,3
Ucrania Ucrania	357	5,3
Otros países	1103	16,5
Total mundial	6700	100

El titanio siempre ocurre naturalmente unido la otros elementos. Es el noveno elemento y séptimo metal más abundante en la codia terrestre, suponiendo un 0,63% de su masa.​ Está presente en la mayoría de rocas ígneas y sedimentarias, así como en diversas formas de vida y cuerpos de agua naturales.​​ De los 801 tipos de rocas ígneas analizadas en un estudio de la United States Geological Survey 784 contenían titanio, y su proporción en el suelo resultó ser de entre 0,5 y 1,5%.​

Su aparición se produce principalmente en los minerales anatasa, brookita, ilmenita, perovskita, rutilo y titanite.​ todos estos minerales, solo el rutilo y la ilmenita presentan importancia económica, a pesar de ser difícil de encontrar en altas concentraciones. En 2011 se extrajeron alrededor de 6 millones de toneladas de rutilo y alrededor de 0,7 millones de toneladas de ilmenita en todo el mundo.​ Los depósitos más significativos de ilmenita se encuentran en Australia, Canadá, China, la India, Mozambique, Nueva Zelanda, Noruega, Ucrania y sudáfrica.​ También en 2011 se produjo un total de 186 000 toneladas de escoria de metal de titanio, principalmente en China (60 000 t), Japón (56 000 t), Rusia (40 000 t), Estados unidos (32 000 t) y Kazajstán (20 700 t). El total de las reservas de titanio en la Tierra se estima en el mismo año por encima de los 600 millones de toneladas.​

La concentración molar de titanio en los océanos es de aproximadamente 4 picomoles. A una temperatura de 100 °C (373 K) la concentración en el agua se estima en menos de 10−7 M en pH 7. No hay evidencias que indiquen cuál es el papel biológico del titanio, a pesar de que algunos organismos particulares sí presentan acumulaciones del mismo incluso en altas concentraciones.​

Este metal también se detectó en meteoritos, en el Sol y en estrellas de tipo M, el tipo más frío de estrellas con una temperatura en la superficie de unos 3200 °C (3470 K).​​ Las rocas traídas desde la Luna en la misión Ao 17 están compuestas de un 12,1% de TiO2.​

Isótopos

Se encuentran 5 isótopos estables en la naturaleza: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti y 50Ti, siendo 48Ti el más abundante de ellos con un 73,8% de abundancia natural. Se caracterizaron once radioisótopos, siendo los más estables 44Ti con un período de semidesintegración de 63 años, 45Ti con un período de 184,8 minutos, 51Ti con un período de 5,76 minutos y 52Ti con un período de 1,7 minutos. Para el resto, sus vidas medias son de menos de 33 segundos, y la mayoría de menos de medio segundo.​

Los isótopos de titanio tienen pesos atómicos que van desde 39,99 De la (40Ti) hasta 57,966 De la (58Ti). El principal método de desintegración antes del isótopo estable más abundante 48Tú es la captura electrónica, mientras que luego de este es la desintegración beta. Los productos de esta desintegración antes del 48Ti son isótopos del elemento 21 (escandio), y los posteriores son isótopos del elemento 23 (vanadio).​ El titanio se torna radiactivo cuando es bombardeado con deuterio, emitiendo principalmente positrones y rayos gamma.​

Compuestos

Broca de taladro recubierta con TiN.

El estado de oxidación +4 domina la química del titanio, pero también son comunes los compuestos en el estado +3.​​ El titanio adopta habitualmente una geometría de coordinación octaédrica en sus compuestos, con la notable excepción tetraédrica del TiCl4. Los compuestos de titanio(IV) presentan un alto grado de unión covalente debido su alto estado de oxidación.​

Óxidos, sulfuros y alcóxidos

El óxido de las más importantes de titanio dióxido de titanio TiO₂, que existe principalmente en la anatasa, la brookita y rutilo, todos ellos sólido diamagnéticos blanco.​ en Estos compuestos adopta un par de estructuras poliméricas, en el que arrodéase de seis ligandos del óxido de unirse con otros centros.​

El término titanato suele emplearse para hacer referencia a los compuestos del titanio(IV), como por ejemplo el titanato de bario (BaTiO3).​ Con una estructura como la de la perovskita, este material posee propiedades piezoeléctricas y se emplea como transdutor en la interconversión de sonido y electricidad.​ Los zafiros de estrella y los rubís obtienen su asterismo por la presencia de impurezas del dióxido de titanio.​

Se conocen diversos óxidos reducidos del titanio. Ti3El5, descrito como tú(IV)-Ti(III), es un semicondutor de color púrpura producido por reducción de TiO2 con hidrógeno a altas temperaturas, empleado industrialmente cuando se requiere cubrir superficies con vapor de dióxido de titanio, ya que se evapora como TiO puro mientras que TiO2 se evapora como una mezcla de óxidos y otros depósitos que tienen un índice de refracción variable.​​ Otros óxidos habituales son el óxido de titanio(III) Ti2El3 y el óxido de titanio(II) TiO.​

