Avec un poids atomique de 22, quel élément, nommé d'après des membres de la mythologie grecque, utilise le symbole Ti ?
titane
Le titane est un élément chimique de symbole Ti et de numéro atomique 22. C'est un métal de transition brillant de couleur argentée, de faible densité et de haute résistance. Il est très résistant à la corrosion de l’eau de mer, de l’eau régale et du chlore. Le titane a été découvert à Cornwall, en Grande-Bretagne, par William Gregor en 1791 et nommé par Martin Heinrich Klaproth en référence aux Titans de la mythologie grecque. L'élément est présent dans un certain nombre de gisements minéraux, principalement le rutile et l'ilménite, qui sont largement répartis dans la croûte terrestre et la lithosphère, et on le trouve dans presque tous les êtres vivants, les roches, les plans d'eau et les sols. Le métal est extrait de ses principaux minerais par les procédés Kroll et Hunter. Le composé le plus courant, le dioxyde de titane, est un photocatalyseur populaire utilisé dans la fabrication de pigments blancs. D'autres composés comprennent le tétrachlorure de titane (TiCl4), un composant des écrans de fumée et des catalyseurs ; et le trichlorure de titane (TiCl3), qui est utilisé comme catalyseur dans la production de polypropylène. Le titane peut être allié avec du fer, de l'aluminium, du vanadium et du molybdène, entre autres éléments, pour produire des alliages solides et légers pour l'aérospatiale (moteurs à réaction, missiles et engins spatiaux), militaires et industriels (produits chimiques et pétrochimiques, usines de dessalement, pâte et papier), automobile, agroalimentaire, prothèses médicales, implants orthopédiques, instruments et limes dentaires et endodontiques, implants dentaires, articles de sport, bijoux, téléphones portables et autres applications. Les deux propriétés les plus utiles du métal sont la résistance à la corrosion et le rapport résistance/densité le plus élevé de tous les éléments métalliques. À l’état non allié, le titane est aussi résistant que certains aciers, mais moins dense. Il existe deux formes allotropiques et cinq isotopes naturels de cet élément, du 46Ti au 50Ti, le 48Ti étant le plus abondant (73,8 %). Bien qu'ils aient le même nombre d'électrons de valence et appartiennent au même groupe dans le tableau périodique, le titane et le zirconium diffèrent par de nombreuses propriétés chimiques et physiques. Élément métallique, le titane est reconnu pour son rapport résistance/poids élevé. C'est un métal solide de faible densité, assez ductile (surtout dans un environnement sans oxygène), brillant et de couleur blanc métallique. Le point de fusion relativement élevé (plus de 1 650 °C ou 3 000 °F) le rend utile comme métal réfractaire. Il est paramagnétique et possède une conductivité électrique et thermique assez faible. Les qualités commerciales de titane (pures à 99,2 %) ont une résistance à la traction ultime d'environ 434 MPa (63 000 psi), égale à celle des alliages d'acier courants de qualité inférieure, mais sont moins denses. Le titane est 60 % plus dense que l'aluminium, mais plus de deux fois plus résistant que l'alliage d'aluminium 6061-T6 le plus couramment utilisé. Certains alliages de titane (par exemple Beta C) atteignent des résistances à la traction supérieures à 1 400 MPa (200 000 psi). Cependant, le titane perd de sa résistance lorsqu'il est chauffé au-dessus de 430 °C. Le titane n'est pas aussi dur que certaines qualités d'acier traité thermiquement, il est non magnétique et mauvais conducteur de chaleur et d'électricité. L'usinage nécessite des précautions, car le matériau peut s'écailler si des outils tranchants et des méthodes de refroidissement appropriées ne sont pas utilisés. Comme celles en acier, les structures en titane ont une limite de fatigue qui garantit la longévité dans certaines applications. Les alliages de titane ont moins de rigidité que de nombreux autres matériaux structurels tels que les alliages d'aluminium et la fibre de carbone. Comme l’aluminium et le magnésium, le titane et ses alliages s’oxydent immédiatement lorsqu’ils sont exposés à l’air. Le titane réagit facilement avec l'oxygène à 1 200 °C dans l'air et à 610 °C dans l'oxygène pur, formant du dioxyde de titane. Il est cependant lent à réagir avec l'eau et l'air à température ambiante car il forme un revêtement d'oxyde passif qui protège le métal en vrac d'une oxydation ultérieure. Lorsqu'elle se forme pour la première fois, cette couche protectrice n'a qu'une épaisseur de 1 à 2 nm mais continue de croître lentement ; atteignant une épaisseur de 25 nm en quatre ans. La passivation atmosphérique confère au titane une excellente résistance à la corrosion, presque équivalente à celle du platine, capable de résister aux attaques des acides sulfurique et chlorhydrique dilués, des solutions de chlorure et de la plupart des acides organiques. Cependant, le titane est corrodé par les acides concentrés. Comme l'indique son potentiel rédox négatif, le titane est thermodynamiquement un métal très réactif qui brûle dans une atmosphère normale à des températures inférieures au point de fusion. La fusion n'est possible que dans une atmosphère inerte ou sous vide. A 550 °C, il se combine au chlore. Il réagit également avec les autres halogènes et absorbe l'hydrogène. Le titane est l'un des rares éléments qui brûle dans l'azote pur, réagissant à 800 °C pour former du nitrure de titane, ce qui provoque une fragilisation. En raison de leur grande réactivité avec l'oxygène, l'azote et certains autres gaz, les filaments de titane sont utilisés dans les pompes à sublimation en titane comme piégeurs de ces gaz. De telles pompes produisent de manière fiable et peu coûteuse des pressions extrêmement basses dans les systèmes à ultra-vide. Le titane est le neuvième élément le plus abondant dans la croûte terrestre (0,63 % en masse) et le septième métal le plus abondant. Il est présent sous forme d'oxydes dans la plupart des roches ignées, dans les sédiments qui en dérivent, dans les êtres vivants et dans les plans d'eau naturels. Sur les 801 types de roches ignées analysées par le United States Geological Survey, 784 contenaient du titane. Sa proportion dans les sols est d'environ 0,5 à 1,5 %. Il est largement distribué et se produit principalement dans les minéraux anatase, brookite, ilménite, pérovskite, rutile et titanite (sphène). Parmi ces minéraux, seuls le rutile et l’ilménite ont une importance économique, mais même s’ils sont difficiles à trouver en concentrations élevées. Environ 6,0 et 0,7 millions de tonnes de ces minéraux ont été extraites respectivement en 2011. D'importants gisements d'ilménite contenant du titane existent en Australie occidentale, au Canada, en Chine, en Inde, au Mozambique, en Nouvelle-Zélande, en Norvège, en Ukraine et en Afrique du Sud. Environ 186 000 tonnes d’éponge métallique de titane ont été produites en 2011, principalement en Chine (60 000 t), au Japon (56 000 t), en Russie (40 000 t), aux États-Unis (32 000 t) et au Kazakhstan (20 700 t). Les réserves totales de titane sont estimées à plus de 600 millions de tonnes. La concentration de Ti est d’environ 4 picomolaires dans l’océan. À 100 °C, la concentration de titane dans l'eau est estimée à moins de 10−7 M à pH 7. L'identité des espèces de titane en solution aqueuse reste inconnue en raison de sa faible solubilité et du manque de méthodes spectroscopiques sensibles, bien que seulement l'état d'oxydation 4+ est stable dans l'air. Il n’existe aucune preuve d’un rôle biologique, même si l’on sait que de rares organismes accumulent de fortes concentrations de titane. Le titane est contenu dans les météorites et a été détecté dans le Soleil et dans les étoiles de type M (le type le plus froid) avec une température de surface de 3 200 °C. Les roches ramenées de la Lune lors de la mission Apollo 17 sont composées de 12,1 % de TiO2. On le trouve également dans les cendres de charbon, les plantes et même dans le corps humain. Le titane natif (métallique pur) est très rare. Le titane d'origine naturelle est composé de 5 isotopes stables : 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti et 50Ti, le 48Ti étant le plus abondant (abondance naturelle de 73,8 %). Onze radio-isotopes ont été caractérisés, le plus stable étant le 44Ti avec une demi-vie de 63 ans ; 45Ti, 184,8 minutes ; 51Ti, 5,76 minutes ; et 52Ti, 1,7 minutes. Tous les autres isotopes radioactifs ont une demi-vie inférieure à 33 secondes et la majorité, inférieure à une demi-seconde. Les isotopes du titane ont un poids atomique compris entre 39,99 u (40Ti) et 57,966 u (58Ti). Le mode de désintégration principal avant l'isotope stable le plus abondant, le 48Ti, est la capture d'électrons et le mode principal après l'émission bêta. Les principaux produits de désintégration avant le 48Ti sont les isotopes de l'élément 21 (scandium) et les produits primaires après sont les isotopes de l'élément 23 (vanadium). Le titane devient radioactif lors d'un bombardement de deutons, émettant principalement des positrons et des rayons gamma durs. L’état d’oxydation +4 domine la chimie du titane, mais les composés à l’état d’oxydation +3 sont également courants. Généralement, le titane adopte une géométrie de coordination octaédrique dans ses complexes, mais le TiCl4 tétraédrique constitue une exception notable. En raison de leur état d’oxydation élevé, les composés