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                  钛(Titanium)是一种金属化学元素,化学符号Ti,原子序数22,在化学元素周期表中位于第4周期、第IVB族。由格雷戈尔于1791年发现。是一种银白色的过渡金属,其特征为重量轻、强度高、具金属光泽,耐湿氯气腐蚀。但钛不能应用于干氯气中,即使是温度0℃以下的干氯气,也会发生剧烈的化学反应,生成四氯化钛,再分解生成二氯化钛,甚至燃烧。只有当氯气中的含水量高于0.5%的时候,钛在其中才能保持可靠的稳定性。α型钛为六方晶系、β型钛为立方晶系。转变温度为882.5℃。熔点(1660±10)℃,沸点3287℃,密度为4.506g/cm3。溶于稀酸,不溶于冷水和热水。耐海水腐蚀性很强。 [10] 已知的钛的同位素有13种,包括钛-41至钛-53。其中钛的稳定同位素有钛-46,钛-47,钛-48,钛-49,钛-50共五种,其余的同位素均有放射性。
                  钛 [1] 被认为是一种稀有金属,这是由于在自然界中其存在分散并难于提取。但其相对丰富,在所有元素中居第十位。 钛的矿石主要有钛铁矿及金红石,广布于地壳及岩石圈之中。钛亦同时存在于几乎所有生物、岩石、水体及土壤中。从主要矿石中萃取出钛需要用到克罗尔法或亨特法。钛最常见的化合物是二氧化钛,可用于制造白色颜料。其他化合物还包括四氯化钛(TiCl4)(作催化剂和用于制造烟幕作空中掩护)及三氯化钛(TiCl3)(用于催化聚丙烯的生产)。

                物理性质


                  钛具有金属光泽,有延展性。声音在其中的传播速率为5090 m/s。钛的主要特点是密度小、机械强度大、容易加工。

                  新型钛合金耐热性能好,可在600℃或更高的温度下长期使用。

                  钛合金的耐低温性能好,钛合金TA7(Ti-5Al-2.5Sn),TC4(Ti-6Al-4V)和Ti-2.5Zr-1.5Mo等为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。在-196-253℃低温下保持较好的延性及韧性,避免了金属冷脆性,是低温容器,贮箱等设备的理想材料。

                  金属钛的抗阻尼性能强,受到机械振动、电振动后,与钢、铜金属相比,其自身振动衰减时间最长。利用钛的这一性能可作音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。

                  钛是钢与合金中重要的合金元素,但比强度位于金属之首。熔点1668℃,熔化潜热3.7-5.0千卡/克原子,沸点3260±20℃,汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子,临界温度4350℃,临界压力1130大气压。钛的导热性和导电性能较差,近似或略低于不锈钢,钛具有超导性,纯钛的超导临界温度为 0.38-0.4K。在25℃时,钛的热容为0.126卡/克原子·度,热焓1149卡/克原子,熵为7.33卡/克原子·度。

                  钛具有可塑性,高纯钛的延伸率可达50-60%,断面收缩率可达70-80%,但收缩强度低(即收缩时产生的力度)。钛中杂质的存在,对其机械性能影响极大,特别是间隙杂质(氧、氮、碳)可大大提高钛的强度,显著降低其塑性。钛作为结构材料所具有的良好机械性能,就是通过严格控制其中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。

                纯钛是无磁性金属,在很大的磁场中也难以被磁化,无毒且与人体组织及血液有好的相溶性,所以被医疗界采用。钛合金是顺磁性物质,导磁率为1.00004。

                  钛的抗拉强度与其屈服强度接近说明了其屈强比(抗拉强度/屈服强度)高,表示了金属钛材料在成形时塑性变形差。由于钛的屈服极限与弹性模量的比值大,使钛成型时的回弹能力大。

                  金属钛的导热系数虽然比碳钢和铜低,但由于钛优异的耐腐蚀性能,所以壁厚可以大大减薄,而且表面与蒸汽的换热方式为滴状冷凝,减少了热组,钛表面不结垢也可减少热阻,使钛的换热性能显著提高。

                钛的弹性模量在常温时为106.4GPa,为钢的57%。

                  下面是钛的电离能数据(单位: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

                  晶胞参数:

                  a = 295.08 pm

                  b = 295.08 pm

                  c = 468.55 pm

                  α = 90°

                  β = 90°

                  γ = 120°


                化学性质


                  化学反应

                  钛是一种化学性质非常活泼的金属,但熔点高达1668℃。钛在较高的温度下,还可与许多元素和化合物发生反应。按其与钛发生不同反应可分为以下四类:

                  第一类:卤素和氧族元素与钛生成共价键与离子键化合物;

                  第二类:过渡元素、氢、铍、硼族、碳族和氮族元素与钛生成金属间化物和有限固溶体;

                  第三类:锆、铪、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶体;

                  第四类:惰性气体、碱金属、碱土金属、稀土元素(除钪外),锕、钍等不与钛发生反应或基本上不发生反应。与化合物HF和氟化物氟化氢气体在加热时与钛发生反应生成TiF4,反应式为

                  Ti+4HF=TiF4+2H2+135.0千卡

                  钛有良好的抗腐蚀性能,不受大气和海水的影响。 [11]  在常温下,不会被7%以下盐酸、5%以下硫酸、硝酸、王水或稀碱溶液所腐蚀;只有氢氟酸、浓盐酸、浓硫酸等才可对它作用。不含水的氟化氢液体只可在钛表面上生成一层致密的四氟化钛膜,可防止HF浸入钛的内部。氢氟酸是钛的最强溶剂。即使是浓度为1%的氢氟酸,也能与钛发生激烈反应:

                  2Ti+6HF=2TiF3+3H2

                  无水的氟化物及其水溶液在低温下不与钛发生反应,仅在高温下熔融的氟化物与钛发生显著反应。 HCl和氯化物氯化氢气体能腐蚀金属钛,干燥的氯化氢在>300℃时与钛反应生成TiCl4:

                  Ti+4HCl=TiCl4+2H2+94.75千卡

                  浓度<5%的盐酸在室温下不与钛反应,20%的盐酸在常温下与钛发生反应生成紫色的TiCl3:

                  2Ti+6HCl=2TiCl3+3H2

                  当温度长高时,即使稀盐酸也会腐蚀钛。各种无水的氯化物,如镁、锰、铁、镍、铜、锌、汞、锡、钙、钠、钡和NH4+离子及其水溶液,都不与钛发生反应,钛在这些氯化物中具有很好的稳定性。硫酸和硫化氢钛与5%的硫酸有明显的反应,在常温下,约40%的硫酸对钛的腐蚀速度最快,当浓度大于40%,达到60%时腐蚀速度反而变慢,80%又达到最快。加热的稀酸或50%的浓硫酸可与钛反应生成硫酸钛:

                  Ti+H2SO4=TiSO4+H2

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

                  加热的浓硫酸可被钛还原,生成SO2:

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

                  常温下钛与硫化氢反应,在其表面生成一层保护膜,可阻止硫化氢与钛的进一步反应。但在高温下,硫化氢与钛反应析出氢:

                  Ti+H2S=TiS+H2+70千卡

                  粉末钛在600℃开始与硫化氢反应生成钛的硫化物,在900℃时反应产物主要为TiS,1200℃时为Ti2S3。硝酸和王水 致密的表面光滑的钛对硝酸具有很好的稳定性,这是由于硝酸能快速在钛表面生成一层牢固的氧化膜,但是表面粗糙,特别是海绵钛或粉末钛,可与次、热稀硝酸发生反应:

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

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

                  高于70℃的浓硝酸也可与钛发生反应:

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

                  常温下,钛不与王水反应。温度高时,钛可与王水反应生成TiCl2。

                  综上所述,钛的性质与温度及其存在形态、纯度有着极其密切的关系。致密的金属钛在自然界中是相当稳定的,但是,粉末钛在空气中可引起自燃。钛中杂质的存在,显著的影响钛的物理、化学性能、机械性能和耐腐蚀性能。特别是一些间隙杂质,它们可以使钛晶格发生畸变,而影响钛的的各种性能。常温下钛的化学活性很小,能与氢氟酸等少数几种物质发生反应,但温度增加时钛的活性迅速增加,特别是在高温下钛可与许多物质发生剧烈反应。钛的冶炼过程一般都在800℃以上的高温下进行,因此必须在真空中或在惰性气氛保护下操作。金属钛在高温环境中的还原能力极强,能与氧、碳、氮以及其他许多元素化合,还能从部分金属氧化物(比如氧化铝)中夺取氧。常温下钛与氧气化合生成一层极薄致密的氧化膜,这层氧化膜常温下不与硝酸,稀硫酸,稀盐酸反应,以及酸中之王——王水。它与氢氟酸、浓盐酸、浓硫酸反应。

