Titanio
El titanio es un elemento químico de símbolo Ti y número atómico 22. Se trata de un metal de transición de color gris plata. Comparado con el acero, aleación con la que compite en aplicaciones técnicas, es mucho más ligero (4,5/7,8). Tiene alta resistencia a la corrosión y gran resistencia mecánica, pero es mucho más costoso que aquél, lo cual limita sus usos industriales.
Es un metal abundante en la naturaleza; se considera que es el cuarto metal estructural más abundante en la superficie terrestre y el noveno en la gama de metales industriales. No se encuentra en estado puro sino en forma de óxidos, en la escoria de ciertos minerales de hierro y en las cenizas de animales y plantas. Su utilización se ha generalizado con el desarrollo de la tecnología aeroespacial, donde es capaz de soportar las condiciones extremas de frío y calor que se dan en el espacio y en la industria química, por ser resistente al ataque de muchos ácidos; asimismo, este metal tiene propiedades biocompatibles, dado que los tejidos del organismo toleran su presencia, por lo que es factible la fabricación de muchas prótesis e implantes de este metal.
Historia
El titanio recibe el nombre de títanos, del griego antiguo tierra blanca (su óxido es de los blancos más puros), no de los titanes como popularmente se cree. Fue descubierto en 1791 por el químico inglés William Gregor, al analizar un material que había encontrado. En 1795, el químico alemán Martin Klaproth, descubridor del uranio, le dio el nombre de titanio.
Es el cuarto metal más común en la naturaleza. Las rocas ígneas, los materiales formados por descomposición de rocas ígneas, muchos minerales, principalmente los que tienen hierro y todos los organismos vegetales y animales, contienen titanio.
El titanio se extrae en primer lugar del rutilo (óxido de titanio), abundante en las arenas costeras. Para ello, el titanio debe someterse antes a un proceso de refinado, para prevenir su reacción con sustancias tales como el nitrógeno, el oxígeno y el hidrógeno.
Matthew A. Hunter fue el primero que obtuvo titanio (con una pureza del 99,9%) calentando tetracloruro de titanio (TiCl4 ) con sodio a 700-800 °C.
El titanio como metal no se empleó hasta 1946 en que William Justin Kroll desarrolló un método para poder producirlo industrialmente, reduciendo el TiCl4 con magnesio. Este método, llamado Método de Kroll, se sigue utilizando actualmente. En este proceso el metal se debe mantener en una atmósfera de gas inerte, como argón o helio, para impedir la reacción con otros elementos.
En la década de 1950 y 1960 la Unión Soviética lo empleó en usos militares. En los EE. UU., el Departamento de Defensa (DOD) entendió la importancia estratégica del metal y durante la guerra fría el gobierno estadounidense lo consideró un material estratégico y las reservas de esponja de titanio fueron mantenidas por el Centro de Reservas Nacional de Defensa, que desapareció en 2005. Hoy el mayor productor mundial es el consorcio ruso VSMPO-AVISMA, que supone el 29% de la producción mundial.
En 2006, la Agencia de Defensa estadounidense subvencionó con 5,7 millones de dólares a dos empresas para desarrollar un nuevo proceso de fabricación de polvo de titanio. Pues con calor y presión, el polvo de titanio de peso ligero sirve para revestir y fortalecer superficies como armaduras o componentes del sector aeroespacial, el transporte o industrias de tratamiento químico.
Isótopos
Se encuentran 5 isótopos estables en la naturaleza: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti y 50Ti, siendo el 48Ti el más abundante (73,8%). Se han caracterizado 11 radioisótopos, siendo los más estables el 44Ti, con un periodo de semidesintegración de 60 años, 45Ti (184,8 minutos), 51Ti (5,76 minutos) y el 52Ti (1,7 minutos). Para el resto, sus periodos de semidesintegración son de menos de 33 segundos, y la mayoría de menos de medio segundo.
El peso atómico de los isótopos va desde 39,99 uma (40Ti) hasta 57,966 uma (58Ti). El primer modo de decaimiento antes del isótopo más estable, el 48Ti, es la captura electrónica, mientras que después de este es la desintegración beta. Los isótopos del elemento 21 (escandio) son los principales productos de decaimiento antes del 48Ti, mientras que después son los isótopos del elemento 23 (vanadio).
