钒钛基本性质-3.ppt

钒钛材料攀枝花学院材料工程学院2011年3月 课前复习• 前言 • 第 一 章 绪论（钒钛材料概况） • 第一节 钒矿物种类 • 第二节 钒材料的分类 • 第三节 钒材料的用途 • 第四节 钒材料的发展史 • 第五节 钛矿物种类 • 第六节 钛材料分类 • 第七节 钛材料的用途 • 第八节 钛的发展史 • 第九节 钒钛材料今后的发展趋势本次课内容提要 第 二 章 钒钛基本性质 第一节 金属钒的性质 第二节 V­O系相图 第三节 V2O3的性质 第四节 VO2的性质 第五节 V2O5的性质 第六节 偏钒酸铵的性质 第七节 钒的某些二元非金属化合物 第八节 钒铁性质 第九节 钒铝性质 第十节 钒的毒性 第十一节 金属钛的性质 第十二节 TiO2（钛白）的性质 第十三节 低价钛（Ti2O3、Ti3O5）性质 第十四节 偏钛酸的性质 第十五节 四氯化钛（TiCl4）的性质 第十六节 碳化钛（TiC）的性质 第十七节 正硫酸钛Ti(SO4)2和硫酸氧钛­ （TiOSO4）的性质 第十八节 钛的毒性 第 二 章 钒钛基本性质 第一节 金属钒的性质• 钒是一种高熔点难熔金属，常温下为固态，呈银灰 色，具有体心立方晶格，原子序数23。

• 纯钒具有良好的延展性和可锻性，在常温下可制成 片、丝和箔 • 钒呈弱顺磁性，是电的不良导体 • 钒的力学性能取决于它的纯度 • 常温下钒的化学性质较稳定，但在高温下能与碳、 硅、氮、氧、硫、氯、溴等大部分非金属元素生成化 合物• 钒具有较好的耐腐蚀性能，能耐淡水和海水的侵 蚀，亦能耐氢氟酸以外的非氧化性酸(如盐酸、稀 硫酸)和碱溶液的侵蚀，但能被氧化性酸(浓硫酸、 浓氯酸、硝酸和王水)溶解• 金属钒的物理性质如下表所示： 表 金属钒的物理性质 性质数据 原子量50.9451 熔点/℃1890±10 沸点/℃3380 密度/g/cm36.11 比热容(20℃)/J·(kg·K)-1533.72 热导 率(20℃)/w·(m·K)-130.98 超导转变 温度/K5.13 线膨胀系数(0～100℃)，℃-18.3×10-6 电阻率(20℃)/μΩ·cm24.8～26.0 电阻温度系数/Ω·cm·℃-12.18～2.76×10-8 热焓 (0～100℃)/ J·mol-124.62 再结晶温度/℃800～1000 晶型立方第二节 V­O系相图O(原子分数)%★ 由氧-钒二元相图可知，钒有多种氧化物 。

在V2O3和V2O4 之间，存在着可用通式 VnO2n-1 (3≤n≤9)表示的同族氧化物在V2O4到V2O5之间，已知有V3O5、V3O7 、V4O7、V4O9、V5O9、V6O11、V6O13等工业上钒氧化物主要是以五氧化二钒、 四氧化二钒和三氧化二钒，特别是五氧化二 钒的生产尤为重要它们的主要性质列于下 表 表 钒氧化物的性质氧化物晶系，颜色比 重熔点 /℃溶解性V2O2等轴 ，浅灰5.761790不溶水、 溶于酸 V2O3菱形， 黑4.871970 ～ 2070不溶水、 溶于HF及HNO3V2O4正方 ，兰黑4.2 ～ 4.41545 ～ 1967微溶水、溶于酸及碱、不溶乙 醇V2O5斜方， 橙黄3.35 7650～ 690微溶水、溶于酸及碱、不溶乙 醇第三节 V2O3的性质• V2O3是灰黑色有光泽的结晶粉末；不溶于水及碱； 是强还原剂 • 熔点很高(2070℃) • 具有导电性• 常温下暴露于空气中数月后，被氧化变成靓 青蓝色的VO2 • 工业上制取方法：是用氢气、一氧化碳、氨 气、天然气、煤气等气体还原V2O5或钒酸铵 制取第四节 VO2的性质 • 二氧化钒是深兰色晶体粉末，温度超过 128℃时为金红石型结构。