Los alcóxidos de titanio(IV), preparados mediante reacción de TiCl4 con alcoholes, son compuestos incoloros que se convierten en el dióxido al reaccionar con agua. Son de utilidad industrial para depositar TiO2 sólido mediante el proceso sol-gel. El isopropóxido de titanio se emplea en la síntesis de compuestos orgánicos por medio de la epoxidación de Sharpless.​

Nitruros y carburos

El nitruro de titanio (TiN) tiene una dureza equivalente al zafiro y el carburo de silicio (9,0 en la escala de Mohs), y se emplea habitualmente como cubierta de herramientas industriales de corte.​​ También se emplea como recubrimento decorativo de color dorado y como metal de barrera en la fabricación de semicondutores.​ El carburo de titanio también posee una gran dureza y se emplea asimismo en herramientas de corte.​

Haluros

Solución acuosa de tricloruro de titanio.

El tetracloruro de titanio TiCl4 es un líquido volátil que en el aire provoca una hidrólisis emitiendo un humo blanco.​​ El TiCl4 se produce por medio del método de Kroll durante la conversión de minerales de titanio a dióxido de titanio.​ Su uso es extendido en la química orgánica como ácido Lewis.​ El tetraioduro de titanio TiI4 se genera durante lo proceso van Arkel para la producción de metal de titanio de alta pureza.​

El titanio(III) y el titanio(II) también forman cloruros estables. Un ejemplo notable es el tricloruro de titanio TiCl3, usado como catalizador en la producción de poliolefinas y como agente redutor en la química orgánica.​

Compuestos organometálicos

Los compuestos de titanio cumplen un papel catalizador importante en la polimerización, por lo que los compuestos con enlaces Ti-C fueron estudiados de forma intensiva. Los compuestos de este tipo más comunes son el dicloruro de titanoceno ((C5H5)2TiCl2), lo reactivo de Tebbe (C5H5)2TiCH2ClAl(CH3)2 y lo reactivo de Petasis (Cp2Ti(CH3)2). El titanio forma también compuestos carbonilos, como por ejemplo el dicarbonilo de titanoceno (C5H5)2Ti(CON El)2.​

Historia

Martin Heinrich Klaproth nombró así el titanio por los titanes de la mitología griega.

El titanio fue descubierto dentro de un mineral en Cornualles, Gran Bretaña en 1791 por el clérigo y xeólogo aficionado William Gregor, que por aquel entonces era el pastor de la parroquia de Creed.​ Reconoció la presencia de un nuevo elemento en la ilmenita​ al encontrar una arena negra en un riachuelo en la parroquia de Manaccan y observó que la arena era atraída por un imán.​ Su análisis de la arena determinó la presencia de dos óxidos de metales: óxido de hierro (lo que provocaba la atracción magnética) y una proporción de un 45,25% de otro óxido metálico blanco que no fue capaz de identificar.​ Como este óxido sin identificar contenía un metal que no cumplía las propiedades de ninguno de los elementos conocidos, informó de su descubrimiento a la Royal Geological Society of Cornwall y la revista científica alemana Crell's Annalen, dándole el nombre de manacanita.​​​

Sobre lo mismo tiempo, Franz-Joseph Müller von Reichenstein produjo una substancia semejante que tampoco fue capaz de identificar.​ El óxido fue descubierto de nuevo de forma independiente en el 1795 por el químico prusiano Martin Heinrich Klaproth en un mineral de rutilo en la villa húngara de Boinik, en la actual Eslovaquia.​​ Klaproth encontró que el mineral contenía un nuevo elemento y le dio el nombre de titanio por los titanes de la mitología griega.​ Tras saber del descubrimiento previo de Gregor, obtuvo una muestra de manacanita y confirmó que esta contenía titanio.​

Los procesos conocidos para la extracción del titanio desde los diversos minerales que lo contienen resultan complicados y costosos. No es posible reducir el mineral de la forma habitual, calentándolo en la presencia de carbono, ya que eso produce carburo de titanio.​ El titanio metálico puro (99,9%) fue obtenido por primera vez por Matthew La. Hunter en el Rensselaer Polytechnic Institute al calentar TiCl4 con sodio a una temperatura de entre 700 y 800 °C bajo una gran presión, proceso conocido como el método de Hunter.​​ El metal de titanio no fue empleado había sido de los laboratorios hasta 1932 cuando William Justin Kroll probó que podía producirse mediante la reducción de tetracloruro de titanio (TiCl4) con calcio.​ Ocho años después refinó este proceso empleando magnesio y sodio, en el que sería conocido como el método de Kroll.​ A pesar de que las investigaciones continuaron posteriormente de cara a procesos de obtención más eficientes y baratos, el método de Kroll sigue siendo empleado en la producción comercial de este metal.​​

Esponja de titanio obtenida por el método de Kroll.

