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Titan 09:22 min

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Transkript Titan

Guten Tag und herzlich willkommen!

Dieses Video heißt "Titan". Der Film gehört zur Reihe "Elemente". Als Vorkenntnisse solltest du das Chemiewissen des 11. Schuljahres beherrschen. Mein Ziel ist es, dir einen Überblick über das chemische Element Titan, seine Legierungen und Verbindungen zu vermitteln. Das Video ist in 7 Abschnitte unterteilt:

  1. Geschichte
  2. Stellung im Periodensystem der Elemente
  3. Eigenschaften
  4. Herstellung
  5. Metall und Legierungen
  6. Verbindungen
  7. Ausblick  
  8. Geschichte Titan wurde 1791 vom Briten William Gregor entdeckt. 1795 wurde durch Martin Heinrich Klaproth diese Entdeckung bestätigt. 1831 gelang es dem Chemiker Justus von Liebig erstmalig, metallisches Titan herzustellen. 1910 erhält Matthew Hunter reines Titan mit einer Reinheit von 99,9%.  
  9. Stellung im Periodensystem der Elemente Im Periodensystem der Elemente befindet sich das Element Titan etwa an dieser Stelle. Es ist Mitglied der 4. Nebengruppe. Als Nebengruppenelement ist Titan ein Metall. Titan hat das chemische Symbol Ti. Die Oxidationszahlen in den Verbindungen sind +2, +3 und +4.  
  10. Eigenschaften Titan ist silbrig metallisch. Titan ist relativ hart, es hat eine Mohshärte von 6. Es ist ein duktiles Metall; das heißt dehnbar, ziehbar. Titan ist ein Leichtmetall, es hat eine Dichte von 4,5 g/cm³. Damit liegt es zwischen Eisen und Aluminium. Titan ist hoch schmelzend bei 1668 °C. Damit schmilzt es höher als Eisen. Das Metall nimmt bei Raumtemperatur eine oxidische Schutzschicht an. Diese bleibt nur bis 400 °C bestehen. Mit verdünnten Säuren findet keine Reaktion statt, auch mit Laugen reagiert Titan nicht. Mit konzentrierter Schwefelsäure reagiert Titan langsam. Bei erhöhten Temperaturen finden auch die Reaktionen mit Sauerstoff und Chlor statt. Selbst mit Stickstoff kann Titan reagieren.  
  11. Herstellung Für die Herstellung des Titans sind 2 Minerale von Bedeutung: Als 1. Rutil (Titan(IV)-Oxid) und als 2. Ilmenit (Eisentitanat). Zunächst wird Ilmenit mit Koks im Lichtbogen reduziert. Es entstehen Eisen, Titan(IV)-Oxid und Kohlenmonoxid. In der 2. Stufe, die beim Einsatz von Rutil die 1. wäre, wird Titan(IV)-Oxid mit Koks und Chlor behandelt. Die Reaktionstemperatur liegt zwischen 750 und 1000 °C. Es entstehen Titan(IV)-Chlorid und Kohlenstoffmonoxid. Titan(IV)-Chlorid wird nun mit Magnesium reduziert. Die Reaktion findet bei 800 bis 900 °C unter Schutzgas Argon oder Helium statt. Es entstehen Titan und Magnesiumchlorid. Das Titan entsteht in Form von sogenanntem Titanschwamm, den ihr auch oben rechts in der Abbildung seht. Nun verschafft man sich Zugang zum Titanschwamm. Eine Möglichkeit ist das Herausbrechen durch Zerspanen. Oder aber das Reaktionsgemisch wird mit Salzsäure versetzt und das Titan abgetrennt. Immerhin bestehen 0,41% der Erdkruste aus Titan. Das Element ist relativ häufig, aber verstreut. Betrachten wir nun die Titanproduktion in 1000 Tonnen im Jahre 2005. Australien stellte mehr als 2 Millionen Tonnen Titan her, Südafrika immerhin mehr als 1 Million Tonnen und Kanada brachte es auf 870.000 Tonnen Titan.  
