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鈦的基本知識
來源:    發布時間: 2017-03-31 09:37   456 次瀏覽   大小:  16px  14px  12px

 

原子結構

鈦位于元素周期表中ⅣB族,原子序數為22,原子核由22個質子和20-32個中子組成,核外電子結構排列為1S22S22P63S23D24S2。原子核半徑5x10-13厘米。

物理性質

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。鈦的導熱性和導電性能較差,近似或略低于不銹鋼,鈦具有超導性,純鈦的超導臨界溫度為 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,導磁率為1.00004。一般的單一鈦制成品通電電流不大于0.24A/mm2

鈦具有可塑性,高純鈦的延伸率可達50-60%,斷面收縮率可達70-80%,但強度低,不宜作結構材料。鈦中雜質的存在,對其機械性能影響極大,特別是間隙雜質(氧、氮、碳)可大大提高鈦的強度,顯著降低其塑性。鈦作為結構材料所具有的良好機械性能,就是通過嚴格控制其中適當的雜質含量和添加合金元素而達到的。

化學性質

鈦在較高的溫度下,可與許多元素和化合物發生反應。各種元素,按其與鈦發生不同反應可分為四類:

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、釷等不與鈦發生反應或 基本上不發生反應。

與化合物的反應:

◇ HF和氟化物

氟化氫氣體在加熱時與鈦發生反應生成TiF4, 反應式為(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浸入鈦的內部。氫氟酸是鈦的最強熔劑。即使是濃度為1%的氫氟酸,也能與鈦發生激烈反應,見式(2);無水的氟化物及其水溶液在低溫下不與鈦發生反應,僅在高溫下熔融的氟化物與鈦發生顯著反應。

Ti+4HF=TiF4+2H2+135.0千卡 (1)2Ti+6HF=2TiF4+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℃時與鈦反應生成TiCl4,見 式(3);濃度<5%的鹽酸在室溫下不與鈦反應,20%的鹽酸在常溫下與鈦發生瓜在生成紫色的TiCl3,見式(4);當溫度長高時,即使稀鹽酸也會腐蝕鈦。各種無水的氯化物,如鎂、錳、鐵、鎳、銅、鋅、汞、錫、鈣、鈉、鋇和NH4離子及其水溶液,都不與鈦發生反應,鈦在這些氯化物中具有很好的穩定性。

Ti+4HCl=TiCl4+2H2+94.75千卡 (3)2Ti+6HCl=TiCl3+3H2 (4)

◇ 硫酸和硫化氫

鈦與<5%的稀硫酸反應后在鈦表面上生成保護性氧化膜,可保護鈦不被稀酸 繼續腐蝕。但>5%的硫酸與鈦有明顯的反應,在常溫下,約40%的硫酸對鈦的腐蝕速度最快,當濃度大于40%,達到60%時腐蝕速度反而變慢,80%又達到最快。加熱的稀酸或50%的濃硫酸可與鈦反應生成硫酸鈦,見式(5),(6),加熱的濃硫酸可被鈦還原,生成SO2,見式(7)。常溫下鈦與硫化氫反應,在其表面生成一層保護膜,可阻止硫化氫與鈦的進一步反應。但在高溫下,硫化氫與鈦反應析出氫,見式(8),粉末鈦在600℃開始與硫化氫反應生成鈦的硫化物,在900℃時反應產物主要為TiS,1200℃時為Ti2S3。

Ti+H2SO4=TiSO4+H2 (5) 2Ti+3H2SO4=Ti2(SO4)3+H2 (6)

2Ti+6H2SO4=Ti2(SO4)3+3SO2+6H2O+202千卡 (7)Ti+H2S=TiS+H2+70千卡(8)

◇ 硝酸和王水

致密的表面光滑的鈦對硝酸具有很好的穩定性,這是由于硝酸能快速在鈦表面生成一層牢固的氧化膜,但是表面粗糙,特別是海綿鈦或粉末鈦,可與次、熱稀硝酸發生反應,見式(9)、(10),高于70℃的濃硝酸也可與鈦發生反應,見式(11);常溫下,鈦不與王水反應。溫度高時,鈦可與王水反應生成TiCl2。

3Ti+4HNO3+4H2O=3H4TiO4+4NO (9)3Ti+4HNO3+H2O=3H2TiO3+4NO (10)

Ti+8HNO3=Ti(NO3)4+4NO2+4H2O (11)

  綜上所述,鈦的性質與溫度及其存在形態、純度有著極其密切的關系。致密的金屬鈦在自然界中是相當穩定的,但是,粉末鈦在空氣中可引起自燃。鈦中雜質的存在,顯著的影響鈦的物理、化學性能、機械性能和耐腐蝕性能。特別是一些間隙雜質,它們可以使鈦晶格發生畸變,而影響鈦的的各種性能。常溫下鈦的化學活性很小,能與氫氟酸等少數幾種物質發生反應,但溫度增加時鈦的活性迅速增加,特別是在高溫下鈦可與許多物質發生劇烈反應。鈦的冶煉過程一般都在800℃以上的高溫下進行,因此必須在真空中或在惰性氣氛保護下操作。

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