单质钛的性质及其化学反应(详细版)
单质钛的性质及其化学反应
成都工业学院材环工程学院邹建新
攀枝花学院钒钛工程学院钒钛资源综合利用四川省重点实验室彭富昌
钛及钛合金具有一系列特点，如它的密度小、比强度高、耐热性能好、耐低温的性能也好，它具有优良的抗蚀性能，并且它的导热性能差、无磁、弹性模量低，但是它具有很高的化学活性。
钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达70-80%，但强度低，不宜作结构材料。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．钛原子结构和在周期表中的位置
a．钛原予结构
钛的原子序数是22，原子核由22个质子和20～32个中子组成。原子核半径为5×10－13cm。原子核外22个电子结构排列为1s22s22p63s23p63d24s2。原子失去电子的能力用电离能来衡量。钛原子的电离能见表1－1。
表1－1 钛原子的电离能
失去电子的次序名称电离能/J
1 4s 1.09×10－18
2 4s 2.17×10－18
3 3d 4.40×10－18
4 3d 7.06×10－18
5 3p 16.06×10－18
6 3p 19.51×10－18
7 3p 22.9×10－18
8 3p 27.8×10－18
由表1－1可见，钛原于的4s电子和3d电子的电离势较小，都小于8×10－18J，因此容易失去这4个电子。3p电子的电离势都在16.06×10－18J以上，是根难失去的。所以，钛原子的价电子是4s23d2，钛的最高氧化态通常是正四价。钛原子半径和离子半径见表1－2。
表1－2 钛原子半径和离子半径
原子或离子Ti Ti＋Ti2＋Ti3＋Ti4＋
半径r/nm 0.146 0.095 0.078 0.069 0.064 已发现钛有13种同位素，其中稳定同位素5个，其余8个为不稳定的微量同位素。钛的同位素及其性质列于表1－3。
表1－3 钛的同位素及其性质
同位素质量数丰度/% 辐射特征半衰期热中子捕获截面/m2热中子散射截面/m2
42 0.001 β－，γ
43 0.007 β－，γ0.58d
44 0.0015 47a
45 0.0015 β－，γ 3.08h
46 7.99 稳定同位素(0.6±0.2)×10－28(3.3±1.0)×10－28
47 7.32 稳定同位素(1.6±0.3)×10－28(5.2±1.0)×10－28
48 73.97 稳定同位素(8.0±0.6)×10－28(9.0±4.0)×10－28
49 5.46 稳定同位素(1.8±0.5)×10－28(2.8±1.0)×10－28
50 5.25 稳定同位素0.2×10－28(3.3±1.0)×10－28
51 0.0001 β－，γ 5.9min
52 0.0001 β－，γ41.9min
53 0.0001 β－，γ
54 0.003 β－，γ
b．钛在周期表中的位置
钛是元素周期表中第四周期的副族元素，即IV B族(又称为钛副族)元素。这族元素除钛（22Ti）外，还有锆（40Zr），铪（72Hf）和人工合成元素104Ku。钛、锆、铪原子的外层电子结构分别为：Ti[Ar]3d24s2，Zr[Kr]4d25s2，Hf[Xe]5d26s2。由此可见，钛族元素的原子具有相似的外电子构型，即价电子都是d2s2，因而钛、锆和铪的原子半径相近，它们的许多性质也相似，彼此可以形成无限固溶体。不过，钛、锆、铪及它们的化合物在性质上也有差异。例如，TiO2是两性氧化物，而ZrO2、HfO2为碱性氧化物；TiCl4是弱酸性化合物，而ZrCl4、HfCl4则为两性化合物。
IV A族，即碳族元素的原子也和IV B族具有相似的外电子构型，不过其价电子不是d2s2，而是s2p2。钛族与碳族是同周期元素，它们具有共性，即通常都表现最高氧化态为正四价。碳族元素的金属性质随着原子序数的增加而递增，原子序数最小的碳（C）是非金属元素，原子序数最大的铅（Pb）是金属元素。但钛族元素都具有金属性质，这是与碳族元素的基本区别。
