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            鈦(Titanium)是一種金屬化學元素,化學符號Ti,原子序數22,在化學元素周期表中位于第4周期、第IVB族。由格雷戈爾于1791年發現。是一種銀白色的過渡金屬,其特征為重量輕、強度高、具金屬光澤,耐濕氯氣腐蝕。但鈦不能應用于干氯氣中,即使是溫度0℃以下的干氯氣,也會發生劇烈的化學反應,生成四氯化鈦,再分解生成二氯化鈦,甚至燃燒。只有當氯氣中的含水量高于0.5%的時候,鈦在其中才能保持可靠的穩定性。α型鈦為六方晶系、β型鈦為立方晶系。轉變溫度為882.5℃。熔點(1660±10)℃,沸點3287℃,密度為4.506g/cm3。溶于稀酸,不溶于冷水和熱水。耐海水腐蝕性很強。 [10] 已知的鈦的同位素有13種,包括鈦-41至鈦-53。其中鈦的穩定同位素有鈦-46,鈦-47,鈦-48,鈦-49,鈦-50共五種,其余的同位素均有放射性。
            鈦 [1] 被認為是一種稀有金屬,這是由于在自然界中其存在分散并難于提取。但其相對豐富,在所有元素中居第十位。 鈦的礦石主要有鈦鐵礦及金紅石,廣布于地殼及巖石圈之中。鈦亦同時存在于幾乎所有生物、巖石、水體及土壤中。從主要礦石中萃取出鈦需要用到克羅爾法或亨特法。鈦最常見的化合物是二氧化鈦,可用于制造白色顏料。其他化合物還包括四氯化鈦(TiCl4)(作催化劑和用于制造煙幕作空中掩護)及三氯化鈦(TiCl3)(用于催化聚丙烯的生產)。

          物理性質


            鈦具有金屬光澤,有延展性。聲音在其中的傳播速率為5090 m/s。鈦的主要特點是密度小、機械強度大、容易加工。

            新型鈦合金耐熱性能好,可在600℃或更高的溫度下長期使用。

            鈦合金的耐低溫性能好,鈦合金TA7(Ti-5Al-2.5Sn),TC4(Ti-6Al-4V)和Ti-2.5Zr-1.5Mo等為代表的低溫鈦合金,其強度隨溫度的降低而提高,但塑性變化卻不大。在-196-253℃低溫下保持較好的延性及韌性,避免了金屬冷脆性,是低溫容器,貯箱等設備的理想材料。

            金屬鈦的抗阻尼性能強,受到機械振動、電振動后,與鋼、銅金屬相比,其自身振動衰減時間最長。利用鈦的這一性能可作音叉、醫學上的超聲粉碎機振動元件和高級音響揚聲器的振動薄膜等。

            鈦是鋼與合金中重要的合金元素,但比強度位于金屬之首。熔點1668℃,熔化潛熱3.7-5.0千卡/克原子,沸點3260±20℃,汽化潛熱102.5-112.5千卡/克原子,臨界溫度4350℃,臨界壓力1130大氣壓。鈦的導熱性和導電性能較差,近似或略低于不銹鋼,鈦具有超導性,純鈦的超導臨界溫度為 0.38-0.4K。在25℃時,鈦的熱容為0.126卡/克原子·度,熱焓1149卡/克原子,熵為7.33卡/克原子·度。

            鈦具有可塑性,高純鈦的延伸率可達50-60%,斷面收縮率可達70-80%,但收縮強度低(即收縮時產生的力度)。鈦中雜質的存在,對其機械性能影響極大,特別是間隙雜質(氧、氮、碳)可大大提高鈦的強度,顯著降低其塑性。鈦作為結構材料所具有的良好機械性能,就是通過嚴格控制其中適當的雜質含量和添加合金元素而達到的。

          純鈦是無磁性金屬,在很大的磁場中也難以被磁化,無毒且與人體組織及血液有好的相溶性,所以被醫療界采用。鈦合金是順磁性物質,導磁率為1.00004。

            鈦的抗拉強度與其屈服強度接近說明了其屈強比(抗拉強度/屈服強度)高,表示了金屬鈦材料在成形時塑性變形差。由于鈦的屈服極限與彈性模量的比值大,使鈦成型時的回彈能力大。

            金屬鈦的導熱系數雖然比碳鋼和銅低,但由于鈦優異的耐腐蝕性能,所以壁厚可以大大減薄,而且表面與蒸汽的換熱方式為滴狀冷凝,減少了熱組,鈦表面不結垢也可減少熱阻,使鈦的換熱性能顯著提高。

          鈦的彈性模量在常溫時為106.4GPa,為鋼的57%。

            下面是鈦的電離能數據(單位:kJ /mol)

            M - M+ 658

            M+ - M2+ 1310

            M2+ - M3+ 2652

            M3+ - M4+ 4175

            M4+ - M5+ 9573

            M5+ - M6+ 11516

            M6+ - M7+ 13590

            M7+ - M8+ 16260

            M8+ - M9+ 18640

            M9+ - M10+ 20830

            晶胞參數:

            a = 295.08 pm

            b = 295.08 pm

            c = 468.55 pm

            α = 90°

            β = 90°

            γ = 120°


          化學性質


            化學反應

            鈦是一種化學性質非?;顫姷慕饘?,但熔點高達1668℃。鈦在較高的溫度下,還可與許多元素和化合物發生反應。按其與鈦發生不同反應可分為以下四類:

            第一類:鹵素和氧族元素與鈦生成共價鍵與離子鍵化合物;

            第二類:過渡元素、氫、鈹、硼族、碳族和氮族元素與鈦生成金屬間化物和有限固溶體;

            第三類:鋯、鉿、釩族、鉻族、鈧元素與鈦生成無限固溶體;

            第四類:惰性氣體、堿金屬、堿土金屬、稀土元素(除鈧外),錒、釷等不與鈦發生反應或基本上不發生反應。與化合物HF和氟化物氟化氫氣體在加熱時與鈦發生反應生成TiF4,反應式為

            Ti+4HF=TiF4+2H2+135.0千卡

            鈦有良好的抗腐蝕性能,不受大氣和海水的影響。 [11]  在常溫下,不會被7%以下鹽酸、5%以下硫酸、硝酸、王水或稀堿溶液所腐蝕;只有氫氟酸、濃鹽酸、濃硫酸等才可對它作用。不含水的氟化氫液體只可在鈦表面上生成一層致密的四氟化鈦膜,可防止HF浸入鈦的內部。氫氟酸是鈦的最強溶劑。即使是濃度為1%的氫氟酸,也能與鈦發生激烈反應:

            2Ti+6HF=2TiF3+3H2

            無水的氟化物及其水溶液在低溫下不與鈦發生反應,僅在高溫下熔融的氟化物與鈦發生顯著反應。 HCl和氯化物氯化氫氣體能腐蝕金屬鈦,干燥的氯化氫在>300℃時與鈦反應生成TiCl4:

            Ti+4HCl=TiCl4+2H2+94.75千卡

            濃度<5%的鹽酸在室溫下不與鈦反應,20%的鹽酸在常溫下與鈦發生反應生成紫色的TiCl3:

            2Ti+6HCl=2TiCl3+3H2

            當溫度長高時,即使稀鹽酸也會腐蝕鈦。各種無水的氯化物,如鎂、錳、鐵、鎳、銅、鋅、汞、錫、鈣、鈉、鋇和NH4+離子及其水溶液,都不與鈦發生反應,鈦在這些氯化物中具有很好的穩定性。硫酸和硫化氫鈦與5%的硫酸有明顯的反應,在常溫下,約40%的硫酸對鈦的腐蝕速度最快,當濃度大于40%,達到60%時腐蝕速度反而變慢,80%又達到最快。加熱的稀酸或50%的濃硫酸可與鈦反應生成硫酸鈦:

            Ti+H2SO4=TiSO4+H2

            2Ti+3H2SO4=Ti2(SO4)3+3H2

            加熱的濃硫酸可被鈦還原,生成SO2:

            2Ti+6H2SO4=Ti2(SO4)3+3SO2+6H2O+202千卡

            常溫下鈦與硫化氫反應,在其表面生成一層保護膜,可阻止硫化氫與鈦的進一步反應。但在高溫下,硫化氫與鈦反應析出氫:

            Ti+H2S=TiS+H2+70千卡

            粉末鈦在600℃開始與硫化氫反應生成鈦的硫化物,在900℃時反應產物主要為TiS,1200℃時為Ti2S3。硝酸和王水 致密的表面光滑的鈦對硝酸具有很好的穩定性,這是由于硝酸能快速在鈦表面生成一層牢固的氧化膜,但是表面粗糙,特別是海綿鈦或粉末鈦,可與次、熱稀硝酸發生反應:

            3Ti+4HNO3+4H2O=3H4TiO4+4NO

            3Ti+4HNO3+H2O=3H2TiO3+4NO

            高于70℃的濃硝酸也可與鈦發生反應:

            Ti+8HNO3=Ti(NO3)4+4NO2+4H2O

            常溫下,鈦不與王水反應。溫度高時,鈦可與王水反應生成TiCl2。

            綜上所述,鈦的性質與溫度及其存在形態、純度有著極其密切的關系。致密的金屬鈦在自然界中是相當穩定的,但是,粉末鈦在空氣中可引起自燃。鈦中雜質的存在,顯著的影響鈦的物理、化學性能、機械性能和耐腐蝕性能。特別是一些間隙雜質,它們可以使鈦晶格發生畸變,而影響鈦的的各種性能。常溫下鈦的化學活性很小,能與氫氟酸等少數幾種物質發生反應,但溫度增加時鈦的活性迅速增加,特別是在高溫下鈦可與許多物質發生劇烈反應。鈦的冶煉過程一般都在800℃以上的高溫下進行,因此必須在真空中或在惰性氣氛保護下操作。金屬鈦在高溫環境中的還原能力極強,能與氧、碳、氮以及其他許多元素化合,還能從部分金屬氧化物(比如氧化鋁)中奪取氧。常溫下鈦與氧氣化合生成一層極薄致密的氧化膜,這層氧化膜常溫下不與硝酸,稀硫酸,稀鹽酸反應,以及酸中之王——王水。它與氫氟酸、濃鹽酸、濃硫酸反應。

