チタン（Ti）

チタン（Ti）は、軽量（低密度）で高い比強度を持ち、さらに表面に形成される安定な不動態（TiO₂皮膜）によって優れた耐食性を示す金属である。その一方で、工業的には「金属チタン（スポンジ〜インゴット）」と「酸化チタン（TiO₂：白色顔料）」が別の巨大産業として成立しており、資源・精錬プロセス・環境規制・品質要求が用途ごとに分岐する点が、材料設計と供給網議論を難しくする。

参考ドキュメント

• Royal Society of Chemistry（RSC）Periodic Table: Titanium（基本物性・用途概要） https://periodic-table.rsc.org/element/22/titanium
• USGS: Mineral Commodity Summaries 2025（Titanium and Titanium Dioxide / Titanium Mineral Concentrates：統計・需給・用途） https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2025/mcs2025.pdf
• JOGMEC（日本語）：鉱物資源マテリアルフロー2019（チタン：日本の需給・用途・フロー） https://mric.jogmec.go.jp/reports/current/20200521/125070/

1. 基本情報

項目	内容
元素名	チタン
元素記号 / 原子番号	Ti / 22
標準原子量	47.867
族 / 周期 / ブロック	第4族 / 第4周期 / dブロック（遷移金属）
電子配置	$[\mathrm{Ar}]3d^{2}4s^2$
常温常圧での状態	固体（金属）
常温の結晶構造（代表）	hcp（$\alpha$-Ti）
高温相	bcc（$\beta$-Ti、約 882 ℃ 以上で安定）
代表的な酸化数	$0,+2,+3,+4$（固体化学では $+4$ が支配的）
主な安定同位体	${}^{46}\mathrm{Ti},{}^{47}\mathrm{Ti},{}^{48}\mathrm{Ti},{}^{49}\mathrm{Ti},{}^{50}\mathrm{Ti}$
代表的工業形態	金属Ti（スポンジ、インゴット、展伸材、粉末）、Ti合金、酸化チタン（TiO${}_2$：顔料・光触媒）、チタン化合物（TiCl${}_4$ 等）

• 補足（チタンを議論する時の「製品形態の分岐」）
  • 「チタン需要」と言っても、金属チタン（航空宇宙・化学プラント・医療など）と、TiO₂（塗料・紙・樹脂の白色顔料）が全く別の市場・工程・品質要求で動く。統計や需給の読み違いを避けるには、どちらの“チタン”を指しているかを冒頭で固定するのが有効である。

2. 歴史

• 発見と命名

  • チタンは18世紀末に鉱物から同定され、元素名はギリシャ神話のティタンに由来するとされる。元素発見史としては、鉱物学と分析化学が進展した時代に確立された「遷移金属の一員」という位置づけで理解されやすい。

• 工業化の遅れ（“豊富だが作りにくい金属”）

  • 地殻中には広く存在する一方、金属Tiは酸素・窒素・水素などの侵入型不純物を吸収しやすく、高純度化と溶解・加工が難しいため、工業化は比較的新しい。現代の金属チタン産業は、塩化・還元（スポンジ）を核にした工程体系で成立している。

3. チタンを理解する

• 不動態（TiO₂皮膜）が耐食性の本体

  • Tiの“耐食性”は、Tiが化学的に不活性だからではなく、表面に緻密で安定な酸化皮膜が自発形成されるために成立する。酸化膜が破れても再生しやすい条件では極めて強いが、環境（温度、還元性、フッ化物、すきま等）により挙動が急変することがあるため、「材質」だけでなく「環境条件」をセットで扱う必要がある。

• $\alpha /\beta$ 相と合金設計（“相の安定化”が強度・加工性を決める）

  • 純Tiは常温でhcp（$\alpha$）だが、高温でbcc（$\beta$）へ変態する。Ti合金では、Alが$\alpha$安定化、V・Mo・Nbなどが$\beta$安定化として働き、室温での相分率・析出・転位運動が強度と靱性、加工性を同時に決める。
  • そのためTi合金は「組成＋熱履歴（溶体化・時効・加工）」で状態が決まり、同じ規格材でも履歴差が性能差として現れやすい。

