Titanio: historia, estructura, propiedades, reacciones, usos

El titanio es un metal de transición que viene representado por el símbolo químico Ti. Es el segundo metal en aparecer del bloque d de la tabla periódica, justo después del escandio. Su número atómico es el 22, y se presenta en la naturaleza como muchos isótopos y radioisótopos, de los cuales el ⁴⁸Ti es el más abundante de todos.

Su color es gris plateado, y sus piezas se recubren por una capa protectora de óxido que hace del titanio un metal muy resistente a la corrosión. Si esta capa es amarillenta, se trata del nitruro de titanio(TiN), el cual es un compuesto que se forma cuando este metal arde en presencia de nitrógeno, propiedad única y distinguida.

Además de lo ya mencionado, es sumamente resistente a los impactos mecánicos a pesar de ser más liviano que el acero. Es por eso que se le conoce como el metal más fuerte de todos, y su solo nombre es sinónimo de fortaleza. Posee también resistencia y ligereza, dos características que lo vuelven un material deseable para las fabricaciones de aviones.

Asimismo, y no menos importante, el titanio es un metal biocompatible y agradable al tacto, por lo que se usa en joyerías para la elaboración de argollas; y en biomedicina, como implantes ortopédicos y dentales, capaces de integrarse a los tejidos óseos.

Sin embargo, sus usos más conocidos residen en el TiO₂, como pigmento, aditivo, recubrimiento y fotocatalizador.

Es el noveno elemento más abundante en la Tierra, y el séptimo dentro de los metales. A pesar de esto, su costo es elevado debido a las dificultades que deben superarse para extraerlo de sus minerales, entre los cuales están el rutilo, la anatasa, la ilmenita y perovskita. De todos los métodos de producción, el Proceso Kroll es el más utilizado a nivel mundial.

Índice del artículo

• 1 Historia
  • 1.1 Descubrimiento
  • 1.2 Aislamiento
• 2 Estructura y configuración electrónica
  • 2.1 Enlace
  • 2.2 Aleaciones
  • 2.3 Números de oxidación
• 3 Propiedades
  • 3.1 Apariencia física
  • 3.2 Masa molar
  • 3.3 Punto de fusión
  • 3.4 Punto de ebullición
  • 3.5 Temperatura de autoignición
  • 3.6 Ductilidad
  • 3.7 Densidad
  • 3.8 Calor de fusión
  • 3.9 Calor de vaporización
  • 3.10 Capacidad calorífica molar
  • 3.11 Electronegatividad
  • 3.12 Energías de ionización
  • 3.13 Dureza de Mohs
• 4 Nomenclatura
• 5 Dónde se encuentra y producción
  • 5.1 Minerales titaníferos
  • 5.2 Proceso Kroll
• 6 Reacciones
  • 6.1 Con el aire
  • 6.2 Con los ácidos y bases
  • 6.3 Con los halógenos
  • 6.4 Con oxidantes fuertes
• 7 Riesgos
  • 7.1 Titanio metálico
  • 7.2 Nanopartículas
• 8 Usos
  • 8.1 Pigmento y aditivo
  • 8.2 Recubrimientos
  • 8.3 Bloqueador solar
  • 8.4 Industria aeroespacial
  • 8.5 Deporte
  • 8.6 Pirotecnia
  • 8.7 Medicina
  • 8.8 Biológicos
• 9 Referencias

Historia

Descubrimiento

El titanio fue por primera vez identificado en el mineral ilmenita en el valle de Manaccan (Reino Unido), por el pastor y mineralogista aficionado William Gregor, allá en 1791. Pudo identificar que contenía un óxido de hierro, ya que sus arenas se movían por la influencia de un imán; pero también informó que había otro óxido de un metal desconocido, al cual llamó “manacanita”.

Lamentablemente, a pesar de que acudió a Royal Geological Society of Cornwall y a otros medios, sus contribuciones no levantaron revuelo por no ser un hombre reconocido de ciencias.

Cuatro años más tarde, en 1795, el químico alemán Martin Heinrich Klaproth reconoció independientemente el mismo metal; pero en el mineral rutilo en Boinik, actualmente Eslovaquia.

Hay quienes afirman que nombró ‘titanio’ a este nuevo metal inspirado por su dureza en semejanza a los Titanes. Otros aseguran que se debió más a la neutralidad de los mismos personajes mitológicos. Así pues, había nacido el titanio como elemento químico y Klaproth luego pudo concluir que se trataba de la misma manacanita del mineral ilmenita.