钛与其相邻的III B族（d1s2）、V B族（d3s2）元素的原子最外层电子数相同，不同的是次外层电子数。因为对元素的化学性质发生主要影响的是最外层电子，次外层电子的影响就小得多。所以，钛与III B族元素（钪、钇）和V B族元素（钒、铌、钽）在性质上也很相近，钛可与这些元素形成无限固溶体。在自然界存在的铁矿物中，经常伴生有这些元素。
2．钛的物理性质、热力学性质和力学性质
a．物理性质
①晶体结构
金属钛具有两种同素异形态，低温（<882.5℃）稳定态为α型，密排六方晶系；高温稳定态为β型，体心立方晶系。
α—Ti的晶格参数，25℃时为：ɑ＝(0.29503±0.00004)nm，c＝(0.46832±0.00004)nm，c/ɑ＝1.5873±0.00004。由于α—Ti的c/ɑ比值小于理想球形轴比1.633，所以钛是可锻性金属。α—Ti中存在的杂质对其晶格构造有很大影响，微量氧、氮的存在会使晶格沿c轴方向增长，引起c值得增加，而ɑ值实际上几乎不发生变化。β—Ti的晶格参数，900℃时ɑ＝
(0.33065±0.00001)nm。
②相变性质
钛的两种同素异形态转化(α—Ti↔β—Ti)温度为882.5℃，由α—Ti转化为β—Ti时，其体积增加为5.5％。氧、氮、碳是α—Ti的稳定剂，在钛中存在氧、氮、碳杂质则会使相变(α—Ti→β—Ti)温度升高，从而可根据转化温度的变化来判断钛中杂质含量的多少。
钛的晶型转化潜热为4.14kJ/mol。
钛的熔点为1668±4℃。由于熔融钛几乎可与一切耐火材料发生作用，因此测量其熔点
潜热较为闲难。已测得钛的熔化潜热范围是15.46～20.9kJ/mol。熔点时液钛的表面张力为1.588N/m，1730℃时液钛的动力黏度为8.9×10－5m2/s。钛的沸点为3260±20℃，汽化潜热为428.5～470.3kJ/mol。钛的临界温度约为4350℃，临界压力为113MPa。
③密度和线膨胀系数
α—Ti的密度在20℃时为4.506～4.516g/cm3。因为钛与氧形成间隙固溶体时，其晶格发生明显的畸变，所以当钛中含有氧时，其密度随之增加。
α—Ti单晶的线膨胀系数是各向异性的，在0℃时ɑ轴方向为7.34×10－6/℃，c轴方向为8.9×10－6/℃。由于c轴方向的线膨胀系数比ɑ轴方向大，所以六方晶胞轴比c/ɑ值随温度的升高而增加。在20～300℃时α—Ti多晶的平均线膨胀系数为8.2×10－6/℃。
900℃时β—Ti的密度为4.32g/cm3，1000℃时为4.30g/cm3；熔化钛密度(在熔点温度)为(4.11±0.08)g/cm3。
④蒸汽压
金属钛的蒸气压是很低的，在900℃时仅为3×10－9Pa，1000℃时仅为1.5×10－8Pa。固体β—Ti的蒸气压P(Pa)与温度的关系式为：
lg P＝－27017T－1－6.768lg T＋6.11×10－4T＋34.636 (1155.5～1933K) （1.1）液相钛的蒸气压P(Pa)与温度的关系式为：
lg P＝－22328T －1＋11.251 (1933～3575K) （1.2）
⑤导热性能
钛的导热性较差，其导热系数比不锈钢略低。钛的导热性能与其纯度有关，杂质的存在使钛的导热系数降低。
纯钛的导热系数与温度的关系如图1－1所示。在0～50K范围内，导热系数随温度升高逐渐增加，在50K时达到最大值(36.8W/(m·K))。高于50K时，导热系数随温度升高逐渐减少，约在800K时达到最小值(24.6W/(m·K))。高于800K时，导热系数随着温度升高略有增加。纯钛的导热系数λ(W/(m·K))可由下式计算：
λ＝26.75－32.8×10－3t＋8.23×10－5t2－9.7×10－8t3＋4.6×10－12t4(t >0℃) （1.3）
⑥导电性能
钛的导电性能较差，近似于不锈钢。若以铜的电导率为100％，则钛仅为3.1％。钛中杂质的存在，使其导电性能降低。钛的导电性随温度的变化关系如图1－2所示。