Características del titanio
Características físicas
- Es un metal de transición.
- Su densidad o peso específico es de 4507 kg/m3.
- Tiene un punto de fusión de 1675 °C (1941 K).
- Su masa atómica es de 47,867 u.
- Es de color plateado grisáceo.
- Es paramagnético, es decir que presenta ligera susceptibilidad a un campo magnético.
- Forma aleaciones con otros elementos para mejorar las prestaciones mecánicas.
- Es resistente a la corrosión.
- Refractario.
- Poca conductividad térmica y eléctrica: no es buen conductor del calor ni de la electricidad.
Características mecánicas
- Mecanizado por arranque de viruta similar al acero inoxidable.
- Permite fresado químico.
- Maleable, permite la producción de láminas muy delgadas.
- Dúctil, permite la fabricación de alambre delgado.
- Duro. Escala de Mohs 6.
- Muy resistente a la tracción.
- Gran tenacidad.
- Permite la fabricación de piezas por fundición y moldeo.
- Material soldable.
- Permite varias clases de tratamientos tanto termoquímicos como superficiales.
- Mantiene una alta memoria de su forma.
Características químicas
- Se encuentra en forma de óxido, en la escoria de ciertos minerales y en cenizas de animales y plantas.
- Presenta dimorfismo, a temperatura ambiente tiene estructura hexagonal compacta (hcp) llamada fase alfa. Por encima de 882 °C presenta estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc) se conoce como fase beta.
- La resistencia a la corrosión que presenta es debida al fenómeno de pasivación que sufre (se forma un óxido que lo recubre). Es resistente a temperatura ambiente al ácido sulfúrico (H2SO4) diluido y al ácido clorhídrico (HCl) diluido, así como a otros ácidos orgánicos, también es resistente a las bases, incluso en caliente. Sin embargo se puede disolver en ácidos en caliente. Asimismo, se disuelve bien en ácido fluorhídrico (HF), o con fluoruros en ácidos. A temperaturas elevadas puede reaccionar fácilmente con el nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno, el boro y otros no metales.
- Sus iones no tienen existencia a pH básicos.
Metalurgia del titanio: el método Kroll
El titanio no se encuentra libre en la naturaleza, los minerales que muestran una mayor concentración de este metal son el rutilo (TiO2) y la ilmenita (FeO•TiO2), además de la anatasa y la brookita (ambas son también TiO2).
Para obtener titanio puro, a partir de los minerales que lo contienen se utiliza mayoritariamente el llamado Método de Kroll, que consiste en la reducción de tetracloruro de titanio con magnesio, en una atmósfera de argón que impide su oxidación. El proceso es el siguiente:
- Obtención de tetracloruro de titanio por cloración a 800 °C, en presencia de carbono, según la reacción:
2 FeTiO3 + 7 Cl2 + 6 C → 2 TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 CO
- Se reduce el TiCl4 con magnesio o sodio molido en atmósfera inerte según:
Si se utiliza el Sodio (Na) en el proceso se producen la siguiente reacción:
TiCl4 + 4 Na → 4 NaCl + Ti
Si se utiliza el Magnesio (Mg) para purificarlo se produce la siguiente reacción:
TiCl4 + 2 Mg → Ti + 2 MgCl2
En la actualidad (2007) existen formas de refinado del titanio, como alternativa al método Kroll, tradicionalmente utilizado desde 1937.
Aleaciones de titanio
Comercial y técnicamente existen muchas aleaciones de titanio. Las aleaciones más conocidas son las siguientes:
- Ti grado 2, tiene la siguiente composición química: TiFe(0,25-0,30) Es conocido como titanio comercial puro. Tiene una resistencia a la tracción de 345 MPa, un límite elástico de 275 MPa, una ductilidad del 20% una dureza de 82 HRB, se puede soldar y una resistencia eléctrica de 0,56 (μΩm). Sus principales aplicaciones son campos donde se requiere resistencia a la corrosión y conformabilidad como las tuberías, intercambiadores de calor, etc.