  12. Metall und Legierungen Meist wird Titan legiert verwendet, da Legierungen im Vergleich zum Metall eine erhöhte Oxidationsfestigkeit zeigen. Titan ist Mikrolegierungsbestandteil von Stahl. Es erhöht die Zähigkeit, Festigkeit und Duktilität und vermindert die Korrosion. Titanbasislegierungen - das heißt Legierungen, in denen sich hauptsächlich Titan befindet - sind teuer; um etwa 45 € pro kg. Sie werden nur verwendet, wenn an das Konstruktionsmetall höchste Anforderungen gestellt werden. Titanlegierungen verwendet man, wenn man es mit chloridhaltigen Medien zu tun hat; so für die Herstellung von Schiffspropellern und für Wellen. Ebenso kommen sie bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung und in der Chlorchemie zum Einsatz. Man findet sie auch in Wasserentsalzungsanlagen. Titan und seine Legierungen haben eine breite Anwendung bei Sportartikeln: bei der Herstellung von Fahrrädern, bei der Fertigung von Messern oder Tauchermessern, sie sind Bestandteil der Golfschläger, sie sind im Rahmen der Tennisschläger enthalten, wir finden sie im Eisstock beim Eisstockschießen und im Vorfach beim Angeln. Das Metall und die Legierungen finden wir in Konstruktionsteilen, so zum Beispiel bei der Fertigung von Fahrzeugfedern oder bei der Fertigung von Flugzeugen. Das Militärflugzeug SR 71 besteht fast komplett aus Titan. Noch einmal sind die Fahrräder zu nennen und ganz große Bedeutung erlangten Titan und seine Legierungen in der Raumfahrt und bei der Herstellung von Dampfturbinen. In der Elektronik werden teilweise die Gehäuse von Notebooks und Mobiltelefonen aus Titan hergestellt. Und schließlich werden Metalle und Legierungen für die Herstellung von Uhren und Schmuck verwendet. Von großer Bedeutung ist Ferrotitan, der Eisenanteil beträgt hier etwa 30%. Dieses Material wird bei der Herstellung von Schiffen und U-Booten verwendet. Zum Schluss wollen wir noch die Zusammensetzungen einiger Titanbasislegierungen aufführen. Sie enthalten die chemischen Elemente Aluminium, Vanadium, Zinn, Zirkonium und Molybdän in unterschiedlichen Verhältnissen. Sie sind teuer und werden nur bei höchsten Anforderungen eingesetzt. Turbolader - vor allem deren Schaufeln - werden daraus gefertigt.  
  13. Verbindungen Als 1. wäre da Titan(IV)-oxid, Titanweiß, TiO2, zu nennen. Es ist ein weißes Pigment, das man auch für die Titanherstellung verwenden kann. Titanverbindungen findet man auch im Titan-Saphir-Laser. Man benutzt sie für die Herstellung von Glasspiegeln und erzeugt damit künstlichen Nebel. TiN3 (Titannitrid): Die Verbindung ist hochwarmfest und man findet sie in Nickellegierungen. Titanverbindungen werden in der Pyrotechnik eingesetzt. BaTiO3 (Bariumtitanat): Es wird eingesetzt als Dielektrikum. Bemerkenswert ist, dass Titanverbindungen mit Kohlenstoff, Bor oder Stickstoff Hartstoffe ergeben.  
  14. Ausblick Ohne das chemische Element Titan ist der Bestand der menschlichen Zivilisation völlig undenkbar. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.

