2014年6月11日 (水) 18:09に61.86.139.79による

2014-06-11T18:09:15Z

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{{otheruses|元素|その他|タイタン}}
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|oxidation states='''4''', 3, 2, 1<ref>{{cite journal|author=Andersson, N. ''et al.''|title=Emission spectra of TiH and TiD near 938 nm|url=http://bernath.uwaterloo.ca/media/257.pdf|journal=J. Chem. Phys.|volume=118|year=2003|page=10543|doi=10.1063/1.1539848}}</ref>
|oxidation states comment=[[両性酸化物]]
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| dm1=[[電子捕獲|ε]] | de1=- | pn1=[[スカンジウム44|44]] | ps1=[[スカンジウム|Sc]]
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}}
'''チタン'''（{{lang-en-short|titanium}}、{{lang-la-short|titanium}}）は、[[原子番号]]22の[[元素]]。[[元素記号]]は '''Ti'''。[[第4族元素]]（チタン族元素）の一つで、[[金属光沢]]を持つ[[遷移元素]]である。'''チタニウム'''と呼ばれることもある。

[[地球]]を構成する[[地殻]]の成分として9番目に多い元素で、[[遷移元素]]としては[[鉄]]に次ぐ。普通に見られる[[造岩鉱物]]である[[金紅石|ルチル]]や[[イルメナイト|チタン鉄鉱]]といった[[鉱物]]の主成分である。自然界の存在は豊富であるが、さほど高くない集積度や[[製錬]]の難しさから、[[金属]]として広く用いられる様になったのは比較的最近である。チタンの性質は化学的・物理的に[[ジルコニウム]]に近い。[[酸化物]]である[[酸化チタン(IV)]]は非常に安定な[[化合物]]で、[[白色]][[顔料]]として利用され、また[[光触媒]]としての性質を持つ。

== 特徴 ==
チタンは酸化物が非常に安定で侵されにくく、空気中では[[不動態]]となるため、[[白金]]や[[金]]とほぼ同等の強い[[腐食|耐食性]]を持つ。室温では[[酸]]や[[食塩水]]（[[海水]]）などに対し高い耐食性を示し、少量の湿気が存在する場合は[[塩素]]系ガスとも反応しない。そのため純チタンはやや接着性に劣るが、逆に表面の汚れやごみなどの付着物を容易に取り除ける。しかし高温ではさまざまな元素と反応しやすくなるため、[[鋳造]]・[[溶接]]には[[酸素]]・[[窒素]]を遮断する大掛かりな設備を必要とする。[[炭素]]・[[窒素]]とも反応してそれぞれ[[炭化物]]・[[窒化物]]を作り、これらは[[超硬合金]]の添加物としてしばしば利用される。

特に純度の高いチタンは無酸素空間においての[[塑性]]に優れ、[[鋼]]と似た色合いの銀灰色光沢を持つ。チタンは鋼鉄以上の[[強度]]を持つ一方、[[質量]]は鋼鉄の約55%と非常に軽い。チタンは[[アルミニウム]]と比較して、約60%重いものの、約2倍の強度を持つ。これらの特性により、チタンはアルミよりも[[金属疲労]]が起こりにくいが、工具鋼などの鉄鋼材料には劣る。

== 性質 ==
外観は銀灰色を呈する金属元素であり、[[比重]]は4.5。[[融点]]は1812 {{℃}}（1667 {{℃}}、1668 {{℃}}の報告もあり）、[[沸点]]は3285 {{℃}}（3287 {{℃}}の報告もあり）であり、遷移金属としては平均的な値である。常温常圧で安定な結晶として[[六方最密充填構造]]を持つが、880 {{℃}}以上で[[体心立方構造]]に[[構造相転移|転移]]する。純粋なものは耐食性が高く、[[展延性|展性・延性]]に富み、引張強度が大きい（硬くかつ粘り強い）。空気中では常温で酸化被膜を作り内部が保護される。[[フッ化水素酸]]には徐々に溶けフルオロ[[錯体]] TiF62- を生成し、加熱下の[[塩酸]]に溶けて青紫色の3価のイオン Ti3+ を生成する。[[アルカリ]][[水溶液]]とはほとんど反応しない。

150 {{℃}}以上で[[第17族元素|ハロゲン]]と、700 {{℃}}以上で[[水素]]・酸素・窒素・炭素と反応する。安定な[[酸化数]]は+IIIまたは+IVである。[[磁石]]に僅かに引きつけられるほどの弱い[[常磁性]]や、極めて低い[[電気伝導|電気伝導性]]・[[熱伝導|熱伝導性]]を持っている。