- Ti grado 5, conocido como Ti6Al4V, tiene un porcentaje del 6% de aluminio y un 4% de vanadio. Es la aleación de titanio más utilizada, sobre todo, en el campo de la aeronáutica, en el de la biomedicina o la estomatología. Tiene una resistencia a la tracción de 896 MPa, un límite elástico de 827 MPa, una ductilidad del 10% una dureza de 33 HRB una soldabilidad muy buena y una resistividad eléctrica de 1,67 (μΩm). Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia mecánica y altas temperaturas como en (tornillería y piezas forjadas)
- Ti grado 19, tiene la siguiente composición química Ti3Al8V6Cr4Zr4Mo (Beta-C) Tiene una resistencia a la tracción de 793 MPa, un límite elástico de 759 MPa una ductilidad de 15% una dureza de 45 HRB una soldabilidad regular y una resistividad de 1,55 (μΩm). Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia a la corrosión y a la temperatura (aplicaciones marinas y motores de aviones).
- Ti6246 Tiene la siguiente composición química: Ti6Al2Sn4Zr6Mo, Tiene una resistencia a la tracción de 1172 Mpa, un límite elástico de 1103 Mpa una ductilidad del 10% una dureza de 39 HRB una soldabilidad limitada y una resistividad eléctrica de 2 (μΩm) Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia mecánica obtenida por temple.
Las especificaciones ASTM (American Society for Testing and Materials) clasifican las diferentes presentaciones del titanio y fijan sus utilidades y las de sus aleaciones.
Procesos tecnológicos del titanio
Fundición: La fundición de piezas de titanio se realiza cuando se trata de piezas de diseño complejo que hace difícil el forjado o mecanizado de las mismas. Hay muchas aplicaciones donde se utilizan piezas fundidas desde piezas muy voluminosas hasta piezas muy pequeñas de aplicaciones biomédicas.
Hay dos métodos principales para la fundición de piezas:
- Fundición por moldeo de grafito apisonado, recomendado para la fundición de piezas de gran tamaño por ser el procedimiento más económico porque no hay necesidad de fabricar moldes especiales.
- Fundición a la cera perdida, es el método más apropiado para fundir piezas pequeñas y de gran precisión con acabados de alta calidad.
En el desarrollo de las diferentes prótesis óseas y dentales se recurre a la fundición de los componentes en hornos muy sofisticados para obtener una gran precisión y calidad de las piezas fundidas, a partir de los moldes adecuados. Debido a la afinidad del titanio líquido por el oxígeno, nitrógeno e hidrógeno, así como la reactividad con los crisoles y moldes metálicos, se requiere que la fusión sea al vacío y en crisoles de grafito.
Las propiedades mecánicas de las piezas de fundición son muy similares a las de las piezas forjadas y del titanio en general. Se funden piezas de hasta 600 kg, tanto de titanio comercial puro como de las diferentes aleaciones.
La verificación de piezas fundidas se realiza mediante líquidos penetrantes, rayos X o ultrasonidos.
Forja: Para la conformación de piezas de titanio por forjado se pueden utilizar las técnicas y herramientas convencionales que se utilizan para el forjado de piezas de acero. El forjado en caliente exige controlar rigurosamente la temperatura con la que se trabaja, para obtener un control exacto de la estructura de la pieza y de sus propiedades.
Se pueden forjar piezas de cualquier aleación de titanio con estructura de grado único y con una resistencia y dureza direccionales o localizadas. Las modernas máquinas herramientas de mecanizado por Control Numérico está eliminando muchas veces el forjado de piezas cuando se trata de series reducidas porque es más económico realizar un mecanizado de desbaste general de la pieza y un posterior acabado fino que un proceso de forja
La posibilidad de la deformación en caliente si se hace a temperatura superior a la transformación alotrópica que es equivalente a la de los aceros inoxidables, puede presentar en algunos casos superelasticidad.
Soldadura: A la hora de afrontar la soldadura de piezas de titanio hay que tener en cuenta que si se supera la temperatura de fusión, puede sufrir una decoloración porque reacciona fácilmente en contacto con los gases atmosféricos. Esta decoloración puede suponer pérdida de ductilidad y de resistencia mecánica. Por lo tanto es muy importante que en la soldadura se proteja la zona de soldadura con gases inertes.
También perjudican la soldadura los contaminantes de las superficies a soldar, tales como óxido, polvo, limaduras y virutas, por lo que deben eliminarse por baño de decapación, mecanizado pulido o chorro de arena.
La soldadura debe limpiarse con paño de acetona o cepillo de acero inoxidable o titanio
El titanio de grado 2 y 5 poseen una buena soldabilidad aunque pierden un poco de valor de sus propiedades mecánicas con respecto al metal base.