El titanio de gran pureza se obtuvo también en pequeñas cantidades cuando Anton Eduard van Arkel y Jan Hendrik de Boer desarrollaron en 1925 lo que sería llamado método van Arkel–de Boer, que hacía reaccionar diversos metales con yodo para descomponer los ioduros resultantes en filamentos de metal puro.​

En las décadas de 1950 y 1960 la Unión Soviética fue pionera en el uso de titanio en aplicaciones militares y submarinas, como por ejemplo en los submarinos clase Alfa y K-278 Komsomolets, como parte de programas relacionados con la Guerra Fría.​​​ También a comienzos de la década de 1950 se comenzó a emplear el titanio de forma extensiva en la aviación militar, particularmente en cazas de gran rendimiento como el F-100 Super Sable, el Lockheed A-12 y el SR-71.​ Reconociendo la importancia estratégica del titanio, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos comenzó también a apoyar los primeros esfuerzos para su comercialización.​

Durante toda Guerra Fría el titanio fue considerado un material estratégico por el gobierno de los Estados Unidos, que mantuvo grandes reservas de este metal que fueron finalmente agotadas en la década de los 2000.​ Según datos de 2006, el mayor productor del mundo era la compañía rusa VSMPO-Avisma, que poseía un 29% del mercado mundial de este material.​ En ese incluso año, la agencia estadounidense DARPA premió con 5,7 millones de dólares a un consorcio de dos empresas para desarrollar un proceso de fabricación de polvo de metal de titanio, con el propósito de emplearlo en la creación de objetos ligeros y resistentes para las industrias aeroespacial, de transporte y químicas.​ A la fecha de 2015 la esponja de metal de titanio estaba siendo producida en siete países: China, Japón, Rusia, Casaquistán, los Estados Unidos, Ucrania e India.​​

Producción

Concentrado de mineral de titanio.

La producción de metal de titanio tiene lugar en cuatro pasos principales: reducción del mineral de titanio en una forma porosa de esponja, derretido de la esponja, fabricación primaria donde se convierte en productos de propósito general como barras y chapas, y finalmente la fabricación secundaria de las formas finales a partir de los productos primarios.​

Al no ser posible su producción mediante la reducción de su dióxido, el metal de titanio se obtiene por medio de la reducción del tetracloruro de titanio TiCl4 con metal de magnesio en el que se conoce como método de Kroll.​ La complejidad de este proceso de producción explica el alto valor de mercado del titanio, a pesar de ser un proceso más barato que el método de Hunter.​​ Para producir el TiCl4 requerido por el método de Kroll se hace una reducción carbonotérmica en presencia de cloro. En este proceso, el gas de cloro atraviesa una mezcla caliente de rutilo o ilmenita en presencia de carbono. Tras una purificación extensiva por destilación fraccional, el TiCl4 se reduce con magnesio derretido a 800 °C (1070 K) en una atmósfera de argon.​ El metal de titanio así obtenido puede purificarse posteriormente siguiendo el método de vano Arkel–de Boer, que implica una descomposición termal de tetraioduro de titanio.​

El proceso más reciente de producción, denominado proceso FFC Cambridge, emplea el polvo de dióxido de titanio como materia prima para la fabricación del metal de titanio.​ Este proceso tiene menos pasos que el método de Kroll, requiere menos tiempo y permite la producción de aleaciones al emplear determinadas mezclas de polvos de óxido.​

Las aleaciones más comunes del titanio se obtienen por medio de reducción, como por ejemplo en los casos del cuprotitanio (reducción de rutilo con cobre añadidura), del titanio ferrocarbonado (ilmenita reducida con coque en una caldera eléctrica) y del manganotitanio (rutilo con manganeso u óxidos de manganeso):​

Titanio ferrocarbonado: 2 FeTiO3 + 7 Cl2 + 6 C → ₂ TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 CON El (900 °C / 1170 K)

Manganotitanio: TiCl4 + 2 Mg → ₂ MgCl2 + Ti (1100 °C / 1370 K)

Productos básicos del titanio.

Existen alrededor de 50 graduaciones designadas de titanio y de sus aleaciones, aunque solo menos de la mitad de estas tienen una disponibilidad comercial inmediata.​ La American Society fuere Testing and Materials (ASTM) reconoce 31 grados del titanio y aleaciones, de los que los grados 1 a 4 son comercialmente puros. Estos cuatro grados se diferencian entre ellos por la variación en su tensión de rotura en función del contenido en oxígeno, siendo el grado 1 (0,18% de oxígeno) lo más dúctil y el grado 4 (0,40% de oxígeno) lo menos dúctil.​ Los restantes grados son aleaciones, cada una de ellas diseñada para un propósito específico, bien sea por su ductilidad, resistencia, dureza, resistencia eléctrica, resistencia a la deformación, resistencia a la corrosión o una combinación de estos factores.​​

