金屬中的新秀-鈦
金屬中的新秀-鈦
金屬鐵、鎂、鋁、鉛、鋅、銅等廣泛應(yīng)用，為人們熟悉。然而近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，上述金屬已不能滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的需要。鈦卻閃爍著時代的光輝，成為金屬中的新秀。鈦及鈦的化合物、合金究竟有哪些特性和用途呢?是人們應(yīng)該了解的問題。
一、鈦的發(fā)現(xiàn)
早在1791年，英國門那新(Meneccin)山谷中靜靜地躺著一種黑色的礦砂，無人問津。牧師格利高爾（w.Gregor）是位礦物學(xué)的愛好者，當(dāng)他在自己的教區(qū)內(nèi)游覽時，發(fā)現(xiàn)并帶回了這種黑色的東西，經(jīng)過分析，他宣稱找到了一種未知的新金屬。為了紀念黑色礦砂的發(fā)現(xiàn)地，格利高爾把這種金屬稱為Menaccin,把礦砂稱為門那新礦（Menaccite），也就是現(xiàn)在所說的鈦鐵礦(FeTiO3) 1795年，德國科學(xué)家克拉普羅茲（鈾的發(fā)現(xiàn)者）從匈牙利帶回的礦物中成功地分離出一種新元素的氧化物，并很快確定他和格利高爾發(fā)現(xiàn)的是同一種元素。這種礦物就是鈦的氧化物—金紅石(TiO2)。克拉普羅茲把此元素命名為titanium（鈦）取自神話中的“泰坦”（Titans），意指大地之神的兒子。
二、鈦的存在
鈦在地殼中的豐度為0.63% ，居元素分布序列中的第十位，僅次于氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫，比常見的鋅、鉛、鎳、銅的總和還要多16倍，但大部分處于分散狀態(tài)。主要的礦物有金紅石（TiO2）和鈦鐵礦（FeTiO3)組成復(fù)雜的釩鈦鐵礦。我國鈦蘊藏量居全球之首，僅四川攀枝花地區(qū)的礬鈦鐵礦，儲量約15億噸，占全國已探明儲量的97% 。
三、鈦的冶煉
鈦在1791年被發(fā)現(xiàn)，而第一次制得純凈的鈦卻是在1910年，中間經(jīng)歷了一百余年。原因在于：鈦在高溫下性質(zhì)十分活潑，很易和氧、氮、碳等元素化合，要提煉出純鈦需要十分苛刻的條件。工業(yè)上常用硫酸分解鈦鐵礦的方法制取二氧化鈦，再由二氧化鈦制取金屬鈦。濃硫酸處理磨碎的鈦鐵礦（精礦），發(fā)生下面的化學(xué)反應(yīng) ：
FeTiO3+3H2SO4 == Ti(SO4)2+FeSO4+3H2O
FeTiO3+2H2SO4 == TiOSO4+FeSO4+2H2O
FeO+H2SO4 == FeSO4+H2O
Fe2O3+3H2SO4 == Fe2(SO4)3+3H2O
為了除去雜質(zhì)Fe2(SO4)3，加入鐵屑，Fe3+ 還原為Fe2+，然后將溶液冷卻至273K以下，使得FeSO4·7H2O（綠礬）作為副產(chǎn)品結(jié)晶析出。Ti(SO4)2和TiOSO4水解析出白色的偏鈦酸沉淀，反應(yīng)是：
Ti(SO4)2+H2O == TiOSO4+H2SO4
TiOSO4+2H2O == H2TiO3+H2SO4
鍛燒偏鈦酸即制得二氧化鈦：
H2TiO3 == TiO2+H2O
工業(yè)上制金屬鈦采用金屬熱還原法還原四氯化鈦。將TiO2（或天然的金紅石）和炭粉混合加熱至1000～1100K，進行氯化處理，并使生成的TiCl4，蒸氣冷凝：
TiO2＋2C＋2Cl2＝TiCl4＋2CO
在1070K 用熔融的鎂在氬氣中還原TiCl4可得多孔的海綿鈦：
TiCl4＋2Mg＝2MgC12＋Ti
這種海綿鈦經(jīng)過粉碎、放入真空電弧爐里熔煉，最后制成各種鈦材。
四、鈦及鈦合金的特性、用途