El equipo de soldadura con arco de gas inerte para titanio (TIG, MIG) es similar a los equipos utilizados para soldar acero, aunque se requiere una mejor protección del gas inerte. En caso de piezas críticas donde la protección gaseosa sea difícil puede ser necesario realizar la soldadura en una cámara de soldadura.
Para la verificación de piezas soldadas se puede recurrir a los métodos tradicionales de rayos X, ultrasonidos o líquidos penetrantes.
El titanio admite soldadura por: fricción, con rayo de electrones, por rayo láser, por plasma, por puntos, por arco con electrodo consumible o no, y procesos por fusión, control con atmósfera inerte o en vacío.
Extrusión: Extrusión es en general, la acción de dar forma o moldear una masa haciéndola salir por una abertura especialmente dispuesta.
El titanio y sus aleaciones permiten ser extruidos, pudiendo obtener diversos perfiles tanto para acabados en bruto como para piezas finales. La técnica de extrusión es particularmente recomendable para la producción de pieza largas y de sección compleja.
Embutición: La embutición es una técnica para moldear metales en caliente en una sola operación con la acción conjunta de una prensa y el molde o troquel adecuado a la pieza que se quiere fabricar. Para facilitar la embutición es necesario que el material tenga una gran elongación a la tracción, y que se trate de materiales policristalinos de grano fino a altas temperaturas. Esta propiedad la tiene la aleación de titanio de grado 5 Ti6Al4V.
La técnica consiste colocar la pieza a moldear entre las dos mitades del troquel o molde, calentando a la temperatura que permita la mejor plasticidad del material. Se insufla argón en la parte superior del molde forzando la lámina de titanio hacia la parte interior del troquel.
Mecanizado: El mecanizado de piezas de titanio en máquinas herramientas normales se realiza en condiciones parecidas a las que se utiliza para mecanizar acero o aleaciones de aluminio, y las condiciones tecnológicas del mecanizado dependerán de la dureza que tenga la aleación de titanio que se mecanice. El titanio es más elástico que el acero por lo que las piezas mal sujetas pueden tender a doblarse ante las herramientas de corte. Hay que refrigerar el mecanizado con un refrigerante adecuado teniendo en cuenta que el titanio es mal conductor térmico y por tanto difícil de refrigerar, pudiendo deteriorar el filo de corte de las herramientas a consecuencia de las altas temperaturas en la zona de corte.
Fresado químico: Las piezas de titanio permiten el fresado químico de tal manera que se puede conseguir una gran precisión en dicha operación. Para esta tarea se utiliza un ataque de ácido de superficie, selectivo y controlado.
Rectificado de precisión: Los rectificados de precisión deben realizarse con muelas abrasivas muy reavivadas, con el mayor diámetro y espesor posible, duras y con gran potencia y velocidades lineales adecuadas. Para el rectificado cilíndrico se recomiendan muelas con alúmina y un refrigerante adecuado de chorro de gran caudal que sea muy bien filtrado y cambiarlo a menudo.
Pulvimetalurgia: La pulvimetalurgia o metalurgia de polvos es un proceso de fabricación que, partiendo de polvos finos y tras su compactación para darles una forma determinada (compactado), se calientan en atmósfera controlada (sinterizado) para la obtención de la pieza.
La pulvimetalurgia del titanio se utiliza para la fabricación de piezas complejas de espesores muy pequeños, por ejemplo menores de 1 mm, donde se exijan acabados superficiales muy finos.
Se puede conseguir pulvitanio de base mediante: sinterizado compactado en frío, sinterizado prensado isostático en frío, prensado isostático en caliente, y prensado en caliente al vacío o en un molde interior
Tratamientos del titanio
Tratamiento termoquímico: nitruración
El tratamiento termoquímico de nitruración del titanio puro y de la aleación Ti6 Al4V produce una capa de revestimiento lisa y homogénea, con incrementos de la dureza superficial de hasta un 500% respecto al material no tratado.
La capa de nitruro de titanio formada tiene un espesor de 2-3 mm, en tres horas de tratamiento, formada por pequeños granos de nitruros con diámetros del orden de los 50-100 nm. El componente principal de la capa es nitruro de titanio (Ti2N)
Este tipo de tratamiento tiene gran utilidad en las aplicaciones biomédicas del titanio y en los componentes de motocicletas y automóviles de competición: bielas, válvulas, etc.
