Sciences · Éléments chimiques
Titane
Le titane (Ti, numéro atomique 22) est un métal de transition aussi résistant que l’acier mais presque deux fois plus léger, et insensible à la corrosion. On l’utilise en aéronautique, en chirurgie et sous forme de pigment blanc.
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Le titane combine trois qualités rarement réunies : la légèreté, une grande résistance mécanique et une excellente tenue à la corrosion, y compris dans l’eau de mer et le corps humain. Neuvième élément de la croûte terrestre, il n’est pourtant pas rare : c’est son extraction qui est difficile et coûteuse.
Fiche d’identité
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Symbole | Ti |
| Numéro atomique | 22 |
| Masse atomique | 47,867 u |
| Famille | Métal de transition (groupe 4, période 4) |
| État à 20 °C | Solide |
| Fusion | 1 668 °C |
| Ébullition | 3 287 °C |
| Découverte | 1791, William Gregor ; nommé en 1795 par Martin Heinrich Klaproth |
| Abondance | environ 0,6 % de la croûte terrestre (9ᵉ élément) |
Propriétés
Le titane est un métal gris argenté, de masse volumique 4,5 g/cm³, soit environ 60 % de celle de l’acier. Ses alliages, notamment le Ti-6Al-4V (6 % d’aluminium, 4 % de vanadium), atteignent des résistances comparables à celles des aciers de construction, avec le meilleur rapport résistance/masse des métaux courants.
Il se couvre spontanément d’une couche d’oxyde très fine et adhérente qui le protège de la corrosion (voir oxydoréduction). Il est non magnétique et conduit assez mal la chaleur et l’électricité. À très haute température, en revanche, il réagit avec l’oxygène et l’azote de l’air, ce qui complique sa production. Sa poudre fine est inflammable.
Isotopes
Le titane naturel compte cinq isotopes stables, du titane 46 au titane 50. Le plus abondant est le titane 48 (environ 73,7 %).
Où le trouve-t-on ?
Les principaux minerais sont l'ilménite (oxyde de fer et de titane) et le rutile (dioxyde de titane), souvent concentrés dans des sables de plage ou d’anciens cordons littoraux, et dans certaines roches magmatiques. On en trouve dans les roches lunaires rapportées par Apollo, parfois en forte teneur.
Production
Le titane métal est obtenu par le procédé Kroll, mis au point par le Luxembourgeois William Kroll dans les années 1940 :
- le minerai est chloré en présence de carbone pour former du tétrachlorure de titane (TiCl₄), liquide purifié par distillation ;
- le TiCl₄ est réduit par du magnésium fondu, sous atmosphère d’argon, vers 800 à 900 °C ;
- on obtient une « éponge » de titane, refondue sous vide en lingots.
Ce procédé discontinu, lent et énergivore explique le prix élevé du titane. La Chine est le premier producteur d’éponge, devant le Japon et la Russie. Les minerais viennent surtout de Chine, d’Afrique du Sud, du Mozambique et d’Australie.
Usages
| Forme | Usages |
|---|---|
| Dioxyde de titane (TiO₂) | pigment blanc des peintures, papiers, plastiques, dentifrices ; filtres solaires minéraux. Environ 90 % du minerai extrait |
| Métal et alliages | structures et moteurs d’avions, trains d’atterrissage, cellules du SR-71 |
| Médecine | implants dentaires, prothèses de hanche, plaques et vis d’ostéosynthèse, stimulateurs cardiaques |
| Industrie chimique | échangeurs thermiques, usines de dessalement, plateformes offshore |
| Grand public | montures de lunettes, montres, vélos, articles de sport |
| Architecture | revêtement du musée Guggenheim de Bilbao |
Rôle biologique et toxicité
Le titane n’a aucun rôle biologique. Il est remarquablement biocompatible : l’os peut croître directement au contact d’un implant en titane, phénomène appelé ostéo-intégration, découvert par le Suédois Per-Ingvar Brånemark dans les années 1950 et à la base de l’implantologie dentaire.
Le dioxyde de titane alimentaire, l’additif E171, utilisé pour blanchir des confiseries, a été suspendu en France en 2020 puis interdit dans l’Union européenne en 2022, l’Autorité européenne de sécurité des aliments ne pouvant exclure un risque pour l’ADN lié aux nanoparticules. Sous forme de poudre inhalée, il est classé cancérogène possible.
Histoire du nom
En 1791, le pasteur et minéralogiste britannique William Gregor découvre dans un sable noir de Cornouailles, l’ilménite, l’oxyde d’un métal inconnu. En 1795, le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth retrouve le même élément dans le rutile et le nomme titane, d’après les Titans de la mythologie grecque, fils de la Terre, comme il avait nommé l’uranium d’après Uranus. Le métal pur à plus de 99 % n’est obtenu qu’en 1910 par Matthew Hunter, aux États-Unis.
Questions fréquentes
Le titane est-il plus solide que l’acier ?
Certains aciers sont plus résistants, mais à masse égale, les alliages de titane sont nettement plus performants. Le titane est aussi bien plus résistant à la corrosion.
Pourquoi les implants sont-ils en titane ?
Il ne se corrode pas dans le corps, provoque très peu de réactions et permet à l’os de s’y souder. Les allergies au titane sont exceptionnelles.
Pourquoi le titane est-il cher s’il est abondant ?
Sa réactivité à haute température impose un procédé de production en plusieurs étapes, sous atmosphère protégée, lent et coûteux en énergie. Son usinage est également difficile.