鈦元素的神奇功效-探索大地女神之子的奧秘

2020-12-05 初中化學大師

很久以來,人們曾認為鈦極其稀少,一直把它稱為「稀有金屬」。其實,鈦佔地殼元素組成的千分之六,是第四位大量存在的金屬。不但地球上有鈦,從月球上採集的巖石標本中也含有豐富的鈦。鈦比鋁密度大一點,但硬度卻比鋁高2倍。如製成合金,則強度可提高2~4倍。因此,它非常適於製作飛機、太空飛行器的外殼及有關部件等。目前,世界上每年用於宇航工業的鈦已達到1000噸以上。

在美國「阿波羅」宇宙飛船中,使用的鈦材料佔整個材料的5%。因此鈦常被稱為「空間金屬」。鈦不但能幫助人類上天,還能幫助人類下海。由於它既能抗腐蝕,又具有高強度,還可避免磁性水雷的攻擊,因此鈦成了造軍艦和潛艇的好材料。1977年,原蘇聯用3500多噸鈦建造當時世界上速度最快的核潛艇;美國海軍用鐵合金製成深海潛艇,能在4500米的深海中航行。

鈦和一些金屬製成合金在低溫下會出現幾乎沒有電阻、通電也不發熱的「超導現象」。這在電信工業上是極為寶貴的。如鐵和鈦製成的合金,是目前使用最廣、研究也最多的一種超導材料。鈦有這樣一種非常難得的性質:如果把它植人人體,能和人體的各種生理組織及具有酸、鹼性的各種體液「友好相處」,不會引起任何副作用。這種高度穩定性和與人類骨骼差不多的比重,使它成為外科醫生最理想的人造骨骼的材料。

鈦還有許多非凡的本領。例如,有的鈦合金居然具有「吸氣」的能耐,能大量吸收氫氣,成為儲存氫氣的好材料,為氫氣的利用創造了條件;有的鈦合金具有「超塑性」,可以很容易地加工成任何形狀等。

空間金屬的應用

由於鈦在提煉方法和應用加工上還有許多問題需要解決,世界上成千上萬的科學家仍在努力探索這位「大地女神之子」的奧秘。隨著科技水平的提高,鈦的冶煉提純方法將會得到改進,在不久的將來,鈦的產量也會迅速增加,成為僅次於鐵和鋁的「第三金屬」;鈦的應用也會更加廣泛,成為名副其實的「21世紀金屬」,「大地女神之子」將更加光彩奪目。

鈦元素發現於1789年,1908年挪威和美國開始用硫酸法生產鈦白,1910年在試驗室中第一次用鈉法制的海綿鈦,1948年美國杜邦公司用鎂法成噸生產海綿鈦——這標誌著海綿鈦即鈦工業化生產的開始。中國鈦工業起步於20世紀50年代。1954年北京有色金屬研究總院開始進行海綿鈦製備工藝研究,1956年國家把鈦當作戰略金屬列入了12年發展規劃,1958年在撫順鋁廠實現了海綿鈦工業試驗,成立了中國第一個海綿鈦生產車間。先後建設了以遵義鈦廠為代表的10餘家海綿鈦生產單位,建設了以寶雞有色金屬加工廠為代表的數家鈦材加工單位,同時也形成了以北京有色金屬研究總院為代表的科研力量,成為繼美國、前蘇聯和日本之後的第四個具有完整鈦工業體系的國家。

鈦的最大缺點是難於提煉,主要是因為鈦在高溫下化合能力極強,可以與氧、碳、氮以及其他許多元素化合。因此,不論在冶煉或者鑄造的時候,人們都要小心地防止這些元素「侵襲」鈦。在冶煉鈦的時候,空氣與水當然是嚴格禁止接近的,甚至連冶金上常用的氧化鋁坩堝也禁止使用,因為鈦會從氧化鋁裡奪取氧。現在,人們利用鎂與四氯化鈦在惰性氣體氦氣或氬氣中互相作用來提煉鈦。人們利用鈦在高溫下化合能力極強的特點,在煉鋼的時候,氮很容易溶解在鋼水裡,當鋼錠冷卻的時候,鋼錠中就形成氣泡,影響鋼的質量。所以煉鋼工人往鋼水裡加進金屬鈦,使它與氮化合,變成爐渣一—氮化鈦,浮在鋼水表面,這樣鋼錠就比較純淨了。

當超音速飛機飛行時,它的機翼的溫度可以達到500℃。如用比較耐熱的鋁合金製造機翼,一到兩三百度也會吃不消,必須有一種又輕、又韌、又耐高溫的材料來代替鋁合金,而鈦恰好能夠滿足這些要求。鈦還能經得住-100℃的考驗,在這種低溫下,鈦仍舊有很好的韌性而不發脆。利用鈦和鋯對空氣的強大吸收力,可以除去空氣造成真空。比方,利用鈦製成的真空泵,可以把空氣抽到只剩下十萬億分之一。鈦的氧化物二氧化鈦是雪白的粉末,是最好的白色顏料,俗稱鈦白。以前,人們開採鈦礦,主要目的便是為了獲得二氧化鈦。鈦白的黏附力強,不易起化學變化,永遠是雪白的。特別可貴的是鈦白無毒。它的熔點很高,被用來製造耐火玻璃、釉料、琺瑯、陶土、耐高溫的實驗器皿等。

二氧化鈦是世界上最白的東西,1克二氧化鈦可以把450多平方釐米的面積塗得雪白。它比常用的白顏料鋅鋇白還要白5倍,因此是調製白油漆的最好顏料。世界上用作顏料的二氧化鈦,一年多到幾十萬噸。二氧化鈦可以加在紙裡,使紙變白並且不透明,效果比其他物質大10倍,因此,鈔票紙和美術品用紙就要加二氧化鈦。此外,為了使塑料的顏色變淺,使人造絲光澤柔和,有時也要添加二氧化鈦。在橡膠工業上,二氧化鈦還被用作為白色橡膠的填料。

鈦分子結構圖

鈦晶手鐲

四氯化鈦是一種有趣的液體,它有股刺鼻的氣味,在潮溼空氣中便會冒大量白煙——它水解了,變成白色的二氧化鈦的水凝膠。在軍事上,人們便利用四氯化鈦的這股怪脾氣,作為人造煙霧劑。特別是在海洋上,水汽多,一放四氯化鈦,濃煙就像一道白色的長城,擋住了敵人的視線。在農業上,人們利用四氟化鈦來防霜。鈦酸鋇晶體有這樣的特性:當它受壓力而改變形狀的時候,會產生電流,一通電又會改變形狀。於是,人們把鈦酸鋇放在超聲波中,它受壓便產生電流,由它所產生的電流的大小可以測知超聲波的強弱。相反,用高頻電流通過它,則可以產生超聲波。

現在,幾乎所有的超聲波儀器中,都要用到鈦酸鋇。除此之外,鈦酸鋇還有許多用途。例如:鐵路工人把它放在鐵軌下面,來測量火車通過時候的壓力;醫生用它製成脈搏記錄器。用鈦酸鋇做的水底探測器,是銳利的水下眼睛,它不僅能夠看到魚群,而且還可以看到水底下的暗礁、冰山和敵人的潛水艇等。

冶煉鈦時,要經過複雜的步驟。把鈦鐵礦變成四氯化鈦,再放到密封的不鏽鋼罐中,充以氬氣,使它們與金屬鎂反應,就得到海綿鈦。這種多孔的海綿鈦是不能直接使用的,還必須把它們在電爐中熔化成液體,才能鑄成鈦錠。

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