钛锆的基本知识.docx

钛的基本性质 原子结构钛位于元素周期表中WB族，原子序数为22,原子核由22个质子和20-32个中子组成，核外电子结构排 列为1S22S22P63S23D24S2原子核半径5x10-13厘米物理性质钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米(20°C),熔点1668±4°C,熔化潜热3.7-5.0千卡/克原子，沸点3260±20°C, 汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子，临界温度4350C,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25C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，金属钛是顺磁性物质，导磁率为1.00004 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%，但强度低，不宜作结构材料钛 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 而达到的化学性质钛在较高的温度下，可与许多元素和化合物发生反应。

各种元素，按其与钛发生不同反应可分为四类： 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 生反应与化合物的反应：◊ 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(1)；不含水的氟化氢液体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熔剂即使是浓度为1%的氢氟酸，也 能与钛发生激烈反应，见式(2)；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Ti+4HF=TiF4+2H2+135.0 千卡 (1) 2Ti+6HF=2TiF4+3H2 (2)◊ HCl 和氯化物氯化氢气体能腐蚀金属钛，干燥的氯化氢在＞300C时与钛反应生成TiC14，见式(3);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瓜在生成紫色的TiCl3，见式(4);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Ti+4HCl=TiC14+2H2+94.75 千卡(3)2Ti+6HCl=TiC13 + 3H2 (4)◊ 硫酸和硫化氢钛与＜5%的稀硫酸反应后在钛表面上生成保护性氧化膜，可保护钛不被稀酸 继续腐蚀但＞5%的硫酸与钛 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，见式(5) ,(6)，加热的 浓硫酸可被钛还原，生成SO2,见式(7)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，见式8),粉末钛在600°C开始与硫化 氢反应生成钛的硫化物，在900C时反应产物主要为TiS, 1200C时为Ti2S3Ti+H2SO4=TiSO4+H2 (5) 2Ti+3H2SO4=Ti2(SO4)3+H2 (6)2Ti+6H2SO4=Ti2(SO4)3 + 3SO2+6H2O+202 千卡(7)Ti+H2S=TiS+H2+70 千卡(8)◊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，见式(9)、(10)，高于70°C的浓 硝酸也可与钛发生反应，见式(11)；常温下，钛不与王水反应。

温度高时，钛可与王水反应生成TiC123Ti+4HNO3+4H2O = 3H4TiO4+4NO (9)3Ti+4HNO3+H2O=3H2TiO3+4NO (10) Ti+8HNO3=Ti(NO3)4+4NO2+4H2O (11)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800C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铁、镁、铝、铅、锌、铜等广泛应用，为人们熟悉然而近年来，随着科学技术的飞速发展，上述 金属已不能满足现代科学技术的需要钛却闪烁着时代的光辉，成为金属中的新秀钛及钛的化合物、合 金究竟有哪些特性和用途呢?是人们应该了解的问题一、 钛的发现早在1791年，英国门那新(Meneccin)山谷中静静地躺着一种黑色的矿砂，无人问津。

牧师格利高尔 (w.Gregor)是位矿物学的爱好者，当他在自己的教区内游览时，发现并带回了这种黑色的东西，经过分 析，他宣称找到了一种未知的新金属为了纪念黑色矿砂的发现地，格利高尔把这种金属称为Menaccin, 把矿砂称为门那新矿(Menaccite)，也就是现在所说的钛铁矿(FeTiO3)1795年，德国科学家克拉普罗兹(铀的发现者)从匈牙利带回的矿物中成功地分离出一种新元素的氧 化物，并很快确定他和格利高尔发现的是同一种元素这种矿物就是钛的氧化物一金红石(TiO2)克拉普罗兹把此元素命名为titanium (钛)取自神话中的“泰坦”(Titans)，意指大地之神的儿子二、 钛的存在钛在地壳中的丰度为0.63% ，居元素分布序列中的第十位，仅次于氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、 镁、氢，比常见的锌、铅、镍、铜的总和还要多16倍，但大部分处于分散状态主要的矿物有金红石(TiO2) 和钛铁矿(FeTiO3)组成复杂的钒钛铁矿我国钛蕴藏量居全球之首，仅四川攀枝花地区的矶钛铁矿，储 量约15亿吨，占全国已探明储量的97% 三、 钛的冶炼钛在 1791 年被发现，而第一次制得纯净的钛却是在1910年，中间经历了一百余年。

