Tytan (Ti) – właściwości, działanie i występowanie tytanu
Tytan to pierwiastek, którego nazwa na wskroś kojarzy się z przemysłem ciężkim oraz skomplikowaną maszynerią, do tworzenia której musi służyć. I rzeczywiście – tytan ma szerokie zastosowanie w budowie wytrzymałych i trwałych konstrukcji produkowanych na użytek lotnictwa, motoryzacji, militariów czy sportów ekstremalnych. Niezwykłe właściwości tytanu sprawiają jednak, że możemy mieć z niego pożytek również w nieco bliższych nam sferach życia.
Właściwości i zastosowanie tytanu
Tytan (Ti) to pierwiastek metaliczny o białoszarej barwie. Chociaż nie występuje w przyrodzie w postaci niezwiązanej z innymi pierwiastkami, tytan jest dziewiątym najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej (0,63% masy) i jest obecny w większości skał magmowych oraz w osadach z nich pochodzących. Niewielkie ilości tytanu znajdują się w roślinach, głównie w skrzypie polnym i w pokrzywie. Dwa najważniejsze minerały handlowe to ilmenit i rutyl. Metal został wyizolowany w czystej postaci (1910) przez metalurga Matthew A. Huntera poprzez redukcję czterochlorku tytanu (TiCl4) sodem w hermetycznym stalowym cylindrze.
Nie bez kozery naukowcy, poszukując nazwy dla niego, zainspirowali się mitologią grecką i występującymi w niej potężnymi bogami. Tytan jest wytrzymały i odporny, a jednocześnie lekki – to właśnie stanowi o jego wyjątkowości. Te szczególne cechy tytanu wykorzystują głównie przemysły lotniczy, zbrojeniowy i motoryzacyjny. Tytan charakteryzuje się niską gęstością (około 60% gęstości żelaza), jest materiałem sztywnym i bardzo odpornym na korozję. Stopy tytanu charakteryzują się bardzo dużą wytrzymałością na rozciąganie nawet w wysokich temperaturach, niewielką wagą, wysoką odpornością na korozję oraz odpornością na ekstremalne temperatury. Ze względu na te właściwości są one głównie wykorzystywane w samolotach, rurach do elektrowni, płytach pancernych, okrętach morskich, statkach kosmicznych i pociskach. Tytan jest tak mocny jak stal, ale o 45% lżejszy. Znajduje również zastosowanie w wyrobach protetycznych, ponieważ nie reaguje z tkanką mięsistą i kością. Tytan był również stosowany jako odtleniacz w stali i jako dodatek stopowy w wielu stalach: w stali nierdzewnej w celu zmniejszenia zawartości węgla, w aluminium w celu rozdrobnienia ziarna oraz w miedzi w celu utwardzenia.
Niklowy superstop, jeden z najtwardszych i najbardziej wytrzymałych materiałów na świecie, to mieszanina niklu, glinu i tytanu właśnie. Tytan niełatwo poddaje się rozciąganiu – jest na nie podatny w równie niedużym stopniu, co większość stopów stali. Pożyteczność tytanu wynika także z kilku innych jego cech, o których warto wspomnieć. Tytan ma wysoką odporność na działanie chlorków i kwasów, a do tego jest nietoksyczny. Może dzięki temu służyć do budowy lekkich i wysokojakościowych konstrukcji. Jest szeroko wykorzystywany w przemyśle morskim i wodnym, ze względu na to, że opiera się korozji pod wpływem wody morskiej oraz chlorowanej. Co ciekawe, tytan wykazuje biologiczną kompatybilność z tkankami ludzkimi.
Znaczenie biologiczne tytanu
Tytan jest biologicznie obojętny dla ludzkiego ustroju. Nawet duże dawki tego pierwiastka dostarczone do organizmu pozostają dla niego bez znaczenia. Ocenia się, że każdego dnia człowiek pochłania wraz z pożywieniem około 0,8 mg tytanu, ale jest on na bieżąco wydalany. Szkodliwy dla zdrowia może okazać się jedynie tlenek tytanu – najczęstsza postać tego pierwiastka w formie związku.
Określany jest inaczej jako biel tytanowa i stanowi bardzo popularny barwnik wykorzystywany między innymi do produkcji farb, pigmentów, włókien szklanych, lakierów itd. Za pomocą tlenku tytanu nadaje się intensywnie białą barwę wysokiej jakości wyrobom papierniczym. Biel tytanową dodaje się również do produktów spożywczych oraz do kosmetyków kolorowych. Jest częstym barwnikiem w pudrach, podkładach, cieniach do powiek, różach i lakierach do paznokci. Ponieważ hamuje wnikanie promieniowania słonecznego, ma zastosowanie również jako filtr w kosmetykach do opalania.