Las piezas a tratar se colocan en una cámara en vacío y son sometidas a una temperatura de 500 °C. Se inyecta nitrógeno, que en contacto con iones de titanio, reaccionan para formar nitruro de titanio, presentando al final del proceso un color dorado. Con esta técnica la dureza superficial puede aumentar hasta 2600 HRB. Las piezas nitruradas tienen una gran resistencia a la corrosión.
Tratamiento superficial
Como tratamientos superficiales del titanio se pueden citar los siguientes: lubricación, oxidación térmica, anodización, electroplaqueado, e ionización.
Cuando se produce deslizamiento de superficies de titanio sobre titanio o cualquier otro metal, se manifiesta una gran tendencia a la excoriación, por lo que se requiere en esos casos lubricar las superficies de contacto con lubricantes de película seca a base de disulfuro de molibdeno, grafito o similares. Donde más se aplica este tipo de lubricación es en tornillos y pernos roscados.
Un método de mejorar las propiedades superficiales del titanio, concretamente la mejora de la resistencia a la corrosión, es cuando se somete el titanio a un tratamiento superficial de oxidación que, además, puede originar una variedad de colores muy atractiva que amplía las posibilidades del titanio en el sector de la joyería y de la decoración. Existen distintas técnicas para llevar a cabo la oxidación superficial del titanio para producir su coloración, como son el tratamiento térmico, el procesado con plasma o la oxidación electrolítica.
Ya existe una alternativa a los métodos tradicionales de oxidación que consiste en que el tratamiento superficial se realice con láser. Esta técnica presenta una gran resolución espacial, rapidez de procesado y ausencia de contacto material con la pieza a tratar. Además, la posibilidad de irradiar zonas de difícil acceso y la versatilidad de los sistemas de marcado proporcionan al láser una gran aplicabilidad en la coloración del titanio. El proceso de láser también puede ser empleado posteriormente al proceso de anodizado para escribir, grabar y marcar.
El proceso de anodización es una técnica que se utiliza para aumentar el grosor de la capa de óxido y constituye una solución eficaz y poco costosa para piezas que no estén sometidas a un desgaste continuo. Si durante la anodización se depositan polímeros de bajo coeficiente de rozamiento se aumenta la dureza superficial de la pieza.
El tratamiento superficial de ionización se realiza en frío y consiste en acelerar en vacío iones de nitrógeno y hacerlos impactar contra la superficie tratada. Con este procedimiento la dureza superficial aumenta hasta 1500 HV. Esta técnica da muy buenos resultados en el tratamiento de engranajes y tornillería.
Aplicaciones del titanio
Aplicaciones biomédicas: titanio quirúrgico
El titanio es un metal compatible con los tejidos del organismo humano que toleran su presencia sin reacciones alérgicas del sistema inmunitario. Esta propiedad de compatibilidad del titanio unido a sus cualidades mecánicas de dureza, ligereza y resistencia han hecho posible una gran cantidad de aplicaciones de gran utilidad para aplicaciones médicas, como prótesis de cadera y rodilla, tornillos óseos, placas antitrauma e implantes dentales, componentes para la fabricación de válvulas cardíacas y marcapasos, gafas, material quirúrgico tales como bisturís, tijeras, etc.
La aleación de titanio más empleada en este campo, Ti6 Al4V, contiene aluminio, que incrementa la temperatura de la transformación entre las fases alfa y beta: y vanadio, que la disminuye. Esta aleación posee buena soldabilidad y alta tenacidad.
La idoneidad de su uso en implantes endoóseos se debe a que:
- es inerte, y su película de óxido es insoluble en los tejidos, de modo que no se liberan iones que pudieran reaccionar con las moléculas orgánicas.
- el hueso crece sobre su superficie adhiriéndose para formar un anclaje anquilótico, lo que se denomina osteointegración.Esta reacción normalmente sólo se presenta en los materiales llamados bioactivos y es la mejor base para los implantes dentales funcionales.
- Posee buenas propiedades mecánicas, su fuerza de tensión es muy semejante a la del acero inoxidable utilizado en las prótesis quirúrgicas que reciben carga. Es mucho más fuerte que la dentina o cualquier cortical ósea, permitiendo a los implantes soportar cargas pesadas.