Las graduaciones cubiertas por la ASTM y otras aleaciones adicionales se producen para cumplir las especificacións aeroespaciales y militares SALE-AMS y MIL-T, estándares ESO y especificaciones particulares de algunos países, así como especificaciones propietarias para aplicaciones aeroespaciales, militares, médicas e industriales.​

El polvo de titanio se manufactura empleando un proceso de producción en cadena conocido como el proceso Armstrong, semejante al proceso en lotes empleado en el método de Hunter.​ En este proceso Amstrong, un flujo de gas de tetracloruro de titanio se añade la un flujo de metal de sodio derretido. Los cloruro de sodio y partículas de titanio resultantes se extraen filtrando la cantidad extra de sodio. Posteriormente el titanio se separa del cloruro de sodio mediante un lavado con agua. Los subprodutos de sodio y cloruro se reciclan para reutilizarse en este proceso y en la producción del tetracloruro de titanio inicial.​

En el ámbito de la construcción y fabricación, todas las soldaduras de titanio deben hacerse bajo atmósferas inertes de argon o helio para evitar la contaminación con gases atmosféricos como el oxígeno, el nitrógeno o el hidrógeno. De lo contrario, la contaminación puede causar una variedad de condiciones no deseadas, como la pérdida de ductilidad, que a su vez pueden llevar a una reducción de la integridad de la soldadura y fallos en las uniones.​

Los productos comerciales planos, como placas y láminas, pueden formarse con facilidad, mas el encausado de estas formas debe tener en consideración que el material posee una "memoria" y tiende a retornar su forma original, hecho que ocurre especialmente en ciertas aleaciones de gran dureza.​​ El titanio no puede soldarse sin primero chaparse en un metal que presente una facilidad de soldadura, y puede ser trabajado la máquina con el incluso tipo de equipaciones y procesos que el acero inoxidable.​​

Aplicaciones

Cilindro de titanio de calidad grado 2.

El titanio se emplea en las aleaciones de acero para reducir la cristalita y como desoxidante, y en las de acero inoxidable para reducir su contenido de carbono.​ Son frecuentes también las aleaciones con aluminio, vanadio, cobre, hierro, manganeso, molibdeno y otros metales.​

Pigmentos y aditivos

El dióxido de titanio es el compuesto de titanio más empleado.

Alrededor del 95% del mineral de titanio extraído de la Terra se destina para su refinamento como dióxido de titanio (TiO2), usado como pigmento blanco permanente en pinturas, dentífricos y plásticos.TiO
2​ También se emplea en el cemento, en yemas, para conseguir opacidad en el papel, y para mejorar la dureza en cañas de pescar de grafito y en palos de golf.​​

El polvo de TiO2 es quimicamente inerte, resiste el deterioro por luz solar y es muy opaco.TiO
2 Esto permite darle un color blanco brillante a los químicos marrones o grises que forman la mayoría de los plásticos domésticos.​ La pintura hecha con dióxido de titanio presenta una buena resistencia a las temperaturas extremas, y soporta los ambientes marinos.​ El dióxido de titanio puro tiene un índice de refracción muy alto y una dispersión óptica mayor que el diamante.​ Además de ser un importante pigmento, también suele emplearse en protectores solares.​

Aplicaciones aeroespaciales y náuticas

Gracias a su alta proporción de tensión de rotura por densidad, alta resistencia a la corrosión, resistencia a la fatiga y las fendeduras y la capacidad de soportar temperaturas moderadamente altas sin deformarse, las aleaciones de titanio son empleadas habitualmente en aeronaves, armadura de vehículos, barcos, naves espaciales y misiles.​​​​​ Para estas aplicaciones se emplean aleaciones de titanio con aluminio, circonio, níquel y vanadio entre otros elementos.​ Casi dos tercios de todo el metal de titanio producido empleara en motores y estructuras de aeronaves, pero también se emplea en otros componentes diversos como partes estructurales críticas, trenes de aterrizaje, conductos de escape y sistemas hidráulicos.​ El avión SR-71 Blackbird fue una de las primeras aeronaves en hacer un uso extensivo del titanio como parte de su estructura, dando paso al uso de este material en las aeronaves modernas. Las estimaciones indican que se emplean unas 59t en los Boeing 777, 45t en los Boeing 747, 18t en los Boeing 737, 32t en los Airbus A340, 18t en los Airbus A330 y 12t en los Airbus A320. El Airbus A380 emplea hasta unas 77t, incluyendo unas 11t nos sus motores.​ En las aplicaciones para motores, el titanio se emplea en rotores, compresores y componentes de sistemas hidráulicos. Las aleaciones de titanio 6AL-4V componen casi el 50% de todos los tipos de aleaciones empleadas en las aplicaciones aeronáuticas.​

Gracias a su alta resistencia a corrosión por agua del mar, el titanio se emplea en la fabricación de árboles de transmisión y cabos, en intercambiadores de calor de las plantas desalinizadoras, en refrigeradores de agua marina en acuarios, sedales y anzuelos y en los cuchillos de los buceadores.​ También se emplea para fabricar carcasas y otros componentes de aparatos de vigilancia y observación marina de uso científico y militar. La antigua Unión Soviética desarrolló técnicas de construcción de submarinos con cascos hechos de aleación de titanio, y para la forja de titanio en tubos de vacío.​​

Aplicaciones industriales

Titanio de alta pureza (99,999%) con cristalitas visibles.

