Le titane (Z = 22)

Deuxième métal de transition, le titane occupe la neuvième place en terme d'abondance dans la croûte terrestre. Il possède 26 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons., connus, parmi lesquels cinq sont stables : le titane 46 (⁴⁶Ti), pour 8,2 %, le titane 47 (⁴⁷Ti), pour 7,4 %, le titane 48 (⁴⁸Ti), pour 73,7 %, le titane 49 (⁴⁹Ti), pour 5,4 % et le titane 50 (⁵⁰Ti) pour 5,2 %.

Origine du titane

Le titane est synthétisé dans le coeur des vieilles étoiles massives (au moins huit masses solaires) arrivées au stade de la fusion du silicium, ce qui signifie qu'il ne leur reste que quelques heures à "vivre". La température centrale atteint alors trois à quatre milliards de kelvins, et les photons gammas produits lors des réactions nucléaires sont tellement énergétiques qu'ils parviennent à briser des noyaux complexes : on parle de réactions de photodissociation. C'est ainsi que sous l'action de ces photons, certains noyaux de silicium (formés lors de la fusion de l'oxygène) éjectent des particules alpha (noyaux d'hélium) :

²⁸Si + rayons gamma --> ²⁴Mg + ⁴He

Ces particules alpha sont ensuite réabsorbées par d'autres noyaux de silicium, produisant successivement du soufre 32, de l'argon 36, du calcium 40, du titane 44 (radio-isotope le plus stable, avec une demi-vie de 63 ans), ainsi que d'autres éléments, selon le mécanisme suivant :

²⁸Si + ⁴He ---> ³²S + rayons gammas

³²S + ⁴He ---> ³⁶Ar + rayons gammas

³⁶Ar + ⁴He ---> ⁴⁰Ca + rayons gammas

⁴⁰Ca + ⁴He ---> ⁴⁴Ti + rayons gammas

Du titane est également synthétisé lors de l'explosion d'étoiles massives arrivées au terme de leur existence (supernovae de type II), ou lors de l'explosion de naines blanches (supernova de type Ia) dont la masse, augmentant progressivement en raison d'un apport de matière provenant d'un compagnon, finit par atteindre la limite dite de Chandrasekhar (1,4 masses solaires).

Un peu d'histoire

Le titane a été découvert en plusieurs étapes. En 1791, le pasteur et minéralogiste britanique William Gregor (1761-1794) réussit à extraire l'oxyde de titane contenu dans minerai appelé ilménite (constitué d'un mélange d'oxyde de fer et de titane). En 1795, le chimiste et minéralogiste prussien Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) conclut à son tour à l'existence de ce nouvel élément, auquel il donne le nom de titane, par référence aux Titans de la mythologie grecque.

Il faut dire que Klaproth n'est pas le premier venu : il découvre l'oxyde d'uranium (le métal pur sera isolé plus tard), il soupçonne la présence d'un nouvel élément dans le zircon (auquel il donne le nom de zirconium), isole le chrome à peu près en même temps que Louis-Nicolas Vauquelin (mais indépendamment de ce dernier), nomme l'élément tellure, invente le four à raclette (non, là c'est juste pour voir si vous suivez), et j'en passe...
Pour en revenir à notre histoire, le chimiste suédois Berzélius parvient finalement à isoler le titane sous forme métallique en 1825, mais il faut attendre l'année 1910 pour que l'on réussisse à produire du titane pur à 99 %.

Propriétés du titane

Métal à la fois léger (sa masse volumique est de 4,5 g/cm³), dur et solide, le titane !. présente de nombreux atouts : il se recouvre d'une pellicule d'oyde imperméable, ce qui lui permet de résister à la corrosion, il n'est pas toxique, ne provoque pas d'allergies, et supporte aussi bien le froid que la chaleur (sa température de fusion est de 1668°C).

Production industrielle du titane

Plutôt abondant dans la croûte terrestre (nous avons vu qu'il occupe la neuvième place), l'en extraire demande toutefois beaucoup d'énergie, ce qui explique son coût relativement élevé (environ 5 €/kg). Avec le "procédé Kroll", l'obtention du titane se fait en deux étapes. Dans un premier temps, un mélange d'oxyde de titane, de carbone et de dichlore est porté à 800°C sous atmosphère inerte, déclanchant la réaction suivante :

TiO₂ + 2 C + 2 Cl₂ (gazeux) ---> TiCl₄ (gazeux) + 2 CO (gazeux)

Après condensation (et purification) du tétrachlorure de titane, la seconde étape consiste à réduire ce dernier (retirer le chlore) grâce au magnésium, métal très réducteur :

TiCl₄ (gazeux) + Mg (liquide) ---> 2 MgCl₂ (lisuide) + Ti

Le titane ainsi obtenu présente une structure poreuse, évoquant un peu celle d'une éponge, ce qui lui vaut le qualificatif d' "éponge de titane". Différentes techniques permettent ensuite d'obtenir du titane pur, mais nous laisserons cela de côté.
Annuellement, ce sont près de 200 000 tonnes de titane qui sont produites au niveau mondial, la Chine arrivant bien entendu en tête, suivie du Japon et de la Russie.

Quelques exemples d'utilisation du titane

- La majeure partie (95 %) de la production mondiale de titane sert à fabriquer du dioxyde de titane (TiO₂), qui est le pigment blanc le plus utilisé, en raison de son pouvoir opacifiant élevé. On trouve ce dernier non seulement dans la peinture, mais également dans le papier (afin de le rendre non transparent) et les matières plastiques, dans le dentifrice, dans certains fromages et pâtisseries (additif E 171), etc...

- Le dioxyde de titane est également présent dans les crèmes solaires, car il filtre les rayons ultra-violets provenant du Soleil.

- Léger, solide et présentant une bonne résistance à la chaleur, le titane est largement employé dans le domaine de l'aéronautique : missiles, réacteurs et pièces d'avions, tant militaires que civils. Dans le domaine de l'aérospatial, on trouve du titane dans le moteur Vulcain du lanceur Ariane 5, ainsi que que dans les ailettes des lanceurs Falcon 9, pour ne prendre que ces deux exemples.
L'avion furtif Lockheed SR-71 Blackbird, utilisé de 1968 à 1990, pouvait atteindre 3530 km/h à plus de 20 000 m d'altitude (soit mach 3,2). A cette vitesse, en raison des frottements de l'air, la température de son fuselage dépassait parfois 220°C, d'où la nécessité d'employer le titane, plus résistant que l'aluminium (tout en étant à peine plus lourd).

- Présentant une bonne résistance à l'oxydation, le titane n'est pas altéré par l'eau de mer, raison pour laquelle on l'utilise souvent pour fabriquer les arbres d'hélices de bateaux et de sous-marins. Certains sous-marins nucléaires russes ont même une coque entièrement en titane, ce qui leur permet de plonger à de plus grandes profondeurs.

- De façon plus marginale, le titane est également employé en bijouterie, pour fabriquer des outils, des montres...

- N'étant pas toxique et présentant une excellente biocompatibilité, le titane est utilisé pour fabriquer des piercings, des implants dentaires, des vis à os et des broches, des prothèses de hanches...

- Le nitrure de titane (TiN), céramique très dure, réfractaire (elle fond à 2930°C) et résistante à la corrosion, est employée comme revêtement de surface sur les outils présentant des arêtes tranchantes : forets, instruments de découpe...

- Le tétrachlorure de titane est parfois employé comme fumigène.

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