Titânio

O titânio é o primeiro elemento do grupo 4 da tabela periódica, considerado um metal de transição (bloco d). Em sua forma pura é lustroso e apresenta, como os demais metais, um brilho característico. Está presente em abundância na crosta terrestre, ocupando a nona posição entre os todos os metais disponíveis. É forte como o ferro, porém 45% mais leve.

O titânio é amplamente utilizado na fabricação de ligas metálicas, as quais são mais comumente utilizadas em aviões e mísseis. Aeronaves como o Boeing 747 e o Airbus A330 possuem ligas de titânio em sua composição.

O TiO₂ é o seu composto de maior uso, sendo utilizado como pigmento branco na fabricação de tintas (tanto para uso em edificações quanto uso artístico), na fabricação de papéis, plástico e pastas de dente.

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Resumo sobre titânio

• O titânio é o nono elemento mais abundante na Terra.

• É um metal branco-acinzentado com propriedades físico-químicas vantajosas, como boa resistência à corrosão, inércia química, entre outras.

• É tão forte quanto o ferro, porém é mais leve.

• Pode ser encontrado em diversos minerais, sendo extraído principalmente da ilmenita.

• O processo Kroll é o mais utilizado para a fabricação de titânio metálico.

• O titânio é amplamente utilizado na fabricação de ligas e pigmentos.

Propriedades do titânio

• Símbolo: Ti.

• Número atômico: 22.

• Massa atômica: 47,867 u.m.a.

• Ponto de fusão: 1668 °C.

• Ponto de ebulição: 3287 °C.

• Eletronegatividade: 1,54.

• Configuração eletrônica: [Ar] 4s² 3d².

• Isótopos naturais: ⁴⁶Ti (≈ 8%); ⁴⁷Ti (7,3%); ⁴⁸Ti (73,8%); ⁴⁹Ti (5,5%); ⁵⁰Ti (5,4%).

• Série química: metal de transição; elemento do bloco d.

Características do titânio

O titânio é o nono elemento mais abundante da crosta terrestre. Contudo, apesar de ser praticamente onipresente no planeta, não se encontra o titânio na forma metálica isolado, apenas na forma de compostos.

De forma geral, possui boa tenacidade, leveza, resistência à corrosão, opacidade, inércia química e oxidação nula, elevado ponto de fusão, alto índice de refração e alta capacidade de dispersão.

Como quase todos os metais, apresenta coloração branco-acinzentada, com um brilho característico. É forte como o ferro, com a vantagem de ser 45% mais leve. Contudo, em comparação ao alumínio — outro metal muito utilizado —, é 60% mais pesado, porém duas vezes mais resistente a deformações mecânicas.

O titânio não reage com bases e também não é dissolvido por ácidos minerais em temperatura ambiente. Contudo, em temperaturas elevadas, pode ser atacado pelo HCl (produzindo Ti³⁺ e H₂) e pelo HNO₃ (produzindo TiO₂).

Pode reagir também com a maioria dos ametais, como carbono (produzindo TiC), oxigênio (formando TiO₂), nitrogênio (formando TiN) e com halogênios (formando TiX₄, sendo que X é um halogênio). Nos compostos, é comum o titânio apresentar NOx +4 (mais estável), porém também é possível apresentar NOx +3, +2 e raramente 0. O Ti⁴⁺, inclusive, é um excelente ácido de Lewis.

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Obtenção do titânio

Por ser um dos elementos mais abundantes da Terra, espera-se que o titânio esteja presente na composição de diversas rochas e minerais. E de fato está: o titânio quase sempre é encontrado em rochas ígneas e ocorre nos minérios rutilo, ilmenita, titanita, anastásio, perovskita, entre outros.

Boa parte do titânio é obtida a partir do minério ilmenita, um minério preto composto por óxidos de ferro e titânio (FeTiO₃). Entre os óxidos apenas de titânio, o rutilo, composição TiO₂, é o mais abundante. Possui cristais marrom-avermelhados ou vermelhos e, dada sua beleza, são comercializados como pedras semipreciosas. O quartzo, inclusive, pode conter rutilo, dando origem ao quartzo rutilado, que é usado como joia.

Produção de titânio

Existem, atualmente, seis processos de produção de titânio:

• processo Kroll;

• processo Hunter;

• redução eletrolítica;

• redução gasosa;

• redução com plasma;

• redução metalotérmica.

Dentre estes, destaca-se o processo Kroll, que é o responsável pela maior parte da produção de titânio metálico. Nesse processo, os minérios de titânio são carregados em um reator de leito fluidizado, onde são tratados com gás cloro e carbono em uma temperatura de 900 °C.

Nessas condições do reator, é formado o TiCl4, tetracloreto de titânio, e monóxido de carbono. O TiCl4 passa por um processo de purificação e, então, é reduzido por magnésio fundido em um reator aquecido a uma temperatura de aproximadamente 1000 °C. Como o titânio pode reagir tanto com oxigênio como com nitrogênio, gás argônio é bombeado dentro do reator para a remoção do ar atmosférico. Assim, o magnésio é capaz de reagir com o cloro e formar o cloreto de magnésio líquido, deixando o titânio puro no estado sólido.

As reações do processo Kroll para o rutilo, por exemplo, são apresentadas a seguir.

• Cloração: TiO₂ (rutilo) + 2 C + 2 Cl₂ → TiCl₄ + 2 CO

• Eletrólise: MgCl₂ → Mg + Cl₂

• Redução do magnésio em atmosfera de argônio: TiCl₄ + 2 Mg → Ti + 2 MgCl₂

Aplicações do titânio

O titânio pode formar ligas com alumínio, molibdênio, manganês, ferro, vanádio e outros metais. Tais ligas têm grande apelo comercial, sendo que cerca de 60% da produção é utilizada para a confecção de partes de aeronaves, foguetes e mísseis. Estima-se que um Boeing 747 possui cerca de 43 t de ligas de titânio, enquanto um Airbus A330 contém cerca de 17 t.