Aislamiento

Desde entonces, comenzaron los intentos para aislarlo de tales minerales; pero la mayoría de ellos fueron infructíferos, ya que el titanio se contaminaba con el oxígeno o el nitrógeno, o formaba un carburo imposible de reducirse. Tuvieron que pasar casi un siglo (1887) para que Lars Nilson y Otto Pettersson pudieran preparar una muestra con un 95% de pureza.

Luego, en 1896, Henry Moissan logró obtener una muestra hasta con un 98% de pureza, gracias a la acción reductora del sodio metálico. Sin embargo, estos titanios impuros eran quebradizos por la acción de los átomos de oxígeno y nitrógeno, por lo que fue necesario diseñar un proceso para mantenerlos fuera de la mezcla de reacción.

Y con este enfoque se originó el Proceso Hunter en 1910, ideado por Matthew A. Hunter en colaboración con la General Electric at Rensselaer Polytechnic Institute.

Veinte años más tarde, en Luxemburgo, William J. Kroll ideó otro método utilizando calcio y magnesio. En la actualidad, el Proceso Kroll sigue siendo uno de los principales métodos para producir titanio metálico a escalas comerciales e industriales.

A partir de este punto la historia del titanio sigue el curso de sus aleaciones en aplicaciones para la industria aeroespacial y militar.

Estructura y configuración electrónica

El titanio puro puede cristalizar con dos estructuras: una hexagonal compacta (hcp), llamada fase α, y una cúbica centrada en el cuerpo (bcc), llamada fase β. Así pues, se trata de un metal dimórfico, capaz de sufrir transiciones alotrópicas (o de fase) entre las estructuras hcp y bcc.

La fase α es la más estable a temperatura y presión ambientes, con los átomos de Ti rodeados por doce vecinos. Cuando se incrementa la temperatura hasta los 882 °C, el cristal hexagonal se transforma en uno cúbico, menos denso, lo cual concuerda con las mayores vibraciones atómicas producto del calor.

A medida que aumenta la temperatura la fase α opone mayor resistencia térmica; es decir, su calor específico aumenta también, por lo que se necesita cada vez de más calor para alcanzar los 882 °C.

¿Y si en vez de incrementarse la temperatura lo hace la presión? Entonces se obtiene cristales bcc distorsionados.

Enlace

En estos cristales metálicos intervienen en el enlace que une los átomos de Ti sus electrones de valencia de los orbitales 3d y 4s, de acuerdo a la configuración electrónica:

[Ar] 3d² 4s²

Apenas tiene para compartir cuatro electrones con sus vecinos, lo que origina bandas 3d casi vacías y, por lo tanto, el titanio no es tan buen conductor de la electricidad o el calor como otros metales.

Aleaciones

Aún más importante que lo comentado respecto a la estructura cristalina del titanio, es que ambas fases, α y β, pueden formar sus propias aleaciones. Estas pueden consistir de aleaciones α o β puras, o mezclas de ambas en diferentes proporciones (α + β).

Asimismo, el tamaño de sus respectivos granos cristalinos influye en las propiedades finales de dichas aleaciones de titanio, al igual que la composición másica y las relaciones de los aditivos agregados (otros cuantos metales o átomos de N, O, C o H).

Los aditivos ejercen una significativa influencia en las aleaciones de titanio porque pueden estabilizar algunas de las dos fases en específico. Por ejemplo: Al, O, Ga, Zr, Sn y N son aditivos que estabilizan la fase α (cristales hcp más densos); y Mo, V, W, Cu, Mn, H, Fe, y otros, son aditivos que estabilizan la fase β (cristales bcc menos densos).

El estudio de todas estas aleaciones de titanio, sus estructuras, composición, propiedades y aplicaciones, son objeto de trabajos metalúrgicos que descansan en la cristalografía.

Números de oxidación

De acuerdo a la configuración electrónica, el titanio necesitaría de ocho electrones para llenar por completo los orbitales 3d. Esto no puede conseguirlo en ninguno de sus compuestos, y máximo alcanza a ganar hasta dos electrones; es decir, puede adquirir números de oxidación negativos: -2 (3d⁴) y -1 (3d³).

La razón se debe a la electronegatividad del titanio y que, además, se trata de un metal, por lo que tiene mayor tendencia a tener números de oxidación positivos; tales como +1 (3d²4s¹), +2 (3d²4s⁰), +3 (3d¹4s⁰) y +4 (3d⁰4s⁰).

Nótese cómo se van yendo los electrones de los orbitales 3d y 4s conforme se asume la existencia de los cationes Ti⁺, Ti²⁺ y así sucesivamente.

