2019金属中的新秀-钛精品教育.doc

1、金属中的新秀钛金属铁、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

2、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

3、)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+3H2OFeTiO3+2H2SO4 = TiOSO4+Fe

4、SO4+2H2OFeO+H2SO4 = FeSO4+H2OFe2O3+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FeS04 7H2O(绿矶)作 为副产品结晶析出。Ti(SO4)2和TQS04水解析出白色的偏钛酸沉淀，反应是：Ti(SO4)2+H2O = TiOSO4+H2SO4TiOSO4+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

5、1100K,进行氯化处理，并使生成的 TiCl4 ，蒸气冷凝。TiO2 + 2C+ 2CI2 = TiCI4 + 2C0 -在 1070K 用熔融的镁在氩气中还原 TiCl4 可得多孔的海绵 钛：TiCI4 + 2Mg= 2MgC1+ 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

6、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“

7、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(PbC03)的

8、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-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