du titane (IV) présentent un degré élevé de liaison covalente. Contrairement à la plupart des autres métaux de transition, les complexes aquo simples de Ti(IV) sont inconnus. Les titanates font généralement référence aux composés de titane (IV), tels que représentés par le titanate de baryum (BaTiO3). De structure pérovskite, ce matériau présente des propriétés piézoélectriques et est utilisé comme transducteur dans l'interconversion du son et de l'électricité. De nombreux minéraux sont des titanates, par ex. ilménite (FeTiO3). Les saphirs étoilés et les rubis tirent leur astérisme (éclat formant des étoiles) de la présence d'impuretés de dioxyde de titane. Divers oxydes de titane réduits sont connus. Ti3O5, décrit comme une espèce Ti(IV)-Ti(III), est un semi-conducteur violet produit par réduction de TiO2 avec de l'hydrogène à haute température, et est utilisé industriellement lorsque les surfaces doivent être vaporisées avec du dioxyde de titane : il s'évapore sous forme de vapeur. TiO pur, tandis que TiO2 s'évapore sous forme d'un mélange d'oxydes et dépose des revêtements à indice de réfraction variable. On connaît également Ti2O3, à structure corindon, et TiO, à structure sel gemme, bien que souvent non stœchiométriques. Les alcoolates de titane (IV), préparés en faisant réagir du TiCl4 avec des alcools, sont des composés incolores qui se transforment en dioxyde lors d'une réaction avec l'eau. Ils sont industriellement utiles pour déposer du TiO2 solide via le procédé sol-gel. L'isopropoxyde de titane est utilisé dans la synthèse de composés organiques chiraux via l'époxydation Sharpless. Le titane forme une variété de sulfures, mais seul le TiS2 suscite un intérêt considérable. Il adopte une structure en couches et a été utilisé comme cathode dans le développement de batteries au lithium. Parce que Ti(IV) est un « cation dur », les sulfures de titane sont instables et ont tendance à s’hydrolyser en oxyde avec libération de sulfure d’hydrogène. Le nitrure de titane (TiN) a une dureté équivalente à celle du saphir et du carborundum (9,0 sur l'échelle de Mohs) et est souvent utilisé pour recouvrir les outils de coupe, tels que les forets. Il est également utilisé comme finition décorative de couleur dorée et comme métal barrière dans la fabrication de semi-conducteurs. Le carbure de titane, qui est également très dur, se retrouve dans les outils de coupe et les revêtements. Le tétrachlorure de titane (chlorure de titane (IV), TiCl4 ) est un liquide volatil incolore (les échantillons commerciaux sont jaunâtres) qui, dans l'air, s'hydrolyse avec une émission spectaculaire de nuages ​​blancs. Via le procédé Kroll, le TiCl4 est produit lors de la conversion des minerais de titane en dioxyde de titane, par exemple pour être utilisé dans la peinture blanche. Il est largement utilisé en chimie organique comme acide de Lewis, par exemple dans la condensation aldolique de Mukaiyama. Dans le procédé van Arkel, du tétraiodure de titane (TiI4) est généré lors de la production de titane métallique de haute pureté. Le titane (III) et le titane (II) forment également des chlorures stables. Un exemple notable est le chlorure de titane (III) (TiCl3), qui est utilisé comme catalyseur pour la production de polyoléfines (voir catalyseur Ziegler-Natta) et comme agent réducteur en chimie organique. En raison du rôle important des composés du titane comme catalyseur de polymérisation, les composés possédant des liaisons Ti-C ont été étudiés de manière intensive. Le complexe organotitanique le plus courant est le dichlorure de titanocène ((C5H5)2TiCl2). Les composés associés comprennent le réactif de Tebbe et le réactif de Petasis. Le titane forme des complexes carbonyle, par ex. (C5H5)2Ti(CO)2. Le titane a été découvert comme une inclusion d'un minéral à Cornwall, en Grande-Bretagne, en 1791 par l'ecclésiastique et géologue amateur William Gregor, alors vicaire de la paroisse de Creed. Il a reconnu la présence d'un nouvel élément dans l'ilménite lorsqu'il a trouvé du sable noir près d'un ruisseau dans la paroisse voisine de Manaccan et a remarqué que le sable était attiré par un aimant. En analysant le sable, il détermina la présence de deux oxydes métalliques : de l'oxyde de fer (expliquant l'attraction de l'aimant) et 45,25 % d'un oxyde métallique blanc qu'il ne parvint pas à identifier. Réalisant que l'oxyde non identifié contenait un métal qui ne correspondait à aucun élément connu, Gregor rapporta ses découvertes à la Royal Geological Society of Cornwall et dans la revue scientifique allemande Crell's Annalen. À peu près à la même époque, Franz-Joseph Müller von Reichenstein produisait une substance similaire, mais ne parvenait pas à l'identifier. L'oxyde a été redécouvert indépendamment en 1795 par le chimiste prussien Martin Heinrich Klaproth dans le rutile du village de Boinik (nom allemand du lieu inconnu) de Hongrie (aujourd'hui en Slovaquie). Klaproth découvrit qu'il contenait un nouvel élément et lui donna le nom des Titans de la mythologie grecque. Après avoir entendu parler de la découverte antérieure de Gregor, il a obtenu un échantillon de manaccanite et a confirmé qu'il contenait du titane. Les procédés actuellement connus pour extraire le titane de ses différents minerais sont laborieux et coûteux ; il n'est pas possible de réduire le minerai en chauffant avec du carbone (comme dans la fusion du fer) car le titane se combine au carbone pour produire du carbure de titane. Le titane métallique pur (99,9 %) a été préparé pour la première fois en 1910 par Matthew A. Hunter de l'Institut polytechnique Rensselaer en chauffant du TiCl4 avec du sodium à 700-800 °C sous grande pression dans un procédé discontinu connu sous le nom de procédé Hunter. Le titane métallique n'a été utilisé en dehors du laboratoire qu'en 1932, lorsque William Justin Kroll a prouvé qu'il pouvait être produit en réduisant le tétrachlorure de titane (TiCl4) avec du calcium. Huit ans plus tard, il a affiné ce procédé avec du magnésium et même du sodium dans ce qui est devenu le procédé Kroll. Bien que la recherche se poursuive sur des procédés plus efficaces et moins chers (par exemple FFC Cambridge, Armstrong), le procédé Kroll est toujours utilisé pour la production commerciale. Du titane de très haute pureté a été fabriqué en petites quantités lorsque Anton Eduard van Arkel et Jan Hendrik de Boer ont découvert le procédé à l'iodure, ou barre de cristal, en 1925, en réagissant avec l'iode et en décomposant les vapeurs formées sur un filament chaud en métal pur. Dans les années 1950 et 1960, l’Union soviétique a été la première à utiliser le titane dans des applications militaires et sous-marines (classe Alfa et classe Mike) dans le cadre de programmes liés à la guerre froide. À partir du début des années 1950, le titane a été largement utilisé dans l'aviation militaire, en particulier dans les avions à réaction hautes performances, à commencer par des avions tels que le F100 Super Sabre et les Lockheed A-12 et SR-71. Reconnaissant l'importance stratégique du titane, le département américain de la Défense a soutenu les premiers efforts de commercialisation. Tout au long de la guerre froide, le titane était considéré comme un matériau stratégique par le gouvernement américain, et un stock important d'éponge de titane était conservé par le Defense National Stockpile Center, qui a finalement été épuisé dans les années 2000. Selon les données de 2006, le plus grand producteur mondial, la société russe VSMPO-Avisma, détenait environ 29 % de la part du marché mondial. Depuis 2015, l’éponge de titane était produite dans six pays : Chine, Japon, Russie, Kazakhstan, États-Unis, Ukraine et Inde. (par ordre de sortie). En 2006, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) des États-Unis a accordé 5,7 millions de dollars à un consortium composé de deux sociétés pour développer un nouveau procédé de fabrication de poudre de titane métallique. Sous chaleur et pression, la poudre peut être utilisée pour créer des objets solides et légers allant des blindages aux composants destinés aux industries de l'aérospatiale, des transports et de la transformation chimique. Le traitement du titane métallique se déroule en 4 étapes principales : réduction du minerai de titane en « éponge », une forme poreuse ; fusion d'une éponge, ou d'une éponge plus un alliage maître pour former un lingot ; la fabrication primaire, où un lingot est converti en produits d'usine généraux tels que des billettes, des barres, des plaques, des feuilles, des bandes et des tubes ; et la fabrication secondaire de formes finies à partir de produits d'usine. Parce qu'il ne peut pas être facilement produit par réduction de son dioxyde, le titane métallique est obtenu par réduction de TiCl4 avec du magnésium métallique dans le procédé Kroll. La complexité de cette production par lots dans le procédé Kroll explique la valeur marchande relativement élevée du titane, bien que le procédé Kroll soit moins cher que le procédé Hunter. Pour produire le TiCl4 nécessaire au procédé Kroll, le dioxyde est soumis à une réduction carbothermique en présence de chlore. Dans ce processus, le chlore gazeux passe sur un mélange chauffé au rouge de rutile ou d'ilménite en présence de carbone. Après une purification approfondie par distillation fractionnée, le TiCl4 est réduit avec du magnésium fondu à 800 °C dans une atmosphère