== 用途 ==
[[File:Titanium nitride coating.jpg|thumb|left|50px|窒化チタンでコーティングされた[[ドリル (工具)|ドリル]]の刃]]
[[File:Titanzylinder.jpg|thumb|right|チタンの円柱材]]
金属チタンは強度・軽さ・耐食性・耐熱性を備え、様々な分野で活用されている。しかし、金属チタンは製錬・加工が難しく、費用もかかるため大量には使われていない。化合物では酸化チタン(IV)が安価な白色顔料として広く用いられ、日常でも接する機会が多い。

=== 金属素材 ===
チタンあるいはチタン[[合金]]の持つ強度・軽さ・耐食性・耐熱性といった性質から、[[航空機]]や[[潜水艦]]、[[自転車]]、[[ゴルフ#ウッド|ゴルフクラブ]]などの[[競技]]用機器、[[化学]][[プラント]]、[[生体]][[インプラント]]の材料、[[打楽器]]<ref>[http://homepage3.nifty.com/kitanodrums/japanese.htm キタノドラム]</ref>など多岐にわたって使用されるほか、[[合金鋼]]との[[脱酸剤]]や、[[ステンレス鋼]]において[[炭素]]含有量を減少させる目的などにも使用される。[[加工]]性はかなり難しくこれは鉄鋼材料がもつ熱処理による強度増幅能力が劣っているためである。金属チタン製の部品は高価になってしまうため、その用途は耐食性・耐熱性・軽量化と強度のバランスを考慮した狭い領域に限られる。

[[1952年]]に生体親和性が非常に高く[[骨]]と結合する（[[オッセオインテグレーション]]）ことが発見されると、[[デンタルインプラント]]のフィクスチャー（インプラント体）のほとんどがチタンを使用するようになった。[[拒絶反応]]や[[金属アレルギー]]を防ぐため、[[放電#グロー放電|グロー放電]]でクリーニングしたり、純度の高いチタンが使用される。また、[[人工関節]]/[[人工骨]]といった[[整形外科学|整形外科]]分野でも利用されている。

==== 航空機用途 ====
航空機用途において耐熱性・強度を優先すると、現在{{いつ|date=2013年10月}}のチタン合金は1000 {{℃}}を超える耐熱性を持たないので、[[ジェットエンジン]]のホットセクションには使われない。金属チタンは500 {{℃}}以下の部分で、[[ニッケル]][[超合金]]よりも軽量化できる[[ノズル]]などに使われる。その他のより低温な[[機体]]構造には、より安価で軽量化できる[[アルミニウム合金]]を多用する。低温部でも鉄鋼よりも軽量化できることから、[[降着装置]]に用いた例もある。[[複合材料]]の発達により強度・軽量を求められる部位への使用量は減っており、機体重量においてチタン合金の使用割合が最も多いのは[[1950年代]]に開発開始された[[SR-71 (航空機)|SR-71]]であって、潤沢な製造原価を充てられる[[軍用機]]といえどもこれ以降に開発された機体への使用割合は多くはない。

=== 建材 ===
チタンは酸化皮膜の[[屈折率]]の違いによる独特な干渉色や、その表面加工による意匠性の高さ、汚れの付きにくさや強い[[耐蝕性]]によるメンテナンスの容易さなどを活かし、建材としての利用も行われている。

=== 絵具 ===
チタンの約95%は酸化チタン(IV)として、主に白色の顔料として[[絵具]]や[[合成樹脂]]などに使用される。酸化チタン(IV)で作られた絵具は[[赤外線]]の[[反射率]]が高いため、屋外での絵画の描写に向いているほか、[[セメント]]などにも使用される。また光触媒としての性質を持ち、光を吸収して[[有機物]]を分解する。この性質によって、光のあたる場所では有機物による汚れが分解されるために白さが長く保たれる。しかし有機系の色素や合成樹脂も分解してしまうため、これらと混ぜて利用するのは難しい。

=== 紙 ===
酸化チタン(IV)は[[紙]]に織り込むという方法でも使用される。チタンを織り込むことで、白く丈夫で透けない良質の紙を作ることが可能となる。一方で、金属化合物であるため重くなる。[[広辞苑]]など、長期に亘って使用される分厚い書籍に利用されるようになっている。

