钛的发现简史.doc

1钛金属的概况 1.1什么是钛金属 钛是一种化学元素，它的英文名称是titanium，化学符号是Ti，原子序数是22 ，是一种银白色的过渡金属，其特征为重量轻、强度高、具有金属光泽，亦有良好的抗腐蚀能力（包括海水、王水及氯气）。由于其稳定的化学性质，良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及高强度、低密度，被美誉为“太空金属”。 钛于1791年由格雷戈尔（William Gregor）于英国康沃尔郡发现，并由克拉普罗特（Martin Heinrich Klaproth）用希腊神话的泰坦为其命名。 1.2 钛金属的性质 1.2.1 钛的原子结构 钛位于元素周期表中B族，原子序数为22，原子核由22个质子和20-32个中子组成，核外电子结构排列为1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 3D2 4S2。原子核半径5x10-13厘米。 1.2.2钛的物理性质 a.钛具有金属光泽，延展性，密度为4.506克/立方厘米（20），高于铝而低于铁、铜、镍。 b.钛的强度位于金属之首 c.熔点1668，沸点3287。化合价+2、+3和+4，电离能为6.82电子伏特。 d.钛的导热性和导电性能较差 e.钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为 0.38-0.4K。 f.金属钛是顺磁性物质，导磁率为1.00004。g.钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，但强度低，不宜作结构材料。钛中杂质的存在，特别是间隙杂质（氧、氮、碳）可大大提高钛的强度，显著降低其塑性。钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。 1.2.3钛的化学性质 钛的金属活动性 钛的金属活动性在镁、铝之间，常温下并不稳定，因此在自然界中只以化合态存在，常见的钛的化合物有钛铁矿（FeTiO3）、金红石（TiO2）等。 钛与其他元素之间的反应 钛在较高的温度下，可与许多元素和化合物发生反应。各种元素，按其与钛发生不同反应可分为四类： A：卤素和氧族元素与钛生成共价键与离子键化合物； B：过渡元素、氢、铍、硼族、碳族和氮族元素与钛生成金属间化物和有限固溶体； C：锆、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶体； D：惰性气体、碱金属、碱土金属、稀土元素（除钪外），锕、钍等不与钛发生反应或基本上不发生反应。 钛的性质与温度及其存在形态、纯度有着极其密切的关系。致密的金属钛在自然界中是相当稳定的，但是，粉末钛在空气中可引起自燃。 钛中杂质的存在，显著的影响钛的物理、化学性能、机械性能和耐腐蚀性能。特别是一些间隙杂质，它们可以使钛晶格发生畸变，而影响钛的各种性能。常温下钛的化学活性很小，能与氢氟酸等少数几种物质发生反应，但温度增加时钛的 活性迅速增加，特别是在高温下钛可与许多物质发生剧烈反应。钛的冶炼过程一般都在800以上的高温下进行，因此必须在真空中或在惰性气氛保护下操作。 金属钛在高温环境中的还原能力极强，能与氧、碳、氮以及其他许多元素化合，还能从部分金属氧化物（比如氧化铝）中夺取氧。常温下钛与氧气化合生成一层极薄致密的氧化膜，这层氧化膜常温下不与绝大多数强酸、强碱反应，包括酸中之王王水。它只与氢氟酸、热的浓盐酸、浓硫酸反应，因此钛体现了抗腐蚀性。 2钛元素的发现与制得 2.1钛元素的发现 钛是英国化学家格雷戈尔，在1791年研究钛铁矿和金红石时发现的。四年后，1795年，德国化学家克拉普罗特在分析匈牙利产的红色金红石时也发现了这种元素。他主张采取为铀命名的方法，引用希腊神话中泰坦神族“Titanic”的名字给这种新元素起名叫“Titanium”。中文按其译音定名为钛。实际上格雷戈尔和克拉普罗特当时所发现的钛是粉末状的二氧化钛，而不是金属钛。因为钛的氧化物性质极其稳定，而且金属钛能与氧、氮、氢、碳等直接激烈地化合，所以单质钛很难制取。直到1910年才被美国化学家亨特第一次制得纯度达99.9%的金属钛。 