Como se produz o TITÂNIO? O metal mais difícil da Terra!

El titanio es uno de los metales más comunes del planeta. Es el noveno elemento más abundante en la corteza terrestre. Bajo el suelo sobre el que caminamos, Hay casi 100 veces más titanio que cobre. Él está en la arena de las playas, en las rocas de las montañas, en meteoritos, en rocas lunares y hasta en la luz solar. Ahora, mire la producción. Cada año, el mundo produce más de 20 millones de toneladas de cobre. Más que titanio metálico, solo unos pocos cientos de miles de toneladas. Pero ¿por qué el metal que es 100 veces Pero más común es fabricado docenas de veces menos? ¡Espérame, te lo diré enseguida! Y lo más curioso es que casi todo el titanio Lo que sale de las minas nunca se convierte en metal. Aproximadamente el 90 % se convierte en un polvo blanco, dióxido de titanio. Es el blanco de la pintura en tu pared, el papel de los libros, al pasta dental y el protector solar. Menos de una décima parte del titanio extraído se convierte en metal real. ¿Y hacia dónde va esta pequeña cantidad de metal? La mayoría va a un solo destino: aviones y cohetes. Y mire cuán interesante es. Cuando comparamos el titanio con otros metales. El aluminio también es ligero y también se combina con el oxígeno en la naturaleza. Aun así, el mundo fabrica alrededor de 70 millones de toneladas de aluminio por año. De acero, hay casi 2 mil millones. Cerca de ellos, la producción de titanio es casi invisible. ¿Podría ser porque el titanio es un metal pobre? Al contrario. Imagina dos barras de la misma longitud, una hecha de acero y otra de titanio. Tienes uno en cada mano. El titanio parece pesar ligeramente más de la mitad. Pero cuando se trata de doblar, se opone tanto como muchos aceros. No se oxida ni siquiera en agua de mar. resiste a los ácidos que destruyen el acero inoxidable. Y el cuerpo humano la acepta. El hueso crece unido al titanio, como si fuera parte del esqueleto. Entonces, si es tan bueno, ¿por qué no está en todo? Porque producir este metal tiene un costo. El titanio en su forma lista para usar cuesta más del doble que el precio del acero. Y cada barra pasa semanas dentro de fábricas, entre reactores, hornos de vacío y gases que no pueden entrar en contacto con el aire. Un metal más común que el cobre, mejor que el acero en casi todos los aspectos, más de lo que casi nadie puede fabricar. Entonces, ¿por qué es tan difícil de producir el titanio? Eso es lo que veremos en este video. Y el titanio me recuerda mucho algo. Como ya te dije aquí, Se puede entender que el titanio es un residuo potencial. Él está en todas partes, pero casi nadie puede sacarlo de allí. Y muchas personas que disfrutan comprendiendo cómo funciona el mundo, Siento lo mismo respecto a Internet. El conocimiento existe, pero está disperso. frustrado por videos superficiales de 30 segundos que no explican nada adecuadamente. Aquí en el canal, la propuesta es la opuesta. Planteamos una pregunta sencilla, tipo como se fabrica un metal, y ve todo el camino hasta su interior paso a paso, de una manera que cualquiera pueda entender. Si te gusta este tipo de vídeo, Suscríbete al canal y activa la campana. porque cada semana hay una pregunta nueva como esta que se responde. Y déjenme aquí en los comentarios qué material el objeto que quieres explicado en el próximo video. Los leí todos, y muchos de los temas futuros provendrán precisamente de ahí. Volvamos al vídeo. La primera explicación radica en el propio mineral. El titanio nunca aparece puro en la naturaleza. Nunca. Siempre está conectado a oxígeno. Y no es cualquier pegamento. Es como un abrazo apretado que nunca suelta, sin importar qué. Los dos minerales más comúnmente utilizados son la rutila y la ilmenita. El rutilo es casi completamente titanio y oxígeno. La ilmenita es titanio y oxígeno con un poco de hierro en medio. ¿Y dónde se encuentran estos minerales? La mayoría de ellos no se encuentran en minas profundas. Está en la arena. en playas de Australia, Sudáfrica y Mozambique, Hay arenas oscuras, más pesadas que la arena común, lleno de pequeños granos de titanio. Para separar estos granos, Las empresas mineras llevan a cabo casi un proceso gigante de triaje en tres etapas. Primero, la arena fluye en espirales Y los granos más pesados van a un lado. Luego, pasa junto a imanes, que tiran ligeramente de los granos débilmente magnéticos. Finalmente, pasa a través de