Ainda assim, tanto o titânio como suas ligas são aproveitados em outros setores industriais, por conta de sua boa resistência à corrosão e ao ataque químico. Na indústria naval, é utilizado em equipamentos submarinos e de dessalinização da água do mar. Além disso, as ligas de titânio têm sido aproveitadas em usos mais simples, como em joias, relógios, notebooks, bicicletas, óculos etc.

Não há indícios de que o titânio seja tóxico ao ser humano, considerado, então, um elemento biocompatível. É por isso que ele e suas ligas são também utilizados na fabricação de próteses diversas.

Os concentrados de titânio oriundos dos minérios são utilizados praticamente apenas para a produção de pigmentos de titânio (titânio branco), à base de TiO₂. Esses pigmentos são utilizados na fabricação de verniz, por conta de seu alto índice de refração e opacidade, que pode encobrir facilmente imperfeições das superfícies em que é aplicado, além de ser atóxico e quimicamente inerte.

Os pigmentos de titânio também são utilizados na fabricação de papel (fotográfico e para impressão), plástico, borrachas de pneus, esmaltes para porcelanas e fibras de vidro.

História do titânio

O nome titânio vem do latim titans, da mitologia, representando o primeiro filho de Gaia, Terra, e Uranus, Céu.

O titânio foi descoberto em 1791, pelo reverendo inglês William Gregor, que o reconheceu no minério ilmenita, nomeando o elemento descoberto como menaquita. Em 1795, foi redescoberto em seu mineral rutilo, através do alemão Martin Henrich Klaproth, que o batizou como titânio. Contudo, o titânio metálico só foi obtido posteriormente, pelo engenheiro neozelandês Matthew Albert Hunter, que aqueceu tetracloreto de titânio com sódio metálico em um recipiente de aço a uma temperatura entre 700–800 °C e sob pressão. Este processo é o que se conhece hoje como processo Hunter.

Posteriormente, em 1946, William Justin Kroll desenvolveu um caminho comercialmente mais viável para a obtenção do titânio metálico, processo que hoje conhecemos como processo Kroll. Nele, como já citado, ocorre a redução do titânio presente no tetracloreto de titânio com magnésio metálico.

Diferenças entre titânio e aço

O titânio é um metal, diferentemente do aço, que é uma liga metálica feita basicamente de ferro e carbono. Vale dizer também que o titânio apresenta propriedades físico-químicas mais vantajosas que o aço, como o fato de ser mais leve, mais robusto e de maior resistência à corrosão.

Contudo, o titânio pode ser empregado na fabricação do aço inoxidável, justamente para melhorar as propriedades físico-químicas dessa liga em relação ao aço comum.

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Exercícios resolvidos sobre titânio

Questão 1

(Ufes 2008)

Ligas de titânio são muito usadas na fabricação de parafusos e pinos que compõem as próteses ortopédicas. A configuração eletrônica CORRETA do átomo de titânio é

A) [Ar] 3d⁴

B) [Ar] 3d⁶

C) [Ar] 4s¹ 3d³

D) [Ar] 4s² 3d²

E) [Ar] 4s² 3d⁵

Resolução:

O titânio possui número atômico 22. Sendo assim, em seu estado fundamental ele também possui 22 elétrons. Sua distribuição eletrônica é a seguinte:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d²

Como o intervalo entre 1s² e 3p⁶ representa a configuração eletrônica do gás nobre argônio, Ar, pode-se simplificar sua configuração eletrônica como [Ar] 4s² 3d². Sendo assim, gabarito é o da letra D.

Questão 2

(Enem 2010)

Cientistas da Austrália descobriram um meio de produzir roupas que se limpam sozinhas. A equipe de pesquisadores usou nanocristais de dióxido de titânio (TiO₂) que, sob ação da luz solar, são capazes de decompor as partículas de sujeira na superfície de um tecido. O estudo apresentou bons resultados com fibras de algodão e seda. Nesses casos, foram removidas manchas de vinho, bastante resistentes. A nanocamada protetora poderá ser útil na prevenção de infecções em hospitais, uma vez que o dióxido de titânio também mostrou ser eficaz na destruição das paredes celulares de microrganismos que provocam infecções. O termo nano vem da unidade de medida nanômetro, que é a bilionésima parte de 1 metro.

Veja. Especial Tecnologia. São Paulo: Abril, set. 2008 (adaptado).

A partir dos resultados obtidos pelos pesquisadores em relação ao uso de nanocristais de dióxido de titânio na produção de tecidos e considerando uma possível utilização dessa substância no combate às infecções hospitalares, pode-se associar que os nanocristais de dióxido de titânio

A) são pouco eficientes em ambientes fechados e escuros.

B) possuem dimensões menores que as de seus átomos formadores.

C) são pouco eficientes na remoção de partículas de sujeira de natureza orgânica.

D) destroem microrganismos causadores de infecções, por meio de osmose celular.

E) interagem fortemente com material orgânico devido à sua natureza apolar.

Resolução:

Como o texto diz, os nanocristais de dióxido de titânio são capazes de decompor as partículas de sujeira sob ação da luz solar. Sendo assim, é possível afirmar que o gabarito é o da letra A, pois a eficiência desses nanocristais depende da luz solar, que é incompatível com ambientes fechados e escuros.