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Titanio para niños

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Datos para niños
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22
Ti
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Tabla completaTabla ampliada
Titanium.jpg
Información general
Nombre, símbolo, número Titanio, Ti, 22
Serie química Metales de transición
Grupo, período, bloque 4, 4, d
Masa atómica 47,867(1) u
Configuración electrónica [Ar] 3d2 4s2
Dureza Mohs 6
Electrones por nivel 2, 8, 10, 2 (imagen)
Apariencia Gris con un ligero brillo amarillo
Propiedades atómicas
Radio medio 140 pm
Electronegatividad 1,54 (escala de Pauling)
Radio atómico (calc) 176 pm (radio de Bohr)
Radio covalente 136 pm
Radio de van der Waals Sin datos pm
Estado(s) de oxidación 4, 3, 2, 1, −1,
Óxido Anfótero
1.ª energía de ionización 658,8 kJ/mol
2.ª energía de ionización 1309,8 kJ/mol
3.ª energía de ionización 2652,5 kJ/mol
4.ª energía de ionización 4174,6 kJ/mol
5.ª energía de ionización 9581 kJ/mol
6.ª energía de ionización 11533 kJ/mol
7.ª energía de ionización 13590 kJ/mol
8.ª energía de ionización 16440 kJ/mol
9.ª energía de ionización 18530 kJ/mol
10.ª energía de ionización 20833 kJ/mol
Líneas espectrales
22 (Ti I) NIST ASD emission spectrum.png
Propiedades físicas
Estado ordinario Sólido
Densidad 4507 kg/m3
Punto de fusión 1941 K (1668 °C)
Punto de ebullición 3560 K (3287 °C)
Entalpía de vaporización 421 kJ/mol
Entalpía de fusión 15,45 kJ/mol
Presión de vapor 0,49 Pa a 1933 K
Varios
Estructura cristalina Hexagonal
Calor específico 520 J/(kg·K)
Conductividad eléctrica 2,38 × 106 S/m
Conductividad térmica 21,9 W/(m·K)
Velocidad del sonido 4140 m/s a 293,15 K (20 °C)
Isótopos más estables
Artículo principal: Isótopos del titanio
iso AN Periodo MD Ed PD
MeV
44Ti Sintético 60,0 a ε 0,268 44Ca
46Ti 8,25% Estable con 24 neutrones
47Ti 7,44% Estable con 25 neutrones
48Ti 73,72% Estable con 26 neutrones
49Ti 5,41% Estable con 27 neutrones
50Ti 5,18% Estable con 28 neutrones
Valores en el SI y condiciones normales de presión y temperatura, salvo que se indique lo contrario.

El titanio es un elemento químico con el símbolo Ti y el número atómico 22. Se encuentra en el grupo 4 de la tabla periódica de los elementos. Es un metal de transición de color gris, con baja densidad y mucha dureza.

El titanio es muy resistente a la corrosión por agua de mar, agua regia (un ácido muy fuerte) y cloro. Esto lo hace muy útil en muchos lugares.

Fue descubierto en 1791 por William Gregor en Cornualles, Gran Bretaña. En 1795, Martin Heinrich Klaproth también lo encontró y lo llamó "titanio" por los titanes de la mitología griega.

Este elemento es muy común en la corteza terrestre, en minerales como el rutilo y la ilmenita. También se encuentra en seres vivos, cuerpos de agua y hasta en objetos del espacio.

El compuesto más conocido es el dióxido de titanio, que se usa para hacer pigmentos de color blanco. También se usa en fotocatálisis, un proceso que usa la luz para limpiar el aire o el agua.

El titanio puro es muy resistente a la corrosión y es uno de los metales más fuertes en relación con su densidad. Es tan fuerte como algunos aceros, pero mucho más ligero.

Puede formar aleaciones (mezclas con otros metales) con hierro, aluminio, vanadio y molibdeno. Estas aleaciones son ligeras y fuertes, perfectas para construir aeronaves, naves espaciales, equipos industriales, piezas de coches, prótesis médicas, instrumentos dentales, equipos deportivos y joyas.

