钛是当今使用最广泛的金属之一。它形成坚韧的合金,在其应用中非常通用。它是’太空时代’的首选金属。在本文中,我提供了钛元素的完整物理和化学特征,以及有关其提取过程和应用的信息。从整形外科植入物,航空工艺品和航天器的建造到设计师珠宝,钛具有多种用途,使其成为人类使用最多功能的金属之一。
物理和化学特性
钛(Ti)是一种基本化学元素,原子序数为22,平均原子量为47.9gm。它的电子配置为1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2,d-shell中有2个不成对电子。钛是纯银,是一种银色的过渡金属。该金属的熔点和沸点分别为1668℃和3287℃。与其他金属相比,纯钛具有非常低的密度(室温下为4.506 gm / cm3),并且具有超过平均强度。它最重要的特性是与其他金属相比,它具有很强的抗腐蚀性。它可以承受稀硫酸和盐酸,海水,氯化合物以及气态氯和有机酸而不会腐蚀。钛与铝,铁,钒和钼形成坚固的轻合金。与钢相比,钛的强度相当,但轻45%!
它以化合物的形式存在于地壳中,并且在丰度方面排名第九。现代研究表明,地球和月球共享地质历史。毫不奇怪,通过阿波罗任务收集的月球岩石样本显示出丰富的钛化合物。将来,可能会为这种金属开采月球。通过光谱研究,在太阳的成分中也发现了痕量的钛化合物。事实上,这种化合物存在于大多数矮星M型恒星中,如太阳。这种金属的痕迹也存在于人体和植物中,但它是非反应性的,因此不起生物作用。这种特性及其延展性使其成为构建外科植入物的理想元素。
钛具有平均原子量,因为它具有5种同位素,原子量为46至50,其中48Ti是最丰富的。已知它是二态的,这意味着它以两种结晶形式出现。低于880摄氏度,它以六角形α形式存在,并且在该温度以上,它以立方β形式存在。它是当今最昂贵的金属之一。
钛(Ti)特性 | |
原子数 | 22 |
原子重量 | 47.867 |
电子配置 | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 |
固态密度 | 4.506克/厘米3 |
熔点 | 1668°C(3034°F) |
沸点 | 3287°C(5949°F) |
摩尔热容量 | 25.060 J / mol K. |
同位素 | 44 Ti,46 Ti,47 Ti,48 Ti,49 Ti,50 Ti |
钛元素的发现
钛的发现是由一位英国牧师和矿物学家威廉·格雷戈尔于1791年在英格兰康沃尔郡的马纳卡山谷研究矿床时发现的。他意识到他已经从一种称为“钛铁矿”的钢灰色矿物中分离出一种全新金属的残留物,这种矿物现在称为铁钛氧化物(FeTi O 3 )的结晶形式。他在发现之后将其命名为“Manaccanite”。
这个名字仍然没有坚持,因为在同一年,德国化学家马丁·海因里希·克拉普罗斯发现了另一种名为“金红石”的矿物中的金属元素,现在已知其主要由二氧化钛(TiO 2)组成。)。在希腊神话中着名的“泰坦”之后,他将这种新金属更具想象力地命名为“钛金属”。由于克拉普罗斯是一位受欢迎的,成熟的化学家,他的关系很好,但这个名字仍然存在,尽管格雷戈里因为首先发现它而受到赞誉。
提取过程
仍然没有人能够在18或19世纪分离出高纯度的钛样品。在接下来的几年里,这项壮举是由一些资源丰富的化学家实现的。
1910年,新西兰化学家Matthew Hunter对Nilsen和Pettersen于1887年开发的化学工艺进行了改进和改进,使用钠提取了99.9%具有延展性的纯金属钛。这使得钛首次可用于各种应用。
Hunter工艺的第一步,如今所知,包括加热氯,焦炭和金红石的混合物,在非常高的温度下产生由四氯化钛(TiCl4)和二氧化碳组成的产物:
TiO2(固体)+ 2Cl2(固体)+ C(固体)→TiCl4 + CO2(气体)
第二步是在700-800摄氏度的耐高温钢外壳中用液态钠(Na)加热前一步骤中的四氯化钛。在这个称为“还原”的过程中,通过钠还原四氯化钛,得到99.9%纯金属钛以及盐(NaCl):
TiCl4(液体)+ 4Na(液体)→4NaCl(液体)+ Ti(固体)
Krol工艺l流程
虽然Hunter工艺是钛提取的先驱过程,但后来被Kroll工艺取代。它是由William Kroll在1940年第二次世界大战期间开发的。该方法的第一步包括在1000摄氏度的温度下通过焦炭还原钛矿物钛铁矿或金红石。然后将如此形成的混合物置于氯气和四氯化钛中。然后通过分馏过程除去许多过量的矿物组分。在最后阶段,TiCl4在耐高温的钢外壳中再次被液态镁在
800-850 摄氏度的温度下还原,得到钛:2Mg(液体)+ TiCl4(气态)→2MgCl2(液体)+ Ti (固体)
需要进一步处理以从所得产物的混合物中提取钛。这可以通过真空蒸馏来实现。通过该过程获得的金属是高纯度和延展性的。这是目前全世界已建立的商业流程。
钛的用途
钛由于其高拉伸强度,低密度和轻重量,是用于航空,航天器和导弹计划的金属的首选。它与其他金属形成高强度合金的能力增强了其制造手术器械和假肢的可用性。由于其多功能性,钛的用途很多。
它用于钢的制造,在与其他金属如铁,钒,锰和铜混合后,可以以多种合金的形式使用。它最广泛地以二氧化钛(TiO2)的形式使用,用作塑料,油漆,纸张中的颜料和防晒剂中的皮肤保护剂。除此之外,钛还用于制造烟花,运动器材,珠宝,自行车,汽车,枪支,笔记本电脑和许多其他商品。
由于其在海水中的抗腐蚀性,它被用于建造在海岸上的新时代蒸馏装置的关键部件。二氧化钛广泛用于艺术家和墙面涂料中使用的涂料中。钛漆反射红外辐射,因为它不会落入其吸收带。该属性被用于为建筑物创建耐热屏蔽。