Titan Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Titan kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne wichtige physikalische Eigenschaften des Titans.

    Tipps

    Titan war das Konstruktionsmetall für leichte und gleichsam stabile Konstruktionen.

    Lösung

    Titan ist ein typisches Metall. Es besitzt ein silbrig metallisches Äußeres. Goldfarben ist als Reinmetall eben nur Gold. Cäsium ist ebenfalls gelblich. Das einzige Metall, das rot ist, ist Kupfer.

    Minerale wie Diamant oder auch Korund zeichnen sich durch extreme Härte aus. Im Vergleich dazu sind Metalle weicher. Titan gehört zu den harten Metallen. Die Mohshärte beträgt 6. Zu bedenken ist, dass es sich dabei um eine Skala von 1 (Talk) bis 10 (Diamant) handelt. Diese Werte sind nicht proportional zur tatsächlichen Härte. So sind Brillanten um drei Größenordnungen härter als Titan.

    Titan ist nicht dentil. Dieser Begriff bezeichnet einen bestimmten historischen Baustil. Zudem wird das Wort im Englischen verwendet. Richtig ist duktil, was Dehnbarkeit und Ziehbarkeit bedeutet.

    Mit einer Dichte von $4,5 \frac{\text{g}}{\text{cm}^{3}}$ ist Titan ein Leichtmetall. So werden alle Metalle mit Dichten von weniger als $5 \frac{\text{g}}{\text{cm}^{3}}$ bezeichnet.

    Entsprechend ergibt sich folgende Ungleichung:

    Eisen > Titan > Aluminium.

    Eisen ist ein Schwermetall. Aluminium ist ein Leichtmetall mit einer Dichte von $2,7 \frac{\text{g}}{\text{cm}^{3}}$.

    Die Schmelztemperatur des Titans ist mit 1668 °C relativ hoch und vergleichbar mit dem Wert für Eisen. Niob schmilzt bei 2750 °C, Aluminium hingegen erheblich niedriger. Das Metall wird bereits bei 660 °C flüssig.

    Diese Eigenschaften machten Titan zum sehr gefragten Konstruktionsmetall. Erst heute wird es sehr langsam durch Verbundmaterialien und Kohlenstoffnanoröhrchen verdrängt, die etwas kostengünstiger sind, noch leichter, deutlich zugfester und gleichsam flexibler.

  • Beschreibe die chemischen Eigenschaften von Titan.

    Tipps

    Für viele Reaktionen benötigt man ausreichende Temperaturen.

    Konzentrierte Schwefelsäure ist nicht nur eine Säure. Sie ist auch ein starkes Oxidationsmittel.

    Lösung

    Es stimmt, dass Titan eine oxidische Schutzschicht bildet. Allerdings hat sie nur bis 400°C Bestand. Titan zählt nicht zu den edlen Metallen. Allerdings wird es von verdünnten Säuren nicht angegriffen. Es findet keine Reaktion mit anorganischen Basen statt. Mit konzentrierter Schwefelsäure reagiert Titan, allerdings nicht sehr heftig.

    Titan reagiert mit Sauerstoff. 200 °C sind dafür aber viel zu niedrig. Bei 550 °C wird Titan von Chlor angegriffen. Titan reagiert mit Stickstoff.

  • Erläutere die Herstellung von Titan.

    Tipps

    Die Reaktion erfolgt von der komplexeren Titanverbindung zur einfacheren Titanverbindung.

    Titan hat in allen Verbindungen, die bei der Herstellung eine Rolle spielen, die Oxidationszahl 4.

    Lösung

    Rohstoffe
    Titan als unedles Metall liegt in der Natur nicht gediegen (das bedeutet rein) vor. Zwei Minerale werden verwendet:

    • Das erste Mineral heißt Rutil. Dabei handelt es sich um Titan(IV)-oxid mit der Formel $TiO_2$. In der Industrie wird es auch häufig, analog zu den Nichtmetallen, als „Titandioxid“ bezeichnet.
    Zu beachten ist daher: Die römische IV im systematischen Namen weist nicht auf die Zahl von Sauerstoffatomen hin, mit denen ein Titanatom im Molekül verbunden ist. Die IV gibt die Wertigkeit des Titans in der Verbindung an, und damit die stets positive Oxidationszahl des Metalls.

    • Die zweite Verbindung ist das Mineral Ilmenit.
    Reduktion von Ilmenit im Lichtbogen
    Es reagieren Ilmenit und Koks. Leider ist etwas in Vergessenheit geraten, worum es sich bei Koks tatsächlich handelt. Kohlenstoff ist ein gutes Reduktionsmittel. Die natürlichen Kohlenstoffmodifikationen Graphit und vor allem Diamant sind viel zu teuer und können daher nicht eingesetzt werden. Anstelle dessen verwendet man Kohle. Kohle besteht aber nur zu höchstens 90 % aus Kohlenstoff. Um den Kohlenstoffgehalt noch weiter zu erhöhen, wird die natürliche Kohle verkokt. Die flüchtigen Elemente, hauptsächlich Wasserstoff und Sauerstoff, werden durch Hitze ausgetrieben. Im Ergebnis erhält man Koks, der sich durch einen hohen Brennwert auszeichnet. Dies findest du in der Schuldidaktik auch unter den Begriffen Entgasung von Kohle und Holz oder Holzgas.