| Zastosowanie tytanu |
|---|
Stopy tytanu są wykorzystywane w:
Dwutlenek tytanu jest wykorzystywany:
|
Tytan pełen sprzeczności
Choć jest bardzo lekki, tytan pozostaje metalem imponująco wytrzymałym i trwałym. Ta akurat własność czyni z niego jeden z najbardziej pożytecznych materiałów. Tytan jest również bezpieczny dla ludzkiego zdrowia – biologicznie to pierwiastek całkowicie obojętny i bez wpływu na procesy życiowe organizmu, co gwarantuje jego zerową toksyczność. Jego struktura odpowiada strukturze ludzkich tkanek, dlatego oprócz silników odrzutowych i promów kosmicznych, konstruuje się z niego również protezy, implanty i klamry. Czysty tytan nie wywołuje nawet reakcji alergicznych.
Niestety, nie możemy już tyle dobrego powiedzieć o poszczególnych związkach tytanu. Przyjrzyjmy się chociażby wspomnianemu już tlenkowi tytanu, który zawarty jest w kosmetykach.
Tlenek tytanu jest potencjalnie szkodliwy dla zdrowia
O ile znajdujący się w lakierach do paznokci tlenek tytanu nie powinien wyrządzić nam zbyt wiele krzywdy, o tyle jego obecność w kosmetykach nakładanych na skórę może być powodem niekorzystnych zmian w jej obrębie. Mianowicie, pod wpływem światła słonecznego naraża ją na szybsze starzenie się, a co gorsza zwiększa ryzyko wystąpienia mutacji nowotworowych.
Czyż nie stoi to w sprzeczności z funkcją, jaką biel tytanowa pełni w kosmetykach chroniących przed słońcem? Otóż tlenek tytanu rzeczywiście jest doskonałym filtrem, jeśli chodzi o ochronę przed poparzeniami słonecznymi. Warto jednak wiedzieć, że cząsteczki tego związku w wyniku kontaktu ze światłem stają się półprzewodnikami, rozsiewającymi wolne rodniki. Te z kolei niszczą zdrowe komórki organizmu. Na szczęście, nie każda forma tlenku tytanu jest szkodliwa. Wspomniane działanie przypisuje się wyłącznie bieli tytanowej dodawanej do kosmetyków pod postacią anatazu. Przemysł kosmetyczny wykorzystuje również rutyl, który pod wpływem promieniowania słonecznego nie zachowuje się w ten sposób. Kosmetyki z dodatkiem rutylu – pudry mineralne, balsamy z filtrem UV, podkłady, cienie czy róże – dostępne są przede wszystkim u producentów ekologicznych.
Tlenek tytanu w jedzeniu
Od barwników po aromaty, wiele osób jest coraz bardziej świadomych składników żywności. Jednym z najczęściej stosowanych pigmentów spożywczych jest dwutlenek tytanu, bezwonny proszek, który wzmacnia biały kolor lub nieprzezroczystość żywności i produktów dostępnych bez recepty, w tym śmietanki do kawy, w produktów niskotłuszczowych, takich jak mleko odtłuszczone i lody, słodyczy, kremów przeciwsłonecznych i past do zębów. Chociaż TiO2 jest dozwolony jako dodatek (E171) w żywności i produktach farmaceutycznych, nie mamy wiarygodnych danych na temat jego wchłaniania, dystrybucji, wydalania i toksyczności. Nawet jeśli produkt jest oznaczony jako zawierający E171, zwykle nie podaje się żadnych informacji o ilości, wielkości i strukturze cząstek. FDA twierdzi, że TiO2 może być bezpiecznie stosowany, jako dodatek barwiący do żywności w ilości do 1% masy produktu. Co ciekawe, TiO2 jest często określany jako „naturalny barwnik” i dlatego jest dobrze akceptowany przez konsumentów.
Większość ditlenku tytanu o jakości spożywczej ma średnicę około 200–300 nanometrów (nm). Ten rozmiar pozwala na idealne rozpraszanie światła, co daje najlepszy kolor. Najpopularniejsze pokarmy zawierające dwutlenek tytanu to guma do żucia, cukierki, ciastka, czekoladki, śmietanki do kawy i dekoracje do ciast. Dwutlenek tytanu jest dodawany do niektórych opakowań do żywności, aby zachować trwałość produktu. Wykazano, że opakowania zawierające ten dodatek zmniejszają produkcję etylenu w owocach, opóźniając w ten sposób proces dojrzewania i wydłużając okres przydatności do spożycia. Ponadto wykazano, że opakowanie to ma zarówno działanie przeciwbakteryjne, jak i fotokatalityczne, z których to drugie zmniejsza ekspozycję na promieniowanie ultrafioletowe (UV).