原因在于：钛 在高温下性质十分活泼，很易和氧、氮、碳等元素化合，要提炼出纯钛需要十分苛刻的条件工业上常用硫酸分解钛铁矿的方法制取二氧化钛，再由二氧化钛制取金属钛浓硫酸处理磨碎的钛铁 矿(精矿)，发生下面的化学反应 ：FeTiO3+3H2SO4 == Ti(SO4)2+FeSO4+3H2OFeTiO3+2H2SO4 == TiOSO4+FeSO4+2H2OFeO+H2SO4 == FeSO4+H2OFe2O3+3H2SO4 == Fe2(SO4)3+3H2O为了除去杂质Fe2(SO4)3，加入铁屑，Fe3+还原为Fe2+,然后将溶液冷却至273K以下，使得 FeSO4・7H2O (绿矶)作为副产品结晶析出Ti(SO4)2和TiOSO4水解析出白色的偏钛酸沉淀，反应是：Ti(SO4)2+H2O == TiOSO4+H2SO4TiOSO4+2H2O == H2TiO3+H2SO4锻烧偏钛酸即制得二氧化钛：H2TiO3 == TiO2+H2O工业上制金属钛采用金属热还原法还原四氯化钛将TiO2(或天然的金红石)和炭粉混合加热至1000〜 1100K,进行氯化处理，并使生成的TiC14,蒸气冷凝。

TiO2+2C+2C12=TiCl4+2C0­在1070K用熔融的镁在氩气中还原TiCl4可得多孔的海绵钛：TiCl4+2Mg=2MgC12+Ti这种海绵钛经过粉碎、放入真空电弧炉里熔炼，最后制成各种钛材四、钛及钛合金的特性、用途纯钛是银白色的金属，它具有许多优良性能钛的密度为4.54g/cm3,比钢轻43%，比久负盛名的 轻金属镁稍重一些机械强度却与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍钛耐高温，熔点1942K,比黄 金高近1000K，比钢高近500K钛属于化学性质比较活泼的金属加热时能与O2、N2、H2、S和卤素等非金属作用但在常温下， 钛表面易生成一层极薄的致密的氧化物保护膜，可以抵抗强酸甚至王水的作用，表现出强的抗腐蚀性因 此，一般金属在酸、碱、盐的溶液中变得千疮百孔而钛却安然无恙液态钛几乎能溶解所有的金属，因此可以和多种金属形成合金钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹 性钛与金属 Al、 Sb、 Be、 Cr、 Fe 等生成填隙式化合物或金属间化合物钛合金制成飞机比其它金属制成同样重的飞机多载旅客100多人制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又 能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80% 。

同时，钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反 监护作用钒具有“亲生物“'性在人体内，能抵抗分泌物的腐蚀且无毒，对任何杀菌方法都适应因此被广泛用 于制医疗器械，制人造髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨，主动心瓣、骨骼固定夹当新的肌肉 纤维环包在这些“钛骨”上时，这些钛骨就开始维系着人体的正常活动钛在人体中分布广泛，正常人体中的含量为每70kg体重不超过15mg,其作用尚不清楚但钛能刺激 吞噬细胞，使免疫力增强这一作用已被证实五、钦的化合物及用途重要的钛化合物有：二氧化钛(TiO2)、四氯化钛(TiC14)、偏钛酸钡(BaTiO3)纯净的二氧化钛是白色粉末，是优良的白色颜料，商品名称，钛白”它兼有铅白(PbCO3)的遮盖性能 和锌白(ZnO)的持久性能因此，人们常把钛白加在油漆中，制成高级白色油漆；在造纸工业中作为填 充剂加在纸桨中；纺织工业中作为人造纤维的消光剂；在玻璃、陶瓷、搪瓷工业上作为添加剂，改善其性 能；在许多化学反应中用作催化剂在化学工业日益发展的今天，二氧化钛及钛系化合物作为精细化工产 品，有着很高的附加价值，前景十分诱人四氯化钛是一种无色液体；熔点250K、沸点409K,有制激 性气味。

它在水中或潮湿的空气中都极易水解，冒出大量的白烟TiCl4+3H2O == H2TiO3+4HCl因此TiCl4在军事上作为人造烟雾剂，犹其是用在海洋战争中在农业上，人们用TiCl4形成的浓雾 复盖地面，减少夜间地面热量的散失，保护蔬菜和农作物不受严寒、霜冻的危害将 TiO2 和 BaCO3 一起熔融制得偏钛酸钡：TiO2+BaCO3 == BaTiO3 十 CO2­人工制得的BaTiO3具有高的介电常数，由它制成的电容器有较大的容量，更重要的是BaTiO3具有 显著的“压电性能”，其晶体受压会产生电流，一通电，又会改变形状人们把它置于超声波中，它受压便 产生电流，通过测量电流强弱可测出超声波强弱几乎所有的超声波仪器中都要用到它随着钛酸盐的开 发利用，它愈来愈广泛地用来制造非线性元件、介质放大器、电子计算机记忆元件、微型电容器、电镀材 料、航空材料、强磁、半导体材料、光学仪器、试剂等钛、钛合金及钛化合物的优良性能促使人类迫切需要它们然而，生产成本之高，使应用受到限制 我们相信在不久的将来，随着钛的治炼技术不断改进和提高，钛、钛合金及钛的化合物的应用将会得到更 大的发展钛材加工工艺目前，金属钛生产的工业方法是可劳尔法，产品为海绵钛。

制取钛材传统的工艺是将海绵钛经熔铸成锭， 再加工而成钛材按此，从采矿到制。