钛 从发现钛元素到制得纯品，历时一百多年。而钛真正得到利用，认识其本来的真面目，则是本世纪40年代以后的事情了。地理表面十公里厚的地层中，含钛达千分之六，比铜多6l倍。随便从地下抓起一把泥土，其中都含有千分之几的钛，世界上储量超过一千万吨的钛矿并不希罕。海滩上有成亿吨的砂石，钛和锆这两种比砂石重的矿物，就混杂在砂石中，经过海水千百万年昼夜不停地淘洗，把比较重的钛铁矿和锆英砂矿冲在一起，在漫长的海岸边，形成了一片一片的钛矿层和锆矿层。这种矿层是一种黑色的砂子，通常有几厘米到几十厘米厚。钛没有磁性，用钛建造的核潜艇不必担心磁性水雷的攻击。1947年，人们才开始在工厂里冶炼钛。当年，产量只有2吨。1955年产量激增到2万吨。1972年，年产量达到了 20万吨。钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积的钢铁的一半，钛虽然稍稍比铝重一点，它的硬度却比铝大2倍。现在，在宇宙火箭和导弹中，就大量用钛代替钢铁。据统计， 目前世界上每年用于宇宙航行的钛，已达一千吨以上极细的钛粉，还是火箭的好燃料，所以钛被誉为宇宙金属，空间金属。钛的耐热性很好，熔点高达1725℃。在常温下，钛可以安然无恙地躺在各种强酸强碱的溶液中。就连最凶猛的酸——王水，也不能腐蚀它。钛不怕海水，有人曾把一块钛沉到海底，五年以后取上来一看，上面粘了许多小动物与海底植物，却一点也没有生锈，依旧亮闪闪的。现在，人们开始用钛来制造潜艇一——钛潜艇。由于钛非常结实，能承受很高的压力，这种潜艇可以在深达4500米的深海中航行。钛耐腐蚀，所以在化学工业上常常要用到它。过去，化学反应器中装热硝酸的部件都用不锈钢。不锈钢也怕那强烈的腐蚀剂——热硝酸，每隔半年，这种部件就要统统换掉。现在，用钛来制造这些部件，虽然成本比不锈钢部件贵一些，但是它可以连续不断地使用五年，计算起来反而合算得多。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。现在，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。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，变成炉渣一—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乙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。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十万万万分之一。钛的氧化物——二氧化钛，是雪白的粉末，是最好的白色颜料，俗称钛白。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。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，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， l克二氧化钛可以把 450多平方厘米的面积涂得雪白。它比常用的白颜料一—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。四氯化钛是种有趣的液体，它有股刺鼻的气味，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。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。现在，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。冶炼钛时，要经过复杂的步骤。把钛铁矿变成四氯化钛，再放到密封的不锈钢罐中，充以氩气，使它们与金属镁反应，就得到“海绵钛”。这种多孔的“海绵钛”是不能直接使用的，还必须把它们在电炉中熔化成液体，才能铸成钛锭。但制造这种电炉又谈何容易！除了电炉的空气必须抽干净外，更伤脑筋的是，简直找不到盛装液态钛的坩埚，因为一般耐火材料部含有氧化物，而其中的氧就会被液态钛夺走。后来，人们终于发明了一种“水冷铜坩埚”的电炉。