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鈦
過渡金屬
鈦（英文：Titanium）是一種化學元素，元素符號為Ti，原子序數(shù)為22，位于第四周期的IVB族。鈦屬于過渡金屬，在常溫常壓下是深灰色有金屬光澤的固體，熔點為1668 ℃，沸點為3287 ℃，在20 ℃時密度為4.506 g/cm3，不溶于水，可溶于稀硫酸。干燥的鈦粉在空氣中易被火花、靜電等點燃，發(fā)生劇烈燃燒或爆炸。
基本信息
中文名
鈦
英文名
Titanium
拼音
tài
元素符號
Ti
原子序數(shù)
22
原子質(zhì)量
47.867
元素類別
過渡金屬
族
IVB族
周期
第四周期
區(qū)
d區(qū)
電子排布
1s2 2s2 2p? 3s2 3p? 3d2 4s2
（[Ar]3d2 4s2）
原子核外電子排布圖
CAS編號
7440-32-6
物理性質(zhì)
外觀
深灰色有光澤金屬的固體（常溫常壓）
密度
4.506 g/cm3（20 ℃）
熔點
1668 ℃（1 atm）
沸點
3287 ℃（1 atm）
臨界點
臨界溫度：4350 ℃
臨界壓力：113×103 KPa
熔化熱
15.45 kJ/mol
汽化熱
9.83×10? J/kg
比熱容
15.45 kJ/mol
自燃溫度
固體：1200 ℃
粉末：250 ℃
原子性質(zhì)
電負性
1.54（鮑林標度）
原子半徑
0.1468 nm
純凈鈦密度小，約為鐵的一半，其擁有良好的韌性、耐熱性、可塑性、抗腐蝕性和較高的機械強度。鈦在常溫或低溫下的空氣和水中都是十分穩(wěn)定，因為其表面有一層致密氧化膜。鈦在高溫下是一種非常活潑的金屬，能與HCl、H?SO?、HNO?等酸類化合物反應，也能與非金屬氧、氯、氫、碳等元素反應。較為特殊的是，鈦可以在氮氣中燃燒。
鈦在地殼中元素含量排第十名，雖含量較豐富，但是其分布極為分散而且冶煉難度大，所以鈦被長期認為是一種稀有金屬。鈦可以通過金屬熱還原法、鈣熱還原法、電化學還原法等方法制備。鈦及其鈦合金廣泛應用于航天航空、醫(yī)學、化工、軍事等領域。
發(fā)現(xiàn)歷史
1791年，英國牧師及礦物學家威廉·格雷戈爾（William Gregor）找到一種具有磁性的黑沙（即黑磁鐵礦），并對該黑磁礦進行分析，發(fā)現(xiàn)其中包括磁鐵礦、氧化硅以及棕紅色礦渣，由于受當時科技的限制，并未對棕紅色礦渣進一步研究，但他很確信礦物中存在一種具有奇異性質(zhì)的新金屬元素，該金屬元素即為鈦。1795年，德國化學家馬丁·海因里希·克拉普羅斯（Martin Heinrich Klaproth）在研究匈牙利的金紅石成分時，再次發(fā)現(xiàn)了格雷戈爾所述的棕紅色礦渣，確信這是同一種金屬元素的氧化物，并對這種元素命名為Titanium。19世紀初，瑞典科學家永斯·雅各布·貝采利烏斯（J?ns Jacob Berzelius）首次制取出鈦單質(zhì)。19世紀40年代，法國化學家查里·弗雷德里克·日拉爾（Charles Frederic Gerhardt）以氧原子量為16的基準，測定了鈦的原子量為50。1869年，俄國化學家德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫（Mendelé Dmitri Ivanovich）發(fā)布了第一版元素周期表，其中包括了Ti元素。格雷戈爾和馬丁·海因里希·克拉普羅斯在礦物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的均為粉末狀Ti氧化物—TiO?