純鈦是銀白色的金屬，它具有許多優(yōu)良性能。鈦的密度為4.54g／cm3，比鋼輕43% ，比久負盛名的輕金屬鎂稍重一些。機械強度卻與鋼相差不多，比鋁大兩倍，比鎂大五倍。鈦耐高溫，熔點1942K，比黃金高近1000K ，比鋼高近500K。
鈦屬于化學(xué)性質(zhì)比較活潑的金屬。加熱時能與O2、N2、H2、S和鹵素等非金屬作用。但在常溫下，鈦表面易生成一層極薄的致密的氧化物保護膜，可以抵抗強酸甚至王水的作用，表現(xiàn)出強的抗腐蝕性。因此，一般金屬在酸、堿、鹽的溶液中變得千瘡百孔而鈦卻安然無恙。
液態(tài)鈦幾乎能溶解所有的金屬，因此可以和多種金屬形成合金。鈦加入鋼中制得的鈦鋼堅韌而富有彈性。鈦與金屬Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金屬間化合物。
鈦合金制成飛機比其它金屬制成同樣重的飛機多載旅客100多人。制成的潛艇，既能抗海水腐蝕，又能抗深層壓力，其下潛深度比不銹鋼潛艇增加80% 。同時，鈦無磁性，不會被水雷發(fā)現(xiàn)，具有很好的反監(jiān)護作用。釩具有“親生物“’性。在人體內(nèi)，能抵抗分泌物的腐蝕且無毒，對任何殺菌方法都適應(yīng)。因此被廣泛用于制醫(yī)療器械，制人造髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、脅關(guān)節(jié)、頭蓋骨，主動心瓣、骨骼固定夾。當(dāng)新的肌肉纖維環(huán)包在這些“鈦骨”上時，這些鈦骨就開始維系著人體的正常活動。鈦在人體中分布廣泛，正常人體中的含量為每70kg體重不超過15mg，其作用尚不清楚。但鈦能刺激吞噬細胞，使免疫力增強這一作用已被證實。
五、欽的化合物及用途
重要的鈦化合物有：二氧化鈦(TiO2)、四氯化鈦(TiCl4)、偏鈦酸鋇(BaTiO3)。
純凈的二氧化鈦是白色粉末，是優(yōu)良的白色顏料，商品名稱“鈦白”。它兼有鉛白(PbCO3)的遮蓋性能和鋅白（ZnO）的持久性能。因此，人們常把鈦白加在油漆中，制成高級白色油漆；在造紙工業(yè)中作為填充劑加在紙槳中；紡織工業(yè)中作為人造纖維的消光劑；在玻璃、陶瓷、搪瓷工業(yè)上作為添加劑，改善其性能；在許多化學(xué)反應(yīng)中用作催化劑。在化學(xué)工業(yè)日益發(fā)展的今天，二氧化鈦及鈦系化合物作為精細化工產(chǎn)品，有著很高的附加價值，前景十分誘人。 四氯化鈦是一種無色液體；熔點250K、沸點409K，有制激性氣味。它在水中或潮濕的空氣中都極易水解，冒出大量的白煙：
TiCl4+3H2O == H2TiO3+4HCl
因此TiCl4在軍事上作為人造煙霧劑，猶其是用在海洋戰(zhàn)爭中。在農(nóng)業(yè)上，人們用TiCl4形成的濃霧復(fù)蓋地面，減少夜間地面熱量的散失，保護蔬菜和農(nóng)作物不受嚴寒、霜凍的危害。
將TiO2和BaCO3一起熔融制得偏鈦酸鋇：
TiO2+BaCO3 == BaTiO3十CO2
人工制得的BaTiO3具有高的介電常數(shù)，由它制成的電容器有較大的容量，更重要的是BaTiO3具有顯著的“壓電性能”，其晶體受壓會產(chǎn)生電流，一通電，又會改變形狀。人們把它置于超聲波中，它受壓便產(chǎn)生電流，通過測量電流強弱可測出超聲波強弱。幾乎所有的超聲波儀器中都要用到它。隨著鈦酸鹽的開發(fā)利用，它愈來愈廣泛地用來制造非線性元件、介質(zhì)放大器、電子計算機記憶元件、微型電容器、電鍍材料、航空材料、強磁、半導(dǎo)體材料、光學(xué)儀器、試劑等。 鈦、鈦合金及鈦化合物的優(yōu)良性能促使人類迫切需要它們。然而，生產(chǎn)成本之高，使應(yīng)用受到限制。我們相信在不久的將來，隨著鈦的治煉技術(shù)不斷改進和提高，鈦、鈦合金及鈦的化合物的應(yīng)用將會得到更大的發(fā)展。
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