这种电炉只有中央一部分区域很热，其余部分都是冷的，钛在电炉中熔化后，流到用水冷却的铜坩埚壁上，马上凝成钛锭。用这种方法已经能够生产几吨重的钛块，但它的成本就可想而知了。元素名称：钛元素原子量：47.87元素类型：金属核内质子数：22 核外电子数：22 核电核数：22 质子质量：3.6806E-26 质子相对质量：22.154 所属周期：4 所属族数：IVB 摩尔质量：48 氢化物：TiH4 氧化物：TiO 最高价氧化物化学式：TiO2 密度：4.54 熔点：1660.0 沸点：3287.0 外围电子排布：3d2 4s2 核外电子排布：2,8,10,2 颜色和状态：银灰色金属 原子半径：2 常见化合价：+2,+3,+4 发现人：格列高尔 发现年代：1791年发现过程：1791年，英国的格列高尔，在研究黑色磁性砂时，发现其中有新元素，即钛。元素描述：具有金属光泽，有延展性。密度4.5克/厘米3。熔点1660±10℃。沸点3287℃。化合价+2、+3和+4。电离能为6.82电子伏特。钛的主要特点是密度小，机械强度大，容易加工。钛的塑性主要依赖于纯度。钛越纯，塑性越大。有良好的抗腐蚀性能，不受大气和海水的影响。在常温下，不会被稀盐酸、稀硫酸、硝酸或稀碱溶液所腐蚀；只有氢氟酸、热的浓盐酸、浓硫酸等才可对它作用。元素来源：钛属于稀有金属，在地壳中的丰度占第七位，有0.42%。用于冶炼钛的矿物主要有钛铁矿（FeTiO3）、金红石（TiO2）和钙钛矿等。矿石经处理得到易挥发的四氯化钛，再用镁还原而制得纯钛。元素用途：钛和钛的合金大量用于航空工业，有空间金属之称；另外，在造船工业、化学工业、制造机械部件、电讯器材、硬质合金等方面有着日益广泛的应用。元素辅助资料：钛的主要矿石是金红石TiO2和钛铁矿FeTiO3，它的发现也正是从这两种矿石的分析而来。早在1791年英国英格兰西南端康沃尔（Cornwall）郡门拉陈（Menacan）教区的牧师格累高尔，也是一位科学家，分析出产在他教区内的一种黑色矿砂，也就是今天成为钛铁矿的矿石时发现了一种新的金属物质并命名为menacenite。三年后，1795年，克拉普罗特分析了匈牙利布伊尼克（Boinik）地区出产的金红石，认识到它是一种新金属的氧化物，具有抵抗酸、碱溶液的特性，借用希腊神话中大地的第一代儿子们泰坦神族Titans，命名这个金属为titanium，元素符号定为Ti。两年后，克拉普罗特证实格累高尔发现的menacenite就是钛。钛对于酸、碱具有较强的耐腐蚀性，已成为化工生产中重要的材料。钛一般被认为是稀有金属，其实它在地壳中的含量相当大，比一般的常用的金属锌、铜、锡等都大，甚至比氯、磷都大。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+3H2O FeTiO3+2H2SO4 == TiOSO4+FeSO4+2H2O FeO+H2SO4 == FeSO4+H2O Fe2O3+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（绿矾）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+H2SO4 TiOSO4+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TiCl4，蒸气冷凝。 TiO2＋2C＋2Cl2＝TiCl4＋2CO- 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。 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。 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(TiCl4)、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。