2.2钛元素的制得情况 钛属于稀有金属，实际上钛并不稀有，其在地壳中的丰度占第七位，占0.45%，远远高于许多常见的金属。但由于钛的性质活泼，对冶炼工艺要求高，使得人们长期无法制得大量的钛，从而被归类为“稀有”的金属。用于冶炼钛的矿物主要有钛铁矿（FeTiO3）、金红石（TiO2）和钙钛矿等。矿石经处理得到易挥发的四氯化钛，再用镁还原而制得纯钛。 3钛及钛合金的性能及其应用 3.1钛的性质和应用 1.钛的强度大，纯钛抗拉强度最高可达180kg/mm2。有些钢的强度高于钛合金，但钛合金的比强度（抗拉强度和密度之比）却超过优质钢。所以一定程度上，可以用钛来替代钢材。 2. 钛在高温下化合能力极强，在炼钢的时候，氮很容易溶解在钢水里， 当钢锭冷却的时候，钢锭中就形成气泡，影响钢的质量。所以炼钢工人往钢水里加进金属钛，使它与氮化合，变成炉渣一氮化钛，浮在钢水表面，这样钢锭就比较纯净了。 3. 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，工业上钛合金还可作燃料和氧化剂的储箱、高压容器、反应器、热交换器等。现在已有用钛合金制造自动步枪，迫击炮座板及无后座力炮的发射管。 4.钛可用作电极和发电站的冷凝器以及环境污染控制装置。 5.钛镍形状记忆合金在仪器仪表上已广泛应用。6.在医疗中，钛可作人造骨头和各种器具。钛还是炼钢的脱氧剂和不锈钢以及合金钢的组元。7.钛白粉是颜料和油漆的良好原料。氮化钛颜色近于黄金，在装饰方面应用广泛。碳化钛，碳（氢）化钛是新型硬质合金材料。 8.钛和钛的合金大量用于航空工业，有空间金属之称；另外，在造船工业、化学工业、制造机械部件、电讯器材、硬质合金等方面有着日益广泛的应用。 9. 钛具有“亲生物”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。 10.钛具有耐腐蚀性，所以在化学工业上常常要用到它。过去，化学反应器中装热硝酸的部件都用不锈钢。不锈钢也怕那强烈的腐蚀剂热硝酸，每隔半年，这种部件就要统统换掉。现在，用钛来制造这些部件，虽然成本比不锈钢部件贵一些，但是它可以连续不断地使用五年，计算起来反而合算得多。 11.钛能刺激吞噬细胞，使免疫力增强，医学上也加强对钛的研究，致力于对癌症的治疗。 12. 钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监护作用，因而被用于军事器材的制造。 13.钛及钛合金制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，现今钛已被制船工业等普遍使用。 3.2钛的部分常用化合物的性质和应用 二氧化钛 二氧化钛是雪白的粉末，是最好的白色颜料，俗称钛白。在过去人们开采钛矿的主要目的便是为了获得二氧化钛。 a)钛白的粘附力强，不易起化学变化，永远是雪白的。特别可贵的是钛白无毒。它的熔点很高，被用来制造耐火玻璃，釉料，珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。 b)二氧化钛是世界上最白的东西， 1克二氧化钛可以把 450多平方厘米的面积涂得雪白。它比常用的白颜料一锌钡白还要白5倍，因此是调制白油漆的最好颜料。世界上用作颜料的二氧化钛，一年多到几十万吨。二氧化钛可以加在纸里，使纸变白并且不透明，效果比其他物质大10倍，因此，钞票纸和美术品用纸就要加二氧化钛。此外，为了使塑料的颜色变浅，使人造丝光泽柔和，有时也要添加二氧化钛。在橡胶工业上，二氧化钛还被用作为白色橡胶的填料。 四氯化钛 四氯化钛是种有趣的液体，它有股刺鼻的气味。 四氯化钛在湿空气中会大冒白烟水解，变成白色的二氧化钛的水凝胶。在军事上，人们便利用四氯化钛的这个性质，作为人造烟雾剂。特别是在海洋上，水气多，一放四氯化钛，浓烟就象一道白色的长城，挡住了敌人的视线。在农业上，人们利用四氟化钛来防霜。 钛酸钡晶体 钛酸钡晶体的特性：当它受压力而改变形状的时候，会产生电流，一通电又会改变形状。于是，人们把钛酸钡放在超声波中，它受压便产生电流，由它所产生的电流的大小可以测知超声波的强弱。相反，用高频电流通过它，则可以产生超声波。