                  在电化学中,钛是单向阀型金属,电位很负,通常无法用钛作为阳极进行分解。

                  人们利用钛在高温下化合能力极强的特点,在炼钢的时候,氮很容易溶解在钢水里, 当钢锭冷却的时候,钢锭中就形成气泡,影响钢的质量。所以炼钢工人往钢水里加进金属钛,使它与氮化合,变成炉渣——氮化钛,浮在钢水表面,这样钢锭就比较纯净了。

                  当超音速飞机飞行时,它的机翼的温度可以达到500℃。如用比较耐热的铝合金制造机翼,一到二三百度也会吃不消,必须有一种又轻、又韧、又耐高温的材料来代替铝合金而钛恰好能够满足这些要求。钛还能经得住零下一百多度的考验,在这种低温下,钛仍旧有很好的韧性而不发脆。

                  钛吸气主要指高温下与碳、氢、氮、氧发生反应。利用钛和锆对空气的强大吸收力,可以除去空气,造成真空。比方,利用钛制成的真空泵,可以把空气抽到只剩下十万亿分之一。

                  钛的最大缺点是难于提炼。主要是因为钛在高温下化合能力极强,可以与氧、碳、氮以及其他许多元素化合。因此,不论在冶炼或者铸造的时候,人们都小心地防止这些元素“侵袭”钛。在冶炼钛的时候,空气与水当然是严格禁止接近的,甚至连冶金上常用的氧化铝坩埚也禁止使用,因为钛会从氧化铝里夺取氧。人们利用镁与四氯化钛在惰性气体——氦气或氩气中相作用,来提炼钛。


                  钛的化合物

                  钛的氧化物为二氧化钛,是钛的最高价氧化物。天然TiO2是金红石,纯净的TiO2是雪白的粉末,是最好的白色颜料,俗称钛白,冷时为白色,热时呈浅黄色。以前,人们开采钛矿,主要目的便是为了获得二氧化钛。钛白的粘附力强,不易起化学变化,永远是雪白的,是极好的白色涂料,它折射率高,着色里强,遮盖力大,化学性能稳定。其他白色涂料,如锌白ZnO和铅白2PbCO3·Pb(OH)2等,不具有钛白的这些优良性能。特别可贵的是钛白无毒。它的熔点很高,被用来制造耐火玻璃 [7]  ,釉料,珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。

                  二氧化钛是世界上最白的东西, 1克二氧化钛可以把 450多平方厘米的面积涂得雪白。它比常用的白颜料——锌钡白还要白5倍,因此是调制白油漆的最好颜料。世界上用作颜料的二氧化钛,一年多到几十万吨。二氧化钛可以加在纸里,使纸变白并且不透明,效果比其他物质大10倍,因此,钞票纸和美术品用纸就要加二氧化钛。此外,为了使塑料的颜色变浅,使人造丝光泽柔和,有时也要添加二氧化钛。在橡胶工业上,二氧化钛还被用作为白色橡胶的填料。

                  钛的氢化物是氢化钛。氢化钛很脆,因而可用于制造粉末钛,它还用于焊接,二氢化钛受热分解,析出新生态氢和金属钛,后者可促进焊接,并使焊缝强度增加。可用作聚合反应之催化剂。 [12] 

                  四氯化钛非常有趣,它在通常状况下为无色液体(熔点-25℃,沸点136.4℃),有刺鼻气味,在湿空气中便会大冒白烟——它水解了,变成白色的二氧化钛的水凝胶。在水中则强烈水解为偏钛酸H2TiO3。在军事上,人们便利用四氯化钛的这股怪脾气,作为人造烟雾剂。特别是在海洋上,水气多,一放四氯化钛,浓烟就象一道白色的长城,挡住了敌人的视线。在农业上,人们利用四氟化钛来防霜。

                  TiCl3是紫色晶体,其水溶液可用做还原剂。Ti3+比Sn2+有更强的还原性 [7]  。

                  钛酸钡晶体有这样的特性:当它受压力而改变形状的时候,会产生电流,一通电又会改变形状。于是,人们把钛酸钡放在超声波中,它受压便产生电流,由它所产生的电流的大小可以测知超声波的强弱。相反,用高频电流通过它,则可以产生超声波。几乎所有的超声波仪器中,都要用到钛酸钡。除此之外,钛酸钡还有许多用途。例如:铁路工人把它放在铁轨下面,来测量火车通过时候的压力;医生用它制成脉搏记录器。用钛酸钡做的水底探测器,是锐利的水下眼睛,它不只能够看到鱼群,而且还可以看到水底下的暗礁、冰山和敌人的潜水艇等。



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