¿Qué hace al Titanio tan Especial?

Propiedades Físicas del Titanio

El titanio es un metal muy resistente. Tiene la mejor relación entre dureza y densidad de todos los metales. Es un metal fuerte, ligero y se puede estirar (es dúctil), especialmente si no hay oxígeno alrededor. Su color es blanco metálico.

El punto de fusión del titanio es muy alto, alrededor de 1668 °C. Esto lo hace útil para aplicaciones que necesitan soportar mucho calor. Es un material que no es muy buen conductor de la electricidad ni del calor.

Las aleaciones de titanio que se usan en la industria son muy resistentes. Son tan fuertes como algunos aceros, pero pesan mucho menos. Por ejemplo, el titanio es el doble de fuerte que la aleación de aluminio más común, aunque pesa un 60% más que el aluminio.

El titanio puede perder fuerza si se calienta a más de 430 °C. Cuando se trabaja con titanio, hay que tener cuidado porque puede ser difícil de cortar si no se usan las herramientas y métodos de enfriamiento adecuados.

El titanio tiene dos formas alotrópicas (estructuras cristalinas diferentes). Una es hexagonal y la otra es cúbica. Cambia de una a otra a 882 °C.

Propiedades Químicas del Titanio

Cuando el titanio se expone al aire, se oxida, igual que el aluminio y el magnesio. Reacciona con el oxígeno a temperaturas muy altas, formando dióxido de titanio.

Sin embargo, esta oxidación es lenta porque el titanio forma una capa protectora de óxido en su superficie. Esta capa es muy delgada al principio, pero crece con el tiempo y protege al resto del metal de la corrosión.

El titanio es muy resistente a la corrosión. Puede soportar el ataque de ácidos fuertes y soluciones de cloro. Pero si los ácidos son muy concentrados, sí puede corroerse más.

Es uno de los pocos elementos que pueden arder en nitrógeno puro, formando nitruro de titanio a 800 °C. Esto hace que el material pierda su capacidad de estirarse.

¿Dónde se Encuentra el Titanio?

El titanio nunca se encuentra solo en la naturaleza; siempre está unido a otros elementos. Es el noveno elemento más abundante y el séptimo metal más abundante en la corteza terrestre, formando el 0,63% de su masa.

Está presente en la mayoría de las rocas ígneas y sedimentarias. También se encuentra en seres vivos y en cuerpos de agua naturales.

Los minerales más importantes de titanio son el rutilo y la ilmenita. Aunque son difíciles de encontrar en grandes cantidades, son los que tienen valor económico.

En 2011, se extrajeron millones de toneladas de estos minerales en todo el mundo. Los países con mayores depósitos de ilmenita incluyen Australia, Canadá, China, India, Mozambique, Noruega, Ucrania y Sudáfrica.

El titanio también se ha encontrado en meteoritos, en el Sol y en estrellas. Las rocas traídas de la Luna por la misión Apolo 17 contenían un 12,1% de dióxido de titanio.

Isótopos del Titanio

Existen cinco isótopos estables de titanio en la naturaleza: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti y 50Ti. El más común es el 48Ti, que representa el 73,8% del titanio natural.

También se han identificado once radioisótopos (isótopos inestables que emiten radiación). Los más estables son el 44Ti, con una vida media de 63 años, y el 45Ti, con una vida media de 184,8 minutos.

Compuestos de Titanio

El titanio forma muchos compuestos, siendo los más comunes aquellos donde tiene un estado de oxidación de +4. También son frecuentes los compuestos con estado +3.

Óxidos, Sulfuros y Alcóxidos

El óxido más importante es el dióxido de titanio (TiO2). Es un sólido blanco que se encuentra en minerales como la anatasa y el rutilo. Se usa mucho como pigmento blanco.

El titanato de bario (BaTiO3) es un compuesto de titanio que tiene propiedades piezoeléctricas. Esto significa que puede generar electricidad cuando se le aplica presión, o vibrar cuando se le aplica electricidad. Se usa en transductores para convertir sonido en electricidad y viceversa.