Las tuberías soldadas y ciertos equipamientos de titanio, como intercambiadores de calor, tanques, recipientes de encausado y válvulas, se emplean en las industrias químicas y petroquímicas principalmente debido su resistencia a la corrosión. Ciertas aleaciones específicas se emplean en aplicaciones de perforación y siderometalúrgicas por su dureza, resistencia a corrosión o una combinación de los dos factores. La industria papelera usa el titanio en equipos de encausado expuestos a medios corrosivos como por ejemplo los gases de cloro.​ Otras aplicaciones industriales del titanio incluyen la soldadura ultrasónica, la soldadura por ola​ y la pulverización catódica.​ El tetracloruro de titanio TiCl4 es un intermediario importante en la obtención de dióxido de titanio TiO2, se emplea en la catálisis Ziegler–Natta, y también se usa en la fabricación de vidrio iridescente y cortinas de humo.​

Aplicaciones de consumo y arquitectónicas

El metal de titanio se utiliza en diversas aplicaciones en la automoción, particularmente en el automovilismo y el motociclismo, donde la reducción de peso manteniendo la resistencia y rigidez es un factor crítico.​ Este metal es por lo general demasiado caro como para ser comercialmente lucrativo en el mercado general, excepto en productos de alta gama. Algunos modelos de Chevrolet Corvette incluyeron tubos de escape hechos con titanio, y el motor supercargado de los Corvette Z06 usa válvulas de entrada de titanio sólido y ligero, para conseguir una mayor resistencia al calor.​​​

El titanio se emplea también en muchos aparatos deportivos, como por ejemplo raquetas de tenis, palos de golf, mangos de los palos de lacrosse, rejas para cascos de cricket, hóckey, lacrosse y fútbol americano, y marcos y componentes de bicicletas.​ Las aleaciones de titanio pueden utilizarse también en los marcos de gafas, aumentando su coste pero consiguiendo una reducción de peso y evitando posibles alergias en la piel. Muchos equipos de acampada están hechos de titanio, incluyendo utensilios de cocina, linternas y espeques, que resultan más caros que los utensilios tradicionales de acero y aluminio pero ofrecen un menor peso sin pérdida de dureza y resistencia. El titanio también se usa en la fabricación de herraduras que resultan más ligeras y duraderas que las de acero.​

Detalle de la cubierta de titanio del Museo Guggenheim Bilbao.

Debido al avance en las técnicas de fabricación de metales y el menor peso en comparación con metales más tradicionales, el uso del titanio en la fabricación de armas de fuego está cada vez más extendido.​ Por estos mismos motivos se utiliza también en la fabricación de las carcasas de determinados modelos de ordenadores portátiles.​

En ocasiones también se ha usado el titanio en aplicaciones arquitectónicas. El memorial de 40 m de altura en la honra de Yuri Gagarin en Moscú está hecho de titanio debido al color de este metal y a su asociación con la industria aeroespacial.​ El Museo Guggenheim de Bilbao y la Cerritos Millennium Library en Cerritos, California, fueron los primeros edificios en Europa y Norteamérica respectivamente en construirse con una cubierta de paneles de titanio.​ Otras construcciones con cubiertas de titanio incluyen el edificio Frederic C. Hamilton en Denver, Colorado​ y el Monumento a los Conquistadores del Espacio de 107 m de altura en Moscú.​

Joyería

Reloj con cubierta de titanio.

Es habitual el uso del titanio en los diseños de joyería, gracias a su durabilidad y propiedades inertes que hacen de este metal una buena elección para evitar posibles alergias y resistir el agua.​ Puede emplearse en forma de aleación con oro comercializado como oro de 24 quilates, ya que el 1% de Ti en la aleación no es suficiente para que se rebaje esta calificación. Las piezas hechas con esta aleación adquieren una dureza equivalente las de 14 quilates, aumentando así su durabilidad.​

La durabilidad, ligereza y resistencia de este material hazlo muy útil en la producción de cubiertas para relojes, y algunos artistas han trabajado que el titanio en la producción de esculturas, objetos decorativos y muebles.​​ Debido su inercia y capacidad de adquirir varios colores el titanio es un metal habitual en los piercings corporales.​ Los diferentes colores de estos se obtienen por medio de anodización, variando el grosor de la capa exterior de óxido.​

Su uso en monedas de curso no legal y medallas conmemorativas es algo menos habitual. Como ejemplos, en 1999 Gibraltar hizo pública la primera moneda de titanio, en celebración del nuevo milenio, y el equipo de rugby australiano Gold Coast Titans premia con una medalla de titanio puro a su jugador del año.​​