aisladores eléctricos. Miles de toneladas de arena entran desde un lado. Solo una pequeña parte emerge del otro lado como concentrado de titanio. Hasta ahora, parece exactamente como cualquier otra minería. El problema comienza ahora. ¿Cómo obtiene la humanidad el hierro? Durante más de tres mil años, el truco ha permanecido igual. El mineral de hierro también se adhiere al oxígeno. Entonces introduces este mineral en un horno junto con carbón vegetal. El carbono en el carbón actúa como un ladrón. Roba oxígeno al hierro y lo transporta en forma de gas. Lo que queda es hierro puro. ¿Y por qué no hacer lo mismo con el titanio? ¿Por qué este ladrón no puede con ello? El titanio retiene al oxígeno con mucha mayor fuerza que el hierro. El carbono no puede arrancar el oxígeno de él. Peor aún, cuando calientas titanio con carbón, El carbono también termina adherido al titanio. Es un material duro y frágil que no sirve como metal. Y aquí llegamos al punto en el que El titanio es casi imposible de fabricar. Aunque después de la separación, El titanio caliente aún tiene ganas de adherirse a todo. Si toca el aire, absorbe oxígeno y nitrógeno. Una pequeña cantidad de estos gases es suficiente para hacerlo tan frágil como el cristal. Y si tratas de fundirlo en una olla de cerámica, Él reacciona incluso ante la olla. Es decir, el desafío tiene dos caras. Debes separar titanio del oxígeno. y luego impedirle que toque algo. Entonces, ¿cómo resolvió la industria este problema? Con un desvío. Piénsalo de esta manera: si alguien está en un abrazo apretado y no puedes extraer la fuerza, Una salida es ofrecer otro compañero. Para el titanio, este nuevo compañero es el cloro. La mena entra en un reactor junto con carbón y gas cloro. unos mil grados. Dentro, el carbono absorbe el oxígeno, el cloro ocupa su lugar Y el titanio se adhiere al cloro. Un momento, si el objetivo es dejar el titanio puro, ¿Por qué arrestarlo con cloro? ¿Por qué el cloro libera el titanio en mayor medida? pero con mayor facilidad que el oxígeno. Es un intercambio de un abrazo imposible por otro que se puede deshacer. El resultado de esta etapa es un líquido transparente llamado tetracloruro de titanio. En la industria incluso tiene un apodo en inglés: Tickle. Antes de continuar, este líquido está purificado, de la misma manera que una bebida se destila. ¿Por qué? ¿Por qué cualquier suciedad Lo que queda aquí se convierte en un defecto en el metal que está adelante. Y este líquido tiene un comportamiento curioso. Cuando toca la humedad del aire, De inmediato brotó un humo blanco y espeso. Ya se ha utilizado para crear pantallas de humo en guerras. Ahora llega el corazón de todo, el proceso Kroll. Para separar el titanio del cloro, necesitamos a alguien ¿Quién le gusta el cloro aún más que el titanio? Esa persona es magnesio. En un gran tanque de acero, el magnesio se funde a unos 800 grados. Todo el aire en el tanque es reemplazado por argón. un gas que no reacciona con nada. Así que ni siquiera una burbuja de oxígeno se acerca. Allí, el líquido de titanio se gotea lentamente sobre el magnesio. El magnesio se queda con el cloro para sí mismo. Y el titanio, por primera vez, queda solo, puro. ¿Y por qué gotear lentamente? Porque esta reacción libera una gran cantidad de calor. Si el líquido entra demasiado rápido, el tanque se sobrecalienta. Entonces, un único lote tarda días. Y el titanio no sale como una barra brillante. Se acumula como una masa gris, llena de agujeros. Similar a una piedra pómez metálica. Por eso la llaman esponja de titanio. Cuando el tanque se enfría, esta esponja se adhiere a las paredes. un bloque que pesa varias toneladas Ella está aplastada por prensas y trituradoras. Y aquí radica un peligro. La polvo de titanio sobrante puede encenderse espontáneamente al entrar en contacto con el aire. Arde con una llama blanca y deslumbradora, Difícil de apagar con agua. Es precisamente este polvo el que crea las chispas blancas. de muchos fuegos artificiales. El magnesio utilizado regresa a otra máquina, donde el cloro se separa mediante electricidad, Y los dos regresan al principio del proceso. Nada se pierde, pero cada giro consume mucha energía. Y la esponja aún no es el metal terminado. Ella necesita convertirse en un bloque sólido. Para hacer esto, se presiona y se funde. Pero ¿cómo se funde un metal que reacciona con el aire y con la olla? La respuesta tiene dos partes. Primero, el