α—Ti的电阻率随温度增高而增加，当达到相变（α—Ti→β—Ti）温度时，电阻率突降。β—Ti的电阻率随温度的升高略有增加。
20℃时，纯钛的电阻率为0.42μΩ·m。在不同温度下α—纯钛的电阻率ρ（μΩ·m）为：ρ＝0.385＋1.75×10－3t－7×10－13t3 （1.4）
20℃时，工业纯钛的电阻率为0.556μΩ·m。在不同温度下α—工业纯钛的电阻率ρ（μΩ·m）为：
ρ＝0.51＋2.25×10－3t－8.6×10－10t3 （1.5）
⑦超导性
钛具有超导性，它对于由杂质或冷加工所引入的晶格内应变是极其敏感的，属于“硬超导体”。纯钛的超导临界温度为0.38～0.4K。Nb—Ti合金是超导材料。
⑧磁性质
金属钛是无磁性物质，磁化系数α—Ti 3.2×10－6（20℃），β—Ti 4.5×10－6（900℃）。
⑨光学性质
温度高于800℃时，α—Ti对入射光波长为652nm的发射率为0.459；900℃的β—Ti为0.484，1000℃的β—Ti为0.482。钛的光学性质列于表1－4中。
表1－4 钛的光学性质
光学性质名称
入射波长/nm
400 450 500 550 580 600 650 700
反射率е/%53.3 54.9 56.6 57.05 57.55 57.9 59.0 61.5 折射指数 1.88 2.10 2.325 2.54 2.65 2.76 3.03 3.30 吸收系数 2.69 2.91 3.13 3.34 3.43 3.49 3.65 3.81 钛表面氧化膜对钛的光反射能力影响很大，氧化膜的存在显著降低对可见光的反射能力；对紫外光的反射能力影响较小。
b.热力学性质
①比热容
α—Ti的比热容随温度的升高而增加（图1－3），当温度趋近晶型转化温度（1155.5K）时，比热容急剧升高，达到2.62J/(g·K)。超过相变温度后，比热容随温度升高而下降。298K 时定压比热容c p为0.52J/(g·K)。
α—Ti：＝0.462＋0.215×10－3T(298～1155K) （1.6）
β—Ti：＝0.413＋0.165×10－3T(1155～1933K) （1.7）
熔融钛为0.74J/(g·K)
气体钛：＝0.553－2×10－4T＋1.285×10－9T2－1.74×10－11T3(200～4000K) （1.8）
②焓
钛在298K时钛的焓为100.2J/g。
α—Ti：HθT－Hθ0＝0.457T＋1.12×10－4T2＋83T－1－45.7 (200～1500K) （1.9）
β—Ti：HθT－Hθ0＝159＋0.360T＋1.09×10－4T2(1155～1900K) （1.10）
③熵
钛在298K时钛的熵为0.64J/(g·K)。
α—Ti：SθT＝0.815＋6.8×10－4T－112.7T －1(160～1100K) （1.11）β—Ti：SθT＝0.714＋8.5×10－3T－1.3×10－7T2(1200～1900K) （1.12）液相钛：SθT＝1.17＋1.29×10－4T－5.68×10－8T2(2000～3000K) （1.13）气相钛：SθT＝4.9＋4.19×10－5T－377T －1(200～5000K) （1.14）
c．力学性质
钛具有可塑性。高纯钛的延伸率可达50%～60%，断面收缩率可达70%～80%，但强度低(碘化钛的抗拉强度2.2～2.9MPa)，不宜作结构材料。钛中杂质的存在，对它的力学性能影响极大，特别是间隙杂质氧、氮、碳可大大提高钛的强度，而显著地降低其塑性。尽管高纯钛的强度低，但钛基材料因含有少量杂质和添加合金元素而显著强化其力学性能，使其强度可与高强度钢相比拟。工业纯钛的抗拉强度为265～353MPa，一般钛合金为686～1176MPa，最高可达1764MPa。这就是说，钛作为结构材料所具有的良好力学性能，是通过严格控制
其中适当杂质含量和添加合金元素而达到的。
工业纯钛含有少量间隙杂质氧、氮、碳及其他金属杂质铁、锰、硅、镁等，其总含量一般为0.2%～0.5%，最高不超过0.7%～0.9%。含有上述少量杂质的工业纯钛既具有高强度，又有适当的塑性。
