钛：历史，结构，性质，反应，用途 - 化学 - 2025

的钛是由化学符号的Ti表示的过渡金属。它是在periodic之后的元素周期表第d部分中出现的第二种金属。它的原子序数为22，在自然界中与许多同位素和放射性同位素一样多，其中⁴⁸ Ti是所有原子中最丰富的。

它的颜色是银灰色，其零件被一层保护性氧化物覆盖，这使钛成为一种非常耐腐蚀的金属。如果该层是微黄色的，那就是氮化钛（TiN），它是这种金属在氮存在下燃烧时形成的化合物，这是一种独特而卓越的性能。

钛戒指。资料来源：Pxhere。

除了已经提到的以外，它比钢还轻，但对机械冲击具有很高的抵抗力。这就是为什么它被称为所有材料中最坚固的金属，并且它的名字就是强度的代名词。它还具有强度和轻便性，这两个特性使其成为飞机制造的理想材料。

同样，同样重要的是，钛是一种具有生物相容性的金属，触感令人愉悦，这就是为什么将其用于珠宝制造戒指的原因。以及能够整合到骨组织中的生物医学（例如整形外科和牙科植入物）中。

但是，其最广为人知的用途是作为颜料，添加剂，涂料和光催化剂的TiO ₂。

它是地球上第九大最丰富的元素，也是金属中第七大最丰富的元素。尽管如此，由于从金红石，锐钛矿，钛铁矿和钙钛矿中提取矿物所必须克服的困难，其成本很高。在所有生产方法中，克罗尔法是全球使用最广泛的方法。

历史

发现

牧师和业余矿物学家威廉·格雷戈尔（William Gregor）早在1791年就首次在英国马纳坎谷（Manaccan Valley）的钛铁矿矿物中发现了钛。由于沙子流过钛，他能够识别出其中含有氧化铁。磁铁的影响；但他还报告说，还有另一种未知金属的氧化物，他称之为“锰铁矿”。

不幸的是，尽管他求助于康沃尔郡皇家地质学会和其他机构，但他的贡献并没有因为没有成为公认的科学人物而引起轰动。

四年后的1795年，德国化学家马丁·海因里希·克拉普罗特（Martin Heinrich Klaproth）独立地发现了这种金属。但是现在是斯洛伐克Boinik的金红石矿石中。

有人声称他将这种新金属命名为“钛”，其灵感源于其与泰坦类似的韧性。其他人则声称这更多是由于神话人物本身的中立。因此，钛就是作为一种化学元素而诞生的，而克拉普罗特后来可以断定它与矿物钛铁矿是同一锰铁矿。

隔离

从那时起，人们开始尝试将其与此类矿物质隔离开来。但大多数都失败了，因为钛被氧或氮污染，或形成了无法还原的碳化物。拉尔斯·尼尔森（Lars Nilson）和奥托·佩特森（Otto Pettersson）用了近一个世纪的时间（1887年）制备了纯度为95％的样品。

然后，在1896年，由于金属钠的还原作用，亨利·穆桑（Henry Moissan）设法获得了纯度高达98％的样品。然而，这些不纯的钛在氧和氮原子的作用下变脆，因此有必要设计一种使它们脱离反应混合物的方法。

借助这种方法，Matthew A. Hunter与Rensselaer理工学院的General Electric合作设计了1910年的Hunter Process。

二十年后，在卢森堡，William J. Kroll设计了另一种使用钙和镁的方法。如今，克罗尔工艺仍然是在工业和工业规模上生产金属钛的主要方法之一。

从那时起，钛的历史沿袭了其在航空航天和军事工业中的应用。

结构和电子配置

纯钛可以结晶为两种结构：紧密的六方晶（hcp）（称为α相）和体心立方（bcc）（称为β相）。因此，它是一种双晶金属，能够在hcp和bcc结构之间经历同素异形（或相变）转变。

α相在环境温度和压力下最稳定，Ti原子被十二个相邻原子包围。当温度升至882°C时，六方晶转变为密度较小的立方晶，这与热量产生的较高原子振动是一致的。

随着温度的升高，α相的热阻增大。也就是说，它的比热也会增加，因此需要更多的热量才能达到882°C。

如果不增加温度而是增加压力怎么办？然后，您将得到变形的密件抄送晶体。

链接

在这些金属晶体中，根据电子构型，3d和4s轨道的价电子介入连接Ti原子的键中：

3d ² 4s ²

它只有四个电子与它的邻居共享，从而导致几乎空的3d能带，因此钛不如其他金属那么好电或热的导体。

合金类

比已经说过的钛晶体结构更为重要的是，α和β两相都可以形成自己的合金。它们可以由纯的α或β合金或两种不同比例的混合物（α+β）组成。

同样，它们各自的晶粒的尺寸影响所述钛合金的最终性能，以及质量组成和所添加的添加剂（一些其他金属或N，O，C或H原子）之间的关系。

添加剂对钛合金有重大影响，因为它们可以稳定两个特定相中的某些相。例如：Al，O，Ga，Zr，Sn和N是稳定α相的添加剂（更密集的hcp晶体）；Mo，V，W，Cu，Mn，H，Fe等是稳定β相的添加剂（密度较小的bcc晶体）。