horno funciona bajo vacío, sin ninguna presencia de aire. En segundo lugar, la olla está hecha de cobre y se enfría con agua. Cuando el titanio fundido entra en contacto con cobre congelado, Se endurece de inmediato y forma una costra. El resto del titanio se funde dentro de esta envoltura. Es decir, el titanio se funde dentro de una olla hecha de sí mismo. Para las piezas de aeronaves, este proceso de fusión se repite dos veces. Lo harás tres veces para que no quede ninguna impureza. Y aún ahora, el titanio sigue dando problemas. Él difunde un calor maligno. Cuando una herramienta corta titanio, El calor no se propaga a través del metal. Él se concentra intensamente en la punta de la herramienta, como el sol concentrado a través de una lupa. Por tanto, las herramientas se desgastan muy rápidamente más rápido que cortar acero. Entonces, para resumir, la arena se separó en tres etapas, oxígeno reemplazado por cloro, magnesio robo de cloro esponja extraída con fuerza y fundida bajo vacío dentro de una cáscara de titanio. Desde la minería hasta el producto terminado, pasan semanas. Y aquí hay una bonita ironía. La misma voluntad de aferrarse al oxígeno, ¿Qué hace que el titanio sea tan difícil de fabricar? Eso es lo que lo protege una vez que ha terminado. En el aire, la superficie del titanio forma instantáneamente una capa de óxido, Demasiado hermoso para ser visto. Funciona como una piel, aislando el metal del agua, la sal y los ácidos. Y si ella se rasca, sanará por sí sola en un instante. La falla que obstaculiza la producción se convierte en el escudo del metal. Así que la química explica gran parte de la dificultad. Pero esta explicación deja una laguna. Hay otro metal con una historia casi idéntica, el aluminio. También se queda con el oxígeno. Tampoco se puede hacer con carbón. En el siglo XIX, era tan difícil de producir que valía más que la plata. En 1884, la cima del monumento a Washington en los Estados Unidos, ganó una pequeña pirámide de aluminio. Como si fuera una joya. Dos años después, dos inventores, uno en los Estados Unidos y otro en Francia Sin saber el uno del otro, descubrieron el mismo truco. Disolvieron el mineral de aluminio en una sal fundida. Pasaron electricidad. El aluminio se soltó. El precio cayó bruscamente. Y hoy está en una lata de refresco. Entonces, si el aluminio hubiera tenido su revolución, ¿Por qué el titanio nunca lo tuvo? La respuesta está en la temperatura a la que cada uno se funde. El aluminio se funde a 660 grados. Dentro de la cámara de electricidad, ya está líquido cuando sale. Imagina el hielo derritiéndose y el agua gotear por un desagüe. El aluminio fluye hacia el fondo y se extrae de forma continua, día y noche. El titanio solo se funde cerca de los 1.700 grados. En la misma situación, él tampoco sale ileso. Se forma como cristales finos, Patrones similares a escarcha en una ventana, y mantiene la sal en el centro. No gotea. No se puede retirar sin detenerlo. Por eso el proceso Kroll funciona por lotes. Liga, espera unos días, apágala, rompela y empieza de nuevo. Mientras una carga no haya terminado, la siguiente no comienza. ¿Y dónde se fabrica el titanio hoy en día? La esponja de titanio se produce únicamente por unos pocos países. China produce más de la mitad de las esponjas del mundo. Luego llegan Japón, Rusia y Kazajistán. ¿Y los Estados Unidos, quiénes crearon la producción industrial de titanio? La última fábrica de esponjas del país cerró en 2020. Hoy compran desde fuera. ¿Y quién utiliza este metal? Principalmente la aviación. La lógica es sencilla. Cada kilogramo Cuanto menos combustible se consume en cada vuelo, más combustible se ahorra a lo largo de décadas. Un avión moderno como el Boeing 787 tiene aproximadamente El 15 % de la estructura de titanio. Está en el tren de aterrizaje, en las partes que conectan las alas y los motores. También se encuentra en el fondo del mar. Dado que el titanio casi no es atraído por los imanes, Un submarino hecho de él es pero más difícil de detectar por sensores magnéticos. Y está dentro de millones de personas. Esta utilización surgió por accidente. En la década de 1950, un médico sueco llamado Per Ingvar Brånemark colocó pequeños fragmentos de titanio en los huesos de conejos para estudiar la circulación. Cuando trató de quitar las piezas, no pudo. El hueso se había fusionado con el metal. Años después, recibió su primer implante