TITANIO
Nombre: Titanio (del nombre de los Titanes de la mitología griega)
Símbolo: Ti
Grupo: 4
Período: 4
Bloque: d
Categoría: Metales de transición
Número atómico: 22
Masa atómica: 47,867 u
Electrones por capa: 2, 8, 10, 2
Electronegatividad: 1,54
Densidad: 4,507 gr/cc
Punto de Fusión: 1668ºC
Punto de Ebullición: 3287ºC
Conductividad Térmica: 22 W (m·K)
Conductividad Eléctrica: 2,5 × 10^6 S/m
Orden Magnético:
Estado Ordinario: Sólido
Estados de Oxidación:
Dureza Mohs: 6
Dureza Vickers: 970 MPa
Dureza Brinell: 715 MPa
Isótopos más estables: Ti-46 (8,25%), Ti-47 (7,44%), Ti-48 (73,72%), Ti-49 (5,41%), Ti-50 (5,18%)
Descubridor: Jöns Jakob Berzelius, sueco (1825)
Breve historia del elemento
En 1791, el clérigo y gemólogo inglés William Gregor (25 de diciembre de 1761 – 11 de junio de 1817) descubrió el compuesto Titania (dióxido de Titanio: TiO2) en forma de polvo tras separarlo químicamente de un mineral que también contenía “arena negra” (black sand) típica de los minerales de Hierro, la cual pudo identificar al atraerlas con un imán, sin embargo, no pudo hacer lo mismo con el polvo blanco resultante de la separación de ambos óxidos. Se atribuye a este señor el descubrimiento del elemento si bien no lo bautizó ni logró aislarlo. El nombre le viene de los Titanes de la Mitología Griega; fue llamado así en 1795 por el químico Prusiano (en la actualidad correspondiente a Alemania) Martin Heinrich Klaproth (1 de diciembre de 1793 – 1 de enero de 1817) en alusión a los seres folklóricos que preceden a los Dioses Olímpicos cronológicamente, si bien tampoco Klaproth consiguió aislarlo, quedó determinado que el polvo, hasta entonces irreducible, contenía un nuevo elemento que tardaría muchos años en ser aislado por primera vez.
Klaproth también ostenta el honor de ser el primer hombre en demostrar que el Rutilo (mineral) era la forma natural del compuesto que Gregor había identificado cuatro años antes, en 1791.
El Titanio, o mejor dicho, el Dióxido de Titanio permanecería como una mera curiosidad durante nada más y nada menos que más de un siglo hasta que en 1910 el metalúrgico Estadounidense Matthew Gregor (1878 - 1961) lograría obtener Titanio de gran pureza (99,9%) mediante un método que curiosamente, aún a día de hoy se sigue usando, aunque el proceso Kroll es más popular.
William Justin Kroll (24 de noviembre de 1889 – 30 de marzo de 1973), metalúrgico luxemburgués, desarrolló el método que lleva su apellido en 1932 y puso esta vez sí, al Titanio en manos del público. Si bien Gregor lo había aislado doce años antes, la cantidad que lograba obtener con su procedimiento era menor en comparación al método de Kroll, que curiosamente, no ha variado mucho hasta nuestros días. De hecho, si le pregunta a un metalúrgico entendido en la materia cómo se llama el proceso para obtener Titanio, seguramente le dirá “Método Kroll”.
El motivo por el cual el Titanio se demoró tanto en ser descubierto reside en su naturaleza química: es un elemento muy, muy reactivo, que necesita de una atmósfera inerte y la presencia de un metal de sacrificio (normalmente Magnesio) para liberar oxígeno, de otro modo, es imposible obtener el metal e incluso después de su obtención, lo que tenemos es una “esponja” del mismo que debe ser procesada por última vez para darle la forma deseada.