• “軽い・強い”だけでなく、酸素・窒素の取り込みが材料特性を支配する

  • Tiは侵入型元素（O, N, H, C）に敏感で、少量でも強化される一方、延性・破壊靱性を損ねることがある。製造（溶解・鍛造・粉末プロセス）や使用（高温酸化・水素吸収）で「どれだけ取り込むか」が寿命と信頼性に直結する。

• 酸化チタン（TiO₂）は“別の主役”

  • TiO₂は高い屈折率・化学安定性・白色度により、塗料・紙・プラスチックの白色顔料として巨大用途を持つ。金属TiよりもTiO₂の方が“チタン産業”としては量的に支配的になりやすい点が、議論の前提になる。

4. 小話

• “チタンは錆びない”は半分正しい

  • 多くの環境で優れた耐食性を示すが、フッ化物環境や高温・低酸素の局所条件など、酸化膜の安定性が崩れる状況では急に弱くなることがある。耐食材として採用する場合ほど、環境条件を具体化し、試験条件と実環境の差（温度・流速・すきま）を詰めることが重要になる。

• “金属チタン”と“酸化チタン”を混同すると誤解が増える

  • 同じTiでも、供給・価格・規制・環境負荷の論点は、金属Ti（スポンジ〜インゴット）とTiO₂（顔料）で別物になりやすい。

5. 地球化学・産状（地殻での存在形態）

5.1 主な鉱石・鉱物形態

• イルメナイト（チタン鉄鉱）${\mathrm{FeTiO}}_3$
• ルチル（金紅石）${\mathrm{TiO}}_2$
• チタナイト（くさび石）${\mathrm{CaTiSiO}}_5$、など（地域により多様）
• 重鉱物砂（mineral sands）としての濃集（海浜・河川堆積物）

補足：

• Tiは地殻に広く存在するが、経済的に回収可能な濃集形態（イルメナイト・ルチル等）へ集積した資源が、実際の供給を規定する。

5.2 鉱床タイプと回収の論点

• ルチルは高品位だが賦存が限られ、イルメナイトは量が大きい一方で品位・不純物・処理法が多様で、精鉱化・スラグ化・塩化適性などがプロセス選択を分ける。

6. 採掘・製造・精錬・リサイクル

6.1 鉱石（精鉱）の選鉱

• 砂鉱系では、比重・磁性・静電選別などで重鉱物を分離し、イルメナイト／ルチル精鉱へ仕上げる。ここでの不純物（Fe、Cr、Vなど）と粒度が、後段（塩化法・硫酸法）の適性へ直結する。

6.2 TiO₂（顔料）製造：硫酸法と塩化法

• TiO₂顔料は主に「硫酸法」「塩化法」に大別され、原料適性・副生成物・環境負荷・品質要求で最適解が分かれる。塩化法は一般に高品位原料や塩素化工程（TiCl₄）を前提にし、硫酸法は原料の許容幅が広い一方で副生成物・廃酸処理が論点になりやすい。

6.3 金属Ti：スポンジ（還元）→溶解→展伸

• 金属チタンは、鉱石由来の酸化物を直接“溶かして金属化”するのではなく、塩化でTiCl₄へ変換し、還元でスポンジを得て、さらに溶解・精錬（再溶解）してインゴット化する流れが中核になる。
• 典型的概念式（還元のイメージ）：$${\mathrm{TiCl}}_4+2\mathrm{Mg}\to \mathrm{Ti}+2{\mathrm{MgCl}}_2$$（工程設計の本質は、反応そのものより不純物管理と回収・再生、熱管理にある。）

6.4 リサイクル

• Tiは加工スクラップ（切削屑・端材）が大きな二次資源になり得る一方、酸素混入・合金元素混入・分別の難しさが再溶解の制約になりやすい。用途（航空、医療、一般工業）ごとのトレーサビリティと分別が価値を持つ。
• 日本の需給・フロー整理では、用途構造と回収の流れを把握することが、供給網の実像理解に有効である。

