Le titane a été découvert en Cornouailles, en Grande-Bretagne, par William Gregor en 1791 et a été nommé par Martin Heinrich Klaproth d’après les Titans de la mythologie grecque. L’élément se trouve dans un certain nombre de gisements minéraux, principalement le rutile et l’ilménite, qui sont largement répartis dans la croûte terrestre et la lithosphère; on le trouve dans presque tous les êtres vivants, ainsi que dans les plans d’eau, les roches et les sols. Le métal est extrait de ses principaux minerais par les procédés Kroll et Hunter. Le composé le plus commun, le dioxyde de titane, est un photocatalyseur populaire et est 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), les processus militaires et industriels (produits chimiques et pétrochimiques, usines de dessalement, pâtes et papiers), l’automobile, l’agriculture (agriculture), les prothèses médicales, les implants orthopédiques, les instruments et dossiers dentaires et endodontiques, les implants dentaires, les articles de sport, les bijoux, les téléphones mobiles, et d’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. Dans son état non allié, le titane est aussi résistant que certains aciers mais moins dense. Il existe deux formes allotropes et cinq isotopes naturels de cet élément, 46Ti à 50Ti, le 48Ti étant le plus abondant (73,8%).
Propriétés physiques
En tant que métal, le titane est reconnu pour son rapport résistance/poids élevé. C’est un métal fort avec une faible densité qui est assez ductile (surtout dans un environnement sans oxygène), brillant et de couleur blanc métallique. Le point de fusion relativement élevé (1 668 °C ou 3 034 °F) le rend utile comme métal réfractaire. Il est paramagnétique et a une conductivité électrique et thermique assez faible par rapport aux autres métaux. Le titane est supraconducteur lorsqu’il est refroidi en dessous de sa température critique de 0,49 K.
Les nuances de titane commercialement pures (99,2 % pures) ont la résistance à la traction ultime d’environ 434 MPa (63 000 psi), égale à celle des alliages d’acier courants de faible qualité, 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 (p. ex. Beta C) atteignent des résistances à la traction de plus de 1 400 MPa (200 000 psi). Cependant, le titane perd de sa résistance lorsqu’il est chauffé au-dessus de 430 °C (806 °F).
Le titane n’est pas aussi dur que certaines nuances d’acier traité thermiquement; il est non magnétique et un mauvais conducteur de chaleur et d’électricité. L’usinage nécessite des précautions car le matériau peut s’emballer à moins que des outils tranchants et des méthodes de refroidissement appropriées ne soient utilisés. Comme les structures en acier, celles en titane ont une limite de fatigue qui garantit la longévité dans certaines applications.
Le métal est un allotrope dimorphe d’une forme hexagonale α qui se transforme en un cubique centré sur le corps (réseau) β forme à 882 ° C (1 620 ° F). La chaleur spécifique de la forme α augmente considérablement à mesure qu’elle est chauffée à cette température de transition, mais diminue ensuite et reste assez constante pour la forme β quelle que soit la température.
Propriétés chimiques
Comme l’aluminium et le magnésium, la surface du titane métal et de ses alliages s’oxyde immédiatement après l’exposition à l’air pour former une fine couche de passivation non poreuse qui protège le métal en vrac de l’oxydation ou de la corrosion. Lors de sa première formation, cette couche protectrice n’a que 1 à 2 nm d’épaisseur, mais elle continue de croître lentement, atteignant une épaisseur de 25 nm en quatre ans. Cette couche confère au titane une excellente résistance à la corrosion, presque équivalente au platine.
Le titane est 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 des acides concentrés. Comme l’indique son potentiel redox 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 dans le vide. À 550 °C (1 022 °F), il se combine avec le chlore. Il réagit également avec les autres halogènes et absorbe l’hydrogène.
Le titane réagit facilement avec l’oxygène à 1 200 °C (2 190 °F) dans l’air et à 610 °C (1 130 °F) dans l’oxygène pur, formant du dioxyde de titane. Le titane est l’un des rares éléments qui brûlent dans l’azote gazeux pur, réagissant à 800 ° C (1 470 ° F) pour former du nitrure de titane, ce qui provoque une fragilisation. En raison de sa forte réactivité avec l’oxygène, l’azote et de nombreux autres gaz, le titane qui est évaporé des filaments est la base des pompes de sublimation en titane, dans lesquelles le titane sert de piégeur pour ces gaz en se liant chimiquement à eux. De telles pompes produisent à peu de frais des pressions extrêmement basses dans les systèmes à vide ultra-poussé.
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 sont dérivés, dans les êtres vivants et dans les plans d’eau naturels. Sur les 801 types de roches ignées analysées par l’United States Geological Survey, 784 contenaient du titane. Sa proportion dans les sols est d’environ 0,5 à 1,5%.
Les minéraux courants contenant du titane sont l’anatase, la brookite, l’ilménite, la pérovskite, le rutile et la titanite (sphène). L’akaogiite est un minéral extrêmement rare constitué de dioxyde de titane. Parmi ces minéraux, seuls le rutile et l’ilménite ont une importance économique, mais même ils sont difficiles à trouver à des concentrations élevées. Environ 6,0 et 0,7 million de tonnes de ces minéraux ont été extraites en 2011, respectivement. D’importants gisements d’ilménite contenant du titane existent dans l’ouest de l’Australie, au Canada, en Chine, en Inde, au Mozambique, en Nouvelle-Zélande, en Norvège, en Sierra Leone, en Afrique du Sud et en Ukraine. Environ 210 000 tonnes d’éponges métalliques en titane ont été produites en 2020, principalement en Chine (110 000 t), au Japon (50 000 t), en Russie (33 000 t) et au Kazakhstan (15 000 t). Les réserves totales d’anatase, d’ilménite et de rutile sont estimées à plus de 2 milliards de tonnes.
La concentration de titane est d’environ 4 picomolar 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 de l’absence de méthodes spectroscopiques sensibles, bien que seul l’état d’oxydation 4+ soit stable dans l’air. Il n’existe aucune preuve d’un rôle biologique, bien que des organismes rares soient connus pour accumuler des concentrations élevées de titane.
Le titane est contenu dans les météorites, et il 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 (5 790 ° F). Les roches ramenées de la Lune lors de la mission Apollo 17 sont composées de 12,1% de TiO2. Le titane natif (métallique pur) est très rare.
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