El Titanio no se puede obtener como los metales tradicionales (Hierro, Níquel, Cobre) por reducción con carbono debido a que formaría Carburo de Titanio. Si calentásemos el Carburo en presencia de Oxígeno, volvería a formarse Dióxido de Titanio y así sucesivamente. Otra desventaja del metal es que a diferencia de la gran mayoría de metales comunes, absorbe grandes cantidades de nitrógeno (formando TiN – Nitruro de Titanio), por lo que su extracción es muy costosa. Gasta mucho combustible y emplea materiales de sacrificio (Magnesio, Calcio puro, Aluminio) que son caros en comparación a otras alternativas.
El Titanio metálico es caro debido no a su abundancia (es fácil de obtener) sino a que es difícil de purificar. Sino fuese así, hace muchos años que hubiese reemplazado al acero inoxidable y a otras aleaciones similares y ya hubiésemos entrado en la “Edad del Titanio”, pero seguimos en la del Hierro, y probablemente así sea durante muchas décadas, quién sabe si siglos.
Características principales
Es un metal de transición ligero, fuerte y muy resistente a la corrosión. De color opaco incluso si pulido y en estado de máxima pureza, bastante duro y sin embargo, maleable y dúctil. A diferencia de otros metales bases se obtiene con dificultad y su extracción es problemática debido a que reacciona fuertemente con el Oxígeno, Carbono y para colmo, Nitrógeno. El metal es abundante en la corteza terrestre y se suele encontrar frecuentemente asociado con minerales que contengan hierro, níquel, manganeso, magnesio y/o Aluminio. En las rocas volcánicas se encuentra en pequeñas trazas, el mineral principal es el Rutilo, con fórmula TiO, produce una amplia gama de colores según las impurezas presentes en masa.
Tiene la relación fuerza – peso más elevado de todos los metales en estado puro, es decir, sin alear, el Titanio elemental es gramo por gramo el metal más fuerte. Junto a su tenacidad, módulo de elasticidad, ductilidad y maleabilidad podemos sumar a su amplio repertorio de virtudes una excelente resistencia a la corrosión (incluso en agua de mar durante prolongados períodos de tiempo) así como una resistencia térmica superior al acero común. El precio de los minerales de Titanio no son inaccesibles (de hecho es un metal muy abundante) pero el proceso de extracción y purificación del elemento es muy largo y costoso ya que entre otras cosas consume otros metales, también caros, que se utilizan como metales de sacrificio para la obtención del Titanio metálico.
Debido a su afinidad con el Oxígeno, Carbono, Nitrógeno y otros elementos químicos, el alto más grado de pureza a nivel comercial sólo llega a los tres “nueves” (99,9%).
El precio del Titanio aún a día de hoy continúa siendo demasiado elevado como para substituir a los metales más tradicionales como el Acero Inoxidable y el Aluminio, no obstante, dicho precio ha dismunido con el paso de las décadas debido al desarrollo de nuevas técnicas para obtenerlo, si bien el proceso original (método Kroll) no ha variado mucho.
Como curiosidad cabe destacar que el Nitruro, el Carburo y el Óxido de Titanio son con mucha diferencia más fáciles de obtener que el metal en estado puro. Los tres compuestos son de gran importancia a nivel industrial.
Resistencia a la corrosión
El Titanio comercialmente puro (grados 1 y 2) es prácticamente igual de resistente a la corrosión que el Tántalo o incluso el Platino, a temperatura ambiente, lo cual son palabras mayores. Resiste ácidos oxidantes y reductores por igual, y es especialmente resistente a la corrosión tipo “pitting” causada por el Ion Cloro, la pesadilla de cualquier acero inoxidable, incluso los más caros.
En estado pulvurento es inflamable y arde con violencia, pero el metal “en bruto” es prácticamente inerte. Resiste todos los ácidos (excepto, cómo no, el Fluorhídrico) y también los álcalis. Incluso el Agua Regia, famosa por disolver al rey de los metales (Oro), tiene un efecto apenas visible en una pieza de Titanio de alta pureza.
Resiste en agua dulce y lo que es más importante, salada, no importa cuánto tiempo se exponga al contacto de la misma: retendrá su lustre y no se verá afectado por los cambios de temperatura o detalles que en otros metales sí son importantes, como por ejemplo si el agua es estanca o “aireada” es decir, que fluye.