7. 物理化学的性質・特徴

7.1 熱・力学・輸送

項目	値	備考
密度	4.5 g cm${}^{-3}$	軽量金属の代表
融点	1668 ℃	高融点金属
ヤング率	110 GPa（オーダー）	鋼より低く、剛性設計で効く
熱伝導率	金属としては低め	合金化でさらに低下しやすい
電気抵抗率	中程度	状態（不純物・組織）で変化

• 補足（“軽量高強度”の設計含意）
  • 同じ強度でも軽量化できる一方、弾性率が鋼より低いので、たわみ・振動・座屈が支配する部材では形状設計が支配条件になりやすい。

7.2 酸化・水素・窒素の影響

• Tiは高温で酸化・窒化しやすく、表面反応だけでなく母材内部へ侵入型元素が入ることで脆化・疲労特性の変化が起こり得る。高温部材・粉末プロセス・積層造形では、雰囲気管理が“材料特性そのもの”になる。

7.3 TiO₂（粉体）に関する規制・健康論点（更新点）

• TiO₂粉じんのリスク評価や分類は、吸入暴露や粒径分布を前提に議論される。国・地域の制度と、作業環境（粉じん、換気、防護）を前提に、SDSと最新の法令・ガイダンスで再確認する運用が安全である。

8. 研究としての面白味

• 相変態・侵入型元素・界面が同時に効く「状態依存材料」

  • $\alpha /\beta$相、析出、転位、酸化膜、侵入型元素（O/N/H）が相互に絡むため、単一指標で設計しにくい。逆に言えば、熱力学（相）と速度論（拡散・酸化）と表面科学（不動態）を往復する研究に向く。

• TiO₂は粉体・表面・光・欠陥化学の交差点

  • 顔料としての散乱設計（粒径・形状・分散）と、光触媒・表面反応（欠陥・吸着）で同じ材料が別の顔を持つ。プロセス条件が機能へ直結する題材である。

9. 応用例

9.1 金属Ti・Ti合金

• 航空宇宙：軽量化と耐食・耐熱のバランス（高比強度）
• 化学プラント：耐食性（ただし環境依存のため条件出しが重要）
• 医療（インプラント）：生体適合性と耐食性、表面処理・粗さ制御
• 海洋・塩害環境部材：不動態に基づく耐食（すきま腐食等の設計注意あり）

9.2 TiO₂（酸化チタン）

• 白色顔料：塗料、紙、樹脂（白色度・隠ぺい力・耐候性）
• 機能材：光触媒、UVカット、コーティング（用途により結晶相・欠陥設計が効く）

10. 地政学・政策・規制

• 供給網は「鉱石」だけでなく「変換能力」で詰まる

  • イルメナイト／ルチル精鉱から、TiO₂顔料、TiCl₄、金属スポンジ、インゴットへ至る変換段階ごとにボトルネックが異なる。したがって、需給議論は“どの中間品・最終品”を対象にしているかを切り分けて読む必要がある。

• 日本の視点：用途構造と循環の把握

  • 日本語資料として、JOGMECのマテリアルフローは国内の用途・輸入・循環の全体像を俯瞰するのに有用であり、材料戦略（代替、在庫、リサイクル）を議論する際の土台になる。

まとめと展望

チタンは、「不動態に基づく耐食性」「軽量高強度」「$\alpha /\beta$相と侵入型元素の状態依存性」という材料科学の核を持ちながら、産業としては「金属Ti」と「TiO₂」が別市場として巨大に成立する、二面性の強い元素である。今後は、航空・医療・化学用途の高信頼設計（状態管理）と、TiO₂のプロセス・規制・粉体安全の変化を同時に追うことが、研究と実装の双方で重要になる。

参考文献

• Royal Society of Chemistry（RSC）Periodic Table: Titanium https://periodic-table.rsc.org/element/22/titanium
• USGS: Mineral Commodity Summaries 2025 https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2025/mcs2025.pdf
• JOGMEC（日本語）：鉱物資源マテリアルフロー2019（チタン） https://mric.jogmec.go.jp/reports/current/20200521/125070/