El número de oxidación +4 (Ti⁴⁺) es el más representativo de todos porque corresponde al del titanio en su óxido: TiO₂ (Ti⁴⁺O₂^2-).

Propiedades

Apariencia física

Metal plateado grisáceo.

Masa molar

47, 867 g/mol.

Punto de fusión

1668 °C. Este punto de fusión relativamente alto lo hace un metal refractario.

Punto de ebullición

3287 °C.

Temperatura de autoignición

1200 °C para el metal puro, y 250 °C para el polvo finamente dividido.

Ductilidad

El titanio es un metal dúctil si carece de oxígeno.

Densidad

4,506 g/mL. Y en su punto de fusión, 4,11 g/mL.

Calor de fusión

14,15 kJ/mol.

Calor de vaporización

425 kJ/mol.

Capacidad calorífica molar

25060 J/mol·K.

Electronegatividad

1,54 en la escala de Pauling.

Energías de ionización

Primera: 658,8 kJ/mol.

Segunda: 1309,8 kJ/mol.

Tercera: 2652,5 kJ/mol.

Dureza de Mohs

6,0.

Nomenclatura

De los números de oxidación el +2, +3 y +4 son los más comunes, y a los que se refieren en la nomenclatura tradicional a la hora de nombrar los compuestos de titanio. Por lo demás, las reglas de las nomenclaturas stock y sistemática siguen siendo las mismas.

Por ejemplo, considérese el TiO₂ y el TiCl₄, dos de los compuestos más conocidos del titanio.

Ya se dijo que en el TiO₂ el número de oxidación del titanio es +4 y, por lo tanto, al ser la más grande (o positiva), el nombre debe terminar con el sufijo –ico. Así, su nombre es óxido titánico, de acuerdo a la nomenclatura tradicional; óxido de titanio (IV), según la nomenclatura stock; y dióxido de titanio, según la nomenclatura sistemática.

Y para el TiCl₄ se procederá de manera más directa:

Nomenclatura: nombre

-Tradicional: cloruro titánico

-Stock: cloruro de titanio (IV)

-Sistemática: tetracloruro de titanio

En inglés se suelen referir a este compuesto como ‘Tickle’.

Cada compuesto de titanio puede tener incluso nombres propios ajenos a las reglas de nomenclatura, y dependerá de la jerga técnica del campo en cuestión.

Dónde se encuentra y producción

Minerales titaníferos

El titanio, aunque sea el séptimo metal más abundante en la Tierra, y el noveno en la corteza terrestre, no se encuentra en la naturaleza como metal puro sino en combinación con otros elementos en óxidos minerales; mejor conocidos como minerales titaníferos.

Así pues, para obtenerlo es necesario utilizar estos minerales como materia prima. Algunos de ellos son:

-Titanita o esfeno (CaTiSiO₅), con impurezas de hierro y aluminio que tornan sus cristales de colores verdes.

-Brookita (TiO₂ ortorrómbico).

-Rutilo, polimorfo más estable del TiO₂, seguido de los minerales anatasa y brookita.

-Ilmenita (FeTiO₃).

-Perovskita (CaTiO₃)

-Leucoxeno (mezcla heterogénea de anatasa, rutilo y perovskita).

Nótese que son varios los minerales titaníferos mencionados, aun cuando haya otros más. Sin embargo, no todos son iguales de abundantes y, asimismo, pueden presentar impurezas difíciles de eliminar y que ponen en riesgo las propiedades del titanio metálico final.

Es por eso que el esfeno ni la perovskita suelen destinarse para la producción de titanio, ya que su contenido de calcio y silicio son difíciles de eliminar de la mezcla de reacción.

De todos esos minerales el rutilo y la ilmenita son los más utilizados comercial e industrialmente por su alto contenido de TiO₂; es decir, son ricos en titanio.

Proceso Kroll

Seleccionado cualquiera de los minerales como materia prima, el TiO₂ en ellos debe reducirse. Para ello, los minerales, junto con carbón, se calientan al rojo vivo en un reactor de lecho fluidizado a 1000 °C. Allí, el TiO₂ reacciona con cloro gaseoso de acuerdo a la siguiente ecuación química:

TiO₂(s) + C(s)  +  2Cl₂(g)  =>  TiCl₄(l)  +  CO₂(g)

El TiCl₄ es un líquido incoloro impuro, ya que a esa temperatura se halla disuelto junto a otros cloruros metálicos (de hierro, vanadio, magnesio, zirconio y silicio) originados a partir de las impurezas presentes en los minerales. Por lo tanto, el TiCl₄ seguidamente se purifica mediante destilación fraccionada y precipitación.