Los zafiros y rubís de estrella tienen su brillo especial gracias a pequeñas cantidades de dióxido de titanio.

Existen otros óxidos de titanio, como el Ti3O5, que es un semiconductor de color púrpura.

Los alcóxidos de titanio(IV) son compuestos incoloros que se usan en la industria para crear capas de TiO2 sólido.

Nitruros y Carburos

El nitruro de titanio (TiN) es tan duro como el zafiro. Se usa para cubrir herramientas de corte industriales, dándoles una capa dorada que las hace más resistentes. También se usa en la fabricación de semiconductores.

El carburo de titanio también es muy duro y se emplea en herramientas de corte.

Haluros

El tetracloruro de titanio (TiCl4) es un líquido que, al contacto con el aire, produce un humo blanco. Se usa en la producción de dióxido de titanio y como ácido Lewis en química orgánica.

El tricloruro de titanio (TiCl3) se usa como catalizador para fabricar poliolefinas, un tipo de plástico.

Historia del Descubrimiento y Uso del Titanio

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

El titanio fue descubierto en 1791 en Cornualles, Gran Bretaña, por William Gregor, un clérigo y geólogo aficionado. Él encontró una arena negra en un arroyo que era atraída por un imán. Al analizarla, descubrió un nuevo óxido metálico que no pudo identificar y lo llamó manacanita.

En 1795, el químico prusiano Martin Heinrich Klaproth descubrió el mismo óxido en un mineral de rutilo en Hungría. Él le dio el nombre de titanio, inspirándose en los titanes de la mitología griega. Cuando supo del descubrimiento de Gregor, confirmó que ambos habían encontrado el mismo elemento.

Obtener titanio puro de sus minerales es difícil y costoso. No se puede simplemente calentar el mineral con carbono, porque se forma carburo de titanio.

El titanio metálico puro (99,9%) fue obtenido por primera vez en 1910 por Matthew La. Hunter. Él calentó TiCl4 con sodio a altas temperaturas y presión. Este proceso se conoce como el método de Hunter.

El titanio no se usó fuera de los laboratorios hasta 1932, cuando William Justin Kroll demostró que podía producirse reduciendo tetracloruro de titanio (TiCl4) con calcio. Ocho años después, mejoró este proceso usando magnesio y sodio, lo que se conoce como el método de Kroll. Aunque se han buscado métodos más baratos, el método de Kroll sigue siendo el principal para producir titanio a nivel comercial.

Archivo:Titanium metal
Esponja de titanio obtenida por el método de Kroll.

En 1925, Anton Eduard van Arkel y Jan Hendrik de Boer desarrollaron otro método para obtener titanio de alta pureza, llamado método van Arkel-de Boer.

En las décadas de 1950 y 1960, la Unión Soviética fue pionera en usar titanio para aplicaciones militares, como en la construcción de submarinos. Al mismo tiempo, en la década de 1950, el titanio empezó a usarse mucho en la aviación militar, especialmente en aviones de alto rendimiento como el SR-71 Blackbird.

Hoy en día, la compañía rusa VSMPO-Avisma es el mayor productor mundial de titanio.

¿Cómo se Produce el Titanio?

La producción de titanio metálico tiene cuatro pasos principales:

  • Convertir el mineral de titanio en una forma porosa llamada esponja.
  • Derretir la esponja.
  • Fabricar productos básicos como barras y láminas.
  • Fabricar las formas finales a partir de esos productos básicos.

Como no se puede obtener titanio directamente de su dióxido, se usa el método de Kroll. Este método reduce el tetracloruro de titanio (TiCl4) con magnesio. Este proceso es complejo, por eso el titanio es un metal caro.

Para obtener el TiCl4, se calienta una mezcla de rutilo o ilmenita con carbono y se le pasa gas cloro. Después de purificarlo, el TiCl4 se reduce con magnesio derretido a 800 °C en una atmósfera de argón.

El titanio obtenido puede purificarse aún más con el método de van Arkel-de Boer.

