Historia del titanio El titanio es un elemento que se puede encontrar en cualquier punto del universo. Ha sido detectado en las estrellas, en el polvo interestelar, en meteoritos y en la corteza de la Tierra. El titanio es el noveno elemento más abundante en la corteza de la Tierra, con un 0,8 % en peso, si bien no es tan frecuente su existencia en concentraciones que hagan económicamente viable su extracción. Está presente en numerosas rocas ígneas y en los sedimentos derivados de ellas, y también en muchos silicatos reemplazando al silicio. Los minerales que muestran una mayor concentración deeste metal son el rutilo (TiO2) y la ilmenita (FeO·TiO2), además de la anatasa y la brookita (ambas son también TiO2) El titanio fue descubierto por el sacerdote y mineralogista inglés William Gregor en 1791, mientras estudiaba unas arenas negras procedentes de la zona de Cornualles. En la ilmenita procedente de esta fuente halló el óxido de un nuevo metal. En 1795, el alemán M. H. Klaproth redescubrió el mismo elemento en el rutilo, y le dio el nombre de titanio, derivado de la palabra latina titans. En 1887 Nilson y Pettersson obtuvieron una muestra impura de titanio. A pesar de que se intentó obtener este metal en forma pura (99,9 %) durante mucho tiempo, no se consiguió una muestra pura de titanio hasta el año 1910, cuando M. A. Hunter calentó una mezcla de sodio y el compuesto TiCl4 en una bomba de acero, de forma que redujo el cloruro y consiguió una muestra pura de metal, si bien en una cantidad muy pequeña.
Obtención del titanio.
En 1937 el doctor Wilhelm Kroll, en asociación con Siemens y Helske, desarrolló un proc proces eso o para para la obte obtenc nció ión n de tita titani nio o cons consis iste tent nte e en la redu reducc cció ión n del del compuesto tetracloruro de titanio con magnesio molido, en una atmósfera de argó argón n para para evit evitar ar la oxid oxidac ació ión. n. Este Este fue fue el prim primer er proc proces eso o que que perm permit itió ió la obte obtenc nció ión n de cant cantid idad ades es apre apreci ciab able les s de titan titanio io puro puro,, y se sigu sigue e utili utiliza zand ndo o mayoritariamente en la actualidad. El proceso consta de los siguientes pasos:
— Obtención Obtención de tetracloru tetracloruro ro de titanio titanio por cloración cloración a 800°C, 800°C, en presencia presencia de carbón, mediante la reacción:
TiO2 + 2Cl2+ 2C → TiCl4 + 2CO
— Se purifica el tetracloruro de titanio mediante destilación fraccionada. — Se reduce el TiCl4 con magnesio o sodio molido en una atmósfera inerte, con la reacción:
TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2
— El titanio forma una esponja en la pared del reactor, la cual se purifica por lixiviación con ácido clorhídrico diluido. El MgCl 2 se recicla electrolíticamente. — Se compacta la esponja resultante. Si se reduce el TiCl 4 mediante sodio en lugar de magnesio, la esponja resultante es granular, lo que facilita el proceso de compactación. — Se funde la esponja en un horno con un crisol de cobre refrigerado, mediante un arco eléctrico de electrodo consumible en una atmósfera inerte. — Si se desea mejorar la pureza y homogeneidad del lingote, se repite el paso anterior. — Se realiza un primer procesado, en el cual los lingotes se convierten en productos generales de taller. — Se realiza un segundo procesado, en el que se obtienen las formas acabadas de los productos realizados.
Otro método, desarrollado con posterioridad, se basa en la purificación del titanio mediante descomposición con yodo, pero es poco usado industrialmente, y se usa básicamente para la preparación de titanio de muy alta pureza para investigación. El proceso es el siguiente:
— El titanio crudo se hace reaccionar con yodo en atmósfera inerte para formar yoduro de titanio. — El yoduro de titanio se descompone en la superficie de un hilo de titanio calentado, el cual actúa como núcleo para el crecimiento de una barra cilíndrica, compuesta de cristales de titanio de alta pureza.