- Este metal es suave y maleable lo cual ayuda a absorber el choque de carga.
Otros usos
Industria energética: El titanio es muy utilizado en la construcción de sistemas de intercambio térmico en las centrales térmicas eléctricas (y también en las centrales nucleares), debido principalmente a sus características de resistencia mecánica (lo que hace que los haces tubulares que constituyen esos intercambiadores sean muy resistentes a las vibraciones y que los espesores de los tubos puedan ser menores, facilitando el intercambio de calor) y químicas (el titanio, a semejanza del cobre, genera una capa inoxidable sobre su superficie, lo que lo hace mucho químicos: Determinadas aleaciones de titanio se utilizan para fabricar componentes de las industrias de proceso tales como bombas, depósitos, reactores químicos y columnas de fraccionamiento en centrales que utilizan agua de mar como refrigerante. También se emplea en las unidades de desulfuración de gases que permiten reducir las lorito e hipoclorito, el ácido nítrico, los ácidos crómicos, los cloruros metálicos, los sulfuros o los ácidos orgánicos.
Industria automovilística: Un sector nuevo se ha incorporado a la fabricación de componentes de titanio, donde las empresas automovilísticas están incorporando componentes de titanio en los vehículos que fabrican, con el fin de aligerar el peso de los mismos, así por ejemplo ya existen muelles y bielas de titanio. Especialmente en el caso de los muelles se mejora el módulo de Young y una mejor calidad de la suspensión.
Industria militar: El titanio se emplea en la industria militar como material de blindaje, en la carrocería de vehículos ligeros, en la construcción de submarinos nucleares y en la fabricación de misiles.
Industria aeronáutica y espacial: Debido a su fuerza, baja densidad y el que puede soportar temperaturas relativamente altas, las aleaciones de titanio se emplean en aviones y cohetes espaciales. El titanio y sus aleaciones se aplican en la construcción aeronáutica básicamente para construir forjados estructurales de los aviones, discos de ventilación, álabes y palas de turbinas.
Construcción naval: La propiedad que tiene el titanio de ser resistente a la corrosión permite que algunas de sus aleaciones sean muy utilizadas en construcción naval donde se fabrican hélices y ejes de timón, cascos de cámaras de presión submarina, componentes de botes salvavidas y plataformas petrolíferas, así como intercambiadores de calor, condensadores y conducciones en centrales que utilizan agua de mar como refrigerante, porque el contacto con el agua salada no le afecta.
Industria relojera: Los relojes deportivos que requieren un material resistente a menudo usan el titanio, un metal fuerte, blanco. Los relojes de pulsera de titanio son de peso ligero, 30 por ciento más fuertes que los de acero y resisten la corrosión. Generalmente tienen una capa protectora para hacerlos resistentes a los rayones. Se fabrican las cajas de titanio e incluso las correas de sujeción.
Joyería: Metal seminoble en el ámbito de la joyería y de la bisutería. Así es posible encontrar pulseras, pendientes, anillos, etc., fabricados en este metal. Para mejorar el aspecto superficial del titanio se le somete a diferentes tipos de procesos que refuerzan su belleza.
Instrumentos deportivos: Con titanio se producen actualmente distintos productos de consumo deportivo como palos de golf, bicicletas, cañas de pescar, etc.
Decoración: También se han empleado láminas delgadas de titanio para recubrir algunos edificios, como por ejemplo el Museo Guggenheim de Bilbao.
Aplicaciones del titanio no metálico
Algunos compuestos de titanio pueden tener aplicaciones en tratamientos contra el cáncer. Por ejemplo, el cloruro de titanoceno en el caso de tumores gastrointestinales y de mama.
Tetracloruro de titanio
El tetracloruro de titanio (TiCl4) es un líquido entre incoloro y amarillo. En contacto con agua forma ácido clorhídrico y compuestos de titanio. El tetracloruro de titanio no se encuentra de forma natural y es producido a partir de minerales que contienen titanio.