La resistencia del metal a la corrosión es buena hasta los 400 Cº, aproximadamente. A partir de esta temperatura comienza a oxidarse, y en presencia de Cloro elemental (gaseoso o líquido) produce los respectivos cloruros. Como la mayoría de metales, es débil frente al Flúor elemental y sus combinaciones; se producen ataques rápidos, devastadores. No obstante, el metal se considera inerte incluso durante décadas de exposición ininterrumpida a substancias agresivas, por lo que se puede llegar a usar en laboratorio para la manipulación de substancias químicas particularmente agresivas.
La razón de la resistencia extrema del Titanio es explicada por el fenómeno de pasivación que también encontramos en otros metales parecidos como el Aluminio, el Magnesio, el Vanadio, el Cromo y el resto de metales refractorios, es decir, mediante la formación superficial de una capa de óxido pasiva que a diferencia del Hierro, se mantiene firme en la “piel” del metal y evita el avance del Oxígeno dentro de la masa interna del metal. La capa que forma el Titanio es muy robusta y difícil de remover, por lo que es muy estable. Su composición química es TiO, de gran pureza.
Esta película pasivadora es muy útil ya que no sufre con el Ion Cloro por lo que resiste en agua de mar (un dato importantísimo a tener en cuenta) y tampoco es soluble por el cuerpo humano, es decir, el Titanio puro (o algunas de sus aleaciones) se pueden usar en implantes debido a que el metal no es “digerible” por el organismo. Ninguna substancia química producida por el cuerpo humano puede disolver la capa de TiO, lo cual habilita el uso del metal en prótesis de todo tipo.
Otro aspecto que debo mencionar es que dicha capa pasivadora aumenta de grosor con el paso de los años. El volumen máximo en estado natural es de 25 nanómetros después de cuatro años aunque se puede aumentar artificialmente mediante anodización (similar al Aluminio).
Usos típicos
Es un metal extraordinario, y prueba de ello son las aplicaciones en las que se utiliza. Se puede usar puro o aleado, dependiendo de las propiedades que se busquen.
En la metalurgia tradicional no se utiliza mucho en estado puro (o aleado) ya que es muy caro y a menos que se busque una combinación de peso ligero con una excelente resistencia a la corrosión, se suelen utilizar metales más baratos y asequibles como el Acero, el Aluminio o el Acero Inoxidable. A pesar de esto, sí se usan sus compuestos. El Nitruro de Titanio se utiliza para recubrir las puntas de algunas brocas ya que es muy duradero y tiene mejor rendimiento que el Acero Rápido (HSS) normal, pero como estamos hablando del metal en estado puro, centrémonos en sus usos principales:
Para la fabricación de componentes de aeronáutica: motores, pistones, válvulas, turbinas, colectores, tubos de escape, catalizadores. Para partes estructurales en aviones de élite como los utilizados por Estados Unidos, se fabrican aereonaves con este metal (más concretamente con su aleación principal TiAl6V4), el chasis del avión y su “carrocería” es decir, lo que es el avión al fin y al cabo pieza por pieza, explotando la baja densidad del metal, que es el doble a la del Aluminio pero varias veces más fuerte que éste último y puede “sobrevivir” en temperaturas extremas; para la fabricación de cohetes espaciales, sondas, radares, satélites, etc. En la NASA lo utilizan muchísimo; es superior al Aluminio pero como ya he dicho es muy caro y lo que es más importante, es caro “darle forma”.
Para la fabricación de barcos, submarinos de élite... La Unión Soviética lo utilizó para la fabricación de su flota de élite (Clase Miguel y Clase Alfa) que podían operar bajo el mar durante meses, incluso años. Para motores en barcos especiales, rotores en helicópteros, en la industria automovilística para la fabricación de unidades de élite, de nuevo: motores, catalizadores, colectores, sistemas de cambio, sistemas de admisión, ejes, etc... es muy polivalente, fuerte y duradero. Apenas requiere mantenimiento.