dental. titanio en un paciente Hoy, son tornillos que mantienen unidos los huesos rotos. rodillas y caderas artificiales y hasta pantallas delgadas que cierran huecos sin cráneo tras accidentes graves. Y como casi nunca provoca alergias, El titanio también terminó en relojes, gafas y joyas. Con un detalle curioso. Si haces pasar una corriente eléctrica por su superficie, Esa capa de óxido se vuelve más gruesa, y el metal se torna azul. morado, dorado o verde sin tinta. El color proviene únicamente de la forma en que la luz incide sobre esta capa. como los colores de una burbuja de jabón. Pero si el titanio es tan útil, ¿Por qué tardó tanto en encontrar alguien la forma de fabricarlo? Para entender, debemos volver atrás el día en que fue descubierto. En 1791, un pastor inglés llamado William Gregor, quien estudiaba piedras en su tiempo libre, Encontró arena negra en un arroyo en el sudoeste de Inglaterra. La arena fue atraída por los imanes. Él se dio cuenta de que había un elemento allí que nadie conocía. Cuatro años después, el químico alemán Martin Heinrich Klaproth descubrió el mismo elemento en otro mineral y lo llamó titanio. Es un homenaje a los titanes, Los gigantes de la mitología griega, hijos de la Tierra y el Cielo. Los mismos gigantes que, más de cien años después, Le darían el nombre al Titanic, que no tiene nada que ver con el metal. Y el nombre se quedó. Durante más de 100 años, Ningún químico logró aislar titanio puro. Todos los que lo intentaron terminaron cubiertos de polvo sucio de oxígeno, nitrógeno o carbono. El primer titanio puro apareció en 1910. El químico Matthew Hunter, en los Estados Unidos, Ponga el líquido de titanio con sodio dentro Él calentó un recipiente de acero cerrado. Funcionó, pero salió muy poco metal. Solo era una curiosidad de laboratorio. El avance llegó gracias a un metalúrgico luxemburgués, Wilhelm Kroll. En la década de 1930, pasó del sodio al magnesio. Él protegió todo con gas inerte. Aproximadamente en 1940, patentó el método. y se mudó a los Estados Unidos debido a la guerra. Allí, el gobierno estadounidense llevó la idea a escala industrial. La producción comercial comenzó a finales de la década de 1940. Y el proceso que nació allí es prácticamente Lo mismo que acaba de ver. Y luego llegó la Guerra Fría. El titanio se ha convertido en un metal estratégico. La Unión Soviética estableció la industria de titanio más grande del mundo. Construyeron submarinos con cascos enteros hechos de ello. Queridos, aún capaces de adentrarse más profundo que lo ordinario. Por otro lado, Estados Unidos quería el avión. el SR-71 Blackbird, más rápido que cualquier vehículo basado en el planeta que pudiera volar a más de tres veces la velocidad del sonido. A esta velocidad, el rozamiento con el aire lo calienta. el avión a cientos de grados. El aluminio no lo resistiría. La mayor parte de la estructura tendría que estar hecha de titanio. Pero había un problema. El mineral había desaparecido. ¿Y de dónde había venido? Según los relatos de la época, La CIA compró el mineral precisamente a la Unión Soviética. mediante empresas fachada en otros países. Se ha fabricado el avión espía estadounidense. en gran parte con el propio mineral del enemigo. Es decir, a lo largo de toda su historia, Titán solo ha avanzado cuando alguien estuvo dispuesto a pagar cualquier precio por él. Pero todo eso queda en el pasado. Y la pregunta permanece. ¿Por qué, más de 80 años después, ¿El mundo todavía produce titanio casi del mismo modo que el proceso Kroll? No fue por falta de intentarlo. A finales de la década de 1990, investigadores de la Universidad de Cambridge Encontraron una forma de separar el titanio del oxígeno utilizando electricidad. sin pasar por el cloro. Otras empresas han intentado procesos continuos, sin lotes. Se invirtió una gran cantidad de dinero. Hasta la fecha, ninguno de estos métodos ha tenido éxito al sustituir el proceso Kroll a gran escala Porque el problema nunca fue una máquina. Es la naturaleza del metal en sí mismo. Un elemento que abraza al oxígeno tira con más fuerza de la que puede hacer el carbón. que solo se funde cerca de 1700 grados y se adhiere a todo cuando está caliente. Cada vez que alguien intenta tomar un atajo, El titanio incurre en un cargo por impurezas. Y esta es precisamente la razón por la cual el titanio, uno de los metales más comunes en la Tierra, Sigue siendo lo más difícil de fabricar.