硬度，通常是用来衡量钛质量好坏的综合指标。硬度越大，杂质含量越高，其质量就越差。不同的杂质对钛硬度的影响是不相同的，对钛硬度的影响最大的是氮、氧、碳，其次是铁、钴、硅等。
同时存在几种杂质时，它们对钛硬度的影响可以认为基本上具有加和性。海绵钛的硬度与其杂质含量的关系，布劳斯按统计划律得出如下经验公式：
HB ＝196
)(N 2ω＋158)(O 2ω＋45(C)ω＋20(Fe)ω＋57 （1.15）
各种杂质含量对增加钛硬度（HB ）的影响见图1－4。
钛的晶体结构和海绵钛分别入图1-5和图1-6所示。
图1-5 Ti 的α晶型图1-6 块状海绵钛
3．钛的化学性质
a．与单质的反应
在较高温度下，钛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：
第一类，卤素和氧族元素与钛生成共价键与离子键化合物；第二类，过渡元素、氢、铍、硼族、碳族和氮族元素与钛生成金属间化合物和有限固溶体；第三类，锆、铪、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶体；第四类，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。
①卤素
钛能与所有卤素元素发生反应，生成卤化钛。
常温下钛就与氟发生反应，150℃反应已较激烈，反应生成TiF4：
Ti＋2F2＝TiF4
常温下钛也可与氯发生反应，300～350℃以上发生激烈反应：
Ti＋2Cl2＝TiCl4
在250～360℃钛可与溴发生反应：
Ti＋2Br2＝TiBr4
在170℃时钛已可与碘反应，400℃时反应较快，生成气体TiI4：
Ti＋2I2＝TiI4
随着温度的升高，反应加速，高于1000℃时生成的TiI4分解为钛和碘，因而是个可逆反应。含水的卤素对钛作用要比干卤素为小，例如饱和水的湿氯气在低于80℃时不与钛发生反应。
②氧
钛与氧的反应取决于钛存在的形态和温度。粉末钛在常温下的空气中，可在静电、火花、摩擦等作用下发生剧烈的燃烧或爆炸。但是，致密钛在常温下的空气中是很稳定的。
致密钛在空气中受热时，便开始与氧发生反应，最初氧进入钛表面晶格中，形成一层致密的氧化薄膜，这层表面氧化膜可防止氧向内部扩散，具有保护作用，因此钛在500℃以下的空气中是稳定的。表1—5为工业纯钛在不同温度的空气介质中加热半小时后的氧化膜厚度。表1—6为钛在不同温度下加热所生成的氧化膜颜色。
表1－5 不同温度下钛的氧化膜厚度
温度/℃320～540 650 700 760
厚度/nm 极薄0.005 0.008 0.025
表3－6 不同温度下钛的氧化膜颜色
温度/℃200 300 400 500 600 700～800 900
颜色银白色淡黄色金黄色蓝色紫色红灰色灰色合金元素钼、钨和锡能降低钛的氧化速度，而锆则提高其氧化速度。
在空气中钛的氧化反应，低于100℃时是很慢的，500℃时也只是表面被氧化。随着温度的升高，表面氧化膜开始在钛中溶解，氧开始向金属内部晶格扩散，700℃时氧向金属内部的扩散加速，在高温下表面氧化膜失去保护作用。在1200～1300℃下，钛开始与空气中的氧发生激烈反应：
Ti＋O2＝TiO2
在纯氧中，钛与氧发生激烈反应的起始温度比在空气中低，约在500～600℃时钛便在
氧气中燃烧。
氧在钛中含量超过溶解度极限时，便生成钛的各种氧化物，如Ti3O，TiO，Ti2O3，Ti3O5，TiO2等。在Ti—O固溶体中，由于氧是以氧化物形式（如Ti3O）进入钛的晶格中，从而可使相变（α—Ti→β—Ti）温度显著增加，因此，氧是α—Ti的稳定剂。氧在α—Ti中的最大溶解度（质量分数）为14.5％，1740℃时在β—Ti中的最大溶解度（质量分数）为1.8％。
③氮和氢