• VO2是两性氧化物，溶于酸和碱• VO2是钒氧化物中研究最多的一种，原因在 于有金属—非金属转变的性质• 由于VO2的薄膜形态不易因反复相变而受到 损坏，因此，其薄膜形态受到了比其它粉体、 块体更为广泛的研究提拉法制备VO2薄膜第五节 V2O5的性质• V2O5是一种无味、无嗅、有毒的橙黄色或红棕色的粉 末，微溶于水(约0.07g/L)，溶液呈微黄色 • V2O5大约670℃熔融，冷却时结晶成黑紫色正交晶系 的针状晶体片状五氧化二钒 粉状五氧化二钒 •V2O5是两性氧化物，与Na2CO3一起共熔得到 不同的可溶性钒酸钠 •V2O5+3Na2CO3→2Na3VO4+3CO2 •V2O5+2Na2CO3→2Na4V2O7+2CO2 •V2O5+Na2CO3→2NaVO3+CO2因为在V2O5晶格中比较稳定地存在着脱除氧原子 而得的阴离子空穴，因此在700～1125℃范围内，可 逆地失去氧，这种现象可解释为V2O5的催化性质2V2O52V2O4+O2• V2O5可用偏钒酸铵在空气中于500℃左右分解 制得• V2O5是最重要的钒氧化物，工业上用量最大 工业五氧化二钒的生产，用含钒矿石、钒渣 、含碳的油灰渣等提取，制得粉状或片状五氧 化二钒。

它大量作为制取钒合金的原料，少量 作为催化剂第六节 偏钒酸铵的性质• 偏钒酸铵(NH4VO3)是白色或带淡黄色的结晶粉末， 在水中的溶解度较小 • 偏钒酸铵是工业上生产V2O5的中间产物 • 偏钒酸铵在真空中加热到135℃开始分解，超过 210℃时分解生成V2O4和V2O5表 偏钒酸铵热分解条件及产物 温度/℃气氛分解产产物250空气和氧气NH3V2O5250空气(NH4)2O·3V2O5340空气(NH4)2O·V2O4·5V2O5420～440空气NH3，V2O5 310～325氧气V2O5约约200氢氢气约约320氢氢气(NH4)2O·3V2O5约约400氢氢气(NH4)2O·V2O4·5V2O5约约1000氢氢气V6O13，V2O3，V2O4350二氧化碳、氮或 氩氩(NH4)2O·V2O4·5V2O5400～500二氧化碳、氮或 氩氩V6O13200～240氮气和氢氢气(NH4)2O·3V2O5320氮气和氢氢气(NH4)2O·V2O4·5V2O5400氮气和氢氢气V6O13225水蒸气(NH4)2O·3V2O5• 除了偏钒酸铵外，五价钒(V5+)的铵盐还有很 多种，如： • (NH4)2V4O11、(NH4)2V6O16、(NH4)4V6O17、 (NH4)4V10O27、(NH4)6V10O33、(NH4)2V12O31、 (NH4)6V14O38、(NH4)10V18O40、(NH4)6V20O53 、(NH4)8V26O69等。