，首次冶金得到Ti單質(zhì)的是美國化學家馬修·亨特（Matthew A. Hunter）。1910年，馬修·亨特在前人的方法上改進，將金屬Na和TiCl?一同放到耐高壓的鋼瓶中，加熱至高溫，一段時間后冷卻并洗去NaCl，最終得到純度高達99.9％Ti單質(zhì)，這種方法被稱為Hunter法。1923年，英國化學家弗朗西斯·威廉·阿斯頓（Francis William Aston)利用光譜儀對鈦原子質(zhì)量測定時發(fā)現(xiàn)了??Ti。1935年，阿斯頓發(fā)表的文章《The Isotopic Constitution and Atomic Weights of Hafnium, Thorium, Rhodium, Titanium, Zirconium, Calcium, Gallium, Silver, Carbon, Nickel, Cadmium, Iron and Indium》（譯文：鉿、釷、銠、鈦、鋯、鈣、鎵、銀、碳、鎳、鎘、鐵和銦的同位素組成和原子量）中宣布，發(fā)現(xiàn)了鈦的同位素??Ti、??Ti、??T、?oTi。1940年，盧森堡科學家威廉·賈斯汀·克勞爾（William Justin Kroll）利用金屬Mg還原TiCl?得到可鍛煉的金屬Ti，該方法稱為Kroll法。1948年，美國開始利用Kroll技術冶煉金屬Ti，年產(chǎn)率達2 t。隨著科技的發(fā)展，冶鈦工藝不斷地取得新的突破，但現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)Ti仍多以Kroll法和改進后的Hunter法為主。
分布情況
鈦在自然界中分布很廣，在地殼中豐度約為0.56％，在元素含量中排第十位，在金屬元素含量排第七位，僅次于鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂含量。鈦的含量不算少，但是其分布極為分散而且冶煉難度大，所以鈦被長期認為是一種稀有金屬。鈦資源主要為金紅石、鈦鐵礦、釩鈦磁鐵礦、鈣鈦礦等，主要分布在中國、澳大利亞、南非、印度、美國、加拿大、挪威、烏克蘭等國家，其中中國的鈦資源儲量居世界之首。
化學結(jié)構(gòu)
原子核外電子的排布需遵循三個原則：(1)泡利不相容原理；(2)能量最低原理；(3)洪特規(guī)則[12]。鈦的原子序數(shù)為22，核外電子數(shù)共有22個，其電子構(gòu)型為1s22s22p?3s23p?3d24s2（[Ar]3d24s2）。
鈦單質(zhì)有兩種同素異構(gòu)體：α-Ti和β-Ti。α-Ti是六方晶系，原子堆積方式為六方密堆積，原子空間利用率高達74％。β-Ti為立方晶格，原子堆積方式為體心立方密堆積，原子空間利用率為68％。當鈦晶體中出現(xiàn)少量的缺陷時會影響晶體的性質(zhì)，如機械強度、導電性等。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
單質(zhì)鈦在常溫常壓下是深灰色有金屬光澤的固體，熔點為1668 ℃，沸點為3287 ℃，在20 ℃時密度為4.506 g/cm3，不溶于水，可溶于稀硫酸。純凈鈦是一種無磁性金屬，其密度小，擁有良好的韌性、耐熱性和抗腐蝕性。鈦的導熱性能和導電性能都較差，導熱系數(shù)和導電性都與不銹鋼差不多。鈦具有超導性，超導臨界溫度為0.38-0.4 K。
鈦具有可塑性，高純鈦的延伸率為50％-60％，斷面收縮率可達70％-80％。若鈦中摻雜著雜質(zhì)時，對它的力學性質(zhì)影響很大。如鈦中存在氧、氮、碳等雜質(zhì)時，其硬度提高，塑性降低。鈦是一種記憶金屬，可以在較低的溫度中被隨意制成一種形狀，然后加溫后又能變回原來的形狀，具有記憶性。