    Wir schreiben natürlich weder $K$ (Kalium) noch $Co$. Wir benutzen das Symbol $C$, wenn reiner Kohlenstoff, Kohle oder Koks gemeint sind:

    $FeTiO_3$$\;+\;$$C$$\;\rightarrow\;$$Fe$$\;+\;$$TiO_2$$\;+\;$$CO$.

    Halogenierung von Titan(IV)-oxid
    Wenn man über Rutil (Titan(IV)-oxid) verfügt, beginnt die Herstellung von Titan mit dieser Stufe. Die Redoxreaktion lässt sich durch folgende Reaktionsgleichung darstellen:

    $TiO_2$$\;+\;$$2\:C$$\;+\;$$2\:Cl_2$$\;\rightarrow\;$$TiCl_4$$\;+\;$$2\:CO$.

    Reduktion von Titan(IV)-chlorid
    Das Reduktionsmittel ist hier ein Metall. Von den Vorschlägen gibt es zwei Metalle, Cobalt ($Co$) und Magnesium ($Mg$). Für die Reduktion benötigt man allerdings die bimolare Menge. Also muss man $2\:Mg$ verwenden:

    $TiCl_4$$\;+\;$$2\;Mg$$\;\rightarrow\;$$Ti$$\;+\;$$2\:MgCl_2$.

  • Begründe die umständliche Herstellungsmethode von Titan.

    Tipps

    Kohle ist der billigste Energierohstoff unserer Erde.

    Titan ist nicht anfällig gegen verdünnte Salzsäure.

    Metallchloride mit einer höheren Oxidationszahl des Metalls sind hydrolyseanfällig.

    Lösung

    Kohle ist in einigen Ländern der Erde extrem billig. Koks als Folgeprodukt ist zwar teurer, aber immer noch günstig in der Herstellung.

    Es stimmt, dass die Reduktion von Ilmenit zu Titan in einem Schritt sehr viel Energie erfordert. Aber das ist nicht der Grund, warum die Reaktion nicht praktiziert wird. Fehlende Wirtschaftlichkeit ist nicht der Grund. Die sofortige Reduktion von Titan(IV)-oxid zu metallischem Titan ist nicht durchführbar. Der Grund wird noch genannt werden.

    Man lässt Titan(IV)-oxid nicht zum Titan(IV)-chlorid reagieren, weil Chlor billig ist. Chlor ist zwar nicht übermäßig teuer. Es kostet aber erheblich mehr als Kohle und sein Preis ist selbst höher als der Preis von Steinkohlenkoks.

    Titan(IV)-chlorid ist flüchtig. Es ist eine Flüssigkeit, die bei 136 °C siedet. Die Handhabbarkeit wird dadurch begünstigt. Das aber ist nicht der Grund, warum die Herstellung von Titan über die Verbindung Titan(IV)-chlorid erfolgt. Der Grund dafür wird noch genannt werden.

    Es ist falsch, dass Titan(IV)-chlorid unempfindlich gegenüber Wasser ist. Ganz im Gegenteil: Wasser zersetzt Titan(IV)-chlorid. Dabei läuft eine heftige Reaktion ab.

    Tatsächlich darf Titan(IV)-oxid nicht mit Koks reduziert werden. Das Metall reagiert mit Kohlenstoff und es entsteht unerwünschtes Carbid.

    Aus ähnlichen Gründen kann Titan(IV)-oxid nicht mit Wasserstoff reduziert werden. Es entstehen das fein verteilte Metall und Wasser. Beide reagieren miteinander und das Zielprodukt Titan verschwindet.