=== その他 ===
{{出典の明記|section=1|date=2012年2月}}
また、他にも以下の用途等に使用されている。
* 海水への耐蝕性から、海水の[[淡水]]化プラントにおける[[熱交換器]]で利用される。
* イオン化しにくいために金属[[アレルギー]]を引き起こしにくいことから、[[ピアス]]などの装身具の材料として利用される。
* 健康器具を兼ねたネックレスなどのアクセサリーの材料としての利用。
* 軽量でさびにくく高強度であることから、チタンジルコニウム合金の[[刃物]]として利用される。
* 酸化しにくい特徴を生かし、腕時計の腕に接する面での利用。
* [[形状記憶合金]]の材料としての利用。
* [[ニオブ]]などとの合金による超伝導素材。
* [[チタン酸バリウム]]あるいは[[チタン酸ストロンチウム]]は、その高誘電率により電子材料（積層セラミックコンデンサ）に用いられる。
* チタン酸ストロンチウムは高屈折材料として人工[[宝石]]や光学材料に用いられる。
* [[塩化チタン(IV)]]は[[ガラス]]の着色や、高湿度の空気中で発煙する性質を利用して[[煙幕]]や[[空中文字]]へ利用される。
* 酸化チタン(IV)の皮膚を保護する性質から[[日焼け止め]]剤としての利用される。
* 酸化チタン(IV)は光触媒作用により有機物を分解するため、[[便器]]の表面に利用される。
* [[オレフィン]][[重合]]に係る[[チーグラー・ナッタ触媒]]としての利用。
* チタン板をガスバーナーで熱するなど加工することによる、美術品の作成<ref>「山口さんのチタン画「梅」と「天の川」銀座に」『毎日新聞』2006年7月6日、24面、地域のニュース。</ref>。

=== チタン製品の一覧 ===
<gallery>
File:Titanium Piercing.JPG|チタン製のピアス。金属アレルギーを起こしにくく、銀などの貴金属と比べると頑丈で安価なチタンは、常時身に付けるタイプの装身具の材料として人気がある。
File:Titanium welds.jpg|チタン製の[[自転車]]のフレーム
File:GuggenheimBilbao.jpg|[[ビルバオ・グッゲンハイム美術館]]。ガラス以外の部分は殆どがチタンの板で造られ、平らな面が一切ない。[[脱構築主義建築]]の傑作。
File:Titanium-spork 1.jpg|チタン製の[[スプーン]]。鋼鉄製よりも軽い。
File:Lateralcephplated.JPG|人間の[[頭蓋骨]]の[[X線]][[写真]]。骨折を治療するために、[[眼窩]]の部分にチタン製のプレートとネジが埋め込まれている。
File:医療にて.jpg|左腕にプレートが埋め込まれているのがはっきりとわかる。右腕は比較用。
</gallery>

== 歴史 ==
[[Image:Martin Heinrich Klaproth.jpg|thumb|マルティン・ハインリヒ・クラプロート]]
チタンは[[イギリス]]で[[1791年]]、聖職者の[[ウィリアム・グレゴール]]が発見した。彼は自分の教区内のメナカン谷で発見したのでメナカイト (''menachite'') と命名したが、一般的には知れ渡らなかった。ほぼ同じ時期に[[ミュラー・フォン・ライヒェンシュタイン]]が同様の物質を作ったが、彼はそれをチタンと特定できなかった。

[[1795年]]には[[ドイツ]]の[[マルティン・ハインリヒ・クラプロート]]が鉱石（[[ルチル]]か[[チタン鉄鉱]]のどちらかであるが、いずれかははっきりしていない）から独自に再発見し、[[ギリシア神話]]における地球最初の子である[[ティーターン]]に因んで「チタン」と命名された。しかしこの頃はまだチタンを単体として分離する手法が存在しなかった。

チタンの発見から100年以上経た[[1910年]]、[[ニュージーランド]]出身でアメリカの化学者であるマシュー・A・ハンター<ref>http://periodic.lanl.gov/elements/22.html</ref>が、チタンを高純度 (99.9%) で分離することに成功した。

1946年には、[[ルクセンブルク]]の工学者である[[ウィリアム・ジャスティン・クロール|ウィリアム・クロール]]がマグネシウムで還元する[[#クロール法|クロール法]]を考え出し、さらに高純度のチタンを作り出すことに成功する。

1950年代 - 1960年代にかけての[[冷戦]]で、[[ソビエト連邦|ソ連]]は[[アメリカ軍]]がチタンを使用することを防ぐための戦術として世界中のチタン市場を買い占めることを試みたが失敗した。

また、当時発見されていたチタン鉱脈はほとんど東側諸国であったため、[[アメリカ合衆国|アメリカ]]はチタンをソ連から調達していた。冷戦中ゆえアメリカはニセの会社を設立し、そこを通じてアメリカへ密輸入していた<ref>『ステルス戦闘機スカンク・ワークスの秘密』ベン・R. リッチ (著)、増田興司 (訳) [[講談社]] (1997/01) ISBN 4-06-208544-5</ref>。

