從發(fā)現(xiàn)鈦元素到制得純品,歷時一百多年。而鈦真正得到利用,認(rèn)識其本來的真面目,則是20世紀(jì)40年代以后的事情了。
地球表面十公里厚的地層中,含鈦達(dá)千分之六,比銅多61倍,在地殼中的含量排第十位(地殼中元素排行:氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫、鈦)。隨便從地下抓起一把泥土,其中都含有千分之幾的鈦,世界上儲量超過一千萬噸的鈦礦并不稀罕。
海灘上有成億噸的砂石,鈦和鋯這兩種比砂石重的礦物,就混雜在砂石中,經(jīng)過海水千百萬年晝夜不停地淘洗,把比較重的鈦鐵礦和鋯英砂礦沖在一起,在漫長的海岸邊,形成了一片一片的鈦礦層和鋯礦層。這種礦層是一種黑色的砂子,通常有幾厘米到幾十厘米厚。
鈦沒有磁性,用鈦建造的核潛艇不必?fù)?dān)心磁性水雷的攻擊。
1947年,人們才開始在工廠里冶煉鈦。當(dāng)年,產(chǎn)量只有2噸。1955年產(chǎn)量激增到2萬噸。1972年,年產(chǎn)量達(dá)到了 20萬噸。鈦的硬度與鋼鐵差不多,而它的重量幾乎只有同體積的鋼鐵的一半,鈦雖然稍稍比鋁重一點,它的硬度卻比鋁大2倍,F(xiàn)在,在宇宙火箭和導(dǎo)彈中,就大量用鈦代替鋼鐵。據(jù)統(tǒng)計, 目前世界上每年用于宇宙航行的鈦,已達(dá)一千噸以上。極細(xì)的鈦粉,還是火箭的好燃料,所以鈦被譽(yù)為宇宙金屬,空間金屬。
鈦的耐熱性很好,熔點高達(dá)1725℃。在常溫下,鈦可以安然無恙地躺在各種強(qiáng)酸強(qiáng)堿的溶液中。就連最兇猛的酸——王水,也不能腐蝕它。鈦不怕海水,有人曾把一塊鈦沉到海底,五年以后取上來一看,上面粘了許多小動物與海底植物,卻一點也沒有生銹,依舊亮閃閃的。
現(xiàn)在,人們開始用鈦來制造潛艇一——鈦潛艇。由于鈦非常結(jié)實,能承受很高的壓力,這種潛艇可以在深達(dá)4500米的深海中航行。
鈦的基本性質(zhì)
鈦:Ti
原子結(jié)構(gòu)
鈦位于元素周期表中ⅣB族,原子序數(shù)為22,原子核由22個質(zhì)子和20-32個中子組成,核外電子結(jié)構(gòu)排列為1S2 2S2 2P6 3S2 3D2 4S2。原子核半徑5x10-13厘米。
物理性質(zhì)
鈦的密度為4.506-4.516克/立方厘米(20℃),熔點1668±4℃,熔化潛熱3.7-5.0千卡/克原子,沸點3260±20℃,汽化潛熱102.5-112.5千卡/克原子,臨界溫度4350℃,臨界壓力1130大氣壓。鈦的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性能較差,近似或略低于不銹鋼,鈦具有超導(dǎo)性,純鈦的超導(dǎo)臨界溫度為 0.38-0.4K。在25℃時,鈦的熱容為0.126卡/克原子·度,熱焓1149卡/克原子,熵為7.33卡/克原子·度,金屬鈦是順磁性物質(zhì),導(dǎo)磁率為1.00004。
鈦具有可塑性,高純鈦的延伸率可達(dá)50-60%,斷面收縮率可達(dá)70-80%,但強(qiáng)度低,不宜作結(jié)構(gòu)材料。鈦中雜質(zhì)的存在,對其機(jī)械性能影響極大,特別是間隙雜質(zhì)(氧、氮、碳)可大大提高鈦的強(qiáng)度,顯著降低其塑性。鈦作為結(jié)構(gòu)材料所具有的良好機(jī)械性能,就是通過嚴(yán)格控制其中適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)含量和添加合金元素而達(dá)到的。
化學(xué)性質(zhì)
鈦在較高的溫度下,可與許多元素和化合物發(fā)生反應(yīng)。各種元素,按其與鈦發(fā)生不同反應(yīng)可分為四類:
第一類:鹵素和氧族元素與鈦生成共價鍵與離子鍵化合物;
第二類:過渡元素、氫、鈹、硼族、碳族和氮族元素與鈦生成金屬間化物和有限固溶體;
第三類:鋯、鉿、釩族、鉻族、鈧元素與鈦生成無限固溶體;
第四類:惰性氣體、堿金屬、堿土金屬、稀土元素(除鈧外),錒、釷等不與鈦發(fā)生反應(yīng)或 基本上不發(fā)生反應(yīng)。
與化合物的反應(yīng)
◇ HF和氟化物
氟化氫氣體在加熱時與鈦發(fā)生反應(yīng)生成TiF4, 反應(yīng)式為(1);不含水的氟化氫液體可在鈦表面上生成一層致密的四氟化鈦膜,可防止HF浸入鈦的內(nèi)部。氫氟酸是鈦的最強(qiáng)溶劑。即使是濃度為1%的氫氟酸,也能與鈦發(fā)生激烈反應(yīng),見式(2);無水的氟化物及其水溶液在低溫下不與鈦發(fā)生反應(yīng),僅在高溫下熔融的氟化物與鈦發(fā)生顯著反應(yīng)。
Ti+4HF=TiF4+2H2+135.0千卡 (1)2Ti+6HF=2TiF3+3H2 (2)
◇ HCl和氯化物
氯化氫氣體能腐蝕金屬鈦,干燥的氯化氫在>300℃時與鈦反應(yīng)生成TiCl4,見 式(3);濃度<5%
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