常温下钛不与氮发生反应。但在高温下，钛是能在氮气中燃烧的少数金属元素之一，钛在氮气中燃烧温度约大于800℃。熔融钛与氮的反应十分激烈。钛与氮的反应，除了可生成钛的氮化物（Ti3N、TiN等）外，还形成Ti—N固溶体。当温度在500～550℃时，钛开始明显地吸收氮，形成间隙固溶体；当温度达到600℃以上时，钛吸氮的速度增加。在Ti—N固溶体中，由于氮以氮化钛（Ti3N）形式进入钛晶格中，从而使钛相变（α—Ti→β—Ti）温度增加，氮也是α—Ti的稳定剂。l050℃下氮在α—Ti中最大溶解度（质量分数）为7％，2020℃下在β—Ti中最大溶解度（质量分数）为2％。但钛吸氮的速度比其吸氧的速度慢得多，因此钛在空气中主要是吸氧，吸氮则是次要的。
钛与氢反应生成Ti—H固溶体和TiH、TiH2化合物。氢能很好地溶于钛中，1mol钛几乎可吸收2mol的氢。钛吸氢速度和吸氢量，与温度和氢气压力有关。常温下钛吸氢量小于0.002％。当温度达到300℃时，钛吸氢速度增加；500～600℃时达到最大值。其后随温度升高，钛吸氢量反而减少，当达到1000℃时钛吸收的氢大部分被分解。氢气压力增加，可使钛吸收氢的速度加快，并增加吸氢量，相反在减少压力情况下便可使钛脱氢。因此钛与氢的反应是可逆的。
钛与氢反应在表面上不形成薄膜，因为氢原子体积小，可很快向钛晶格深处扩散形成间隙固溶体。氢在钛中的溶解，可使钛相变（α—Ti→β—Ti）温度降低，氢是β—Ti的稳定剂。
钛表面存在氧化膜时，则显著地降低钛吸氢和脱氢速度。
④磷和硫
在高于450℃下钛与气体磷发生反应，在低于800℃时主要生成Ti2P，高于850℃时生成TiP。
常温下硫不与钛反应，高温时熔化硫、气体硫与钛反应生成钛的硫化物，熔融钛与气体硫之间的反应特别剧烈：Ti＋S2＝TiS2。
钛与硫的反应可生成各种硫化钛，如Ti3S，Ti2S，TiS，Ti3S4，Ti2S3，Ti3S5，TiS2和TiS3等。
⑤碳和硅
钛与碳仅在高温下才能发生反应，生成含有TiC的产物。钛与碳的反应除广生成TiC外，还形成Ti—C固溶体，碳在钛中的存在也可使钛相变（α—Ti→β—Ti）温度升高。碳在钛中的溶解度较小，在900℃时最大溶解度（质量分数）为0.48％；随着温度的下降，溶解度急剧下降。碳在β—Ti中的溶解度，1750℃时达到最大值，为0.8％。由于碳在α—Ti和β—Ti中的溶解度都很小，因此钛中碳含量较大时，便会在组织中出现游离碳化钛结构。
钛在高温下与硅反应生成高熔点的硅化物Ti5Si3、TiSi和TiSi2。
b．与化合物反应
①HF和氟化物
氟化氢气体在加热时与钛发生反应生成TiF4，反应为：Ti＋4HF＝TiF4＋2H2。
不含水的氟化氢液体可在钛表面生成一层致密的四氟化钛膜，可防止HF进入钛的内部。
氢氟酸是钛的最强溶剂。即使浓度为1％的氢氟酸，也能与钛发生激烈反应：
2Ti＋6HF＝2TiF3＋3H2
当在氢氟酸溶液中存在Fe2＋、Ni2＋、Ag2＋、Cu2＋、Au2＋、Pt2＋等金属离子时，则可加速钛的溶解。Mg2＋离子不影响钛与氢氟酸的反应。但当存在Pb2＋离子和加入硝酸后，可减慢
和部分抑制氢氟酸对钛的浸蚀速度。但未发现防止氢氟酸对钛浸蚀的特别有效的阻化剂。
无水的氟化物及其水溶液在低温下不与钛发生反应，仅在高温下熔融的氟化物与钛发生显著反应；酸性氟化物溶液，如KHF2会严重地浸蚀钛。在酸性溶液中，加入少量可溶性氟化物，则可大大增加酸对钛的浸蚀作用，如在硝酸、高氯酸、磷酸、盐酸、硫酸溶液中加入少量可溶性氟化物时，则这些酸对钛的腐蚀速度大为加快。但如果加入大量的氟化物到硫酸中，反而会阻止硫酸对钛的腐蚀。
②氯化氢和氯化物
氯化氢气体能腐蚀金属钛，干燥的氯化氢在高于300℃时与钛反应生成TiCl4：
Ti＋4HCl＝TiCl4＋2H2
浓度低于5％的盐酸在室温下不与钛反应，20％的盐酸在常温下与钛发生反应生成紫色的TiCl3：2Ti＋6HCl＝2TiCl3＋3H2 。
当温度升高时，即使稀盐酸也会腐蚀钛，如10％的盐酸在70℃时和1％的盐酸在100℃时对钛发生明显的腐蚀。但当盐酸溶液中存在氧化剂或金属离子（如铜、铁离子等）时，则可降低盐酸对钛的腐蚀作用。例如，钛在沸腾的10％盐酸内的浸蚀速度，因加人0.02～0.03mol的铁和铜离子而降低到原来的1％。
