元素說未來金屬—鈦

2020-12-05 初中化學大師

1鈦的發現及命名由來

1791年,英國牧師和礦物學愛好者格雷戈爾(H. W. Gregor)首先從鈦鐵礦石中發現了鈦與鐵的混合氧化物黑色磁性砂(FeTiO3),他意識到這種礦物中可能包括一種新的元素。1795年,德國化學家克拉普羅特(M. H. Klaproth)獨立從匈牙利的金紅石中得到了鈦的氧化物,並借用希臘神話中的地神所生的巨人「泰坦(Titans)」為其命名為 「Titanium」。直到1910年,美國化學家亨特(M. A. Hunter)才用金屬鈉從四氯化鈦中置換出來純度為99.9%的單質鈦,這是人類發現的第29種元素,其拉丁文名稱第一個字母的大寫和第二個字母的小寫組成了它的元素符號Ti。中文名稱鈦是我國根據它拉丁文名稱的音譯專門新造的一個形聲字。

2鈦的物理性質

鈦的原子半徑(共價半徑)132pm,離子半徑68pm(+4)、76pm(+2),原子量47.86,原子體積10.65cm3/mol,密度4.507g/cm3,硬度4.0°,熔點1660℃,沸點3287℃。金屬鈦是銀白色的,晶體結構類型為金屬晶體、六方晶系。外觀似鋼,比強度最大,耐低溫又耐高溫,從-250℃到500℃都能保持高強度,而且還耐磨損。純金屬延展性能好,可塑性強,能壓片抽絲,但有雜質存在時質硬而脆。鈦的機械強度高,是鋁的3倍,鎂的6倍,而且幾乎沒有金屬疲勞現象。金屬鈦受到機械振動、電振動後,與鋼和銅等金屬或合金相比,自身振動的衰減時間最長。導電性和傳熱性較好,無磁性,但在-272.74℃低溫下可成為超導體。液體鈦幾乎能溶解所有的金屬,可與多種金屬形成合金。

3鈦的化學性質

鈦的價電子構型3d24s2,電負性1.5,第一電子親和能37.7kJ/mol,第一電離能659kJ/mol,標準電極勢-0.86V,氧化數+4、+3、+2、0、-1,常見化合價+3、+4。常溫下,鈦在空氣和水中都比較穩定,不與氧氣和滷素作用,也不被稀酸、稀鹼與海水腐蝕。但在溫度升高時,化學活性則迅速增加,當加熱到溫度高於600℃時,能跟氧、氮、碳、硫及滷素等多種非金屬元素直接化合,除形成普通化合物外,還可形成間充型化合物,尤其易與氯形成可揮發又易水解的化合物。

另外,鈦能溶於熱的較濃的鹽酸、硫酸、磷酸和氫氟酸,生成鈦鹽,一般是酸濃度越大溶解速率越快。四種熱濃有機酸溶液也可侵蝕金屬鈦,它們是草酸、蟻酸、三氯乙酸和三氟乙酸,鈦還能被三氯化鋁侵蝕。上述化合物對鈦的腐蝕作用主要是由於它們能侵蝕鈦表面極細緻的氧化物膜,鈦的惰性就是由於這種氧化物膜的保護作用。向腐蝕液中加入氧化劑如硝酸,一般可以減緩它們對鈦的腐蝕,因為氧化劑可再生氧化物膜而使鈦的表面鈍化。粉末狀的鈦則很活潑,在空氣中就可以燃燒。

4鈦的製備

金屬鈦在高溫下對氧、氮和氫有極強的親和力,因此不能直接用還原反應從其氧化物中提煉鈦。從主要礦石中萃取出鈦需要用到克羅爾法或亨特法,反應方程式如下:

(1000℃下真空蒸餾除去Mg、MgCl2,電弧熔化鑄錠)

處理金屬鈦主要分四個步驟:

①把鈦礦石還原成「海綿體」(一種透氣的形態);

②製造鑄錠,熔化海綿體(或用海綿體加一種母合金)形成鑄錠;

③初步製造,把鑄錠製成一般機械製品,如坯、棒、板、片、條及管;

④加工製造,把機械製品進一步加工成型。

5鈦的用途

①用鈦製造的軍艦和潛水艇沒有磁性,不會被磁性水雷發現和跟蹤,而且能抗深水壓力,可在一般潛水艇不能到達的深至4500m的水下航行。

②利用鈦鋼合金的堅韌有彈性和耐腐蝕性,可製造船艦外殼和潛水艇,利用鈦鋼合金比強度大的特點和耐高溫性能(在550℃高溫下仍具有很大的強度),可製造飛機、坦克、火箭、人造衛星和宇宙飛船。據估計,生產一架波音777要用59t鈦,波音747要用44t,波音737要用18t。

③利用鐵鈦合金在常溫下吸氫、在高溫下放氫的特性,可作為儲氫小倉庫,取用方便。而且,可在製造電子管和顯像管時用作吸氣劑,在製造泡沫金屬時用作氫源,還用於粉末冶金和金屬陶瓷的封接。

④用等量的鈦鎳製成的「最佳形狀記憶合金」,具有較強的形狀記憶應變性、較好的恢復能力和較高的記憶壽命,常用於飛船的天線、管道的連接部件,也用來製造醫療器械、電工器械機械手和機器人,還用於骨科的治療和醫學矯形。

⑤用鈦酸鋇、鈦酸鉛和鐠鈦酸鉛等材料製成的壓電陶瓷,既可將機械能轉化為電能,用於壓電打火機、移動X光電源和炮彈引爆裝置;又可將電能轉化為超聲振動,用於探尋水下魚群、超清洗超聲醫療和對金屬的無損探傷,還廣泛應用於自動化設備。

⑥鈦被稱為「親生物金屬」,它本身無毒,也可抵抗人體分泌物腐蝕,能與人體的皮肉筋骨友好相處,雖為異物,但不引起免疫反應,在醫療上常被作為人造骨骼使用,液體鈦也可用來修復被損壞的骨骼。

⑦純淨的二氧化鈦是一種俗稱「鈦白」的優良顏料,而二氧化鈦光觸媒則是一種納米級的活性材料,塗於基材表面乾燥後會形成薄膜,在光線的作用下它會產生強烈催化降解功能,能有效地降解空氣中有毒有害氣體。

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