W ostatnich dziesięcioleciach wzrosły obawy o zagrożenia związane ze spożyciem dwutlenku tytanu. Food and Drug Administration (FDA) klasyfikuje dwutlenek tytanu jako ogólnie uznawany za bezpieczny. Z drugiej strony Międzynarodowa Agencja Badań nad Rakiem (IARC) umieściła go na liście substancji rakotwórczych z grupy 2B – czyli sklasyfikowała go jako czynnik, który może być rakotwórczy, ale brakuje mu wystarczających badań na zwierzętach i ludziach. Zrodziło to obawy o jego bezpieczeństwo stosowania w produktach spożywczych. Niektóre badania na zwierzętach wykazały, że wdychanie pyłu dwutlenku tytanu może powodować rozwój guzów płuc. Jednak IARC stwierdziła, że produkty spożywcze zawierające ten dodatek nie stanowią takiego ryzyka. Dlatego obecnie zalecają ograniczenie wdychania dwutlenku tytanu tylko w branżach o dużym narażeniu na pył, takich jak branża papiernicza.
Istnieją pewne obawy dotyczące wchłaniania przez skórę i jelita nanocząstek dwutlenku tytanu o średnicy poniżej 100 nm. Niektóre małe badania z użyciem probówek wykazały, że te nanocząsteczki są wchłaniane przez komórki jelitowe i mogą prowadzić do stresu oksydacyjnego i wzrostu ryzyka zachorowania na raka. Jednak inne badania wykazały, że efekty są ograniczone. Co więcej, badanie z 2019 roku wykazało, że cząsteczki dwutlenku tytanu wykorzystywanego w przemyśle spożywczym są na tyle duże, że nie są wchłaniane z pożywienia i nie stanowiąc żadnego zagrożenia dla zdrowia.
Tytan – czy jest się czego bać?
Tytan jest pierwiastkiem metalicznym szeroko rozpowszechnionym w przyrodzie i wykorzystywanym głównie w przemyśle ciężkim. Służy jednakże również jako biomateriał do konstrukcji protez i implantów w inżynierii biomedycznej. Biologicznie pozostaje obojętny dla ludzkiego organizmu. Nie można więc mówić o niedoborach lub przedawkowaniu tytanu. Związkiem szkodliwym jest tlenek tytanu (biel tytanowa), stosowany jako barwnik lub filtr w kosmetykach. W opinii konsumentów coraz więcej zyskuje biżuteria tytanowa – hipoalergiczna, estetyczna i odporna na działanie czynników zewnętrznych. Badania toksykologiczne wykazały, że niekorzystne skutki wywołane przez nanocząsteczki TiO2 są głównie wynikiem stresu oksydacyjnego, który może prowadzić do uszkodzenia komórek, efektów genotoksycznych, odpowiedzi zapalnych i zmian w sygnalizacji komórkowej. Badania wykazały również, że efekty te silnie zależą od wielu właściwości chemicznych i fizycznych cząstek TiO2: wielkości, struktury kryształu, powierzchni właściwej, kształtu cząstek, czystości, ładunku powierzchniowego, rozpuszczalności, szybkości aglomeracji, fotoaktywacji itp. Cząsteczki TiO2 są bez wątpienia związane z niebezpiecznymi właściwościami, a zagrożenie dla zdrowia ludzkiego i środowiska zależy od drogi i zakresu narażenia.
- Łukasz Dudek, Tadeusz Hryniewicz, Krzysztof Rokosz; "Zastosowanie tytanu i wybranych stopów tytanu w lotnictwie"; AUTOBUSY 8/2016;
- Maciej Wiśniowski, Centrum Popularyzacji Nauki Politechniki Śląskiej; "Tytan, czyli bóg, metal i tankowanie z kałuży"; https://www.cpn.polsl.pl/wp-content/uploads/2018/02/Maciej-Wi%C5%9Bniowski.pdf;
- Fedora Grande, Paola Tucci; "Titanium Dioxide Nanoparticles: A Risk for Human Health?"; Mini Reviews in Medicinal Chemistry 16(9) · March 2016;
- Anita V. Tibau, Blanche D. Grube, Braulio J. Velez, Victor M. Vega, Joachim Mutter; "Titanium exposure and human health"; Oral Sci Int. 2019;1–10.;
- Kyeong Tae Kim, Mi Young Eo, Truc Thi Hoang Nguyen, and Soung Min Kim; "General review of titanium toxicity"; Int J Implant Dent. 2019 Dec; 5: 10. Published online 2019 Mar 11. doi: 10.1186/s40729-019-0162-x;
- The Editors of Encyclopaedia Britannica; "Titanium chemical element"; https://www.britannica.com/science/titanium; 2021-02-25;
- Matej Skocaj, Metka Filipic, Jana Petkovic, and Sasa Novak; "Titanium dioxide in our everyday life; is it safe?"; Radiol Oncol. 2011 Dec; 45(4): 227–247. Published online 2011 Nov 16. doi: 10.2478/v10019-011-0037-0;