d'argon. Le titane métallique peut être purifié davantage par le procédé van Arkel – de Boer, qui implique la décomposition thermique du tétraiodure de titane. Une méthode de production par lots plus récemment développée, le procédé FFC Cambridge, consomme de la poudre de dioxyde de titane (une forme raffinée de rutile) comme matière première et produit du titane métallique, sous forme de poudre ou d'éponge. Le processus implique moins d'étapes que le processus Kroll et prend moins de temps. Si des poudres d'oxydes mixtes sont utilisées, le produit est un alliage. Les alliages de titane courants sont fabriqués par réduction. Par exemple, le cuprotitane (le rutile additionné de cuivre est réduit), le titane ferrocarboné (l'ilménite réduite avec du coke dans un four électrique) et le manganotitane (le rutile avec du manganèse ou des oxydes de manganèse) sont réduits. Environ 50 qualités de titane et d’alliages de titane sont conçues et actuellement utilisées, bien que seulement quelques douzaines soient facilement disponibles dans le commerce. L'ASTM International reconnaît 31 qualités de titane et d'alliages, dont les qualités 1 à 4 sont commercialement pures (non alliées). La résistance à la traction de ces quatre éléments varie en fonction de la teneur en oxygène, le grade 1 étant le plus ductile (résistance à la traction la plus faible avec une teneur en oxygène de 0,18 %) et le grade 4 le moins ductile (résistance à la traction la plus élevée avec une teneur en oxygène de 0,40 %). ). Les nuances restantes sont des alliages, chacun conçu pour des propriétés spécifiques de ductilité, de résistance, de dureté, de résistivité électrique, de résistance au fluage, de résistance à la corrosion spécifique et des combinaisons de celles-ci. En plus des spécifications ASTM, des alliages de titane sont également produits pour répondre aux spécifications aérospatiales et militaires (SAE-AMS, MIL-T), aux normes ISO et aux spécifications spécifiques aux pays, ainsi qu'aux spécifications exclusives des utilisateurs finaux pour l'aérospatiale, l'armée, applications médicales et industrielles. La poudre de titane est fabriquée à l’aide d’un processus de production en flux connu sous le nom de processus Armstrong, similaire au processus Hunter de production par lots. Un flux de tétrachlorure de titane gazeux est ajouté à un flux de sodium métallique fondu ; les produits (sel de chlorure de sodium et particules de titane) sont filtrés du sodium supplémentaire. Le titane est ensuite séparé du sel par lavage à l'eau. Le sodium et le chlore sont recyclés pour produire et traiter davantage de tétrachlorure de titane. Tout soudage du titane doit être effectué dans une atmosphère inerte d'argon ou d'hélium pour le protéger de la contamination par les gaz atmosphériques (oxygène, azote et hydrogène). La contamination provoque diverses conditions, telles que la fragilisation, qui réduisent l'intégrité des soudures de l'assemblage et conduisent à une rupture des joints. Un produit plat commercialement pur (tôle, plaque) peut être formé facilement, mais le traitement doit tenir compte du fait que le métal a une « mémoire » et a tendance à rebondir. Cela est particulièrement vrai pour certains alliages à haute résistance. Le titane ne peut pas être soudé sans le pré-plaquer dans un métal soudable. Le métal peut être usiné avec les mêmes équipements et les mêmes procédés que l'acier inoxydable. Le titane est utilisé dans l'acier comme élément d'alliage (ferro-titane) pour réduire la taille des grains et comme désoxydant, et dans l'acier inoxydable pour réduire la teneur en carbone. Le titane est souvent allié à l'aluminium (pour affiner la taille des grains), au vanadium, au cuivre (pour durcir), au fer, au manganèse, au molybdène et à d'autres métaux. Les produits de broyage de titane (feuilles, plaques, barres, fils, pièces forgées, pièces moulées) trouvent des applications dans les marchés industriels, aérospatiaux, récréatifs et émergents. Le titane en poudre est utilisé en pyrotechnie comme source de particules brillantes. Environ 95 % de tout le minerai de titane est destiné au raffinage en dioxyde de titane (), un pigment permanent d'un blanc intense utilisé dans les peintures, le papier, le dentifrice et les plastiques. Il est également utilisé dans le ciment, dans les pierres précieuses, comme opacifiant optique dans le papier et comme agent de renforcement dans les cannes à pêche et les clubs de golf en composite de graphite.  la poudre est chimiquement inerte, résiste à la décoloration au soleil et est très opaque : elle confère une couleur blanche pure et brillante aux produits chimiques bruns ou gris qui constituent la majorité des plastiques ménagers. Dans la nature, ce composé se trouve dans les minéraux anatase, brookite et rutile. La peinture à base de dioxyde de titane résiste bien aux températures extrêmes et aux environnements marins. Le dioxyde de titane pur possède un indice de réfraction très élevé et une dispersion optique supérieure à celle du diamant. En plus d’être un pigment très important, le dioxyde de titane est également utilisé dans les crèmes solaires. En raison de leur rapport résistance à la traction/densité élevé, de leur résistance élevée à la corrosion, de leur résistance à la fatigue, de leur résistance élevée aux fissures et de leur capacité à résister à des températures modérément élevées sans fluage, les alliages de titane sont utilisés dans les avions, les blindages, les navires de guerre, les engins spatiaux et les missiles. Pour ces applications, le titane est allié à l'aluminium, au zirconium, au nickel, au vanadium et à d'autres éléments pour fabriquer une variété de composants, notamment des pièces structurelles critiques, des pare-feu, des trains d'atterrissage, des conduits d'échappement (hélicoptères) et des systèmes hydrauliques. En fait, environ les deux tiers de tout le titane produit sont utilisés dans les moteurs et les châssis d’avions. Le SR-71 « Blackbird » a été l'un des premiers cadres d'avion où le titane a été utilisé, ouvrant la voie à une utilisation beaucoup plus large dans les avions militaires et commerciaux modernes. On estime que 59 tonnes métriques (130 000 livres) sont utilisées dans le Boeing 777, 45 dans le Boeing 747, 18 dans le Boeing 737, 32 dans l'Airbus A340, 18 dans l'Airbus A330 et 12 dans l'Airbus A320. L'Airbus A380 peut utiliser 77 tonnes, dont environ 11 tonnes dans les moteurs. Dans les applications moteurs, le titane est utilisé pour les rotors, les aubes de compresseur, les composants du système hydraulique et les nacelles. L'alliage de titane 6AL-4V représente près de 50 % de tous les alliages utilisés dans les applications aéronautiques. Parce qu'il est très résistant à la corrosion par l'eau de mer, le titane est utilisé pour fabriquer des arbres d'hélice, des gréements et des échangeurs de chaleur dans les usines de dessalement ; radiateurs-refroidisseurs pour aquariums d'eau salée, lignes et bas de ligne de pêche et couteaux de plongée. Le titane est utilisé dans les boîtiers et les composants des dispositifs de surveillance et de contrôle déployés dans les océans à des fins scientifiques et militaires. L’ex-Union soviétique a développé des techniques pour fabriquer des sous-marins dotés de coques en alliages de titane, forgeant le titane dans d’énormes tubes à vide. Les tuyaux soudés en titane et les équipements de traitement (échangeurs de chaleur, réservoirs, cuves de traitement, vannes) sont utilisés dans les industries chimiques et pétrochimiques principalement pour leur résistance à la corrosion. Des alliages spécifiques sont utilisés en fond de trou et dans l'hydrométallurgie du nickel pour leur haute résistance mécanique (ex : alliage de titane Beta C), leur résistance à la corrosion, ou les deux. L'industrie des pâtes et papiers utilise du titane dans les équipements de traitement exposés à des milieux corrosifs, tels que l'hypochlorite de sodium ou le chlore gazeux humide (dans les blanchissages). D'autres applications incluent : le soudage par ultrasons, le brasage à la vague et les cibles de pulvérisation. Le tétrachlorure de titane (TiCl4), un liquide incolore, est important en tant qu'intermédiaire dans le processus de fabrication du TiO2 et est également utilisé pour produire le catalyseur Ziegler-Natta. Le tétrachlorure de titane est également utilisé pour iridiser le verre et, parce qu'il dégage de fortes fumées dans l'air humide, il est utilisé pour fabriquer des écrans de fumée. Le titane métallique est utilisé dans les applications automobiles, en particulier dans les courses automobiles et motocyclistes, où un faible poids ainsi qu'une résistance et une rigidité élevées sont essentiels. Le métal est généralement trop cher pour le marché grand public, bien que certains modèles récents de Corvette aient été fabriqués avec des échappements en titane, et le moteur suralimenté LT4 de la nouvelle Corvette Z06 utilise des soupapes d'admission en titane légères et solides pour une plus grande solidité et résistance à la chaleur. Le titane est utilisé dans de nombreux articles de sport : raquettes de tennis, clubs de golf, manches de bâtons de crosse ; grilles de casque de cricket, de hockey, de crosse, de football, ainsi que cadres et composants de vélos. Bien qu'ils ne soient pas un matériau courant pour la production de vélos, les vélos en titane ont été