同位素
自1923年英國化學家阿斯頓發(fā)現(xiàn)鈦同位素??Ti之后，科學家陸續(xù)續(xù)續(xù)發(fā)現(xiàn)了25個鈦同位素，其中包括5個天然穩(wěn)定同位素（??Ti、??Ti、??Ti、?9Ti、?oTi）、7個富含質(zhì)子的鈦同位素和13個富含中子的鈦同位素。??Ti、??Ti、??Ti、??Ti、?oTi的相對豐度分別為8.25%、7.44%、73.72%、5.41%和5.18%。
表1：鈦同位素的半衰期
同位素 | 中子數(shù) | 半衰期 | 相對豐度 |
3?Ti | 16 | < 120 ns | / |
3?Ti | 17 | 28.5 ms | / |
?oTi | 18 | 52.4 ms | / |
?1Ti | 19 | 81.9 ms | / |
?2Ti | 20 | 208.65 ms | / |
?3Ti | 21 | 509 ms | / |
?2Ti | 22 | 59.1 y | / |
??Ti | 23 | 184.8 min | / |
??Ti | 24 | 穩(wěn)定 | 8.25% |
??Ti | 25 | 穩(wěn)定 | 7.44% |
??Ti | 26 | 穩(wěn)定 | 73.72% |
??Ti | 27 | 穩(wěn)定 | 5.41% |
?oTi | 28 | 穩(wěn)定 | 5.18% |
?1Ti | 29 | 5.76 min | / |
?2Ti | 30 | 1.7 min | / |
?3Ti | 31 | 32.7 s | / |
??Ti | 32 | 2.1 s | / |
??Ti | 33 | 1.3 s | |
??Ti | 34 | 0.2 s | / |
??Ti | 35 | 98 ms | / |
??Ti | 36 | 58 ms | / |
??Ti | 37 | 28.5 ms | / |
?oTi | 38 | 22 ms | / |
?1Ti | 39 | 15 ms | / |
?2Ti | 40 | > 620 ns | / |
?3Ti | 41 | > 360 ns | / |
化學性質(zhì)
①與鹵素和氧的反應
鈦與氧的反應受多種因素的影響。當鈦成粉末狀時，在常溫下的空氣中，靜電、摩擦等作用下就會發(fā)生劇烈燃燒或爆炸。氣氛不同也會影響鈦的燃燒溫度，在空氣中，鈦需在1200-1300 ℃下才能發(fā)生劇烈反應；在純氧氣氛中，燃燒溫度降為500-600 ℃。
鈦能與氫形成Ti-H固溶體和TiH、TiH?化合物。固溶體是指溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑類型的合金相。鈦能在高溫下與碳族單質(zhì)發(fā)生反應，如和碳生成TiC，和硅反應生成TiSi、TiSi?、Ti?Si?。鈦也能與氮族單質(zhì)反應，如氮、磷。高溫下，鈦是為數(shù)不多能在氮氣中燃燒的金屬，能生成氮化物（Ti?N、TiN等）和Ti-N固溶體。與磷單質(zhì)反應產(chǎn)物與溫度有關，在450-800 ℃之間生成Ti?P，高于850 ℃時生成TiP。
③與鋯、釩族、鉻族、鈧元素生成無限固溶體。
無限固溶體即為連續(xù)的固溶體，當兩種金屬具有相同的晶體結(jié)構(gòu)、相近的原子半徑、相近的電負性時，由于電負性相近不易形成化合物，反而會導致溶質(zhì)原子取代了溶劑原子的位置生成固溶體。鈦固溶體也可分為α相固溶體和β相固溶體。
④與HF、HCl、H?SO?、HNO?等酸發(fā)生反應。
