Le titane a été découvert de manière indépendante à deux reprises. En 1791, le révérend britannique William Gregor (1761-1817) analyse un sable noir magnétique provenant de Cornouailles et identifie un nouvel élément qu'il nomme menaccanite. Quelques années plus tard, en 1795, le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) redécouvre indépendamment cet élément dans le minéral rutile et le nomme titane, en référence aux Titans de la mythologie grecque, symboles de puissance et de force. Klaproth reconnut ensuite que son titane était identique au menaccanite de Gregor. Ce n'est qu'en 1910 que Matthew Albert Hunter (1878-1961) isole pour la première fois le titane métallique pur en chauffant du tétrachlorure de titane avec du sodium.
Le titane (symbole Ti, numéro atomique 22) est un métal de transition du groupe 4 du tableau périodique. Son atome possède 22 protons, généralement 26 neutrons (pour l'isotope le plus abondant \(\,^{48}\mathrm{Ti}\)) et 22 électrons avec la configuration électronique [Ar] 3d² 4s².
À température ambiante, le titane est un métal solide gris argenté, remarquablement léger (densité ≈ 4.506 g/cm³), soit environ 60% plus léger que l'acier tout en étant aussi résistant. Il possède une excellente résistance à la corrosion grâce à la formation spontanée d'une couche d'oxyde protectrice (TiO₂) à sa surface. Le point de fusion (état liquide) du titane : 1 941 K (1 668 °C). Le point d'ébullition (état gazeux) du titane : 3 560 K (3 287 °C).
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Abondance naturelle | Demi-vie / Stabilité | Décroissance / Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Titane-46 — \(\,^{46}\mathrm{Ti}\,\) | 22 | 24 | 45.952632 u | ≈ 8.25 % | Stable | Isotope stable le plus léger du titane naturel. |
| Titane-47 — \(\,^{47}\mathrm{Ti}\,\) | 22 | 25 | 46.951763 u | ≈ 7.44 % | Stable | Possède un moment magnétique nucléaire ; utilisé en spectroscopie RMN. |
| Titane-48 — \(\,^{48}\mathrm{Ti}\,\) | 22 | 26 | 47.947946 u | ≈ 73.72 % | Stable | Isotope dominant du titane ; noyau doublement magique très stable. |
| Titane-49 — \(\,^{49}\mathrm{Ti}\,\) | 22 | 27 | 48.947870 u | ≈ 5.41 % | Stable | Isotope stable utilisé dans la recherche en physique nucléaire. |
| Titane-50 — \(\,^{50}\mathrm{Ti}\,\) | 22 | 28 | 49.944791 u | ≈ 5.18 % | Stable | Isotope stable le plus lourd du titane naturel. |
| Titane-44 — \(\,^{44}\mathrm{Ti}\,\) | 22 | 22 | 43.959690 u | Trace cosmique | ≈ 60 ans | Radioactif, capture électronique vers \(\,^{44}\mathrm{Sc}\). Produit dans les supernovae, utilisé comme traceur cosmique. |
Le titane possède 22 électrons répartis sur quatre couches électroniques. Sa configuration électronique complète est : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d² 4s², ou de manière simplifiée : [Ar] 3d² 4s². Cette configuration peut aussi s'écrire : K(2) L(8) M(10) N(2).
Couche K (n=1) : contient 2 électrons dans la sous-couche 1s. Cette couche interne est complète et très stable.
Couche L (n=2) : contient 8 électrons répartis en 2s² 2p⁶. Cette couche est également complète, formant une configuration de gaz noble (néon).
Couche M (n=3) : contient 10 électrons répartis en 3s² 3p⁶ 3d². Les orbitales 3s et 3p sont complètes, tandis que les orbitales 3d ne contiennent que 2 électrons sur 10 possibles.
Couche N (n=4) : contient 2 électrons dans la sous-couche 4s. Ces électrons sont les premiers à être impliqués dans les liaisons chimiques.
Les 4 électrons des couches externes (3d² 4s²) constituent les électrons de valence du titane. Cette configuration explique ses propriétés chimiques :
En perdant les 2 électrons 4s, le titane forme l'ion Ti²⁺ (degré d'oxydation +2).
En perdant les 2 électrons 4s et 1 électron 3d, il forme l'ion Ti³⁺ (degré d'oxydation +3).
En perdant tous ses électrons de valence (4s² 3d²), il forme l'ion Ti⁴⁺ (degré d'oxydation +4), l'état le plus stable et le plus courant.
La configuration électronique particulière du titane, avec ses orbitales 3d partiellement remplies, le classe parmi les métaux de transition. Cette structure lui confère des propriétés caractéristiques : capacité à former des composés colorés, activité catalytique, et possibilité de former des liaisons métalliques fortes grâce au recouvrement des orbitales d.
Le titane est un métal relativement réactif à l'état pur. À température élevée, il réagit avec l'oxygène, l'azote, l'hydrogène, le carbone et les halogènes. Il forme principalement des composés au degré d'oxydation +4 (comme TiO₂, TiCl₄), mais peut également exister aux degrés +3 et +2. Le dioxyde de titane (TiO₂) est particulièrement stable et confère au métal sa remarquable résistance à la corrosion en formant une couche passive protectrice. Le titane résiste à de nombreux acides et bases, mais peut être attaqué par l'acide fluorhydrique, les solutions alcalines chaudes concentrées et certains acides en présence d'ions fluorure.
Le titane est synthétisé principalement lors de l'explosion des étoiles massives en supernovae, par le processus de capture de neutrons rapides (processus r) et par la combustion du silicium. L'isotope radioactif \(\,^{44}\mathrm{Ti}\) (demi-vie d'environ 60 ans) est particulièrement intéressant car il permet de dater et d'étudier les restes de supernovae récentes. Sa détection par spectroscopie gamma fournit des informations cruciales sur les mécanismes d'explosion stellaire et la nucléosynthèse explosive.
Dans les étoiles évoluées, le titane se forme dans les couches où brûle le silicium, juste avant l'effondrement du cœur conduisant à une supernova. L'abondance de titane dans les météorites et les étoiles anciennes aide les astronomes à comprendre l'enrichissement chimique progressif de notre galaxie. Les raies spectrales du titane neutre et ionisé (Ti I, Ti II) sont utilisées pour déterminer la température, la gravité de surface et la composition chimique des étoiles.
N.B. :
Le titane est le neuvième élément le plus abondant dans la croûte terrestre (environ 0,6 % en masse), mais il est rarement trouvé sous forme pure. Il se présente principalement dans des minerais comme l'ilménite (FeTiO₃) et le rutile (TiO₂). Malgré son abondance relative, l'extraction et la purification du titane métallique sont des procédés coûteux et énergivores (procédé Kroll), ce qui explique son prix élevé par rapport à d'autres métaux structuraux comme l'acier ou l'aluminium. Cette complexité de production contraste avec ses exceptionnelles propriétés mécaniques et sa résistance à la corrosion.