utilisés par des équipes de course et des cyclistes d'aventure. Les alliages de titane sont utilisés dans les montures de lunettes qui sont plutôt coûteuses mais très durables, légères et ne provoquent aucune allergie cutanée. De nombreux routards utilisent des équipements en titane, notamment des ustensiles de cuisine, des ustensiles de cuisine, des lanternes et des piquets de tente. Bien que légèrement plus chers que les alternatives traditionnelles en acier ou en aluminium, les produits en titane peuvent être nettement plus légers sans compromettre leur résistance. Les fers à cheval en titane sont préférés à l'acier par les maréchaux-ferrants car ils sont plus légers et plus durables. Le titane a parfois été utilisé en architecture. Le mémorial de 40 m (131 pieds) dédié à Youri Gagarine, le premier homme à voyager dans l'espace (), ainsi que le monument de 110 m (360,9 pieds) dédié aux conquérants de l'espace au sommet du musée des cosmonautes de Moscou sont constitués de titane pour la couleur attrayante du métal et son association avec les fusées. Le Musée Guggenheim Bilbao et la Bibliothèque du Millénaire de Cerritos ont été respectivement les premiers bâtiments d'Europe et d'Amérique du Nord à être recouverts de panneaux de titane. Un revêtement en titane a été utilisé dans le bâtiment Frederic C. Hamilton à Denver, Colorado. En raison de sa résistance supérieure et de sa légèreté par rapport aux autres métaux (acier, acier inoxydable et aluminium), et en raison des récents progrès des techniques de travail des métaux, le titane est devenu plus répandu dans la fabrication d'armes à feu. Les utilisations principales incluent les cadres de pistolet et les cylindres de revolver. Pour les mêmes raisons, il est utilisé dans le corps des ordinateurs portables (par exemple, dans la gamme PowerBook d'Apple). Certains outils haut de gamme légers et résistants à la corrosion, tels que les pelles et les lampes de poche, sont fabriqués en titane ou en alliages de titane. En raison de sa durabilité, le titane est devenu plus populaire pour les bijoux de créateurs (en particulier les bagues en titane). Son inertie en fait un bon choix pour les personnes allergiques ou celles qui porteront les bijoux dans des environnements tels que les piscines. Le titane est également allié à l'or pour produire un alliage qui peut être commercialisé sous le nom d'or 24 carats car le 1 % de Ti allié est insuffisant pour exiger une marque moindre. L’alliage obtenu a à peu près la dureté de l’or 14 carats et est plus durable que l’or pur 24 carats. La durabilité, la légèreté, la résistance aux bosses et à la corrosion du titane le rendent utile pour les boîtiers de montres. Certains artistes travaillent le titane pour réaliser des sculptures, des objets de décoration et des meubles. Le titane peut être anodisé pour faire varier l'épaisseur de la couche d'oxyde de surface, provoquant des franges d'interférence optique et une variété de couleurs vives. Avec cette coloration et cette inertie chimique, le titane est un métal populaire pour le perçage corporel. Le titane est peu utilisé dans les pièces et médailles non circulantes. En 1999, Gibraltar a émis la première pièce de monnaie en titane au monde pour la célébration du millénaire. Les Gold Coast Titans, équipe de la ligue australienne de rugby, décernent une médaille de titane pur à leur joueur de l'année. Biocompatibilité du titane : Parce qu'il est biocompatible (non toxique et non rejeté par l'organisme), le titane a de nombreuses utilisations médicales, notamment les instruments et implants chirurgicaux, tels que les boules et les alvéoles de hanche (arthroplastie) et les implants dentaires qui peuvent rester en place pendant jusqu'à 20 ans. Le titane est souvent allié avec environ 4 % d'aluminium ou 6 % d'Al et 4 % de vanadium. Le titane a la capacité inhérente de s’ostéointégrer, ce qui permet son utilisation dans les implants dentaires pouvant durer plus de 30 ans. Cette propriété est également utile pour les applications d'implants orthopédiques. Ceux-ci bénéficient du module d’élasticité plus faible du titane (module de Young) pour correspondre plus étroitement à celui de l’os que ces dispositifs sont destinés à réparer. En conséquence, les charges squelettiques sont réparties plus uniformément entre l'os et l'implant, ce qui entraîne une incidence plus faible de dégradation osseuse due au blindage contre les contraintes et aux fractures osseuses périprothétiques, qui se produisent aux limites des implants orthopédiques. Cependant, la rigidité des alliages de titane est toujours plus de deux fois supérieure à celle de l'os, de sorte que l'os adjacent supporte une charge considérablement réduite et peut se détériorer. Le titane étant non ferromagnétique, les patients porteurs d’implants en titane peuvent être examinés en toute sécurité par imagerie par résonance magnétique (pratique pour les implants à long terme). La préparation du titane pour son implantation dans le corps implique de le soumettre à un arc plasma à haute température qui élimine les atomes de surface, exposant ainsi du titane frais qui est instantanément oxydé. Le titane est également utilisé pour les instruments chirurgicaux utilisés en chirurgie guidée par l'image, ainsi que pour les fauteuils roulants, les béquilles et tout autre produit pour lequel une résistance élevée et un faible poids sont souhaitables. Les nanoparticules de dioxyde de titane sont largement utilisées dans l’électronique et dans la fabrication de produits pharmaceutiques et cosmétiques. En raison de son excellente résistance à la corrosion, les conteneurs en titane ont été étudiés pour le stockage à long terme des déchets nucléaires. Des conteneurs d'une durée de plus de 100 000 ans sont possibles avec des conditions de fabrication qui minimisent les défauts de matériaux. Un « écran anti-goutte » en titane pourrait également être installé sur des conteneurs d'autres types pour améliorer leur longévité. Les espèces fongiques Marasmius oreades et Hypholoma capnoides peuvent bioconvertir le titane dans les sols pollués par le titane. Le titane est non toxique même à fortes doses et ne joue aucun rôle naturel dans le corps humain. Une quantité estimée à 0,8 milligramme de titane est ingérée chaque jour par l’homme, mais la majeure partie passe sans être absorbée par les tissus. Cependant, il se bioaccumule parfois dans les tissus contenant de la silice. Une étude indique un lien possible entre le titane et le syndrome des ongles jaunes. Un mécanisme inconnu chez les plantes pourrait utiliser le titane pour stimuler la production de glucides et favoriser la croissance. Cela peut expliquer pourquoi la plupart des plantes contiennent environ 1 partie par million (ppm) de titane, les plantes alimentaires en contiennent environ 2 ppm et la prêle et l'ortie en contiennent jusqu'à 80 ppm. Sous forme de poudre ou sous forme de copeaux métalliques, le titane métal présente un risque d'incendie important et, lorsqu'il est chauffé à l'air, un risque d'explosion. L'eau et le dioxyde de carbone sont inefficaces pour éteindre un incendie de titane ; Des agents en poudre sèche de classe D doivent être utilisés à la place. Lorsqu’il est utilisé dans la production ou la manipulation de chlore, le titane ne doit pas être exposé au chlore gazeux sec car cela pourrait provoquer un incendie de titane/chlore. Même le chlore humide présente un risque d'incendie lorsque des conditions météorologiques extrêmes provoquent un séchage inattendu. Le titane peut prendre feu lorsqu'une surface fraîche et non oxydée entre en contact avec de l'oxygène liquide. Du métal frais peut être exposé lorsque la surface oxydée est frappée ou rayée avec un objet dur, ou lorsque des contraintes mécaniques provoquent une fissure. Cela pose une limitation à son utilisation dans les systèmes à oxygène liquide, tels que ceux de l’industrie aérospatiale. Étant donné que les impuretés des tubes en titane peuvent provoquer des incendies lorsqu'elles sont exposées à l'oxygène, le titane est interdit dans les systèmes respiratoires à oxygène gazeux. Les tubes en acier sont utilisés pour les systèmes à haute pression (3 000 psi) et les tubes en aluminium pour les systèmes à basse pression.
Le titane est un élément chimique de symbole Ti et de numéro atomique 22. C'est un métal de transition brillant de couleur argentée, de faible densité et de haute résistance. Il est très résistant à la corrosion de l’eau de mer, de l’eau régale et du chlore.
Le titane a été découvert à Cornwall, en Grande-Bretagne, par William Gregor en 1791 et nommé par Martin Heinrich Klaproth en référence aux Titans de la mythologie grecque. L'élément est présent dans un certain nombre de gisements minéraux, principalement le rutile et l'ilménite, qui sont largement répartis dans la croûte terrestre et la lithosphère, et on le trouve dans presque tous les êtres vivants, les roches, les plans d'eau et les sols. Le métal est extrait de ses principaux minerais par les procédés Kroll et Hunter. Le composé le plus courant, le dioxyde de titane, est un photocatalyseur populaire utilisé dans la fabrication de pigments blancs. D'autres composés comprennent le tétrachlorure de titane (TiCl4), un composant des écrans de fumée et des catalyseurs ; et le trichlorure de titane (TiCl3), qui est utilisé comme catalyseur dans la production de polypropylène.