La siguiente tabla muestra los diferentes grados de pureza del titanio si es obtenido mediante el método Kroll o el método de formación de yoduro:
Llego la hora del titanio: El titanio tiene condiciones muy especiales. Desgraciadamente su precio es muy alto. Pero ahora, al descubrirse un nuevo método de extracción, todo va a cambiar. Su reemplazo por el acero le abre grandes posibilidades El titanio es un material fantástico. Es más liviano que el acero, pero es aun más duro que él. Tiene mayor duración en condiciones extremas, como pueden ser las temperaturas del espacio o las altas presiones del fondo del mar. Además es resistente a la corrosión de sus sales. El único problema es que es seis veces más caro que el acero. Pero esto último puede cambiar fundamentalmente debido a un reciente descubrimiento que permite extraer el titanio metálico a un costo mucho menor, y que sólo requiere de un poco más de arenas negras y electricidad (New Scientist, Junio 2001, pág. 44). La tecnología que actualmente se utiliza es lenta, cara y consume toneladas de sustancias químicas corrosivas. Según los cálculos, con este nuevo método extractivo podrían disminuir su precio a la cuarta parte. Si esto sucede, se multiplicarán enormemente sus usos. Seguramente que en la industria manufacturera va a remplazar al acero, al aluminio y muchos plásticos, permitiendo la construcción de barcos más livianos y ligeros y motores más eficientes. Los ingenieros podrán disponer de vigas, cables y barras más duras para construcción de puentes y edificios. La industria de automóviles también se verá beneficiada con carrocerías y partes de titanio resistentes a la corrosión, al igual que la industria naviera. Este nuevo proceso también promete la producción de nuevas y exóticas aleaciones de titanio con memoria, y la producción de nuevos materiales que hasta ahora no se pueden hacer por las técnicas convencionales. "Este es el siglo del titanio", dice Rod Beddow, director de "British Titanium", la empresa que se dispone a utilizar esta nueva tecnología.
¿Cual es el descubrimiento? Como muchos de los más importantes descubrimientos, éste fue enteramente accidental. Derec Fray, director del departamento de Ciencias de los Materiales y Metalúrgica en Cambridge (Inglaterra), señala que cuando lo descubrió no estaba investigando en la extracción del titanio, sino que simplemente en su purificación. El titanio contiene disuelto cerca de su superficie, pequeñas cantidades de oxígeno que pueden debilitar el material. Fray y sus colaboradores estaban tratando de extraer estas impurezas, usando la electrólisis. Mientras lo hacían, notaron un curioso efecto. El titanio que ellos estaban usando tenía en su superficie una delgada capa de óxido, lo que en ocasiones sucede cuando el metal está expuesto al aire. Notaron que durante el proceso de electrólisis, la capa de óxido se transformaba en metal puro. El descubrimiento parecía demasiado bueno para ser verdadero, de modo que en una nueva etapa, aplicaron la electrólisis a partículas sólidas de dióxido
de titanio. Sorprendentemente, la electrólisis convirtió el óxido en titanio metal. Se dieron cuenta que habían descubierto un método totalmente nuevo para extraer titanio de las arenas que contienen óxido de titanio. La empresa ya ha construido una pequeña planta piloto en que se aplica el proceso electrolítico. Este se realiza en una celda en que el cátodo se conecta a pellets fabricados con polvo de dióxido de titanio, mientras el ánodo está hecho de un material inerte, como es el carbón. Todo está sumergido en un baño de cloruro de calcio diluido. Cuando se conecta a la corriente, los electrones en el cátodo descomponen el dióxido de titanio en titanio metal y iones de oxígeno. Los iones fluyen a través del electrolito, hacia el ánodo, donde el oxígeno se libera como gas. Superada esta etapa, British Titanium ya está planeando construir una planta piloto más grande, con la cual piensan iniciar su producción industrial.