各种无水的氯化物，如镁、锰、铁、镍、铜、锌、汞、锡、钙、钠、钡和NH4＋的氯化物及其水溶液，都不与钛发生反应，钛在这些氯化物中具有很好的稳定性。但钛与100℃以上的25％氯化铝溶液发生反应。当温度升高至200～300℃以上时，钛在氯化物中的稳定性下降。例如，钛可在沸腾的镁、钙、铁、铜、锌和铵的氯化物中以及在高温下能发生分解，析出氯化氢或氯的其他氯化物。熔融的氯化物和蒸气在氧存在时，与钛发生反应。本来钛受熔融的碱金属氯化物的浸蚀很微，但当这些熔盐与大气接触时，则对钛的浸蚀加剧。NaCl 和NaF混合物熔盐对钛有很大的腐蚀作用。
③硫酸和硫化氢
钛与浓度低于5％的稀硫酸反应后在钛表面上生成保护性氧化膜，可保护钛不被稀硫酸继续侵蚀。但浓度高于5％的硫酸与钛有明显的反应。在常温下，浓度约40％的硫酸对钛的腐蚀速度最快，因此时生成很易溶的[Ti(SO4)2＋x]2x－络离子；当浓度大于40％时，上述络离子分解为TiO2和H2SO4，因而60％硫酸腐蚀速度反而变慢；80％硫酸又达到最快。加热的稀硫酸或50％的浓硫酸可与钛反应生成硫酸钛。
Ti＋H2SO4＝TiSO4＋H2，2Ti＋3H2SO4＝Ti2(SO4)3＋3H2
加热的浓硫酸可被钛还原，生成SO2：2Ti＋6H2SO4＝Ti2(SO4)3＋3SO2＋6H2O 。
在硫酸溶液中加入氧化剂和金属离子时，则可降低硫酸对钛的腐蚀作用。如在10％沸腾硫酸中，加入铁、铜离于时，则可阻止对钛的腐蚀。
常温下钛与硫化氢反应，在其表面生成一层保护膜，可阻止硫化氢与钛的进一步反应。但在高温下，硫化氢与钛反应析出氢：Ti＋H2S＝TiS＋H2。
粉末钛在600℃开始与硫化氢反应生成钛的硫化物，在900℃时反应产物主要为TiS，1200℃时为Ti2S3。
④硝酸和王水
致密的表面光滑的钛对硝酸具有很好的稳定性，这是由于硝酸能迅速在钛的光滑表面上生成一层牢固的氧化膜．这层氧化膜在硝酸中甚至在较高温度下仍保持稳定。但是，表面粗糙，特别是海绵钛或粉末钛，可与冷、热稀硝酸发生反应：
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO
3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO
高于70℃的浓硝酸也可与钛发生反应：Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O
冒红烟的浓硝酸，即饱和NO2的硝酸溶液，能迅速腐蚀钛，并可与含锰的钛合金发生
剧烈的爆炸反应。
常温下，钛不与王水反应。温度高时，钛可与王水反应生成TiOCl2。
⑤其他酸、碱和盐
常温下钛在浓度小于30％的磷酸溶液中的腐蚀速率较小。当酸浓度和温度升高时，则腐蚀速率加快。3％的磷酸溶液在100℃下可显著地腐蚀钛，沸腾的浓磷酸腐蚀作用更为强烈。
通常各种金属的溶剂，如氢氧化钠、硫酸氢钠和碳酸氢钠等，与钛的反应都很慢。稀的碱溶液不与钛发生反应。熔融钛可与碱反应生成钛酸盐，如：
2Ti＋6KOH＝2K3TiO3＋3H2
铁与金属氧化物在高温下进行可逆反应，特别是熔融钛几乎可同所有金属氧化物反应：
n Ti＋2Me m O n n TiO2＋2m Me
当nΔG TiO2<2ΔG Me m O n时，反应可进行到底。如：
3Ti＋2Fe2O3＝3TiO2＋4Fe
Ti＋2CuO＝TiO2＋2Cu
在碱性物质存在下，熔融钛可被硝酸盐或氯酸盐氧化为四价钛酸盐，如：
3Ti＋2KOH＋4KNO3＝3K2TiO3＋4NO＋H2O
3Ti＋4KOH＋2KClO3＝3K2TiO3＋2HCl＋H2O
粉末钛与高锰酸钾的混合物属爆炸性物质。
常温下钛不与甲酸（蚁酸）反应，50～l00℃下可激烈反应。钛与冷、热乙酸（醋酸）反应时生成二价和三价的乙酸酯。钛可与热的三氯乙酸、三氟乙酸和草酸反应，沸腾的三氯乙酸对钛有强烈的腐蚀作用。60℃的草酸溶液能腐蚀钛，其他有机酸不与钛反应。
⑥氨、水和有机物
常温下钛不与NH3反应，但在高温下可发生反应生成氢化物和氮化物：