Le titane peut être allié avec du fer, de l'aluminium, du vanadium et du molybdène, entre autres éléments, pour produire des alliages solides et légers pour l'aérospatiale (moteurs à réaction, missiles et engins spatiaux), militaires et industriels (produits chimiques et pétrochimiques, usines de dessalement, pâte et papier), automobile, agroalimentaire, prothèses médicales, implants orthopédiques, instruments et limes dentaires et endodontiques, implants dentaires, articles de sport, bijoux, téléphones portables et autres applications.
Les deux propriétés les plus utiles du métal sont la résistance à la corrosion et le rapport résistance/densité le plus élevé de tous les éléments métalliques. À l’état non allié, le titane est aussi résistant que certains aciers, mais moins dense. Il existe deux formes allotropiques et cinq isotopes naturels de cet élément, du 46Ti au 50Ti, le 48Ti étant le plus abondant (73,8 %). Bien qu'ils aient le même nombre d'électrons de valence et appartiennent au même groupe dans le tableau périodique, le titane et le zirconium diffèrent par de nombreuses propriétés chimiques et physiques.
Caractéristiques
Propriétés physiques
Élément métallique, le titane est reconnu pour son rapport résistance/poids élevé. C'est un métal solide de faible densité, assez ductile (surtout dans un environnement sans oxygène), brillant et de couleur blanc métallique. Le point de fusion relativement élevé (plus de 1 650 °C ou 3 000 °F) le rend utile comme métal réfractaire. Il est paramagnétique et possède une conductivité électrique et thermique assez faible.
Les qualités commerciales de titane (pures à 99,2 %) ont une résistance à la traction ultime d'environ 434 MPa (63 000 psi), égale à celle des alliages d'acier courants de qualité inférieure, mais sont moins denses. Le titane est 60 % plus dense que l'aluminium, mais plus de deux fois plus résistant que l'alliage d'aluminium 6061-T6 le plus couramment utilisé. Certains alliages de titane (par exemple Beta C) atteignent des résistances à la traction supérieures à 1 400 MPa (200 000 psi).
Cependant, le titane perd de sa résistance lorsqu'il est chauffé au-dessus de 430 °C.
Le titane n'est pas aussi dur que certaines qualités d'acier traité thermiquement, il est non magnétique et mauvais conducteur de chaleur et d'électricité. L'usinage nécessite des précautions, car le matériau peut s'écailler si des outils tranchants et des méthodes de refroidissement appropriées ne sont pas utilisés. Comme celles en acier, les structures en titane ont une limite de fatigue qui garantit la longévité dans certaines applications. Les alliages de titane ont moins de rigidité que de nombreux autres matériaux structurels tels que les alliages d'aluminium et la fibre de carbone.
Le métal est un allotrope dimorphique d'une forme hexagonale α qui se transforme en une forme β cubique (réseau) centrée sur le corps à 882 °C. La chaleur spécifique de la forme α augmente considérablement à mesure qu'elle est chauffée jusqu'à cette température de transition, mais diminue ensuite et reste assez constante pour la forme β quelle que soit la température. Semblable au zirconium et au hafnium, il existe une phase oméga supplémentaire, qui est thermodynamiquement stable à haute pression, mais métastable à pression ambiante. Cette phase est généralement hexagonale (idéale) ou trigonale (déformée) et peut être considérée comme étant due à un phonon acoustique longitudinal doux de la phase β provoquant l'effondrement des plans (111) des atomes.
Propriétés chimiques
Comme l’aluminium et le magnésium, le titane et ses alliages s’oxydent immédiatement lorsqu’ils sont exposés à l’air. Le titane réagit facilement avec l'oxygène à 1 200 °C dans l'air et à 610 °C dans l'oxygène pur, formant du dioxyde de titane. Il est cependant lent à réagir avec l'eau et l'air à température ambiante car il forme un revêtement d'oxyde passif qui protège le métal en vrac d'une oxydation ultérieure. Lorsqu'elle se forme pour la première fois, cette couche protectrice n'a qu'une épaisseur de 1 à 2 nm mais continue de croître lentement ; atteignant une épaisseur de 25 nm en quatre ans.
La passivation atmosphérique confère au titane une excellente résistance à la corrosion, presque équivalente à celle du platine, capable de résister aux attaques des acides sulfurique et chlorhydrique dilués, des solutions de chlorure et de la plupart des acides organiques. Cependant, le titane est corrodé par les acides concentrés. Comme l'indique son potentiel rédox négatif, le titane est thermodynamiquement un métal très réactif qui brûle dans une atmosphère normale à des températures inférieures au point de fusion. La fusion n'est possible que dans une atmosphère inerte ou sous vide. A 550 °C, il se combine au chlore. Il réagit également avec les autres halogènes et absorbe l'hydrogène.
Le titane est l'un des rares éléments qui brûle dans l'azote pur, réagissant à 800 °C pour former du nitrure de titane, ce qui provoque une fragilisation. En raison de leur grande réactivité avec l'oxygène, l'azote et certains autres gaz, les filaments de titane sont utilisés dans les pompes à sublimation en titane comme piégeurs de ces gaz. De telles pompes produisent de manière fiable et peu coûteuse des pressions extrêmement basses dans les systèmes à ultra-vide.
Occurrence
Le titane est le neuvième élément le plus abondant dans la croûte terrestre (0,63 % en masse) et le septième métal le plus abondant. Il est présent sous forme d'oxydes dans la plupart des roches ignées, dans les sédiments qui en dérivent, dans les êtres vivants et dans les plans d'eau naturels. Sur les 801 types de roches ignées analysées par le United States Geological Survey, 784 contenaient du titane. Sa proportion dans les sols est d'environ 0,5 à 1,5 %.
Il est largement distribué et se produit principalement dans les minéraux anatase, brookite, ilménite, pérovskite, rutile et titanite (sphène). Parmi ces minéraux, seuls le rutile et l’ilménite ont une importance économique, mais même s’ils sont difficiles à trouver en concentrations élevées. Environ 6,0 et 0,7 millions de tonnes de ces minéraux ont été extraites respectivement en 2011. D'importants gisements d'ilménite contenant du titane existent en Australie occidentale, au Canada, en Chine, en Inde, au Mozambique, en Nouvelle-Zélande, en Norvège, en Ukraine et en Afrique du Sud. Environ 186 000 tonnes d’éponge métallique de titane ont été produites en 2011, principalement en Chine (60 000 t), au Japon (56 000 t), en Russie (40 000 t), aux États-Unis (32 000 t) et au Kazakhstan (20 700 t). Les réserves totales de titane sont estimées à plus de 600 millions de tonnes.
La concentration de Ti est d’environ 4 picomolaires dans l’océan. À 100 °C, la concentration de titane dans l'eau est estimée à moins de 10−7 M à pH 7. L'identité des espèces de titane en solution aqueuse reste inconnue en raison de sa faible solubilité et du manque de méthodes spectroscopiques sensibles, bien que seulement l'état d'oxydation 4+ est stable dans l'air. Il n’existe aucune preuve d’un rôle biologique, même si l’on sait que de rares organismes accumulent de fortes concentrations de titane.
Le titane est contenu dans les météorites et a été détecté dans le Soleil et dans les étoiles de type M (le type le plus froid) avec une température de surface de 3 200 °C. Les roches ramenées de la Lune lors de la mission Apollo 17 sont composées de 12,1 % de TiO2. On le trouve également dans les cendres de charbon, les plantes et même dans le corps humain. Le titane natif (métallique pur) est très rare.
Isotopes
Le titane d'origine naturelle est composé de 5 isotopes stables : 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti et 50Ti, le 48Ti étant le plus abondant (abondance naturelle de 73,8 %). Onze radio-isotopes ont été caractérisés, le plus stable étant le 44Ti avec une demi-vie de 63 ans ; 45Ti, 184,8 minutes ; 51Ti, 5,76 minutes ; et 52Ti, 1,7 minutes. Tous les autres isotopes radioactifs ont une demi-vie inférieure à 33 secondes et la majorité, inférieure à une demi-seconde.
Les isotopes du titane ont un poids atomique compris entre 39,99 u (40Ti) et 57,966 u (58Ti). Le mode de désintégration principal avant l'isotope stable le plus abondant, le 48Ti, est la capture d'électrons et le mode principal après l'émission bêta. Les principaux produits de désintégration avant le 48Ti sont les isotopes de l'élément 21 (scandium) et les produits primaires après sont les isotopes de l'élément 23 (vanadium).
Le titane devient radioactif lors d'un bombardement de deutons, émettant principalement des positrons et des rayons gamma durs.
Composés
L’état d’oxydation +4 domine la chimie du titane, mais les composés à l’état d’oxydation +3 sont également courants. Généralement, le titane adopte une géométrie de coordination octaédrique dans ses complexes, mais le TiCl4 tétraédrique constitue une exception notable. En raison de leur état d’oxydation élevé, les composés du titane (IV) présentent un degré élevé de liaison covalente. Contrairement à la plupart des autres métaux de transition, les complexes aquo simples de Ti(IV) sont inconnus.