En la Fórmula 1, en los coches para Rallies, para la fabricación de bicicletas de competición (son más pesadas que las de Aluminio y Aluminio-Magnesio pero mucho más fuertes).
En el deporte se utiliza para fabricar Raquetas de Tennis, Bádminton, Squash, etc.
Cabezas de palo de golf (curiosamente se siguen llamando “hierros” de golf), también se puede encontrar en forma de virutas en algunos neumáticos especiales para bicicletas de montaña ya que aumentan el “drag” (el agarre) de los mismos, picos para escaladores, para fabricar las puntas de los palos de los esquiadores, etc... se utiliza como reemplazo del Aluminio y/o del Acero.
En la industria armamentística
Drones de élite, fusiles ligeros y más fuertes que los tradicionales, ametralladoras, pistolas, cuchillos tácticos, cuchillos para submarinistas (ya que resiste en agua de mar, el acero grado 440 no), cuchillos para paracaidistas, etc. Es muy importante en este sector. Estados Unidos, la OTAN, Rusia y China tienen grandes reservas del metal en forma de “esponja” (metal puro, en bruto) en caso de “necesidad”, eventos que esperemos no sucedan nunca.
En medicina y estética
Para la fabricación de implantes en vértebras, costillas, caderas, rótulas... en realidad, prácticamente cualquier hueso puede ser fabricado en este metal e implantado a modo de reemplazo del hueso natural ya que el cuerpo lo “acepta” y no lo ataca, simplemente porque no puede metabolizarlo, no puede “degradarlo”. ¿Conocéis a Frank Cuesta, el famoso serpentólogo español? Tiene un implante de Titanio en su pierna. Si eres futbolero, seguro que conoces el nombre de Franceso Totti, legendario capitán de la Roma. Pues bien, te sorprenderá saber que desde hace muchos años este magnífico jugador está ejerciendo su oficio con una prótesis de tamaño considerable en una de sus piernas. Es bastante increíble y digno de admirar. Imaginaos cómo tiene que ser el jugar en una Liga como la Italiana y ser un Icono con una pierna de metal. Desde aquí, ma respetto, capitano.
Para la fabricación de piercings: se fabrican con el Titanio todo tipo de Piercings desde los Barbells hasta los que se injertan dentro de la piel. Son superiores a los de acero quirúrjico (AISI 316L), pero algo más caros. Se pueden colorear mediante anodización.
También se fabrican algunos móviles, consolas (videojuegos) y portátiles (Laptops) como las fabricadas por la marca de la manzana (no menciono el nombre comercial para evitar sanciones).
Curiosamente, no se utiliza, por ejemplo, en el sector nuclear debido a que no resiste bien el impacto de neutrones rápidos y se vuelve muy radiactivo ante la exposición de este tipo. Se prefiere el Acero y el Acero Inoxidable con mezcla de Cromo y Níquel.
Joyería
El Titanio se está poniendo cada vez más de moda y el precio de las joyas hechas con este metal cada vez es más bajo y accesible. Se fabrican anillos, brazaletes, colgantes y más raramente, cadenas con este metal. Son muy caras, aunque menos que el Carburo de Wolframio o aquellas con base de Cobalto, que son más caras que la Plata. La resistencia a la corrosión es excelente y duran toda una vida. Son duras, fuertes y ligeras: sólo se romperán si así lo decides tú. Mientras escribo esto debo aclarar que lo hago con una alianza de Titanio plana colgada al cuello con un cordón negro de cuero. A lo Frodo Bolsón, vamos.
Miscelánea
El Titanio es el metal del futuro, sin embargo no puedo evitar sentir que aún lo estamos descubriendo, más hemos aprendido a valorar sus grandes virtudes. Son tantas sus ventajas en comparación a sus desventajas que es una verdadera lástima que no podamos utilizarlo a mayor escala. Afortunadamente, es muy abundante, y la ciencia sigue trabajando arduamente para buscar métodos de fabricación más económicos que los actuales.