Se emplea en la fabricación de titanio metálico o para obtener bióxido de titanio. El (TiCl4) se obtiene mediante un proceso de cloración a 800 °C, en presencia de carbono(C) mediante la reacción:
TiO2 + 2 Cl2 + 2 C → TiCl4 + 2 CO
Posteriormente si se desea obtener titanio puro se purifica este producto con magnesio (Mg) o sodio molido (Na) mediante destilación fraccionada en una atmósfera inerte (por ejemplo con argón) con la reacción: Si se utiliza el Sodio (Na) en el proceso se producen la siguiente reacción:
TiCl4 + 4 Na → 4 NaCl + Ti
Si se utiliza Magnesio (Mg) se producen la siguiente reacción:
TiCl4 + 2 Mg → Ti + 2 MgCl2
Para manejar este producto hay que tomar precauciones porque entra en el ambiente principalmente en el aire de las instalaciones industriales donde se produce mediante una variedad de procesos químicos, o como resultado de derrames.
Si hay humedad en el aire, el tetracloruro de titanio reacciona rápidamente con ésta para formar ácido clorhídrico y otros compuestos de titanio, tales como el hidróxido de titanio y los oxicloruros de titanio.
Algunos de los compuestos de titanio pueden depositarse en el suelo o el agua. En el agua, estos se depositan en el sedimento del fondo donde pueden permanecer por largo tiempo.
El tetracloruro de titanio se degrada rápidamente en el aire, por lo que no es tóxico a menos que trabaje en una industria que lo manufactura o lo usa. El personal que trabaja en una industria que usa tetracloruro de titanio, podría estar expuesto respirándolo o tocándolo. Si se derrama tetracloruro de titanio, puede haber contacto con la piel.
El tetracloruro de titanio es muy irritante a los ojos, la piel, membranas mucosas y los pulmones. Respirar grandes cantidades puede causar serios daños a los pulmones. El contacto con el líquido puede causar quemaduras a los ojos y la piel.
Dióxido de titanio
El dióxido de titanio es un compuesto cuya fórmula es (TiO2).Se encuentra en una forma negra o de color castaño conocida como rutilo. Las formas naturales que se encuentra menos en la naturaleza son la anatasita y la brooquita. Tanto el rutilo como la anatasita puros son de color blanco. El óxido básico negro, (FeTiO3), se encuentra en forma natural como el mineral llamado ilmenita. El dióxido de titanio es la principal fuente comercial del titanio. Aproximadamente el 95% del titanio que se consume lo hace en forma de dióxido de titanio, debido a las múltiples aplicaciones industriales que tiene.
Aplicaciones
- Los pigmentos de dióxido de titanio se utilizan principalmente en la producción de pinturas y plásticos, así como en papel, tintas de impresión, cosméticos, productos textiles, farmacéuticos y alimentarios. El dióxido de titanio es el pigmento más habitualmente utilizado en el mundo, que proporciona a los productos finales una brillante blancura, opacidad y protección.
- En artes gráficas donde se precisan pequeños espesores de recubrimientos se utilizan pigmentos de dióxido de titanio muy finos.
- El dióxido también se ha empleado como agente blanqueador y opacador en esmaltes de porcelana, dando un acabado final de gran brillo, dureza y resistencia al ácido un pigmento blanco permanente que se emplea en pinturas, papel y plásticos, asimismo tiene una amplia gama de aplicaciones en la industria química en general.
Productores mundiales de titanio
El titanio es el noveno elemento más abundante en la corteza terrestre (supone el 0,63% del peso total). Sin embargo, en la naturaleza siempre se encuentra unido químicamente a otros elementos, formando minerales en los que la fracción de titanio suele ser pequeña.
De todos los minerales de titanio, solo el rutilo y la ilmenita son explotables económicamente y esto sólo cuando la concentración de titanio es suficientemente alta. Existen depósitos significativos de titanio en forma de ilmenita en Australia occidental, Canadá, Nueva Zelanda, Noruega y Ucrania. Se extraen grandes cantidades de rutilo en Norteamérica y Sudáfrica. Las reservas conocidas de titanio se estiman en unas 600 millones de toneladas (expresadas como TiO2).
Titanio y toxicidad
Tanto el titanio como en el dióxido de titanio tienen un nivel bajo de toxicidad.
La sobreexposición al polvo de titanio puede ocasionar por inhalación del polvo dolor en el pecho, tos o dificultad para respirar. En contacto con la piel o los ojos puede generar irritación.
La agencia internacional para la investigación del cáncer (IARC) no lo considera como elemento cancerígeno para los humanos.