钛位于元素周期表的IVB族，原子序数22，是一种难溶的稀有金属。 1 钛的发现简史 钛是英国化学家马克·格雷戈尔在1791年研究钛铁矿和金红石时发现的。几年以后，德国化学家克拉普罗特从匈牙利博伊尼克的一种红色金红石中也发现了这种元素，他引用希腊神话中“Titans(太阳神族)的名字给这种元素起名叫“Titanium”(中文按照它原文名称的译音定名为钛)。其实当时找到的是粉末状的二氧化钛而不是金属钛。直到1910年才被美国化学家亨特第一次制得纯度达99. 9%的金属钛，但总共还不到1 g。 2 钛的存在 钛的蕴藏丰富，但分布却很分散。在地壳外层16 km的范围内钛约占0.6%，仅次于氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁，居第9位。在结构材料中，仅次于铝、铁、镁。 钛是一种十分活泼的元素，可与周期表中许多元素发生化合反应，特别是对氧的亲和力非常大。因此，自然界中没有游离态的元素钛存在。含钛的矿物种类很多，到目前为止已知有近70种，其中最有工业价值的有:金红石(TiO2,)、钦铁矿(FeTiO3)及组成复杂的钒钛铁矿。我国钛蕴藏量居全球之首，四川攀枝花地区有极丰富的钒钛提矿，蕴藏量约15亿吨。 3 钛的性质和应用 钛具有银白色金属光泽，从外观看略似钢，它熔点高(1 725 ℃)，密度小(4.5g/cm3)，机械强度高，容易加工成形。钛比铁强韧得多，比重却只有铁的一半多一点，而且不会生锈；钛比铝重不到两倍，强度比铝大三倍，而且耐热性能远优于铝。在航空工业中 钛用以制造现代超音速飞机，其飞行速度和高度都超过一般的飞机， 钛也用于制造喷气发动机零件(压缩机上的叶轮、涡轮叶片、转子等)。 在火箭、导弹和宇航工业中， 钛主要用作压力容器、燃料贮箱、火箭发动机壳体、火箭喷嘴套筒、人造卫星外壳、宇宙飞船船舱等。(由于钦的密度小，使火箭、导弹、宇宙飞船等重量减轻，降低了制造费用)。 对钛来说，最重要、最稳定的化合物是四价的；但是， 钛相当容易形成三价和二价的化合物。衍生的一价钛化合物大都是不稳定的。 钛在含氧环境中易形成一层薄而坚固的氧化物薄膜，这种薄膜能耐氧化溶液和氯化物溶液的浸蚀，因而使钛具有优异的耐腐蚀性能，钛抗海水腐蚀的能力比其他所有金属都好，无论是在静止的或高速流动的海水中钛都具有特殊的稳定性。因此，钛是海水淡化装置的理想材料。钛也是造船工业的理想结构材料，用钛制造的轮船，银光闪闪，用不着涂漆，在海水中船行几年也不会生锈。用钛制的军舰、潜水艇没有磁性，不会被磁性水雷发现和跟踪，而且能抗深水压力。 钛与各种浓度的硝酸、稀硫酸，各种弱减的作用非常缓慢，在化学工业中，可用以制造各种化工设备如热交换器、泵、反应器、加热器等。例如在化肥工业中，目前国外已使用钛材来制造尿素生产中的合成塔、反应器、搅拌器、换热器、分离器和压缩机等设备。 钛与氧和氮的化学亲合力非常强，所以在炼钢过程中可用钛作脱氧剂和脱氮剂(钛与溶解在钢中的氮相互作用生成不溶解的氮化物)，从钢中彻底清除氧、氮杂质，使钢的结构致密化并提高钢的机械性能。 另外，钛在含有金属离子的酸性溶液中具有很好的稳定性，因此，钛在湿法冶金工业中，如铜、镍、钴、锰等有色金属的电解生产中，有着十分广泛的应用。 钛在医学上有着奇妙的用处，在骨骼损坏了的地方，用钛片和钛螺丝钉钉好，过几个月骨头就会重新长在钛片的小孔和钛螺丝钉的螺纹里，新的肌肉纤维便包在钛的薄片上，这种钛“骨头”犹如真的骨头一样。因此，钛被称为“亲生物金属”。 随着工业的发展和科学技术的进步，钛开始应用于日用品方面，如高尔夫球杆、滑雪板、眼镜架、照相机外壳等。 4 钛合金的功能特性 钛合金有记忆、超导和吸氢等三种特殊功能。钛合金的这三种特殊的功能在开发新能源中有特殊作用。 4.1 记忆功能 指的是钛镍合金在一定温度下有恢复原有形状的本领。 4.2 超导功能 指的是钛妮合金做成的导线，当温度接近-273 ℃时，电阻为零。钛妮合金可做超导材料。 4.3 钛铁合金 有吸收氢气的功能。它可以把氢气大量、安全地贮存起来用以代替笨重的钢制高压气瓶。在一定条件下，又可以把贮存的氢气放出来，我们把这类合金称为贮氢材料。 5 钛的展望 金属钛工业是靠制造飞机发展起来的，如美国在二十世纪五十年代初生产的全部钛金属都用在制造飞机上。目前钛的应用主要受到产量的限制，但是随着科技的发展，冶炼技术的不断改进，钛的年产量逐渐提高，金属钛的许多优良性能将会得到越来越广泛的应用，钛大有可能成为继铜、铁、铝之后的第四代金属，成为未来的钢铁。因此，有人把钛誉为二十一世纪的金属。