            在電化學中,鈦是單向閥型金屬,電位很負,通常無法用鈦作為陽極進行分解。

            人們利用鈦在高溫下化合能力極強的特點,在煉鋼的時候,氮很容易溶解在鋼水里, 當鋼錠冷卻的時候,鋼錠中就形成氣泡,影響鋼的質量。所以煉鋼工人往鋼水里加進金屬鈦,使它與氮化合,變成爐渣——氮化鈦,浮在鋼水表面,這樣鋼錠就比較純凈了。

            當超音速飛機飛行時,它的機翼的溫度可以達到500℃。如用比較耐熱的鋁合金制造機翼,一到二三百度也會吃不消,必須有一種又輕、又韌、又耐高溫的材料來代替鋁合金而鈦恰好能夠滿足這些要求。鈦還能經得住零下一百多度的考驗,在這種低溫下,鈦仍舊有很好的韌性而不發脆。

            鈦吸氣主要指高溫下與碳、氫、氮、氧發生反應。利用鈦和鋯對空氣的強大吸收力,可以除去空氣,造成真空。比方,利用鈦制成的真空泵,可以把空氣抽到只剩下十萬億分之一。

            鈦的最大缺點是難于提煉。主要是因為鈦在高溫下化合能力極強,可以與氧、碳、氮以及其他許多元素化合。因此,不論在冶煉或者鑄造的時候,人們都小心地防止這些元素“侵襲”鈦。在冶煉鈦的時候,空氣與水當然是嚴格禁止接近的,甚至連冶金上常用的氧化鋁坩堝也禁止使用,因為鈦會從氧化鋁里奪取氧。人們利用鎂與四氯化鈦在惰性氣體——氦氣或氬氣中相作用,來提煉鈦。


            鈦的化合物

            鈦的氧化物為二氧化鈦,是鈦的最高價氧化物。天然TiO2是金紅石,純凈的TiO2是雪白的粉末,是最好的白色顏料,俗稱鈦白,冷時為白色,熱時呈淺黃色。以前,人們開采鈦礦,主要目的便是為了獲得二氧化鈦。鈦白的粘附力強,不易起化學變化,永遠是雪白的,是極好的白色涂料,它折射率高,著色里強,遮蓋力大,化學性能穩定。其他白色涂料,如鋅白ZnO和鉛白2PbCO3·Pb(OH)2等,不具有鈦白的這些優良性能。特別可貴的是鈦白無毒。它的熔點很高,被用來制造耐火玻璃 [7]  ,釉料,琺瑯、陶土、耐高溫的實驗器皿等。

            二氧化鈦是世界上最白的東西, 1克二氧化鈦可以把 450多平方厘米的面積涂得雪白。它比常用的白顏料——鋅鋇白還要白5倍,因此是調制白油漆的最好顏料。世界上用作顏料的二氧化鈦,一年多到幾十萬噸。二氧化鈦可以加在紙里,使紙變白并且不透明,效果比其他物質大10倍,因此,鈔票紙和美術品用紙就要加二氧化鈦。此外,為了使塑料的顏色變淺,使人造絲光澤柔和,有時也要添加二氧化鈦。在橡膠工業上,二氧化鈦還被用作為白色橡膠的填料。

            鈦的氫化物是氫化鈦。氫化鈦很脆,因而可用于制造粉末鈦,它還用于焊接,二氫化鈦受熱分解,析出新生態氫和金屬鈦,后者可促進焊接,并使焊縫強度增加??捎米骶酆戏磻呋瘎?。 [12] 

            四氯化鈦非常有趣,它在通常狀況下為無色液體(熔點-25℃,沸點136.4℃),有刺鼻氣味,在濕空氣中便會大冒白煙——它水解了,變成白色的二氧化鈦的水凝膠。在水中則強烈水解為偏鈦酸H2TiO3。在軍事上,人們便利用四氯化鈦的這股怪脾氣,作為人造煙霧劑。特別是在海洋上,水氣多,一放四氯化鈦,濃煙就象一道白色的長城,擋住了敵人的視線。在農業上,人們利用四氟化鈦來防霜。

            TiCl3是紫色晶體,其水溶液可用做還原劑。Ti3+比Sn2+有更強的還原性 [7]  。

            鈦酸鋇晶體有這樣的特性:當它受壓力而改變形狀的時候,會產生電流,一通電又會改變形狀。于是,人們把鈦酸鋇放在超聲波中,它受壓便產生電流,由它所產生的電流的大小可以測知超聲波的強弱。相反,用高頻電流通過它,則可以產生超聲波。幾乎所有的超聲波儀器中,都要用到鈦酸鋇。除此之外,鈦酸鋇還有許多用途。例如:鐵路工人把它放在鐵軌下面,來測量火車通過時候的壓力;醫生用它制成脈搏記錄器。用鈦酸鋇做的水底探測器,是銳利的水下眼睛,它不只能夠看到魚群,而且還可以看到水底下的暗礁、冰山和敵人的潛水艇等。



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