对所有这些钛合金，其结构，组成，性能和应用的研究是依赖晶体学的冶金工作的目标。

氧化数

根据电子结构，钛将需要八个电子才能完全填充3d轨道。这在任何化合物中都无法实现，最多只能获得两个电子。也就是说，它可以获得负的氧化数：-2（3d ⁴）和-1（3d ³）。

原因是由于钛的电负性，此外它是金属，因此它具有更大的具有正氧化数的趋势。例如+1（3d ² 4s ¹），+ 2（3d ² 4s ⁰），+ 3（3d ¹ 4s ⁰）和+4（3d ⁰ 4s ⁰）。

注意，假定存在Ti ⁺，Ti ²⁺等阳离子，则3d和4s轨道的电子将如何离开。

氧化数+4（Ti ⁴⁺）最具有代表性，因为它对应于其氧化物中的钛：TiO ₂（Ti ⁴⁺ O ₂ ^2-）。

物产

外观

灰色的银色金属。

摩尔质量

47.867克/摩尔

熔点

1668℃。这种相对较高的熔点使其成为难熔金属。

沸点

3287℃。

自燃温度

纯金属为1200°C，细粉为250°C。

延展性

如果钛缺乏氧，它就是一种易延展的金属。

密度

4.506克/毫升 熔点为4.11 g / mL。

熔化热

14.15 kJ /摩尔

汽化热

425 kJ /摩尔

摩尔热容

25060 J / mol·K。

电负性

鲍林标度为1.54。

电离能

第一：658.8kJ / mol。

第二：1309.8kJ / mol。

第三：2652.5kJ / mol。

莫氏硬度

6.0。

命名法

在氧化数中，+ 2，+ 3和+4是最常见的，因为在命名钛化合物时在传统命名法中提到它们。否则，库存规则和系统命名法将保持不变。

例如，考虑TiO ₂和TiCl _4这两种最著名的钛化合物。

已经有人说过，在TiO ₂中，钛的氧化数是+4，因此是最大的（或正数），该名称必须以后缀-ico结尾。因此，根据传统命名法，其名称为氧化钛。氧化钛（IV），根据库存命名；和二氧化钛，根据系统命名。

对于TiCl _4，我们将更直接地进行：

命名法：名称

-传统：氯化钛

库存：氯化钛

-系统性：四氯化钛

在英语中，该化合物通常被称为“发痒”。

每个钛化合物甚至可以在命名规则之外使用专有名称，并取决于相关领域的技术术语。

在哪里找到和生产

钛质矿物

金红石石英，钛含量最高的矿物之一。资料来源：Didier Descouens

钛虽然是地球上第七大最丰富的金属，也是地壳中第九个最丰富的金属，但在自然界中并不是纯净的金属，而是与矿物氧化物中的其他元素结合在一起的。被称为钛质矿物。

因此，为了获得它，必须使用这些矿物作为原料。他们之中有一些是：

-钛铁​​矿或方石（CaTiSiO ₅），具有铁和铝杂质，使晶体变绿。

-黄铜矿（斜方晶TiO ₂）。

-金红石型，最稳定的TiO ₂多晶型物，其次是矿物质锐钛矿和板钛矿。

-钛铁​​矿（FeTiO ₃）。

-钙钛矿（CaTiO ₃）

-白二烯（锐钛矿，金红石和钙钛矿的异质混合物）。

请注意，提到了几种钛铁矿矿物，尽管还有其他。然而，并非所有这些都同样丰富，同样，它们可能包含难以去除的杂质，并使最终金属钛的性能处于危险之中。

这就是为什么Sphene和钙钛矿经常用于生产钛的原因，因为它们的钙和硅含量很难从反应混合物中除去。

在所有这些矿物中，金红石和钛铁矿由于其TiO ₂含量高而在商业和工业上使用最多。也就是说，它们富含钛。

克罗尔过程

选择任何一种矿物作为原料，必须还原其中的TiO ₂。为此，将矿物与煤一起在流化床反应器中于1000°C加热至红热。在那里，TiO ₂根据以下化学方程式与氯气反应：