HF、HCl氣體能在加熱或高溫的條件下與鈦反應。
HF溶劑極易與鈦反應，即使是濃度為1％的HF溶液也能劇烈反應。濃度高于20％HCl溶液在室溫下即可與鈦反應生成紫紅色的TiCl?。
鈦與加熱的濃H?SO?反應可生成SO?。
⑤與KOH等堿的反應
⑥與NH?、H?O的反應
鈦的化合物
由于鈦的價態(tài)較多，其氧化物種類也較多，有TiO?、Ti?O?、TiO、Ti?O?、Ti?O?。TiO?是一種白色的化學性質(zhì)穩(wěn)定的弱兩性氧化物。其存在三種同素異形體，金紅石型、銳鈦型和板鈦型，其中金紅石型是最穩(wěn)定的。TiO?也可稱為“鈦白”，可作白色顏料，在生活中廣泛應用。TiO?可以通過電化學還原法制備鈦單質(zhì)。Ti?O?是一種紫黑色粉末，屬于弱堿性氧化物。TiO是一種具有金屬光澤的金黃色物質(zhì)，屬于堿性氧化物。TiO很容易被氧化，是一種較強的還原劑Ti?O?有α、β、γ等多種晶型，其具有良好的導電性。
鈦的四鹵化物有TiF?、TiCl?、TiBr?、TiI?。除了TiF?是離子化合物，其余均為共價化合物。TiCl?是鈦的重要化合物之一，可以與醚、酮、胺等形成化合物。TiCl?也是目前用以制備單質(zhì)鈦最常用的原料之一，其可以通過Hunter法、Kroll法、熔融鹽電解法等方法制備單質(zhì)鈦。鈦的氯化物還有TiCl?，可以由TiCl?與Ti反應制備。
制備方法
金屬熱還原法
鹵化鈦還原法主要是利用還原劑還原TiCl?，還原劑可選擇Na、Mg、Li等金屬。鹵化鈦還原法還可分為Hunter法、Kroll法等。
①Hunter法
Hunter法是最早冶煉鈦金屬的方法。Hunter法采用的是二段還原，在高溫下先利用金屬Na還原TiCl?生成TiCl?，TiCl?溶解在熔融的NaCl然后再繼續(xù)用金屬Na還原為鈦單質(zhì)。這種方法雖然還原速度快、操作簡單，但是生成的鈦含Cl?高、熔鑄性能差，所以這種方法已經(jīng)在逐漸被淘汰。
②Kroll法
Kroll法與Hunter法基本一致，只是將還原劑金屬Na更改為金屬Mg。密閉的反應器中充滿惰性氣體，在高溫下，熔融的金屬Mg將TiCl?還原為單質(zhì)鈦，這是目前工業(yè)最常用的生產(chǎn)鈦的方法。相比Hunter法，Kroll法使用的還原劑Mg更加的安全和廉價，生成的鈦含Cl?量也減少了，副產(chǎn)品MgCl?還可以作為電解Mg的原料。但是這種方法工序多、反應時間長、耗能高且產(chǎn)品中常常含有鐵雜質(zhì)。
鈣熱還原法
日本科學家小野勝石（Katsutoshi Ono）和鈴木良助（Ryosuke O.Suzuki）在2002年發(fā)表了一種新型制備鈦方法，即鈣熱還原法（OS）。鈣熱還原法是利用石墨作陽極、不銹鋼作陰極，在熔融鹽CaCl?中電解CaO獲得金屬Ca，并利用該金屬Ca還原TiO?。這種方法同時進行CaO的電解和TiO?的還原，大幅度降低了反應成本，而且實現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)，能量利用率高，綠色環(huán)保。
圖4：鈣熱還原法原理圖
電化學還原法
電化學還原法（FFC劍橋法）是以石墨為陽極、TiO?板為陰極，在熔融鹽CaCl?中電解。電解一段時間后，陽極釋放氧氣，陰極的TiO?會還原為海綿狀的Ti。這種方法使用低成本的TiO?和無毒的CaCl?，生產(chǎn)時間縮短、能量利用率高，節(jié)省生產(chǎn)成本，是一種新型綠色的冶金工藝。
熔融鹽電解TiCl?法