Aplicaciones médicas

El titanio tiene múltiples aplicaciones médicas gracias a su biocompatibilidade, incluyendo herramientas quirúrgicas e implantes médicos.​ Para estos propósitos el titanio suele emplearse en aleaciones con entre un 4% y 6% de aluminio y un 4% de vanadio.​

Gracias a esta habilidad inherente para integrarse que los huesos, resulta muy útil nos implantes dentales y ortopédicos, que pueden llegar a tener una vida útil de hasta 30 años.​ Estos implantes se benefician de la baja constante elástica que posee el titanio para asemejarse el máximo posible a la de los huesos. Esto consigue que las cargas de peso se repartan de forma más equitativa entre los oso y el implante, consiguiendo un menor incidente de degradación en los huesos y reduciendo la posibilidad de complicaciones médicas relacionadas con el propio implante. Sin embargo, la rigidez de las aleaciones de titanio es el doble que del hueso, por lo que los huesos adyacentes reciben una menor carga y sí pueden sufrir deterioro.​

Al ser un metal no ferromagnético los pacientes con implantes de titanio pueden ser examinados con seguridad mediante imágenes por resonancia magnética. La preparación del titanio para su uso como implantes corporales requiere que se trate bajo un arco de plasma el alta temperatura para eliminar los átomos superficiales, exponiendo los átomos subyacentes de titanio en el proceso.​

Almacenaje de residuos nucleares

La resistencia a la corrosión del titanio hace que los contedores de este material fueran investigados para su uso en el almacenaje a largo plazo de residuos nucleares, determinando que es posible fabricar contedores que pueden durar hasta 100 000 años siempre que el proceso cumpla una serie de condiciones de fabricación determinadas para reducir los posibles defectos.​ Puede también emplearse como escudo antigoteo sobre otros tipos de contedores para ayudar en la contención de los residuos guardados en ellos.​

Precauciones

La Urtica dioica puede contener hasta 80 partes por millón de titanio.

El titanio no es tóxico aún en grandes dosis y no juega ningún rol biológico natural en el cuerpo humano.​ Se estima que los humanos ingieren una cantidad de 0,8 miligramos de titanio cada día, aunque en su mayoría es expulsado posteriormente sin que el cuerpo lo absorba.​ Sin embargo, el titanio sí tiene tendencia a acumularse biológicamente en tejidos que contienen sílice, y un estudio de 2011 indicó una posible conexión entre el titanio y el síndrome de la uña amarilla.​​ También hay indicios de la existencia de un mecanismo desconocido en algunas plantas que usarían el titanio para estimular la producción de carbohidratos y ayudarles a crecer, lo que explicaría porqué muchas plantas contienen entre 1 y 2 partes por millón de titanio, llegando hasta las 80 partes por millón en los géneros Equisetum y Urtica.​ Las especies de hongos Marasmius oreades y Hypholoma capnoides pueden bioconverter el titanio en suelos contaminados con este metal.​

En forma de polvo o virutas el metal de titanio presenta un riesgo significante de incendio, y al calentarse en el aire también existe un riesgo de explosión.​ Los métodos de extinción de fuego basados en agua y dióxido de carbono no son efectivos con el titanio ardiendo, por lo que se requiere el uso de extintores de clase D para tratar con incendios causados por este metal.​ Cuando se emplea en la producción o manejo de cloro debe tenerse la precaución de usar el titanio solo en lugares en los que no se exponga a gas seco de cloro, ya que puede provocar un fuego.​ El titanio también puede llegar a arder cuándo se ponen en contacto una superficie suya que aún no consiguió el estado de oxidación con oxígeno líquido.​

Notas

Todas las referencias en inglés excepto cuando se indique el contrario

«Titanium». Encyclopædia Britannica. 

Lide, D. R. (ed.). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86ª edición). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5. 

The History and Use of Our Earth's Chemical Elements: A Reference Guide (2ª edición). Westport, CT: Greenwood Press. ISBN 0-313-33438-2. 

Barksdale, 1968, p. 734

Omega phase in materials 27 (3–4). doi:10.1016/0079-6425(82)90002-0. 

Puigdomenech, Ignasi. «Hydra/Medusa Chemical Equilibrium Database and Plotting Software». KTH Royal Institute of Technology. 

«Titanium». Columbia Encyclopedia (6ª edición). Nova York: Columbia University Press. ISBN 0-7876-5015-3. 

Emsley, 2001, p. 453

Casillas, N.; Charlebois, S.; Smyrl, W. H.; White, H. S. Pitting Corrosion of Titanium 141 (3). doi:10.1149/1.2054783. 

«Effects of Metal Chemistry on Behavior of Titanium in Industrial Applications». Industrial Applications of Titanium and Zirconium. 

United States Geological Survey. «USGS Minerals Information: Titanium». 

Barksdale, 1968, p. 732

Bioinorganic Chemistry of Titanium 112 (3). doi:10.1021/cr1002886. 