TiO ₂（s）+ C（s）+ 2Cl ₂（g）=> TiCl ₄（l）+ CO ₂（g）

TiCl ₄是不纯的无色液体，因为在该温度下，TiCl ₄会与矿物中存在的杂质产生的其他金属氯化物（铁，钒，镁，锆和硅）一起溶解。因此，然后通过分馏和沉淀纯化TiCl ₄。

提纯后的TiCl ₄（一种易于还原的物质）被倒入不锈钢容器中，在该容器中施加真空以消除氧气和氮气，并充入氩气，以确保不影响钛的惰性气氛。生产的。在该过程中添加镁，镁根据以下化学方程式在800°C下反应：

TiCl ₄（l）+ 2Mg（l）=> Ti（s）+ 2MgCl ₂（l）

钛以海绵状固体的形式沉淀出来，可对其进行处理以将其纯化并获得更好的固体形式，或者直接用于制造钛矿物质。

反应

与空气

钛具有一层保护金属内部免受氧化的TiO ₂，因此具有很高的耐腐蚀性。但是，当温度升高到400°C以上时，一小块金属开始完全燃烧，形成TiO ₂和TiN 的混合物：

Ti（s）+ O ₂（g）=> TiO ₂（s）

2Ti（s）+ N ₂（g）=> TiN（s）

O ₂和N ₂这两种气体在逻辑上都在空气中。钛加热到炽热状态后，这两个反应迅速发生。如果发现它是细分的粉末，则反应会更加剧烈，从而使这种固态的钛极易燃。

与酸和碱

TiO ₂ -TiN 层不仅可以保护钛不受腐蚀，而且还可以防止酸和碱的侵蚀，因此它不易溶解。

为此，需要使用高浓度的酸并将其煮沸，从而得到由钛的水性络合物产生的紫色溶液。例如⁺³。

但是，有一种酸可以溶解它而不会带来很多麻烦：氢氟酸：

2Ti（s）+ 12HF（aq）2 ^3-（aq）+ 3H ₂（g）+ 6H ⁺（aq）

含卤素

钛可以与卤素直接反应形成相应的卤化物。例如，您对碘的反应如下：

Ti（s）+ 2I ₂（s）=> TiI ₄（s）

与氟，氯和溴相似，会形成强烈的火焰。

具有强氧化剂

当钛被细碎时，它不仅容易着火，而且在极小的热源下也与强氧化剂剧烈反应。

这些反应的一部分用于烟火，因为会产生明亮的白色火花。例如，它根据化学方程式与高氯酸铵反应：

2Ti（s）+ 2NH ₄ ClO ₄（s）=> 2TiO ₂（s）+ N ₂（g）+ Cl ₂（g）+ 4H ₂ O（g）

风险性

金属钛

钛粉是高度易燃的固体。资料来源：W. Oelen

金属钛本身并不会对使用它的人的健康构成任何威胁。它是无害的固体；除非将其研磨成细粉。这种白色粉末由于其高易燃性而可能是危险的，如反应部分所述。

研磨钛时，它与氧气和氮气的反应会更快，更剧烈，甚至会爆炸性燃烧。这就是为什么如果将其存放在燃烧的地方被火焰击中会造成严重的火灾危险。

燃烧时，只能用石墨或氯化钠扑灭大火。至少在这些情况下，切勿用水冲洗。

同样，应不惜一切代价避免它们与卤素接触；也就是氟或氯的气体泄漏，或与微红色的溴液体或碘的挥发性晶体相互作用。如果发生这种情况，钛会着火。它也不应与强氧化剂：高锰酸盐，氯酸盐，高氯酸盐，硝酸盐等接触。

否则，它的铸锭或合金不能带来比物理冲击更大的风险，因为它们不是很好的热或电导体，并且触感令人愉悦。

纳米粒子

如果细碎的固体易燃，则必须更高，以便由钛纳米颗粒组成。但是，本小节的重点是由于TiO ₂纳米颗粒，这种纳米颗粒已用于无数应得白色的应用中。像糖果和糖果。

尽管尚不清楚其在体内的吸收，分布，排泄或毒性，但在对小鼠的研究中已显示它们具有毒性。例如，他们表明它会在肺部产生肺气肿和发红，以及在发育过程中产生其他呼吸系统疾病。

通过从小鼠向我们推断，可以得出结论，呼吸TiO ₂纳米颗粒会影响我们的肺部。它们还可以改变大脑的海马区。此外，国际癌症研究机构并没有将其排除在可能的致癌物质之外。