5Ti＋2NH3＝2TiN＋3TiH2
钛在常温下不与水反应。粉末钛可与沸腾的水或水蒸气发生下列反应并析出氢：
Ti（粉）＋4H2O（液）＝Ti(OH)4＋2H2
Ti（粉）＋4H2O（气）＝Ti(OH)4＋2H2
但700～800℃的水蒸气可与钛反应生成TiO2：
Ti＋2H2O＝TiO2＋2H2
常温下钛可与H2O2反应生成过氧氢氧化钛：Ti＋3H2O2＝Ti(OH)2O2＋2H2O 。
熔化的过氧化钠与钛发生激烈反应，生成正钛酸钠：Ti＋2Na2O2＝Na4TiO4 。
在炽热温度下，钛与碳氢氯化物反应生成TiCl4，并析出碳和氯化氢：
Ti＋CCl4＝TiCl4＋C
3Ti＋2C2Cl6＝3TiCl4＋4C
3Ti＋2C6Cl6＝3TiCl4＋12C
Ti＋2C2H2Cl4＝TiCl4＋4C＋4HCl
常温下钛不与任何碳氢化合物反应，仅在高温下（1200℃）才发生反应生成碳化钛：
Ti＋CH4＝TiC＋2H2
2Ti＋C2H6＝2TiC＋3H2
综上，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，即使在恶劣的环境之下，如把钛放到海洋空气中长期放置，除表面颜色稍有变化外，没有发生本质上的变化。但是，粉末钛在空气中可引起着火燃烧。钛中杂质的存在，显著地影响钛的物理性能、化学性能、力学性能和耐腐蚀性能，特别是一些间隙杂质氧、氮、碳，它们可以使钛晶格发生某些畸变，这就更加影响钛的各种性能。
常温下钛的化学活性很小，仅能与氢氟酸等少数几种物质反应，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惰性气氛保护下操作。
参考文献：
1. 邹建新，崔旭梅，彭富昌.钒钛化合物及热力学[M]，北京：冶金工业出版社，2019
2. 邹建新，彭富昌.钒钛概论[M]，北京：冶金工业出版社，2019
3. 邹建新，周兰花，彭富昌.钒钛功能材料[M]，北京：冶金工业出版社，2019
4. 邹建新，等. 钒钛产品生产工艺与设备[M]，北京：化学工业出版社，2014
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各种钛硫化合物与钛酸的性质及其化学反应(详细版)
各种钛硫化合物、钛酸的性质及其化学反应 1. 偏钛酸 A．物理化学性质 偏钛酸（H2TiO3）是—种白色粉末，加热时变黄。25℃时密度为4.3g/cm3。偏钛酸不导电。 偏钛酸不溶于水，也不溶于稀酸和碱溶液中，却溶于热浓硫酸中。偏钛酸的酸性表现为在高温下能与金属氧化物、氢氧化物、碳酸盐烧结生成相应的钛酸盐；与金属卤化物反应也生成钛酸盐，并析出卤化氢。 偏钛酸是不稳定化合物，在煅烧时发生分解，生成TiO2。偏钛酸脱水的起始温度为200℃，300℃时已达到较大的脱水速度，但需在高温下才能脱水完全。 偏钛酸不溶于水，也不溶于稀酸和碱溶液中，却溶于热浓硫酸。偏钛酸是不稳定化合物，在煅烧时发生分解，生成TiO2。 B．制取方法 偏钛酸可由金属钛与40%硝酸反应生成：3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO。 金属钛与氨中的过氧化氢反应也能生成偏钛酸： Ti＋5H2O2＋2NH3＝H2TiO3＋7H2O＋N2 TiCl4在沸腾水中水解也可生成偏钛酸：TiCl4＋3H2O＝H2TiO3＋4HCl。 钛白生产过程中，Ti(SO4)2和TiOSO4的酸性溶液在沸水中水解生成偏钛酸沉淀。在140℃或在真空中干燥正钛酸时，也会生成偏钛酸。 2. 正钛酸 A．物理化学性质 正钛酸通常是无定型的白色粉末。它是一种不稳定的化合物，热水洗涤、加热或长时间在真空中干燥时便转化为偏钛酸。正钛酸不溶于水和醇中，但易转化为胶体溶液。正钛酸是两性氢氧化物，它在常温下易溶于无机酸和强有机酸中，也能溶于热的浓碱溶液中。 