Emsley, 2001, p. 451

Barbalace, Kenneth L. «Periodic Table of Elements: Ti – Titanium». 

Greenwood y Earnshaw, 1997, p. 958

Greenwood y Earnshaw, 1997, p. 970

Advanced Chemistry. OUP Oxford. ISBN 9780199146338. 

The identification of naturally occurring TiO₂ (B) by structure determination using high-resolution electron microscopy, image simulation, and distance–least–squares refinement 76. 

Chemistry of the Elements (1ª edición). Oxford: Pergamon Press. ISBN 0-08-022057-6. 

Preparation and Optical Storage Properties of λTi₃O₅ Powder 28 (4). doi:10.3724/SP.J.1077.2013.12309. 

A new solution for mirror coating in $γ$-ray Cherenkov Astronomy 38. Bibcode:2014ExA....38....1B. doi:10.1007/s10686-014-9398-x. 

Greenwood y Earnshaw, 1997, p. 962

Single and Mixed Phase TiO₂ Powders Prepared by Excess Hydrolysis of Titanium Alkoxide 111 (3). doi:10.1179/1743676111Y.0000000059. 

Schubert, E.F. «The hardness scale introduced by Friederich Mohs». 

Drill Bits 165 (5). Hearst Magazines. ISSN 0032-4558. 

Silicon carbide power devices. World Scientific. ISBN 981-256-605-8. 

Springer Handbook of Mechanical Engineering. Springer Science & Business Media. ISBN 9783540491316. 

Seong, S. Titanium: industrial base, price trends, and technology initiatives. Rand Corporation. ISBN 0-8330-4575-X. 

«Material Safety Data Sheet - Titanium(IV) chloride». Iowa State University. 

The Handbook of Fluid Dynamics. Springer. ISBN 3-540-64612-4. 

Handbook of Reagents for Organic Synthesis. John Wiley and Sons. ISBN 0-470-85625-4. 

Darstellung von reinem Titanium-, Zirkonium-, Hafnium- und Thoriummetall 148 (1). doi:10.1002/zaac.19251480133. 

Alkene Polymerization Reactions with Transition Metal Catalysts. Studies in Surface Science and Catalysis 173 (1ª edición). Elsevier Science. Ch. 4. ISBN 978-0444532152. 

Organotransition Metal Chemistry, from Bonding to Catalysis. Nova York: University Science Books. ISBN 189138953X. 

Emsley, 2001, p. 452

Beobachtungen und Versuche über den Menakanit, einen in Cornwall gefundenen magnetischen Sand 1. 

Sur le menakanite, espèce de sable attirable par l'aimant, trouvé dans la province de Cornouilles 39. 

Martin Heinrich Klaproth. Chemische Untersuchung des sogenannten hungarischen rothen Schörls 1. Berlín. 

Roza, 2008, p. 8

Roza, 2008, p. 9

Greenwood y Earnshaw, 1997, p. 955

Preparation of pure titanium, zirconium, hafnium, and thorium metal 148. doi:10.1002/zaac.19251480133. 

«Submarines: general information». 

VSMPO Stronger Than Ever (30). KCI Publishing B.V. 

Lightweight Materials: Understanding the Basics. ASM International. ISBN 9781615039906. 

National Materials Advisory Board, Commission on Engineering and Technical Systems (CETS), National Research Council, Titanium: Past, Present, and Future, Washington, D.C.: National Academy Press, NMAB-392  .

Defense National Stockpile Center. Strategic and Critical Materials Report to the Congress. Operations under the Strategic and Critical Materials Stock Piling Act during the Period October 2007 through September 2008. United States Department of Defense. 

«Boeing's Plan to Land Aeroflot». 

DuPont. «U.S. Defense Agency Awards $5.7 Million to DuPont and MER Corporation for New Titanium Metal Powder Process». 

«Roskill Information Services: Global Supply of Titanium is Forecast to Increase». Londres. 

«ISRO's titanium sponge plant in Kerala fully commissioned». 

Donachie, 1988, Ch. 4

«Titanium». Guide to the Elements. Oxford University Press. ISBN 0-19-508083-1. 

Barksdale, 1968, p. 733

Direct electrochemical reduction of titanium dioxide to titanium in molten calcium chloride 407 (6802). Bibcode:2000Natur.407..361C. PMID 11014188. doi:10.1038/35030069. 

Roza, 2008, p. 23

«Titanium». Microsoft Encarta. 

Donachie, 1988, p. 16

ASTM International. Annual Book of ASTM Standards (Volume 02.04: Non-ferrous Metals). West Conshohocken, PA. Sección 2. ISBN 0-8031-4086-X. 

ASTM International. Annual Book of ASTM Standards (Volume 13.01: Medical Devices; Emergency Medical Services). West Conshohocken, PA. Seccións 2 & 13. ISBN 0-8031-2452-X. 

Donachie, 1988, pp. 13–16

Roza, 2008, p. 25

«Titanium». CIEC Promoting Science at the University of York. 