Un proceso más nuevo, llamado proceso FFC Cambridge, usa polvo de dióxido de titanio como materia prima. Este proceso es más rápido y permite crear aleaciones directamente.

Archivo:Titanium products
Productos básicos del titanio.

Existen unas 50 variedades de titanio y sus aleaciones. La American Society for Testing and Materials (ASTM) reconoce 31 tipos. Los grados 1 a 4 son titanio puro, y se diferencian por su contenido de oxígeno, lo que afecta su ductilidad y resistencia. Los demás grados son aleaciones diseñadas para usos específicos, como resistencia, dureza o resistencia a la corrosión.

Cuando se suelda titanio, debe hacerse en una atmósfera sin oxígeno, nitrógeno o hidrógeno, usando gases como argón o helio. Si no se hace así, el titanio puede contaminarse y perder su ductilidad, lo que podría causar fallos en las uniones.

Las láminas de titanio son fáciles de moldear, pero el material tiene "memoria" y tiende a volver a su forma original, especialmente las aleaciones más duras.

¿Para Qué se Usa el Titanio?

El titanio se usa en aleaciones de acero para mejorar su estructura y como desoxidante. También se mezcla con aluminio, vanadio, cobre, hierro, manganeso y molibdeno.

Pigmentos y Aditivos

Archivo:Titanium(IV) oxide
El dióxido de titanio es el compuesto de titanio más empleado.

Casi todo el titanio extraído se convierte en dióxido de titanio (TiO2). Este se usa como pigmento blanco en pinturas, pastas de dientes y plásticos. También se usa en cemento, gemas, para hacer el papel más opaco y para fortalecer cañas de pescar y palos de golf.

El polvo de TiO2 es inerte, no se daña con la luz solar y es muy opaco. Esto permite dar un color blanco brillante a muchos productos. La pintura con dióxido de titanio resiste temperaturas extremas y ambientes marinos.

El dióxido de titanio puro tiene un índice de refracción muy alto, lo que significa que desvía mucho la luz, incluso más que un diamante. Además de ser un pigmento, se usa en protectores solares.

Aplicaciones Aeroespaciales y Náuticas

Las aleaciones de titanio son muy usadas en aeronaves, vehículos blindados, barcos y naves espaciales. Esto se debe a su alta resistencia, ligereza, resistencia a la corrosión y a las grietas, y su capacidad para soportar temperaturas moderadas sin deformarse.

Casi dos tercios del titanio producido se usa en motores y estructuras de aviones. Se encuentra en partes importantes como trenes de aterrizaje y sistemas hidráulicos. El avión SR-71 Blackbird fue uno de los primeros en usar mucho titanio en su estructura.

Los aviones modernos como el Boeing 777 y el Airbus A380 usan muchas toneladas de titanio. En los motores, el titanio se usa en rotores y compresores.

Gracias a su gran resistencia a la corrosión por agua de mar, el titanio se usa en la fabricación de hélices de barcos, intercambiadores de calor en plantas desalinizadoras, equipos para acuarios, sedales y anzuelos, y cuchillos para buceadores. También se usa en equipos de vigilancia marina.

Aplicaciones Industriales

Las tuberías y equipos de titanio, como intercambiadores de calor y válvulas, se usan en las industrias química y petroquímica por su resistencia a la corrosión.

Ciertas aleaciones de titanio se usan en perforaciones y en la industria del acero por su dureza y resistencia. La industria papelera usa titanio en equipos expuestos a sustancias corrosivas.

Otras aplicaciones industriales incluyen la soldadura ultrasónica y la pulverización catódica. El tetracloruro de titanio (TiCl4) es importante para obtener dióxido de titanio y se usa en la fabricación de vidrio iridiscente y cortinas de humo.

Aplicaciones de Consumo y Arquitectónicas

El titanio se usa en la automoción, especialmente en coches de carreras y motos, donde es crucial reducir el peso sin perder resistencia.

Aunque es caro, se usa en productos de alta gama. Algunos coches deportivos tienen tubos de escape y válvulas de motor de titanio para ser más ligeros y resistentes al calor.

