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鈦的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)

2013-10-09 09:36:53
動(dòng)態(tài)詳情

  金屬鈦的化學(xué)性質(zhì)

  金屬鈦在高溫環(huán)境中的還原能力,能與氧、碳、氮以及其他許多元素化合,還能從部分金屬氧化物(比如氧化鋁)中奪取氧。常溫下鈦與氧氣化合生成一層致密的氧化膜,這層氧化膜常溫下不與絕大多數(shù)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿反應(yīng),包括酸中——王水。它只與氫氟酸、熱的濃鹽酸、濃硫酸反應(yīng),因此鈦體現(xiàn)了性。

  發(fā)展歷程

  鈦元素發(fā)現(xiàn)于1789年,1908年挪威和美國開始用硫酸法生產(chǎn)鈦白,1910年在試驗(yàn)室中次用鈉法制得海綿鈦,1948年美國杜邦公司才用鎂法成噸生產(chǎn)海綿鈦---這標(biāo)志著海綿鈦即鈦工業(yè)化生產(chǎn)的開始。

  中國鈦工業(yè)起步于20世紀(jì)50年代。1954,北京有色金屬研究總院開始進(jìn)行海綿鈦制備工藝研究,1956年把鈦當(dāng)作戰(zhàn)略金屬列入了12年發(fā)展規(guī)劃,1958年在撫順鋁廠實(shí)現(xiàn)了海綿鈦工業(yè)試驗(yàn),成立了中國個(gè)海綿鈦生產(chǎn)車間,同時(shí)在沈陽有色金屬加工廠成立了中國個(gè)鈦加工材生產(chǎn)試驗(yàn)車間。

  20世紀(jì)60-70年代,在的統(tǒng)一規(guī)劃下,先后建設(shè)了以遵義鈦廠為代表的10余家海綿鈦生產(chǎn)單位,建設(shè)了以寶雞有色金屬加工廠為代表的數(shù)家鈦材加工單位,同時(shí)也形成了以北京有色金屬研究總院為代表的力量,成為繼美國、前蘇聯(lián)和日本之后的第四個(gè)具有完整鈦工業(yè)體系的。

  1980年前后,我國海綿鈦產(chǎn)量達(dá)到2800噸,然而由于當(dāng)時(shí)大多數(shù)人對鈦金屬認(rèn)識不足,鈦材的高價(jià)格也限制了鈦的應(yīng)用,鈦加工材的產(chǎn)量僅200噸左右,我國鈦工業(yè)陷入困境。在這種情況下,由當(dāng)時(shí)國務(wù)院副總理方毅同志倡導(dǎo),朱镕基和袁寶華同志支持,于1982年7月成立了跨部委的鈦應(yīng)用推廣小組,專門協(xié)調(diào)鈦工業(yè)的發(fā)展事宜,促成了20世紀(jì)80年代至90年代初期我國海綿鈦和鈦加工材產(chǎn)銷兩旺、鈦工業(yè)平穩(wěn)發(fā)展的良好局面。

  綜上所述,我國鈦工業(yè)大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展期:即20世紀(jì)50年代的開創(chuàng)期,60-70年代的建設(shè)期和80-90年代的初步發(fā)展期。在新世紀(jì),得益于國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、發(fā)展,我國鈦工業(yè)也進(jìn)入了一個(gè)成長期。

  鈦蝕,所以在化學(xué)工業(yè)上常常要用到它。過去,化學(xué)反應(yīng)器中裝熱硝酸的部件都用不銹鋼。不銹鋼也怕那強(qiáng)烈的腐蝕劑——熱硝酸,每隔半年,這種部件就要統(tǒng)統(tǒng)換掉。現(xiàn)在,用鈦來制造這些部件,雖然成本比不銹鋼部件貴一些,但是它可以連續(xù)不斷地使用五年,計(jì)算起來反而合算得多。

  在電化學(xué)中,鈦是單向閥型金屬,電位很負(fù),通常無法用鈦?zhàn)鳛殛枠O進(jìn)行分解。

  鈦的大缺點(diǎn)是難于提煉。主要是因?yàn)殁佋诟邷叵禄夏芰?,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(shí)候,人們都小心地防止這些元素“侵襲”鈦。在冶煉鈦的時(shí)候,空氣與水當(dāng)然是嚴(yán)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?yàn)殁仌?huì)從氧化鋁里奪取氧?,F(xiàn)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的特點(diǎn),在煉鋼的時(shí)候,氮很容易溶解在鋼水里, 當(dāng)鋼錠冷卻的時(shí)候,鋼錠中就形成氣泡,影響鋼的質(zhì)量。所以煉鋼工人往鋼水里加進(jìn)金屬鈦,使它與氮化合,變成爐渣一—氮化鈦,浮在鋼水表面,這樣鋼錠就比較純凈了。