由于Hunter法與Kroll法利用金屬還原TiCl?生產(chǎn)鈦無法實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，科學家提出在惰性氣體保護下，直接電解在熔融鹽中的TiCl?得到鈦單質(zhì)。但是這種方法仍存在很多問題，如TiCl?在熔融鹽中溶解度低、電流效率低、產(chǎn)生氯氣污染環(huán)境，這使得這種方法并未實現(xiàn)工業(yè)化。
碘化鈦熱分解法
碘化鈦熱分解法是制備高純鈦的方法之一，分為傳統(tǒng)碘化鈦分解法和新碘化鈦分解法。
日本住友鈦公司發(fā)表了一種新的碘化鈦分解法。與傳統(tǒng)法不同的是，該方法是將氣化的TiI?與粗鈦反應生成TiI?，然后再加熱至1100-1300 ℃使其分解。新方法制備的鈦純度高，并且該方法具有效率高、分解溫度降低、可控制溫度、減少雜質(zhì)的優(yōu)點。
應用領域
在醫(yī)學領域的應用
鈦和鈦合金因其良好的可加工性、化學穩(wěn)定性、耐腐蝕性、低彈性模量和優(yōu)良的生物相容性，已被廣泛用作臨床骨科植入物，如可作人體的牙齒支架、膝關節(jié)、肘關節(jié)、髖關節(jié)等。純鈦的抗腐蝕性能雖好，但強度低，不適用于修復承載較大的骨頭。置換或修復承載較大的骨頭多用的是鈦合金，常用的鈦合金有Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Fe、Ti-6Al-7Nb。這些鈦合金的強度高于純鈦，彈性模量接近于人體組織，加工性能也較好。但是已有研究證明，V、Al元素具有生物毒性，會損傷人體的器官，引起貧血、神經(jīng)紊亂等癥狀，所以科學家們在研究其他更加合適的鈦合金，如中國西北有色院研制的Ti-2Mo-2Zr-3Al合金，拉伸強度大、韌性好、耐磨損性能佳，但是彈性模量仍未達到骨彈性模量。英國醫(yī)療設備制造公司Smith&Nephew Richards研制的Ti-13Nb-13Zr合金，強度高、彈性模量低、生物相容好。
當鈦及其合金用于骨修復和置換時，它們很容易引起細菌的粘附和聚集，從而導致術后感染。此外，鈦及其合金有時難以與周圍的組織發(fā)生融合，最終導致種植體松動。所以科學家也在研究在鈦基材料表面修飾，賦予其抗菌活性和骨誘導特性。
在航天航空領域的應用
由于鈦和鈦合金具有低密度、重量輕、強度大、耐腐蝕、韌性強、耐疲勞性、耐高溫、無磁性、能夠減輕發(fā)射重量、增加射程等特點，所以鈦和鈦合金在航天航天方面廣泛應用。在航天航空中使用的鈦合金可以根據(jù)其性質(zhì)分為高溫鈦合金、高強鈦合金、損傷容限型鈦合金、阻燃鈦合金等。
鈦和鈦合金早在20世紀50年代已經(jīng)應用于航空領域，主要應用在飛機骨架、蒙皮、燃料箱、發(fā)動機、艙門、起落架、機翼等多方面。如波音747、767、777等飛機鈦含量均超過40 t，并且鈦含量越來越高。飛機上使用的鈦合金主要有Ti-6Al-4V、Ti-8Al-1M-1V、Ti-17、Ti-6242、Ti-6246。鈦及其鈦合金也可以用于制作飛船骨架、火箭發(fā)動機殼體、起落架、登月艙、燃料儲存箱、壓力容器等。早在20世紀60年代，第一艘載人宇宙飛船中使用了鈦合金Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn，鈦含量約占總機體重量的5％。日本的N-I、N-II、N-III火箭、“大角”衛(wèi)星，中國的“神舟”飛船、“東方紅”衛(wèi)星，俄羅斯的“和平-1”號、“進步”號、“金星”號、“月球”號航天器也均使用了大量的鈦合金。常用于航天領域的鈦合金有Ti64、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-7Al-4Mo、Ti-3Al-2.5V、Ti-13V-11Cr-3Al等。
