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從發現鈦元素到製得純品,歷時一百多年。而鈦真正得到利用,認識其本來的真面目,則是本世紀40年代以後的事情了。地理表面十公里厚的地層中,含鈦達千分之六,比銅多6l倍。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並不希罕。
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擔心磁性水雷的攻擊。
1947年,人們才開始在工廠里冶煉鈦。當年,產量只有2噸。1955年產量激增到2萬噸。1972年,年產量達到了 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。現在,在宇宙火箭和飛彈中,就大量用鈦代替鋼鐵。據統計, 目前世界上每年用於宇宙航行的鈦,已達一千噸以上極細的鈦粉,還是火箭的好燃料,所以鈦被譽為宇宙金屬,空間金屬。
鈦的耐熱性很好,熔點高達1725℃。在常溫下,鈦可以安然無恙地躺在各種強酸強鹼的溶液中。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,五年以後取上來一看,上面粘了許多小動物與海底植物,卻一點也沒有生鏽,依舊亮閃閃的。
現在,人們開始用鈦來製造潛艇一——鈦潛艇。由於鈦非常結實,能承受很高的壓力,這種潛艇可以在深達4500米的深海中航行。
鈦耐腐蝕,所以在化學工業上常常要用到它。過去,化學反應器中裝熱硝酸的部件都用不鏽鋼。不鏽鋼也怕那強烈的腐蝕劑——熱硝酸,每隔半年,這種部件就要統統換掉。現在,用鈦來製造這些部件,雖然成本比不鏽鋼部件貴一些,但是它可以連續不斷地使用五年,計算起來反而合算得多。
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,因為鈦會從氧化鋁里奪取氧。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,一到二三百度也會吃不消,必須有一種又輕、又韌、又耐高溫的材料來代替鋁合金乙鈦恰好能夠滿足這些要求。鈦還能經得住零下一百多度的考驗,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十萬萬萬分之一。
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。鈦白的粘附力強,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, l克二氧化鈦可以把 450多平方厘米的面積塗得雪白。它比常用的白顏料一—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里,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,為了使塑膠的顏色變淺,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。
四氯化鈦是種有趣的液體,它有股刺鼻的氣味,在濕空氣中便會大冒白煙——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,水氣多,一放四氯化鈦,濃煙就象一道白色的長城,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音波中,它受壓便產生電流,由它所產生的電流的大小可以測知超音波的強弱。相反,用高頻電流通過它,則可以產生超音波。現在,幾乎所有的超音波儀器中,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,它不只能夠看到魚群,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。但製造這種電爐又談何容易!除了電爐的空氣必須抽乾淨外,更傷腦筋的是,簡直找不到盛裝液態鈦的坩堝,因為一般耐火材料部含有氧化物,而其中的氧就會被液態鈦奪走。後來,人們終於發明了一種“水冷銅坩堝”的電爐。這種電爐只有中央一部分區域很熱,其餘部分都是冷的,鈦在電爐中熔化後,流到用水冷卻的銅坩堝壁上,馬上凝成鈦錠。用這種方法已經能夠生產幾噸重的鈦塊,但它的成本就可想而知了。
元素名稱:鈦
元素原子量:47.87
元素類型:金屬
核內質子數:22
核外電子數:22
核電核數:22
質子質量:3.6806E-26
質子相對質量:22.154
所屬周期:4
所屬族數:IVB
摩爾質量:48
氫化物:TiH4
氧化物:TiO
最高價氧化物化學式:TiO2
密度:4.54
熔點:1660.0
沸點:3287.0
外圍電子排布:3d2 4s2
核外電子排布:2,8,10,2
顏色和狀態:銀灰色金屬
原子半徑:2
常見化合價:+2,+3,+4
發現人:格列高爾 發現年代:1791年
發現過程:
1791年,英國的格列高爾,在研究黑色磁性砂時,發現其中有新元素,即鈦。
元素描述:
具有金屬光澤,有延展性。密度4.5克/厘米3。熔點1660±10℃。沸點3287℃。化合價+2、+3和+4。電離能為6.82電子伏特。鈦的主要特點是密度小,機械強度大,容易加工。鈦的塑性主要依賴於純度。鈦越純,塑性越大。有良好的抗腐蝕性能,不受大氣和海水的影響。在常溫下,不會被稀鹽酸、稀硫酸、硝酸或稀鹼溶液所腐蝕;只有氫氟酸、熱的濃鹽酸、濃硫酸等才可對它作用。
元素來源:
鈦屬於稀有金屬,在地殼中的豐度占第七位,有0.42%。用於冶煉鈦的礦物主要有鈦鐵礦(FeTiO3)、金紅石(TiO2)和鈣鈦礦等。礦石經處理得到易揮發的四氯化鈦,再用鎂還原而製得純鈦。
元素用途:
鈦和鈦的合金大量用於航空工業,有"空間金屬"之稱;另外,在造船工業、化學工業、製造機械部件、電訊器材、硬質合金等方面有著日益廣泛的套用。
元素輔助資料:
鈦的主要礦石是金紅石TiO2和鈦鐵礦FeTiO3,它的發現也正是從這兩種礦石的分析而來。早在1791年英國英格蘭西南端康沃爾(Cornwall)郡門拉陳(Menacan)教區的牧師格累高爾,也是一位科學家,分析出產在他教區內的一種黑色礦砂,也就是今天成為鈦鐵礦的礦石時發現了一種新的金屬物質並命名為menacenite。三年後,1795年,克拉普羅特分析了匈牙利布伊尼克(Boinik)地區出產的金紅石,認識到它是一種新金屬的氧化物,具有抵抗酸、鹼溶液的特性,借用希臘神話中大地的第一代兒子們泰坦神族Titans,命名這個金屬為titanium,元素符號定為Ti。兩年後,克拉普羅特證實格累高爾發現的menacenite就是鈦。
鈦對於酸、鹼具有較強的耐腐蝕性,已成為化工生產中重要的材料。
鈦一般被認為是稀有金屬,其實它在地殼中的含量相當大,比一般的常用的金屬鋅、銅、錫等都大,甚至比氯、磷都大