    Es ist falsch, dass verdünnte Salzsäure statt Wasser Magnesiumchlorid leichter löst. Das Gegenteil ist der Fall.

    Im letzten Reaktionsschritt reagiert verdünnte Salzsäure mit dem überschüssigen Magnesium zu Magnesiumchlorid. Zusammen mit dem in der vorletzten Stufe gebildeten Magnesiumchlorid kann es aus dem Reaktionsgemisch herausgewaschen werden.

  • Ermittle die richtigen Oxidationszahlen für Titan in folgenden Verbindungen.

    Tipps

    Aus den OZ für Wasserstoff H und Sauerstoff O lassen sich die meisten OZ herleiten.

    Im Sulfat-Ion hat Schwefel eine OZ von 6.

    Beispiel: Wassermolekül $H_2O$: 2 $\cdot$ (+1) + (-2) = 0

    Lösung

    Die OZ von $Ti\;(Metall)$ beträgt 0. Das wurde für alle reinen Elemente sinnvoll festgelegt.

    Die OZ im $TiO_2$ beträgt +4, denn die Gegenzahl ist 2$\cdot$(-2) = -4.

    Das $TiCl_4$ ist ein Chlorid. Die OZ des Cl-Atoms ist -1. Das kann man am Chlorwasserstoff $HCl$ (OZ von H ist +1!) erkennen. Damit ist die OZ des Ti-Atoms +4.

    Im $CaTiO_3$ ist die OZ des Titanatoms gleich +4. Die OZ für das Calciumatom ist +2 (2. Hauptgruppe des PSE!). Also ergibt sich als Gegenzahl:

    +2 + 3$\cdot$(-2) = -4.

    $TiO(SO_4)$ ist gar nicht so kompliziert. Am einfachsten ist es, wenn man sich erinnert, dass das Sulfat-Ion $SO_4^{2\ominus}$ zweifach negativ geladen ist. Als Gegenzahl erhält man:

    -2 + (-2) = -4.

    Demzufolge ist die OZ für Titan hier +4.

    Im $TiO$ ist die OZ von Ti die Gegenzahl von O (-2), also +2.

    Die OZ von Cl in Chloriden ist -1. Folglich ist im $TiCl_2$ die OZ von Ti gleich +2.

    In dem Molekül $TiCl_3$ ist die OZ von Ti gleich +3.

    Beim Molekül $TiN$ muss man sich daran erinnern, dass Stickstoff in der V. Hauptgruppe des PSE steht. Ein Atom nimmt drei Elektronen zum Erreichen einer stabilen Elektronenkonfiguration auf. Die OZ von N beträgt folglich -3, die von Ti entsprechend +3.

  • Vergleiche die Eigenschaften von Titan und Aluminium.

    Tipps

    Beide Metalle sind gut transportierbar.

    Beide Metalle rosten nicht.

    Eines der Metalle zeigt in seinem Verhalten gegenüber Säuren und Basen ein besonderes Verhalten.

    Lösung

    Die Dichten beider Metalle liegen unterhalb von $5~g/cm^3$. Bei Titan liegt die Dichte bei $4,5~g/cm^3$. Der Wert für Aluminium ist noch geringer. Er beträgt $2,7~g/cm^3$. Damit handelt es sich in beiden Fällen um Leichtmetalle.

    Aluminium ist tatsächlich relativ weich. Es hat eine Mohshärte von weniger als 3. Anders jedoch verhält es sich mit Titan. Mit einer Mohshärte von 6 zählt es zu den harten Metallen.

    Nur die Schmelztemperatur des Titans reicht mit annähernd 1700 °C an die Schmelztemperatur des Eisens heran. Aluminium hingegend ist relativ niedrig schmelzend. Seine Siedetemperatur beträgt nur 660 ° C.

    Die schützende Oxidschicht ist sowohl für Aluminium als auch für Titan charakteristisch.

    Gegen verdünnte Säuren ist nur Titan beständig. Aluminium hingegen reagiert.

    Beide Metalle sind gegen Laugen nicht beständig.

    Aus beiden Metallen kann man Nitride herstellen.

    Die Carbide des Aluminiums und des Titans sind gut bekannt.