应用领域

颜料和添加剂

谈论钛的用途必然是指其复合二氧化钛的用途。实际上，TiO ₂涵盖了有关该金属的所有应用的约95％。原因：其白色，不溶且无毒（更不用说纯纳米颗粒了）。

这就是为什么它通常在所有需要白色着色的产品中用作颜料或添加剂的原因；例如牙膏，药品，糖果，纸张，宝石，油漆，塑料等。

涂料层

TiO ₂也可用于制造薄膜以覆盖任何表面，例如玻璃或手术工具。

有了这些涂层，水就不会弄湿它们并在它们上流淌，就像汽车挡风玻璃上的雨水一样。具有这些涂层的工具可以通过吸收紫外线辐射杀死细菌。

狗尿或口香糖不能通过TiO ₂的作用固定在沥青或水泥上，这将有助于随后的去除。

防晒霜

TiO2是防晒霜的活性成分之一。资料来源：

最后，对于TiO _2而言，它是一种光催化剂，能够引发有机自由基，但是这些自由基被防晒霜中的二氧化硅或氧化铝膜中和。它的白色已经清楚地表明它必须具有这种钛氧化物。

航空航天业

钛合金用于制造大型飞机或快速船。资料来源：Pxhere。

钛是相对于其低密度具有相当的强度和硬度的金属。这使得它可以替代所有需要高速运行或设计了大型翼展飞机的应用，例如上图中的A380飞机。

这就是为什么这种金属在航空航天工业中有许多用途，因为它抗氧化，轻便，坚固并且可以通过添加精确的添加剂来改进其合金。

运动

钛及其合金不仅在航空航天工业中占据着中心地位，而且在体育工业中也占据着中心地位。这是因为它们的许多用具必须轻巧，以便穿戴者，运动员或运动员可以轻便地搬运它们。

其中一些物品是：自行车，高尔夫球杆或曲棍球杆，橄榄球头盔，网球或羽毛球拍，击剑剑，溜冰鞋，滑雪板等。

同样，尽管由于成本高而在很大程度上要少得多，但是钛及其合金已被用于豪华和跑车中。

烟火

磨碎的钛可以与例如KClO ₄混合，用作烟火。实际上，那些在烟火表演中制作的人确实如此。

药物

钛及其合金是生物医学应用中卓越的金属材料。它们具有生物相容性，惰性，强度，难以氧化，无毒并且可以与骨骼无缝结合。

这使得它们对于整形外科和牙科植入物，人工髋和膝关节，固定骨折的螺钉，起搏器或人工心脏非常有用。

生物

钛的生物学作用尚不确定，尽管已知它可以在某些植物中积累并有益于某些农作物（例如西红柿）的生长，但其干预机制尚不清楚。

据说可以促进碳水化合物，酶和叶绿素的形成。他们推测，这是由于植物有机体捍卫自己免受钛的低生物利用浓度的影响，因为它们对他们有害。但是，此事仍在黑暗中。

参考文献

1. 颤抖和阿特金斯。（2008）。无机化学。（第四版）。Mc Graw Hill。
2. 维基百科。（2019）。钛。从以下位置恢复：en.wikipedia.org
3. 棉花西蒙。（2019）。钛。皇家化学学会。摘自：chemistryworld.com
4. 戴维斯·马劳（Davis Marauo）。（2019）。什么是钛？属性和用途。研究。摘自：study.com
5. Helmenstine，Anne Marie博士 （2019年7月3日）。钛的化学和物理性质。从以下位置恢复：Thoughtco.com
6. KDH Bhadeshia。（sf）。钛及其合金的冶金学。剑桥大学。恢复自：phase-trans.msm.cam.ac.uk
7. 钱伯斯·米歇尔（Chambers Michelle）。（2017年12月7日）。钛如何帮助生活。从以下资源中恢复：Titaniumprocessingcenter.com
8. Clark J.（2019年6月5日）。钛化学。化学LibreTexts。从以下位置恢复：chem.libretexts.org
9. 文卡特什（Venkatesh Vaidyanathan）（2019）。钛是如何制成的？科学ABC。摘自：scienceabc.com
10. 爱德华博士集团。（2013年9月10日）。钛的健康风险。全球治疗中心。从以下网站恢复：globalhealingcenter.com
11. Tlustoš，P。Cígler，M。Hrubý，S。Kužel，J。Száková和J.Balík。（2005）。钛在生物量生产中的作用及其对大田作物中必需元素含量的影响。植物土壤环境。，51，（1）：19–25。
12. 京瓷SGS。（2019）。钛的历史。从以下站点恢复：kyocera-sgstool.eu