Oxydes, sulfures et alcoxydes
L'oxyde le plus important est TiO2, qui existe sous trois polymorphes importants ; anatase, brookite et rutile. Tous ces éléments sont des solides diamagnétiques blancs, bien que les échantillons minéraux puissent paraître sombres (voir rutile). Ils adoptent des structures polymères dans lesquelles Ti est entouré de six ligands oxydes qui se lient à d’autres centres Ti.
Les titanates font généralement référence aux composés de titane (IV), tels que représentés par le titanate de baryum (BaTiO3). De structure pérovskite, ce matériau présente des propriétés piézoélectriques et est utilisé comme transducteur dans l'interconversion du son et de l'électricité. De nombreux minéraux sont des titanates, par ex. ilménite (FeTiO3). Les saphirs étoilés et les rubis tirent leur astérisme (éclat formant des étoiles) de la présence d'impuretés de dioxyde de titane.
Divers oxydes de titane réduits sont connus. Ti3O5, décrit comme une espèce Ti(IV)-Ti(III), est un semi-conducteur violet produit par réduction de TiO2 avec de l'hydrogène à haute température, et est utilisé industriellement lorsque les surfaces doivent être vaporisées avec du dioxyde de titane : il s'évapore sous forme de vapeur. TiO pur, tandis que TiO2 s'évapore sous forme d'un mélange d'oxydes et dépose des revêtements à indice de réfraction variable. On connaît également Ti2O3, à structure corindon, et TiO, à structure sel gemme, bien que souvent non stœchiométriques.
Les alcoolates de titane (IV), préparés en faisant réagir du TiCl4 avec des alcools, sont des composés incolores qui se transforment en dioxyde lors d'une réaction avec l'eau. Ils sont industriellement utiles pour déposer du TiO2 solide via le procédé sol-gel. L'isopropoxyde de titane est utilisé dans la synthèse de composés organiques chiraux via l'époxydation Sharpless.
Le titane forme une variété de sulfures, mais seul le TiS2 suscite un intérêt considérable. Il adopte une structure en couches et a été utilisé comme cathode dans le développement de batteries au lithium. Parce que Ti(IV) est un « cation dur », les sulfures de titane sont instables et ont tendance à s’hydrolyser en oxyde avec libération de sulfure d’hydrogène.
Nitrures, carbures
Le nitrure de titane (TiN) a une dureté équivalente à celle du saphir et du carborundum (9,0 sur l'échelle de Mohs) et est souvent utilisé pour recouvrir les outils de coupe, tels que les forets. Il est également utilisé comme finition décorative de couleur dorée et comme métal barrière dans la fabrication de semi-conducteurs. Le carbure de titane, qui est également très dur, se retrouve dans les outils de coupe et les revêtements.
Halogènes
Le tétrachlorure de titane (chlorure de titane (IV), TiCl4 ) est un liquide volatil incolore (les échantillons commerciaux sont jaunâtres) qui, dans l'air, s'hydrolyse avec une émission spectaculaire de nuages ​​blancs. Via le procédé Kroll, le TiCl4 est produit lors de la conversion des minerais de titane en dioxyde de titane, par exemple pour être utilisé dans la peinture blanche. Il est largement utilisé en chimie organique comme acide de Lewis, par exemple dans la condensation aldolique de Mukaiyama. Dans le procédé van Arkel, du tétraiodure de titane (TiI4) est généré lors de la production de titane métallique de haute pureté.
Le titane (III) et le titane (II) forment également des chlorures stables. Un exemple notable est le chlorure de titane (III) (TiCl3), qui est utilisé comme catalyseur pour la production de polyoléfines (voir catalyseur Ziegler-Natta) et comme agent réducteur en chimie organique.
Complexes organométalliques
En raison du rôle important des composés du titane comme catalyseur de polymérisation, les composés possédant des liaisons Ti-C ont été étudiés de manière intensive. Le complexe organotitanique le plus courant est le dichlorure de titanocène ((C5H5)2TiCl2). Les composés associés comprennent le réactif de Tebbe et le réactif de Petasis. Le titane forme des complexes carbonyle, par ex. (C5H5)2Ti(CO)2.
Histoire
Le titane a été découvert comme une inclusion d'un minéral à Cornwall, en Grande-Bretagne, en 1791 par l'ecclésiastique et géologue amateur William Gregor, alors vicaire de la paroisse de Creed. Il a reconnu la présence d'un nouvel élément dans l'ilménite lorsqu'il a trouvé du sable noir près d'un ruisseau dans la paroisse voisine de Manaccan et a remarqué que le sable était attiré par un aimant. En analysant le sable, il détermina la présence de deux oxydes métalliques : de l'oxyde de fer (expliquant l'attraction de l'aimant) et 45,25 % d'un oxyde métallique blanc qu'il ne parvint pas à identifier. Réalisant que l'oxyde non identifié contenait un métal qui ne correspondait à aucun élément connu, Gregor rapporta ses découvertes à la Royal Geological Society of Cornwall et dans la revue scientifique allemande Crell's Annalen.
À peu près à la même époque, Franz-Joseph Müller von Reichenstein produisait une substance similaire, mais ne parvenait pas à l'identifier. L'oxyde a été redécouvert indépendamment en 1795 par le chimiste prussien Martin Heinrich Klaproth dans le rutile du village de Boinik (nom allemand du lieu inconnu) de Hongrie (aujourd'hui en Slovaquie). Klaproth découvrit qu'il contenait un nouvel élément et lui donna le nom des Titans de la mythologie grecque. Après avoir entendu parler de la découverte antérieure de Gregor, il a obtenu un échantillon de manaccanite et a confirmé qu'il contenait du titane.
Les procédés actuellement connus pour extraire le titane de ses différents minerais sont laborieux et coûteux ; il n'est pas possible de réduire le minerai en chauffant avec du carbone (comme dans la fusion du fer) car le titane se combine au carbone pour produire du carbure de titane. Le titane métallique pur (99,9 %) a été préparé pour la première fois en 1910 par Matthew A. Hunter de l'Institut polytechnique Rensselaer en chauffant du TiCl4 avec du sodium à 700-800 °C sous grande pression dans un procédé discontinu connu sous le nom de procédé Hunter. Le titane métallique n'a été utilisé en dehors du laboratoire qu'en 1932, lorsque William Justin Kroll a prouvé qu'il pouvait être produit en réduisant le tétrachlorure de titane (TiCl4) avec du calcium. Huit ans plus tard, il a affiné ce procédé avec du magnésium et même du sodium dans ce qui est devenu le procédé Kroll. Bien que la recherche se poursuive sur des procédés plus efficaces et moins chers (par exemple FFC Cambridge, Armstrong), le procédé Kroll est toujours utilisé pour la production commerciale.
Du titane de très haute pureté a été fabriqué en petites quantités lorsque Anton Eduard van Arkel et Jan Hendrik de Boer ont découvert le procédé à l'iodure, ou barre de cristal, en 1925, en réagissant avec l'iode et en décomposant les vapeurs formées sur un filament chaud en métal pur.
Dans les années 1950 et 1960, l’Union soviétique a été la première à utiliser le titane dans des applications militaires et sous-marines (classe Alfa et classe Mike) dans le cadre de programmes liés à la guerre froide. À partir du début des années 1950, le titane a été largement utilisé dans l'aviation militaire, en particulier dans les avions à réaction hautes performances, à commencer par des avions tels que le F100 Super Sabre et les Lockheed A-12 et SR-71.
Reconnaissant l'importance stratégique du titane, le département américain de la Défense a soutenu les premiers efforts de commercialisation.
Tout au long de la guerre froide, le titane était considéré comme un matériau stratégique par le gouvernement américain, et un stock important d'éponge de titane était conservé par le Defense National Stockpile Center, qui a finalement été épuisé dans les années 2000. Selon les données de 2006, le plus grand producteur mondial, la société russe VSMPO-Avisma, détenait environ 29 % de la part du marché mondial. Depuis 2015, l’éponge de titane était produite dans six pays : Chine, Japon, Russie, Kazakhstan, États-Unis, Ukraine et Inde. (par ordre de sortie).
En 2006, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) des États-Unis a accordé 5,7 millions de dollars à un consortium composé de deux sociétés pour développer un nouveau procédé de fabrication de poudre de titane métallique. Sous chaleur et pression, la poudre peut être utilisée pour créer des objets solides et légers allant des blindages aux composants destinés aux industries de l'aérospatiale, des transports et de la transformation chimique.
Production et fabrication
Le traitement du titane métallique se déroule en 4 étapes principales : réduction du minerai de titane en « éponge », une forme poreuse ; fusion d'une éponge, ou d'une éponge plus un alliage maître pour former un lingot ; la fabrication primaire, où un lingot est converti en produits d'usine généraux tels que des billettes, des barres, des plaques, des feuilles, des bandes et des tubes ; et la fabrication secondaire de formes finies à partir de produits d'usine.