在船舶的應用
鈦和鈦合金因在海洋條件下具有良好的耐腐蝕性和抗沖擊震動、比強度大、密度小質(zhì)量輕，可以用于制造船舶的耐壓殼體、發(fā)動機零件、冷凝器、螺旋推進器、通海管道、聲學和光學設置等，已經(jīng)應用在民用船、水面艇、核潛艇、氣墊船、原子能破冰船、水翼船等船艦上。如美國制備的“海崖”號潛水艇使用鈦合金作耐壓殼材料，裝備了鈦觀察艙。日本的潛水艇“深海6500”使用了Ti-6Al-4V合金，二者的下潛深度均超過6000 m。常用于制作船舶零件的除了工業(yè)純鈦，還有鈦合金Ti-6Al-4V、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti64、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-2.5V、Ti75、Ti31等。
在化學工業(yè)的應用
鈦和鈦合金可以代替不銹鋼或其他材料制作多種化工設備和機械零件，因為鈦和鈦合金具有優(yōu)良的耐腐性能，可以延長設備使用時間。鈦和鈦合金可以制作成耐腐蝕容器、電解槽、加熱器、蒸發(fā)器、冷卻器、濃縮器、各類閥門和泵等。具有代表性的是在氯堿工業(yè)中應用，鈦和鈦合金制作的電解槽對氯離子的耐腐蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)的石墨陽極電解槽，不僅可以延長設備壽命，還能節(jié)約能量、降低成本。
在生活中的應用
鈦及鈦合金制品已經(jīng)在生活中隨處可見了。鈦及其鈦合金可以制作多種運動器材和生活用品，如制作成短跑鞋釘，高爾夫球桿頭，滑雪冰刀，網(wǎng)球拍、羽毛球拍、長曲棍球棒等運動器材的外殼，眼鏡架，擊劍保護面罩等。鈦及其鈦合金也可以制作生活常見物品的零件，如汽車、摩托艇、殘疾人輪椅、自行車、電腦、手表、手機、游戲機等物品的零件。
安全事宜
危險性
鈦粉末是易燃易爆炸物，在常溫下的空氣中，靜電、摩擦等作用下就會發(fā)生劇烈燃燒或爆炸。鈦粉末在空氣中燃燒時，會產(chǎn)生對人體有害的氧化鈦。
圖示 |  |  |
圖意 | 易燃 | 有刺激性 |
GHS分類：
H228（32%）：易燃固體[危險易燃固體]
H250（22%）：如果暴露在空氣中會自發(fā)著火[危險的自燃液體；自燃固體]
H315（31%）：引起皮膚刺激[警告皮膚腐蝕/刺激]
H319（31%）：引起嚴重眼睛刺激[警告嚴重眼睛損傷/眼睛刺激]
H335（31%）：可能引起呼吸道刺激[警告特定靶器官毒性，單次接觸；呼吸道刺激]
儲存條件
鈦應儲存于密閉容器中，容器放置在陰涼、通風的庫房。存放處應遠離火種、熱源，禁止使用易產(chǎn)生火花的設備和工具，避免發(fā)生劇烈燃燒和爆炸事件。
急救措施
若不小心食入鈦時，飲足量溫水，適當催吐后立即前往醫(yī)院就醫(yī)。若不小心吸入鈦粉末等，應立即轉(zhuǎn)移至空氣新鮮處。若發(fā)生呼吸困難的癥狀，請給患者輸氧并立即前往醫(yī)院就醫(yī)；若發(fā)生呼吸、心跳停止的癥狀，請立即進行心肺復蘇術并送往醫(yī)院。若皮膚接觸鈦時，脫去沾染的衣服，用肥皂水和清水徹底沖洗皮膚，如有不適感請立即前往醫(yī)院就醫(yī)。若眼睛接觸鈦時，分開眼瞼，用流動清水或生理鹽水沖洗，如有不適感請立即前往醫(yī)院就醫(yī)。
消防措施
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
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