Es un metal importante a nivel simbólico o incluso moral desde mi punto de vista ya que ha salvado muchas vidas, literalmente. ¿Cuánta gente no habrás conocido que tengan implantes hechos con este metal? El Titanio les ha ayudado a llevar su vida y salud de mejor manera.
Ahora, algunas curiosidades sobre el elemento:
Si bien Marte debe su apariencia “roja” a la abundante presencia de óxidos de Hierro, el color argénteo de la Luna se debe a la alta presencia de Óxidos de Aluminio, Hierro y Titanio. Rocas extraídas del Satélite en la famosísima misión Apolo contenían hasta un 12% de TiO.
Es tan abundante que virtualmente todas las rocas ígneas lo contienen, al menos en un 2-5%.
Su presencia, junto al Hierro, hace que el Zafiro sea azul. Si en lugar de Titanio hubiese sólo Hierro, el color sería verde o probablemente amarillo. El Rubí, que básicamente tiene la misma composición química que el Zafiro (Al2O3) debe su color al Cromo.
El Titanio aparece en muchas películas de ciencia ficción como el metal del futuro. En efecto, dichas “profecías” se han cumplido hasta el día de hoy: es el metal que llevará a la raza humana al siguiente nivel. Sólamente con el será posible dominar el espacio o incluso conquistar Marte eventualmente.
La espada de Blade el caza-vampiros afroamericano interpretado por Wesley Snipes que es además un personaje de cómic (aunque las películas son más famosas) está hecha de Titanio. Con ella ha rebanado muchas cabezas vampíricas. Me hace gracia porque el Titanio era desconocido completamente en la época en la que se creía cierta la existencia de dichos seres y no existe ningún libro que lo mencione, es decir, de existir, los vampiros serían inmunes al Titanio. Sólamente la Plata les haría daño. Lo cual nos lleva a una segunda anécdota. En una de las películas de Jet Li el objetivo es buscar balas de Titanio o algo así para poder matar a un tío que era inmortal... realmente no me acuerdo. Esto en la práctica es una tontería ya que aunque es posible fabricar balas de Titanio debido a su ligereza tendrían poca capacidad de perforación.
El traje de ese personaje de esa compañía de cómics tan famosa está hecha (dentro de la fantasía, claro) de una supuesta aleación de Titanio y Oro. Sólo por diversión, yo mismo investigué la posibilidad de que esto fuera factible en la vida real.
Si os dáis cuenta, en la primera entrega de la hasta ahora trilogía del personaje, cuando el vuela muy alto intentando medir el límite de su traje veréis cómo éste comienza a congelarse y el software interno del traje “muere” durante segundos, dejando al hombre en el vacío, inerte como un peso muerto que cae. Este detalle me gustó mucho ya que en cierto modo responde a la realidad: los aviones comerciales de duraluminio o cualquier aleación con base de Acero se enfriarían de tal modo a esas alturas (miles de metros sobre el nivel del mar) que básicamente dejarían de funcionar, se volverían tan rígidas que supondrían un serio problema. La solución que da el personaje cuyo nombre no voy a mentar por razones de Copyright es crear una aleación de Oro y Titanio que resista dichas altitudes ya que el Oro es un metal de naturaleza austenítica, blando dúctil y maleable que no se ve afectado por el frío mientras que el Titanio es un metal de naturaleza fuerte, dura y resistente a altas temperaturas. La aleación teórica de 80% Oro, 20% Titanio o lo que es lo mismo un compuesto de fórmula AuTi (con una relación de 1:1 es decir un átomo de Oro por cada átomo de Titanio) podría responder a las características de la aleación ficticia que vemos en la película, no obstante, semejante cantidad de Titanio volvería al Oro demasiado frágil y lo que es más importante, no compensaría su simple fabricación debido al hecho de que se pueden lograr mejores combinaciones con otros metales, como el Níquel o el Cobalto. Para la extrema resistencia del traje a los impactos, tiros y explosiones constantes sólo puedo que pensar en alguna aleación con base de Hierro y Níquel con algunos metales refractorios como el Wolframio, el Renio o el Iridio ya que el Oro es demasiado blando como para soportar semejante fogueo.