Parce qu'il ne peut pas être facilement produit par réduction de son dioxyde, le titane métallique est obtenu par réduction de TiCl4 avec du magnésium métallique dans le procédé Kroll. La complexité de cette production par lots dans le procédé Kroll explique la valeur marchande relativement élevée du titane, bien que le procédé Kroll soit moins cher que le procédé Hunter. Pour produire le TiCl4 nécessaire au procédé Kroll, le dioxyde est soumis à une réduction carbothermique en présence de chlore. Dans ce processus, le chlore gazeux passe sur un mélange chauffé au rouge de rutile ou d'ilménite en présence de carbone. Après une purification approfondie par distillation fractionnée, le TiCl4 est réduit avec du magnésium fondu à 800 °C dans une atmosphère d'argon. Le titane métallique peut être purifié davantage par le procédé van Arkel – de Boer, qui implique la décomposition thermique du tétraiodure de titane.
Une méthode de production par lots plus récemment développée, le procédé FFC Cambridge, consomme de la poudre de dioxyde de titane (une forme raffinée de rutile) comme matière première et produit du titane métallique, sous forme de poudre ou d'éponge. Le processus implique moins d'étapes que le processus Kroll et prend moins de temps. Si des poudres d'oxydes mixtes sont utilisées, le produit est un alliage.
Les alliages de titane courants sont fabriqués par réduction. Par exemple, le cuprotitane (le rutile additionné de cuivre est réduit), le titane ferrocarboné (l'ilménite réduite avec du coke dans un four électrique) et le manganotitane (le rutile avec du manganèse ou des oxydes de manganèse) sont réduits.
2 FeTiO3 + 7 Cl2 + 6 C → 2 TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 CO (900 °C)
TiCl4 + 2 Mg → 2 MgCl2 + Ti (1 100 °C)
Environ 50 qualités de titane et d’alliages de titane sont conçues et actuellement utilisées, bien que seulement quelques douzaines soient facilement disponibles dans le commerce. L'ASTM International reconnaît 31 qualités de titane et d'alliages, dont les qualités 1 à 4 sont commercialement pures (non alliées). La résistance à la traction de ces quatre éléments varie en fonction de la teneur en oxygène, le grade 1 étant le plus ductile (résistance à la traction la plus faible avec une teneur en oxygène de 0,18 %) et le grade 4 le moins ductile (résistance à la traction la plus élevée avec une teneur en oxygène de 0,40 %). ). Les nuances restantes sont des alliages, chacun conçu pour des propriétés spécifiques de ductilité, de résistance, de dureté, de résistivité électrique, de résistance au fluage, de résistance à la corrosion spécifique et des combinaisons de celles-ci.
En plus des spécifications ASTM, des alliages de titane sont également produits pour répondre aux spécifications aérospatiales et militaires (SAE-AMS, MIL-T), aux normes ISO et aux spécifications spécifiques aux pays, ainsi qu'aux spécifications exclusives des utilisateurs finaux pour l'aérospatiale, l'armée, applications médicales et industrielles.
La poudre de titane est fabriquée à l’aide d’un processus de production en flux connu sous le nom de processus Armstrong, similaire au processus Hunter de production par lots. Un flux de tétrachlorure de titane gazeux est ajouté à un flux de sodium métallique fondu ; les produits (sel de chlorure de sodium et particules de titane) sont filtrés du sodium supplémentaire. Le titane est ensuite séparé du sel par lavage à l'eau. Le sodium et le chlore sont recyclés pour produire et traiter davantage de tétrachlorure de titane.
Tout soudage du titane doit être effectué dans une atmosphère inerte d'argon ou d'hélium pour le protéger de la contamination par les gaz atmosphériques (oxygène, azote et hydrogène). La contamination provoque diverses conditions, telles que la fragilisation, qui réduisent l'intégrité des soudures de l'assemblage et conduisent à une rupture des joints.
Un produit plat commercialement pur (tôle, plaque) peut être formé facilement, mais le traitement doit tenir compte du fait que le métal a une « mémoire » et a tendance à rebondir. Cela est particulièrement vrai pour certains alliages à haute résistance. Le titane ne peut pas être soudé sans le pré-plaquer dans un métal soudable. Le métal peut être usiné avec les mêmes équipements et les mêmes procédés que l'acier inoxydable.
Applications
Le titane est utilisé dans l'acier comme élément d'alliage (ferro-titane) pour réduire la taille des grains et comme désoxydant, et dans l'acier inoxydable pour réduire la teneur en carbone. Le titane est souvent allié à l'aluminium (pour affiner la taille des grains), au vanadium, au cuivre (pour durcir), au fer, au manganèse, au molybdène et à d'autres métaux. Les produits de broyage de titane (feuilles, plaques, barres, fils, pièces forgées, pièces moulées) trouvent des applications dans les marchés industriels, aérospatiaux, récréatifs et émergents. Le titane en poudre est utilisé en pyrotechnie comme source de particules brillantes.
Pigments, additifs et revêtements
Environ 95 % de tout le minerai de titane est destiné au raffinage en dioxyde de titane (), un pigment permanent d'un blanc intense utilisé dans les peintures, le papier, le dentifrice et les plastiques. Il est également utilisé dans le ciment, dans les pierres précieuses, comme opacifiant optique dans le papier et comme agent de renforcement dans les cannes à pêche et les clubs de golf en composite de graphite.
 la poudre est chimiquement inerte, résiste à la décoloration au soleil et est très opaque : elle confère une couleur blanche pure et brillante aux produits chimiques bruns ou gris qui constituent la majorité des plastiques ménagers. Dans la nature, ce composé se trouve dans les minéraux anatase, brookite et rutile. La peinture à base de dioxyde de titane résiste bien aux températures extrêmes et aux environnements marins. Le dioxyde de titane pur possède un indice de réfraction très élevé et une dispersion optique supérieure à celle du diamant. En plus d’être un pigment très important, le dioxyde de titane est également utilisé dans les crèmes solaires.
Aérospatiale et marine
En raison de leur rapport résistance à la traction/densité élevé, de leur résistance élevée à la corrosion, de leur résistance à la fatigue, de leur résistance élevée aux fissures et de leur capacité à résister à des températures modérément élevées sans fluage, les alliages de titane sont utilisés dans les avions, les blindages, les navires de guerre, les engins spatiaux et les missiles. Pour ces applications, le titane est allié à l'aluminium, au zirconium, au nickel, au vanadium et à d'autres éléments pour fabriquer une variété de composants, notamment des pièces structurelles critiques, des pare-feu, des trains d'atterrissage, des conduits d'échappement (hélicoptères) et des systèmes hydrauliques. En fait, environ les deux tiers de tout le titane produit sont utilisés dans les moteurs et les châssis d’avions. Le SR-71 « Blackbird » a été l'un des premiers cadres d'avion où le titane a été utilisé, ouvrant la voie à une utilisation beaucoup plus large dans les avions militaires et commerciaux modernes. On estime que 59 tonnes métriques (130 000 livres) sont utilisées dans le Boeing 777, 45 dans le Boeing 747, 18 dans le Boeing 737, 32 dans l'Airbus A340, 18 dans l'Airbus A330 et 12 dans l'Airbus A320. L'Airbus A380 peut utiliser 77 tonnes, dont environ 11 tonnes dans les moteurs. Dans les applications moteurs, le titane est utilisé pour les rotors, les aubes de compresseur, les composants du système hydraulique et les nacelles. L'alliage de titane 6AL-4V représente près de 50 % de tous les alliages utilisés dans les applications aéronautiques.
Parce qu'il est très résistant à la corrosion par l'eau de mer, le titane est utilisé pour fabriquer des arbres d'hélice, des gréements et des échangeurs de chaleur dans les usines de dessalement ; radiateurs-refroidisseurs pour aquariums d'eau salée, lignes et bas de ligne de pêche et couteaux de plongée. Le titane est utilisé dans les boîtiers et les composants des dispositifs de surveillance et de contrôle déployés dans les océans à des fins scientifiques et militaires. L’ex-Union soviétique a développé des techniques pour fabriquer des sous-marins dotés de coques en alliages de titane, forgeant le titane dans d’énormes tubes à vide.
Industriel
Les tuyaux soudés en titane et les équipements de traitement (échangeurs de chaleur, réservoirs, cuves de traitement, vannes) sont utilisés dans les industries chimiques et pétrochimiques principalement pour leur résistance à la corrosion. Des alliages spécifiques sont utilisés en fond de trou et dans l'hydrométallurgie du nickel pour leur haute résistance mécanique (ex : alliage de titane Beta C), leur résistance à la corrosion, ou les deux. L'industrie des pâtes et papiers utilise du titane dans les équipements de traitement exposés à des milieux corrosifs, tels que l'hypochlorite de sodium ou le chlore gazeux humide (dans les blanchissages). D'autres applications incluent : le soudage par ultrasons, le brasage à la vague et les cibles de pulvérisation.
Le tétrachlorure de titane (TiCl4), un liquide incolore, est important en tant qu'intermédiaire dans le processus de fabrication du TiO2 et est également utilisé pour produire le catalyseur Ziegler-Natta. Le tétrachlorure de titane est également utilisé pour iridiser le verre et, parce qu'il dégage de fortes fumées dans l'air humide, il est utilisé pour fabriquer des écrans de fumée.
