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金属中的新秀-钛

时间: 2011-07-25 10:00 来源: 作者: 点击:
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—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矾钛铁矿,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+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。

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(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、、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。(end)

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