• 工业生产五氧化二钒时，采用酸性铵盐沉钒时，在不 同钒浓度和pH值等沉钒条件下，可以得到上述的钒酸 铵沉淀，通常称之为多钒酸铵(英文缩写为APV)，是制 取V2O5的中间产品，多为橙红色或橘黄色，也称为”黄 饼” • APV在水中的溶解度较小，随着温度升高，溶解度降 低 • APV在空气中煅烧脱氨后，得到工业五氧化二钒第七节 钒的某些二元非金属化合物钒的主要二元非金属化合物性质列于下表中名称分子式颜色熔点， ℃密度，g/cm3结构碳化物V2C VC暗黑 暗黑2200 28305.665 5.649立方 立方 氮化物VN灰紫20506.04立方 硅化物V3Si V5Si3 VSi21350 2150 17505.67 4.8 4.7立方 六方 六方氮化钒合金第八节 钒铁性质• V-Fe常温下为灰黑色金属 • V-Fe化合物为正方晶系，晶格常数 a=0.895nm，c=0.462nm，c:a=0.516 • 钒和铁之间可形成连续的固溶体；最 低共熔点为1468℃（含V31%）第九节 钒铝性质• VAl 合金常温下为银灰色金属 • VAl化合物有不同的晶系：•(1)VAl3：正方晶格， 晶格常数a=0.5345nm， c=0.8322nm，c:a=1.577。

•(2)VAl11：面心立方晶格，晶格常数a=1.4586nm •(3)VAl6：六方晶格，晶格常数a=0.7718nm， c=1.715nm •(4)V5Al8：体心立方晶格，晶格常数a=0.9270nm钒铝合金两种钒合金的密度及熔化温度见表 表 钒合金的密度及熔化温度 合金主要成份，%密度 g/cm3熔化温度 ℃VAlSiC FeV4045-55﹤ ﹤ 4.0﹤ ﹤ 2.0﹤ ﹤ 0.26.71450 FeV6050-652.01.50.157.01450-1600 FeV8078-821.51.50.156.41680-1800 V99﹥ ﹥ 99﹤ ﹤ 0.01﹤ ﹤ 0.1﹤ ﹤ 0.066.11910 V80Al75-8515-200.40.055.21850-1870 V40Al40-4555-60.0.30.13.81500-1600• 第十节 钒的毒性• 钒作为一种微量元素存在于所有的动植物的组织中 ，钒是人体内必需的微量元素之一，对人体的正常代 谢有促进作用 • 钒及其化合物通常具有毒性，随化合物价态升高而 毒性增大，其中五价钒(Ⅴ)的化合物毒性最大 • 一般从事钒工艺生产的工作人员，并未发现致癌和 致畸变的记载。

第十一节 金属钛的性质 原子结构 ：钛位于元素周 期表中ⅣB族，原子序数为 22，原子核由22个质子和 20-32个中子组成• 物理性质： • 金属钛（海绵钛）为银灰色金属 • 钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米（20℃） • 熔点1668±4℃，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 • 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 ◇ HF和氟化物 • ◇ HCl和氯化物 • ◇ 硫酸和硫化氢 • ◇ 硝酸和王水第十二节 TiO2（钛白）的性质 •TiO2（钛白）是一种白色粉末。

•主要物理性能如下： 密度(g/cm3)： 金红石型4.261(0℃)，4.216(25℃)； 锐钛型3.881(0℃)，3.894(25℃)； 板钛型4.135(0℃)，4.105(25℃) • 熔点：金红石型1842±6℃，熔化热811J/g • 沸点：金红石型2670±6℃，气化热 (3762±313)J/g • TiO2是两性化合物，是一种十分稳定的化合 物，它在许多无机和有机介质中都有很好的 稳定性，它不溶于水和许多其他溶剂 • TiO2不溶于水，可溶于热的浓硫酸、硝酸和 苛性碱中• TiO2在自然界中存在三种同素异形体，即金 红石型、锐钛型和板钛型三种 • 工业上TiO2多数由偏钛酸煅烧而成： • H2TiO3==TiO2+H2O • 工业上生产钛白的方法：硫酸法和氯化法第十三节 低价钛（Ti2O3、Ti3O5）的性质 • Ti2O3和Ti3O5均由TiO2在高温下还原而获得 • Ti2O3是一种紫黑色粉末 • 在高钛渣中存在的Ti3O5是一种黑色粉末 • Ti2O3密度为4.60g/cm3，25℃为4.53g/cm3熔点 1889℃，熔化热为6.35kJ/g • α-Ti3O5密度为4.57g/cm3，β-Ti3O5密度为 4.29g/cm3。

在工业上生产高钛渣时，少量的TiO2将被过还原为 Ti2O3和Ti3O5两种低价钛。