AWS G2.4/G2.4M:2007 Guide for the Fusion Welding of Titanium and Titanium Alloys. Miami: American Welding Society. 

Titanium Metals Corporation. Titanium design and fabrication handbook for industrial applications. Dallas. 

«Solderability». 

Barksdale, 1968, p. 738

Handbook for Pulp & Paper Technologists (3ª edición). Angus Wilde Publications. ISBN 0-9694628-5-9. 

Titanium Alloys: Russian Aircraft and Aerospace Applications. Taylor and Francis, LLC. ISBN 978-0-8493-3273-9. 

Andrew E. Kramer. «Titanium Fills Vital Role for Boeing and Russia». 

Emsley, 2001, p. 454

«Rosoboronexport controls titanium in Russia». Sevanco Strategic Consulting. 

Donachie, 1988, p. 13

«GlobalSecurity». 

Donachie, 1988, pp. 11–16

Kleefisch, E.W. (ed.). Industrial Application of Titanium and Zirconium. West Conshohocken, PA: ASTM International. ISBN 0-8031-0745-5. 

Bunshah, Rointan F. (ed.). Handbook of Hard Coatings. Norwich, NY: William Andrew Inc. Ch. 8. ISBN 0-8155-1438-7. 

Heat Treating. Proceedings of the 20th Conference, 9–12 October 2000. ASM International. ISBN 9781615032051. 

Sports Cars Power 259 (2). ISSN 0161-7370. 

Corvette: Seven Generations of American High Performance. Motorbooks. ISBN 9780760346631. 

«Compact Powerhouse: Inside Corvette Z06’s LT4 Engine 650-hp supercharged 6.2L V-8 makes world-class power in more efficient package». 

Metals Handbook. ASM International. ISBN 0-87170-654-7. 

Titanium: A Technical Guide. ASM International. ISBN 0-87170-686-5. 

The Expanded Use of Titanium in the Services, Piccatinny Arsenal, NJ: U.S. Army Armament Research, Development & Engineering Center  .

«Apple PowerBook G4 400 (Original – Ti) Specs». 

«Appearance Related Applications». Titanium. ISBN 978-3-540-71397-5. 

«Denver Art Museum, Frederic C. Hamilton Building». SPG Media. 

Blazing the Trail: The Early History of Spacecraft and Rocketry. Reston, VA: American Institute of Aeronautics and Astronautics. ISBN 1-56347-705-X. 

Gafner, G. The development of 990 Gold-Titanium: its Production, use and Properties 22 (4). doi:10.1007/BF03214709. 

«Fine Art and Functional Works in Titanium and Other Earth Elements». 

«Body Piercing Safety». doctorgoodskin.com. 

Alwitt, Robert S. «Electrochemistry Encyclopedia». 

«World Firsts». 

«Titanium Titan: Broughton immortalised». 20 de setembro 2007. 

«Orthopaedic Metal Alloys». 

Titanium foams replace injured bones. Fraunhofer-Gesellschaft. 

Hydrogen Absorption and the Lifetime Performance of Titanium Nuclear Waste Containers 18 (4–5). doi:10.1515/CORRREV.2000.18.4-5.331. 

Proof of Safety at Yucca Mountain 310. doi:10.1126/science.1112786. 

Effects of Silica and Titanium Oxide Particles on a Human Neural Stem Cell Line: Morphology, Mitochondrial Activity, and Gene Expression of Differentiation Markers 15 (7). doi:10.3390/ijms150711742. 

Titanium, Sinusitis, and the Yellow Nail Syndrome 143 (1). PMC 3176400. PMID 20809268. doi:10.1007/s12011-010-8828-5. 

The Mycoremediation of Metals Polluted Soils Using Wild Growing Species of Mushrooms. 

ASM Handbook: Surface Engineering (10ª edición). ASM International. ISBN 0-87170-384-X. 

Compressed Gas Association. Handbook of compressed gases (4ª edición). Springer. ISBN 0-412-78230-8. 

National Fire Prevention Association (ed.). Fire and Life Safety Inspection Manual (8ª edición). Jones & Bartlett Publishers. ISBN 0-87765-472-7. 

Véase también

Bibliografía

• Clifford A. Hampel (ed.). «Titanium». The Encyclopedia of the Chemical Elements. Nova York: Reinhold Book Corporation. 
• TITANIUM: A Technical Guide. Metals Park, OH: ASM International. ISBN 0-87170-309-2. 
• «Titanium». Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford University Press. ISBN 0-19-850340-7. 
• Plantilla:Cita publicación periódica
• Chemistry of the Elements (2ª edición). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0750633659. LCCN 97036336. OL 689297M. 
• Titanium (1ª edición). Nova York: The Rosen Publishing Group. ISBN 978-1-4042-1412-5. 

Enlaces externos

• «Titanium: the essentials». 
• «Element Titanium - Ti». 
• «Metallurgy of Titanium and its Alloys». 
• «World Production of Titanium Concentrates, by Country».