== チタンの生産 ==
[[File:Hochreines Titan (99.999) mit sichtbarer Kristallstruktur.jpg|thumb|99.999%の高純度を持つチタンの結晶。目に見える[[金属組織]]を持つ。]]
自然界には純粋なチタンの単体は殆ど存在せず、化合物として主に[[鉱石]]の中に含まれる。地殻の中に約0.6%存在し、[[火成岩]]やそこから得られた[[沈澱]]物の中に多く含まれ、地球上に広く分布している。チタンの[[鉱石鉱物]]には、[[イルメナイト|チタン鉄鉱]]（イルメナイト、FeTiO3）や[[金紅石|ルチル]]（金紅石、TiO2）、[[板チタン石]]（TiO2）、[[灰チタン石]]（ペロブスカイト、CaTiO3）および[[くさび石]]（チタナイト、CaTiSiO5）などが存在するが、特にチタン鉄鉱とルチルが経済的に重要な役割を持っている。チタンの主な採掘は、[[オーストラリア|オーストラリア大陸]]や[[スカンディナヴィア半島]]、[[北アメリカ|北アメリカ大陸]]などであり、[[1997年]]におけるチタンの世界のシェアは以下の順になっている。
* [[オーストラリア]] - 35.9%
* [[カナダ]] - 21.0%
* [[南アフリカ共和国]] - 17.9%
* [[ノルウェー]] - 6.1%

[[アポロ計画|アポロ17号]]が月面に到着した際に持ち出された[[岩石]]から12.1%の TiO2 が検出されたほか、[[隕石]]の中からも検出されており、[[太陽]]や[[スペクトル分類|M型]]の恒星にも存在すると考えられている。

=== クロール法 ===
{{main|クロール法}}
チタン鉄鉱やルチルなどの、鉄分を含む鉱石からチタンを精錬する方法は、まず[[炭素]]と熱して鉄を除いた後、さらに炭素と熱しながら塩素を通じて[[塩化チタン(IV)]] TiCl4（沸点136 {{℃}}）とし、[[蒸留]]して精製する。
{{Indent|TiO2 + 2C + 2Cl2 → TiCl4 + 2CO}}

チタンは高温で[[炭化物]]や[[窒化物]]を作りやすいので、[[アルゴン]]中約900 {{℃}}において[[マグネシウム]]で還元した後、塩化マグネシウムを真空分離して多孔質の金属チタンを得る。
{{Indent|TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2}}

こうして得られたチタンは多孔質であるため、'''スポンジチタン'''と呼ばれる。通常はこの状態で出荷される。途中、真空蒸留により分離された塩化マグネシウムは、塩素とマグネシウムの原料として再利用される。これを'''クロール法'''と呼ぶ。チタンの製造は、プロセスが複雑で鉄鋼のように連続生産ができないため、製鉄よりも費用がかかり高価になる。

== チタンの化合物 ==
化合物中の原子価は+4価が最も安定であり、+2価および+3価のものも存在するが酸化されやすい。
* [[酸化チタン(II)]] (TiO)
* [[酸化チタン(IV)]] (TiO2) - 結晶にはルチル、アナターゼ、ブルッカイト型がある。白色顔料、[[光触媒]]としても注目されている。
* [[炭化チタン]] (TiC)
* [[窒化チタン]] (TiN)
* [[塩化チタン(III)]] (TiCl3)
* [[塩化チタン(IV)]] (TiCl4) - 三塩化チタン、四塩化チタンともに[[チーグラー・ナッタ触媒]]として使われる。
* Ti-3Al-2.5V
* Ti-6Al-4V
* Ti-6Al-7Nb
* [[ニッケルチタン|NiTi]] - 代表的な[[形状記憶合金]]
* [[チタン酸バリウム]] (BaTiO3)

== 同位体 ==
{{main|チタンの同位体}}
チタンは5つの[[安定同位体]]を持つが、その中でも 48Ti が最も多く地球上に存在し、不安定同位体を含めたチタンの[[同位体]]は、39.99から57.966までの質量範囲（[[原子質量単位]]）を持つ。

== 出典・注釈 ==
{{Reflist}}

== 関連項目 ==
* [[ニッケルチタンイエロー]]

== 外部リンク ==
{{Commons|Titanium}}
* [http://www.titan-japan.com/ 社団法人　日本チタン協会]

{{元素周期表}}
{{チタンの化合物}}

{{DEFAULTSORT:ちたん}}
[[Category:チタン|*]]

{{Link FA|en}}
{{Link FA|pt}}

{{Link GA|zh}}

チタン - 版の履歴

2014年6月11日 (水) 18:09に61.86.139.79による