Consommateur et architectural
Le titane métallique est utilisé dans les applications automobiles, en particulier dans les courses automobiles et motocyclistes, où un faible poids ainsi qu'une résistance et une rigidité élevées sont essentiels. Le métal est généralement trop cher pour le marché grand public, bien que certains modèles récents de Corvette aient été fabriqués avec des échappements en titane, et le moteur suralimenté LT4 de la nouvelle Corvette Z06 utilise des soupapes d'admission en titane légères et solides pour une plus grande solidité et résistance à la chaleur.
Le titane est utilisé dans de nombreux articles de sport : raquettes de tennis, clubs de golf, manches de bâtons de crosse ; grilles de casque de cricket, de hockey, de crosse, de football, ainsi que cadres et composants de vélos. Bien qu'ils ne soient pas un matériau courant pour la production de vélos, les vélos en titane ont été utilisés par des équipes de course et des cyclistes d'aventure.
Les alliages de titane sont utilisés dans les montures de lunettes qui sont plutôt coûteuses mais très durables, légères et ne provoquent aucune allergie cutanée. De nombreux routards utilisent des équipements en titane, notamment des ustensiles de cuisine, des ustensiles de cuisine, des lanternes et des piquets de tente. Bien que légèrement plus chers que les alternatives traditionnelles en acier ou en aluminium, les produits en titane peuvent être nettement plus légers sans compromettre leur résistance. Les fers à cheval en titane sont préférés à l'acier par les maréchaux-ferrants car ils sont plus légers et plus durables.
Le titane a parfois été utilisé en architecture. Le mémorial de 40 m (131 pieds) dédié à Youri Gagarine, le premier homme à voyager dans l'espace (), ainsi que le monument de 110 m (360,9 pieds) dédié aux conquérants de l'espace au sommet du musée des cosmonautes de Moscou sont constitués de titane pour la couleur attrayante du métal et son association avec les fusées. Le Musée Guggenheim Bilbao et la Bibliothèque du Millénaire de Cerritos ont été respectivement les premiers bâtiments d'Europe et d'Amérique du Nord à être recouverts de panneaux de titane. Un revêtement en titane a été utilisé dans le bâtiment Frederic C. Hamilton à Denver, Colorado.
En raison de sa résistance supérieure et de sa légèreté par rapport aux autres métaux (acier, acier inoxydable et aluminium), et en raison des récents progrès des techniques de travail des métaux, le titane est devenu plus répandu dans la fabrication d'armes à feu. Les utilisations principales incluent les cadres de pistolet et les cylindres de revolver. Pour les mêmes raisons, il est utilisé dans le corps des ordinateurs portables (par exemple, dans la gamme PowerBook d'Apple).
Certains outils haut de gamme légers et résistants à la corrosion, tels que les pelles et les lampes de poche, sont fabriqués en titane ou en alliages de titane.
Bijoux
En raison de sa durabilité, le titane est devenu plus populaire pour les bijoux de créateurs (en particulier les bagues en titane). Son inertie en fait un bon choix pour les personnes allergiques ou celles qui porteront les bijoux dans des environnements tels que les piscines. Le titane est également allié à l'or pour produire un alliage qui peut être commercialisé sous le nom d'or 24 carats car le 1 % de Ti allié est insuffisant pour exiger une marque moindre. L’alliage obtenu a à peu près la dureté de l’or 14 carats et est plus durable que l’or pur 24 carats.
La durabilité, la légèreté, la résistance aux bosses et à la corrosion du titane le rendent utile pour les boîtiers de montres. Certains artistes travaillent le titane pour réaliser des sculptures, des objets de décoration et des meubles.
Le titane peut être anodisé pour faire varier l'épaisseur de la couche d'oxyde de surface, provoquant des franges d'interférence optique et une variété de couleurs vives. Avec cette coloration et cette inertie chimique, le titane est un métal populaire pour le perçage corporel.
Le titane est peu utilisé dans les pièces et médailles non circulantes. En 1999, Gibraltar a émis la première pièce de monnaie en titane au monde pour la célébration du millénaire. Les Gold Coast Titans, équipe de la ligue australienne de rugby, décernent une médaille de titane pur à leur joueur de l'année.
Médical
Biocompatibilité du titane : Parce qu'il est biocompatible (non toxique et non rejeté par l'organisme), le titane a de nombreuses utilisations médicales, notamment les instruments et implants chirurgicaux, tels que les boules et les alvéoles de hanche (arthroplastie) et les implants dentaires qui peuvent rester en place pendant jusqu'à 20 ans. Le titane est souvent allié avec environ 4 % d'aluminium ou 6 % d'Al et 4 % de vanadium.
Le titane a la capacité inhérente de s’ostéointégrer, ce qui permet son utilisation dans les implants dentaires pouvant durer plus de 30 ans. Cette propriété est également utile pour les applications d'implants orthopédiques. Ceux-ci bénéficient du module d’élasticité plus faible du titane (module de Young) pour correspondre plus étroitement à celui de l’os que ces dispositifs sont destinés à réparer. En conséquence, les charges squelettiques sont réparties plus uniformément entre l'os et l'implant, ce qui entraîne une incidence plus faible de dégradation osseuse due au blindage contre les contraintes et aux fractures osseuses périprothétiques, qui se produisent aux limites des implants orthopédiques. Cependant, la rigidité des alliages de titane est toujours plus de deux fois supérieure à celle de l'os, de sorte que l'os adjacent supporte une charge considérablement réduite et peut se détériorer.
Le titane étant non ferromagnétique, les patients porteurs d’implants en titane peuvent être examinés en toute sécurité par imagerie par résonance magnétique (pratique pour les implants à long terme). La préparation du titane pour son implantation dans le corps implique de le soumettre à un arc plasma à haute température qui élimine les atomes de surface, exposant ainsi du titane frais qui est instantanément oxydé.
Le titane est également utilisé pour les instruments chirurgicaux utilisés en chirurgie guidée par l'image, ainsi que pour les fauteuils roulants, les béquilles et tout autre produit pour lequel une résistance élevée et un faible poids sont souhaitables.
Les nanoparticules de dioxyde de titane sont largement utilisées dans l’électronique et dans la fabrication de produits pharmaceutiques et cosmétiques.
Stockage des déchets nucléaires
En raison de son excellente résistance à la corrosion, les conteneurs en titane ont été étudiés pour le stockage à long terme des déchets nucléaires. Des conteneurs d'une durée de plus de 100 000 ans sont possibles avec des conditions de fabrication qui minimisent les défauts de matériaux. Un « écran anti-goutte » en titane pourrait également être installé sur des conteneurs d'autres types pour améliorer leur longévité.
Bioremédiation
Les espèces fongiques Marasmius oreades et Hypholoma capnoides peuvent bioconvertir le titane dans les sols pollués par le titane.
Précautions
Le titane est non toxique même à fortes doses et ne joue aucun rôle naturel dans le corps humain. Une quantité estimée à 0,8 milligramme de titane est ingérée chaque jour par l’homme, mais la majeure partie passe sans être absorbée par les tissus. Cependant, il se bioaccumule parfois dans les tissus contenant de la silice. Une étude indique un lien possible entre le titane et le syndrome des ongles jaunes. Un mécanisme inconnu chez les plantes pourrait utiliser le titane pour stimuler la production de glucides et favoriser la croissance. Cela peut expliquer pourquoi la plupart des plantes contiennent environ 1 partie par million (ppm) de titane, les plantes alimentaires en contiennent environ 2 ppm et la prêle et l'ortie en contiennent jusqu'à 80 ppm.
Sous forme de poudre ou sous forme de copeaux métalliques, le titane métal présente un risque d'incendie important et, lorsqu'il est chauffé à l'air, un risque d'explosion. L'eau et le dioxyde de carbone sont inefficaces pour éteindre un incendie de titane ; Des agents en poudre sèche de classe D doivent être utilisés à la place.
Lorsqu’il est utilisé dans la production ou la manipulation de chlore, le titane ne doit pas être exposé au chlore gazeux sec car cela pourrait provoquer un incendie de titane/chlore. Même le chlore humide présente un risque d'incendie lorsque des conditions météorologiques extrêmes provoquent un séchage inattendu.
Le titane peut prendre feu lorsqu'une surface fraîche et non oxydée entre en contact avec de l'oxygène liquide. Du métal frais peut être exposé lorsque la surface oxydée est frappée ou rayée avec un objet dur, ou lorsque des contraintes mécaniques provoquent une fissure. Cela pose une limitation à son utilisation dans les systèmes à oxygène liquide, tels que ceux de l’industrie aérospatiale. Étant donné que les impuretés des tubes en titane peuvent provoquer des incendies lorsqu'elles sont exposées à l'oxygène, le titane est interdit dans les systèmes respiratoires à oxygène gazeux. Les tubes en acier sont utilisés pour les systèmes à haute pression (3 000 psi) et les tubes en aluminium pour les systèmes à basse pression.