Ya purificado el TiCl₄, una especie más fácil de reducir, se vierte en un recipiente de acero inoxidable al cual se le aplica vacío, para eliminar el oxígeno y nitrógeno, y se llena con argón para asegurar una atmósfera inerte que no afecte el titanio producido. En el proceso se adiciona magnesio, el cual reacciona a 800 °C según la siguiente ecuación química:

TiCl₄(l) + 2Mg(l)  =>  Ti(s)  + 2MgCl₂(l)

El titanio precipita como un sólido esponjoso, el cual se somete a tratamientos para purificarlo y conferirle mejores formas sólidas, o se destina directamente a la fabricación de minerales de titanio.

Reacciones

Con el aire

El titanio presenta una alta resistencia a la corrosión debido a una capa de TiO₂ que protege el interior del metal de la oxidación. Sin embargo, cuando la temperatura asciende por encima de los 400 °C, una pieza delgada de metal comienza a arder completamente para formar una mezcla de TiO₂ y TiN:

Ti(s) + O₂(g)  =>   TiO₂(s)

2Ti(s) + N₂(g)   =>   TiN(s)

Ambos gases, O₂ y N₂, lógicamente se encuentran en el aire. Estas dos reacciones ocurren rápidamente una vez el titanio esté calentado al rojo vivo. Y si se halla como polvo finamente dividido, la reacción es aún más vigorosa, por lo que el titanio en este estado sólido es muy inflamable.

Con los ácidos y bases

Esta capa de TiO₂-TiN no solo protege al titanio de corroerse, sino también del ataque de los ácidos y bases, por lo que no es un metal fácil de disolver.

Para lograrlo, se necesitan utilizar ácidos altamente concentrados y hervirlos hasta ebullición, obteniendo una disolución de color púrpura producto de los complejos acuosos del titanio; por ejemplo, [Ti(OH₂)₆]⁺³.

No obstante, existe un ácido que sí puede disolverlo sin muchas complicaciones: el ácido fluorhídrico:

2Ti(s) + 12HF(aq) 2[TiF₆]^3-(aq) + 3H₂(g) + 6H⁺(aq)

Con los halógenos

El titanio puede reaccionar directamente con los halógenos para formar los respectivos halogenuros. Por ejemplo, su reacción con el yodo es la siguiente:

Ti(s) + 2I₂(s)   => TiI₄(s)

De modo similar ocurre con el flúor, cloro y bromo, donde se forma una llama intensa.

Con oxidantes fuertes

Cuando el titanio está finamente dividido, no solo es propenso a inflamarse, sino también a reaccionar vigorosamente con agentes oxidantes fuertes a la menor fuente de calor.

Parte de estas reacciones se aprovecha para la pirotecnia, ya que se generan chispas blancas brillantes. Por ejemplo, reacciona con el perclorato de amonio de acuerdo a la ecuación química:

2Ti(s) + 2NH₄ClO₄(s)   =>   2TiO₂(s) + N₂(g) + Cl₂(g) + 4H₂O(g)

Riesgos

Titanio metálico

El titanio metálico por sí mismo no representa ningún riesgo para la salud de quienes laboran con él. Es un sólido inofensivo; a menos, que esté molido como un polvo de partículas finas. Este polvo blanco sí puede ser peligroso por su alta inflamabilidad, mencionada en el apartado de las reacciones.

Cuando el titanio se halla molido, su reacción con el oxígeno y nitrógeno es más rápida y vigorosa, además de que puede arder incluso explosivamente. Es por eso que representa un terrible riesgo de incendio si donde se almacena es alcanzado por las llamas.

Al arder, el fuego solo puede ser apagado con grafito o cloruro de sodio; nunca con agua, al menos para estos casos.

Asimismo, debe evitarse a toda costa su contacto con los halógenos; es decir, con alguna fuga gaseosa de flúor o cloro, o interaccionar con el líquido rojizo del bromo o los cristales volátiles de yodo. Si tal sucede, el titanio se incendia. Tampoco debe entrar en contacto con agentes oxidantes fuertes: permanganatos, cloratos, percloratos, nitratos, etc.

De resto, sus lingotes o aleaciones no pueden representar más riesgos que el de los golpes físicos, ya que tampoco son muy buenos conductores del calor o la electricidad y son agradables al tacto.

Nanopartículas

Si el sólido finamente dividido es inflamable, aún más debe de serlo aquel constituido por nanopartículas de titanio. Sin embargo, el punto central de este subapartado se debe a las nanopartículas de TiO₂, las cuales se han usado en sinfines de aplicaciones donde ameriten su color blanco; como los dulces y golosinas.