Perspectivas del nuevo proceso El proceso convencional de extracción (proceso Kroll) convierte las arenas metalíferas en tetracloruro de titanio, que luego reacciona con magnesio líquido, para producir titanio metal y cloruro de magnesio. Ese proceso hay que hacerlo por lotes, por lo que es caro intensivo en mano de obra y relativamente lento. Demora varios días, logrando al final del proceso, sólo unas pocas toneladas de titanio en cada vaso reactor. La producción masiva con este método es difícil, ya que presenta una serie de limitaciones. Con el nuevo proceso, el producir la misma cantidad de titanio, demora menos de 24 horas, y lo que es más importante, se puede hacer en un sistema continuo. Además es menos contaminante. Si la producción llega a hacerse industrial, la empresa espera que el costo del titanio baje en un 75%, lo que iniciaría una enorme demanda por el metal. Ellos esperan que el actual consumo, que alcanza a 60.000 toneladas, se eleve a un millón de toneladas anuales, iniciándose así la "revolución del titanio".
Las posibles aplicaciones En la actualidad el titanio se usa sólo en la industria de la aviación y para prótesis en remplazo de caderas u otros huesos. Si el precio baja como está previsto, su uso en estas áreas se expandirá notablemente, pero también se abrirá un gran abánico de nuevas posibilidades. Los arquitectos podrán usarlo en sus diseños, en la forma que ya ha sido usado en el Museo Guggenheim en Bilbao. Por su dureza y resistencia a la corrosión, podrán también usarlo los ingenieros, para fabricar puentes más largos y rascacielos más altos. Será también muy útil en la industria automotriz, donde ya hace tiempo que se estaba pensando sustituir el acero por titanio. Hasta ahora la limitación había sido
el precio. Así por ejemplo, un motor con partes de titanio sería más liviano, con lo que se lograría una mayor durabilidad y mejor rendimiento. Si su precio baja aún más, hasta llegar a ser más barato que el acero, cosa que la empresa afirma que es posible, pudiese también remplazarlo en las carrocerías de los vehículos, o basándose en nuevas aleaciones, usarlo en los paneles de los mismos. También la industria espacial se vería favorecida, con naves más l ivianas y más resistentes. Pero donde se abrirían aun más posibilidades, es en sus posibles aleaciones. Una de ellas de gran uso, contiene 6% de aluminio y 4% de vanadio. El proceso Kroll no permite producirla. Por lo general las aleaciones son más útiles que el metal puro, ya que las proporciones se pueden ajustar para llegar a mezclar con propiedades adecuadas a cada uso. Los distintos componentes se pueden agregar directamente al dióxido de titanio, colocando la mezcla directamente en el cátodo, con lo que cada vez se conseguiría la aleación perfecta. Lo que es aun más importante, es que el proceso no sólo se reduce a la extracción de titanio. A partir de los óxidos, Fray ha producido también circonio, niobio, hierro y cromo, lo que también permite muchas otras aleaciones. El cree que el proceso puede llevar a aleaciones exóticas, como las que mantienen la memoria de la forma cuando se calienten o se enfrían adecuadamente. Así por ejemplo, a bajas temperaturas, una pieza se puede doblar en cualquier forma, pero vuelven a recuperar su forma original cuando nuevamente se calientan. La aleación níquel-titanio mantiene la memoria de la forma, pero es difícil producirla, ya que el níquel y el titanio tienen diferentes densidades. Con este nuevo proceso, esta aleación sería mucho más fácil y barata. También Fray está considerando la posibilidad de fabricar aleaciones con la propiedad de superconductividad, como es el caso del nobium-titanio. También se podrían fabricar materiales magnéticos, que costarían la décima parte de lo que en la actualidad se está fabricando por métodos convencionales. Con esta gama de posibilidades de aleaciones, se puede imaginar una nueva generación de aviones supersónicos baratos y de menor peso o producir mini helicópteros personales. Por ser liviano y resistente a la corrosión, el metal puede ser muy atractivo en las construcciones navales, como yates de carrera hechos de titanio, o barcos más ligeros de pasajeros, que les sería más fácil deslizarse a gran velocidad sobre la superficie del agua. Sus propiedades también permitirían fabricar ollas, sartenes, cocinas o máquinas lavadoras de titanio. Así el titanio pronto invadirá nuestros hogares.
Bibliografía:
http://www.edicionsupc.es/ftppublic/pdfmostra/QU00902M.pdf
http://www.creces.cl/new/index.asp?imat=%20%20%3E %20%2093&tc=3&nc=5&art=1147