Archivo:Guggenheim detail
Detalle de la cubierta de titanio del Museo Guggenheim Bilbao.

También se usa en muchos objetos deportivos, como raquetas de tenis, palos de golf, marcos de bicicletas y cascos deportivos. Las monturas de gafas de titanio son ligeras y evitan alergias en la piel.

Los equipos de acampada de titanio son más caros, pero mucho más ligeros y duraderos que los de acero o aluminio. También se usa en herraduras para caballos, haciéndolas más ligeras y resistentes.

El titanio se usa cada vez más en la fabricación de armas de fuego y carcasas de computadoras portátiles por su ligereza y resistencia.

En arquitectura, el titanio se ha usado en edificios importantes. El monumento a Yuri Gagarin en Moscú está hecho de titanio por su color y su relación con el espacio. El Museo Guggenheim Bilbao y la Cerritos Millennium Library en California fueron los primeros edificios en Europa y Norteamérica en tener cubiertas de paneles de titanio.

Joyería

Archivo:Ti covered watches
Reloj con cubierta de titanio.

El titanio es popular en joyería por su durabilidad y porque no causa alergias. Se puede mezclar con oro para hacerlo más duro sin perder su calidad de 24 quilates.

Su ligereza y resistencia lo hacen ideal para cubiertas de relojes. Algunos artistas lo usan para esculturas y muebles. También es común en los piercings corporales, ya que puede adquirir muchos colores diferentes mediante un proceso llamado anodización.

Se ha usado en monedas conmemorativas. Por ejemplo, en 1999, Gibraltar emitió la primera moneda de titanio.

Aplicaciones Médicas

Archivo:Titanium plaatje voor pols
Placa y tornillos de uso médico para ser aplicados en la fractura de la muñeca.

El titanio tiene muchas aplicaciones médicas porque es biocompatible, es decir, el cuerpo humano lo acepta bien. Se usa en herramientas quirúrgicas e implantes médicos, a menudo en aleaciones con aluminio y vanadio.

Es muy útil en implantes dentales y ortopédicos porque se integra bien con los huesos y puede durar hasta 30 años. Su elasticidad es similar a la de los huesos, lo que ayuda a que las cargas se distribuyan mejor y reduce el desgaste óseo.

Como no es ferromagnético, los pacientes con implantes de titanio pueden hacerse resonancias magnéticas de forma segura.

Almacenamiento de Materiales Especiales

La resistencia a la corrosión del titanio lo hace ideal para contenedores de almacenamiento a largo plazo de materiales que necesitan ser guardados con mucho cuidado. Se ha demostrado que estos contenedores pueden durar hasta 100.000 años si se fabrican correctamente.

Precauciones al Usar Titanio

Archivo:Kopiva
La Urtica dioica (ortiga) puede contener hasta 80 partes por millón de titanio.

El titanio no es tóxico para los humanos, incluso en grandes cantidades, y no tiene un papel biológico conocido en el cuerpo humano. La mayoría del titanio que ingerimos es expulsado sin ser absorbido.

Sin embargo, el titanio puede acumularse en tejidos que contienen sílice. Algunos estudios sugieren una posible relación entre el titanio y el síndrome de la uña amarilla.

También hay indicios de que algunas plantas usan titanio para ayudar a su crecimiento y la producción de carbohidratos. Por eso, muchas plantas contienen pequeñas cantidades de titanio.

En forma de polvo o virutas, el titanio puede ser un riesgo de incendio. Si se calienta en el aire, también puede haber riesgo de explosión. Los extintores de agua y dióxido de carbono no funcionan con titanio ardiendo; se necesitan extintores especiales de clase D.

Cuando se usa titanio en la producción o manejo de cloro, hay que asegurarse de que no se exponga a gas de cloro seco, ya que podría incendiarse. El titanio también puede arder si una superficie sin óxido entra en contacto con oxígeno líquido.

Véase también

Kids robot.svg En inglés: Titanium Facts for Kids

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Titanio para Niños. Enciclopedia Kiddle.