Si bien no se sabe cómo es su absorción, distribución, excreción o toxicidad en el organismo, han manifestado ser tóxicas en estudios realizados sobre ratones. Por ejemplo, demostraron que genera enfisema y enrojecimiento en sus pulmones, así como otros trastornos respiratorios en sus desarrollos.

Por extrapolación desde los ratones a nosotros, se concluye que respirar nanopartículas de TiO₂ afecta nuestros pulmones. Asimismo, pueden alterar la región del hipocampo del cerebro. Además, el Centro Internacional de Investigaciones sobre el Cáncer no las descartan como posibles sustancias carcinógenas.

Usos

Pigmento y aditivo

Hablar de los usos del titanio es referirse obligatoriamente al de su compuesto dióxido de titanio. El TiO₂ de hecho abarca cerca del 95% de todas las aplicaciones concernientes a este metal. Las razones: su color blanco, es insoluble, y además no es tóxico (sin mencionar las nanopartículas puras).

Es por eso que suele utilizarse como pigmento o aditivo en todos aquellos productos que necesiten coloraciones blancas; como la pasta dental, medicinas, dulces, papeles, gemas, pinturas, plásticos, etc.

Recubrimientos

El TiO₂ también puede utilizarse para crear películas que recubran cualquier superficie, como la de los vidrios o herramientas quirúrgicas.

Al tener estos recubrimientos, el agua no puede humedecerlos y resbala sobre ellos, como lo haría la lluvia en los parabrisas de los automóviles. Las herramientas con estos recubrimientos podrían matar bacterias al absorber radiaciones UV.

La orina de los perros o la goma de mascar no podría fijarse en los asfaltados o cementos por acción del TiO₂, lo que facilitaría su posterior remoción.

Bloqueador solar

Y para finalizar con respecto al TiO₂, es un fotocatalizador, capaz de originar radicales orgánicos que, sin embargo, son neutralizados por películas de sílice o alúmina en los bloqueadores solares. Su color blanco ya deja a traslucir claramente que debe poseer este óxido de titanio.

Industria aeroespacial

El titanio es un metal con una resistencia y dureza considerables en relación a su baja densidad. Esto lo vuelve un sustituto del acero para todas aquellas aplicaciones donde se necesiten altas velocidades, o se diseñen aeronaves de grandes envergaduras, como el avión A380 de la imagen superior.

Es por eso que este metal tiene muchos usos en la industria aeroespacial, ya que resiste las oxidaciones, es liviano, fuerte y sus aleaciones pueden mejorarse con los aditivos exactos.

Deporte

No solo en la industria aeroespacial tiene protagonismo el titanio y sus aleaciones, sino también en la industria deportiva. Esto se debe a que muchos de sus utensilios requieren ser livianos para que sus portadores, los jugadores o atletas, puedan manipularlos sin que se sientan demasiado pesados.

Algunos de estos artículos son: bicicletas, palos de golf o de hockey, cascos de fútbol americano, raquetas de tenis o bádminton, espadas de esgrimas, patines para hielo, esquíes, entre otros.

Asimismo, aunque en mucho menor grado debido a su alto costo, se ha utilizado el titanio y sus aleaciones en carros lujosos y deportivos.

Pirotecnia

El titanio molido puede mezclarse con, por ejemplo, KClO₄, y servir como un fuego artificial; que de hecho, lo hacen quienes los elaboran en espectáculos pirotécnicos.

Medicina

El titanio y sus aleaciones son los materiales metálicos por excelencia en las aplicaciones biomédicas. Son biocompatibles, inertes, fuertes, difíciles de oxidar, no tóxicas, y se integran a la perfección con los huesos.

Esto las hace muy útiles para implantes ortopédicos y dentales, para articulaciones artificiales de caderas y rodillas, como tornillos para fijar fracturas, para marcapasos o corazones artificiales.

Biológicos

El papel biológico del titanio es incierto, y aunque se sabe que puede acumularse en algunas plantas y beneficiar el crecimiento de ciertos cultivos agrícolas (como los tomates), los mecanismos donde interviene son desconocidos.

Se dice que promueve la formación de carbohidratos, enzimas y clorofilas. Conjeturan que se debe a una respuesta de los organismos vegetales para defenderse de las bajas concentraciones biodisponibles de titanio, ya que son nocivas para ellos. Sin embargo, el asunto sigue todavía en la oscuridad.

Referencias

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