现在，几乎所有的超声波仪器中，都要用到钛酸钡。除此之外，钛酸钡还有许多用途。例如：铁路工人把它放在铁轨下面，来测量火车通过时候的压力；医生用它制成脉搏记录器。用钛酸钡做的水底探测器，是锐利的水下眼睛，它不只能够看到鱼群，而且还可以看到水底下的暗礁、冰山和敌人的潜水艇等。 4.钛的制取 因为钛在高温下的化合能力是极强的，可以与许多元素进行化合。因此，钛的制取有着较大的难度。不论在冶炼或是铸造的时候，都必须小心地防止元素“侵袭”钛。在冶炼钛的时候，空气与水会被严格禁止结晶，甚至冶金经常用的氧化铝坩埚也禁止使用，因为钛会从氧化铝中夺取氧。现在，人们提取钛经常使用的方法是，镁与四氯化钛在惰性气体中的相互作用来提取钛。 工业上制造钛的方法： 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+3H2O FeTiO3+2H2SO4 = TiOSO4+FeSO4+2H2O FeO+H2SO4 = FeSO4+H2O Fe2O3+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FeSO47H2O（绿矾）作为副产品结晶析出。 Ti(SO4)2和TiOSO4水解析出白色的偏钛酸沉淀，反应是： Ti(SO4)2+H2O = TiOSO4+H2SO4 TiOSO4+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10001100K，进行氯化处理，并使生成的TiCl4，蒸气冷凝。 TiO2+2C+2Cl2=TiCl4+2CO- 在1070K 用熔融的镁在氩气中还原TiCl4可得多孔的海绵钛： TiCl4+2Mg=2MgCl2+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。 也可以通过反应：Ti+2I2=TiI4 得到的TiI4经过高温（1250左右）情况下分解： TiI4=Ti+2I2 由此得到纯钛棒。 5钛在我国的应用前景 我国具有着丰富的钛金属资源，这为发展钛工业提供了优越的条件，也必将为钛在各个领域的广泛应用开辟美好的前景，经过几十年的发展，我国目前已经形成了从钛矿、海绵钛、钛冶炼和钛材生产、钛设备制造的整体工业体系。我国的钛工业同样是为航空而兴起的，我国在上世纪80年代确定了大力推广钛材民用的方阵，国家又适时地采取了扶持的政策，钛工业才走上了稳定发展的道路。但是目前我国钛工业的规模和钛材的产量与世界发达国家还是有很大的差距，在民用工业上钛的用量也还较小，其原因是钛金属材料的优越性还没有被广泛认识，再加上钛材料昂贵的价格使很多企业不能承受，直接影响了钛材料的推广使用。要使我国的钛工业得到高速发展，必须大力宣传和推广使用钛金属材料，使钛金属材料的优越性得到充分的应用。我国钛加工及其制造业在地理上体现的三分天下的格局：以宝鸡为中心的西北地区。这个地区以宝鸡有色金属加工厂及其控股的宝鸡钛业有限公司为龙头，形成了我国专业化程度最高、加工设备最系统化、产品规格最多的钛加工及其制造业基地。西北地区的钛材主要供给给国家的军事生产部门，民用的设备生产部门，部分出口到波音，麦道，罗-罗等著名公司。 以沈阳有色金属加工厂、抚顺特钢板材有限责任公司、沈阳东方钛业有限公司等单位为主形成了东北钛加工及设备制造集团，该地区中小企业多，钛设备制造颇为活跃，由于东北是我国的老重型工业基地，人才是不缺的，缺的就是强化的管理和综合组织能力，尤其是在地方优惠政策的扶持下也将形成一定的气候。 以宝钢集团上海五钢有限公司、南京宝钛中惠集团有限公司、张家港市宏大钢管厂等单位为主形成了长江三角洲钛加工及其设备制造集团。长三角地区的有色金属的设备的加工能力已经可以体现我国在这个方面的实力，每年在有色方面的设备大量出口，质量可靠，已经有部分质量，管理比较成功的企业走进了军工制造的大门。虽说没有大规模的军品生产，但也能充分说明我们的制造能力和钛材在军事上的应用的前景。海绵钛用途介绍海绵钛不能直接使用，那么海绵钛是不是也是天然的呢？其实海绵钛也是把钛铁矿变成四氯化钛，再放到密封的不锈钢罐中，充以氩气，使它们与金属镁反应，就得到“海绵钛”。这种多孔的“海绵钛”是不能直接使用的，还必须把它们在电炉中熔