  當(dāng)超音速飛機(jī)飛行時(shí),它的機(jī)翼的溫度可以達(dá)到500℃。如用比較耐熱的鋁合金制造機(jī)翼,一到二三百度也會(huì)吃不消,有一種又輕、又韌、又的材料來代替鋁合金而鈦恰好能夠滿足這些要求。鈦還能經(jīng)得住零下一百多度的考驗(yàn),在這種低溫下,鈦仍舊有很好的韌性而不發(fā)脆。

  利用鈦和鋯對空氣的吸收力,可以除去空氣,造成真空。比方,利用鈦制成的真空泵,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,是好的白色顏料,俗稱鈦白。以前,人們開采鈦礦,主要目的便是為了獲得二氧化鈦。鈦白的粘附力強(qiáng),不易起化學(xué)變化,是雪白的。特別可貴的是鈦白。它的熔點(diǎn)很高,被用來制造耐火玻璃,釉料,琺瑯、陶土、的實(shí)驗(yàn)器皿等。

  二氧化鈦是世界上白的東西, 1克二氧化鈦可以把 450多平方厘米的面積涂得雪白。它比常用的白顏料一—鋅鋇白還要白5倍,因此是調(diào)制白油漆的好顏料。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,使紙變白并且不透明,效果比其他物質(zhì)大10倍,因此,鈔票紙和美術(shù)品用紙就要加二氧化鈦。此外,為了使塑料的顏色變淺,使人造絲光澤柔和,有時(shí)也要添加二氧化鈦。在橡膠工業(yè)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(huì)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(nóng)業(yè)上,人們利用四氟化鈦來防霜。

  鈦酸鋇晶體有這樣的特性:當(dāng)它受壓力而改變形狀的時(shí)候,會(huì)產(chǎn)生電流,一通電又會(huì)改變形狀。于是,人們把鈦酸鋇放在超聲波中,它受壓便產(chǎn)生電流,由它所產(chǎn)生的電流的大小可以測知超聲波的強(qiáng)弱。相反,用高頻電流通過它,則可以產(chǎn)生超聲波。現(xiàn)在,幾乎所有的超聲波儀器中,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(shí)候的壓力;醫(yī)生用它制成脈搏記錄器。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(shí),要經(jīng)過復(fù)雜的步驟。把鈦鐵礦變成四氯化鈦,再放到密封的不銹鋼罐中,充以氬氣,使它們與金屬鎂反應(yīng),就“海綿鈦”。這種多孔的“海綿鈦”是不能直接使用的,還把它們在電爐中熔化成液體,才能鑄成鈦錠。但制造這種電爐又談何容易!除了電爐的空氣抽干凈外,傷腦筋的是,簡直找不到盛裝液態(tài)鈦的坩堝,因?yàn)橐话隳突鸩牧喜亢醒趸?,而其中的氧就?huì)被液態(tài)鈦奪走。后來,人們終于發(fā)明了一種“水冷銅坩堝”的電爐。這種電爐只有一部分區(qū)域很熱,其余部分都是冷的,鈦在電爐中熔化后,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(jīng)能夠生產(chǎn)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

  元素在海水中的含量:(ppm)

  0.00048

  元素在太陽中的含量:(ppm)

  4

  元素類型:金屬

  核內(nèi)質(zhì)子數(shù):22

  核外電子數(shù):22

  核電核數(shù):22

  質(zhì)子質(zhì)量:3.6806E-26

  質(zhì)子相對質(zhì)量:22.154

  原子體積:(立方厘米/摩爾)

  10.64

  地殼中含量:(ppm)

  5600

  以下為增加內(nèi)容:

  氧化態(tài):

  Main Ti+4

  Other Ti-1, Ti0, Ti+2, Ti+3

  所屬周期:4

  所屬族數(shù):IVB

  摩爾質(zhì)量:48

  氫化物:TiH4

  氧化物:TiO

  高價(jià)氧化物化學(xué)式:TiO2

  密度:4.54g/cm3

  熔點(diǎn):1660.℃

  沸點(diǎn):3287.0 ℃

  電離能 (kJ /mol)

  M - M+ 658

  M+ - M2+ 1310

  M2+ - M3+ 2652

  M3+ - M4+ 4175

  M4+ - M5+ 9573

  M5+ - M6+ 11516

  M6+ - M7+ 13590

  M7+ - M8+ 16260

  M8+ - M9+ 18640

  M9+ - M10+ 20830

  外圍電子排布:2 8 8 4

  核外電子排布:2,8,10,2

  晶體結(jié)構(gòu):晶胞為六方晶胞。

  晶胞參數(shù):

  a = 295.08 pm

  b = 295.08 pm

  c = 468.55 pm

  α = 90°

  β = 90°

  γ = 120°

  莫氏硬度:6

  聲音在其中的傳播速率:(m/S)5090

  顏色和狀態(tài):銀灰色金屬

  原子半徑:2

  常見化合價(jià):+2,+3,+4
 

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