在水溶液中，正钛酸通常以水化物的形式存在，在pH＝7时为二水正钛酸，而在pH<7（即酸性）的溶液中存在下列平衡转化： Ti(OH)4(H2O)2＋OH3＋[Ti(OH)3(H2O)3]＋＋H2O [Ti(OH)3(H2O)3]＋＋OH3＋[Ti(OH)2(H2O)4]2＋＋H2O [Ti(OH)2(H2O)4]2＋＋OH3＋[Ti(OH)(H2O)5]3＋＋H2O 在pH >7（即碱性）的溶液中存在下列平衡： Ti(OH)4(H2O)2＋OH－[Ti(OH)5(H2O)]－＋H2O [Ti(OH)5(H2O)]－＋OH－[Ti(OH)6]2－＋H2O B．制取方法 硫酸或盐酸的二氧化钛溶液与碱金属氢氧化物或碳酸盐反应，反应生成物在常温下干燥则可得到正钛酸。
单质钛的性质及其化学反应(详细版)
单质钛的性质及其化学反应 成都工业学院材环工程学院邹建新 攀枝花学院钒钛工程学院钒钛资源综合利用四川省重点实验室彭富昌 钛及钛合金具有一系列特点，如它的密度小、比强度高、耐热性能好、耐低温的性能也好，它具有优良的抗蚀性能，并且它的导热性能差、无磁、弹性模量低，但是它具有很高的化学活性。 钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达70-80%，但强度低，不宜作结构材料。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．钛原子结构和在周期表中的位置 a．钛原予结构 钛的原子序数是22，原子核由22个质子和20～32个中子组成。原子核半径为5×10－13cm。原子核外22个电子结构排列为1s22s22p63s23p63d24s2。原子失去电子的能力用电离能来衡量。钛原子的电离能见表1－1。 表1－1 钛原子的电离能 失去电子的次序名称电离能/J 1 4s 1.09×10－18 2 4s 2.17×10－18 3 3d 4.40×10－18 4 3d 7.06×10－18 5 3p 16.06×10－18 6 3p 19.51×10－18 7 3p 22.9×10－18 8 3p 27.8×10－18 由表1－1可见，钛原于的4s电子和3d电子的电离势较小，都小于8×10－18J，因此容易失去这4个电子。3p电子的电离势都在16.06×10－18J以上，是根难失去的。所以，钛原子的价电子是4s23d2，钛的最高氧化态通常是正四价。钛原子半径和离子半径见表1－2。 表1－2 钛原子半径和离子半径 原子或离子Ti Ti＋Ti2＋Ti3＋Ti4＋ 半径r/nm 0.146 0.095 0.078 0.069 0.064 已发现钛有13种同位素，其中稳定同位素5个，其余8个为不稳定的微量同位素。钛的同位素及其性质列于表1－3。 表1－3 钛的同位素及其性质 同位素质量数丰度/% 辐射特征半衰期热中子捕获截面/m2热中子散射截面/m2 42 0.001 β－，γ 43 0.007 β－，γ0.58d 44 0.0015 47a
(完整版)钛(Ti)
Ti 是最活泼的微合金元素，与O、S、C、N 都有很强的亲和力。 Ti 可以在较高温度析出，1 250℃高温时仍能够析出Ti 的碳氮化物颗粒，而在较低温度时其析出较少，故Ti 一般用于高温析出来阻止奥氏体晶粒的长大，常与V、Nb 等复合添加。 Ti 较难溶于钢中，大部分是以第二相粒子的形式存在，Ti 的细小弥散的碳氮化物析出相能够有效地阻止奥氏体晶粒的长大，具有中等的细化晶粒作用，而沉淀析出强化作用较大. TiN 的固溶度比Nb 和V 都要低很多，因此生产冶炼的钢中N 的含量会很大程度上影响钢中可固溶的Ti 的含量，从而对后续的TiC 的析出产生影响；图1.5（B）为一般冶炼条件下的N 含量数值下（含N0.007wt%）温度对微合金元素的影响。由图可以看出，即使在1300℃以上的高温仍几乎不溶，因此在传统轧制流程的加热过程中，TiN 仍以析出物形式存在，并可以起到钉扎奥氏体晶界而阻 碍奥氏体晶粒长大的作用。而NbN 和和VN 在1200℃以上固溶量可以达到0.085wt%以上，在1150℃时固溶量大概在0.055%左右，考虑一般常用钢中的Nb和V的添加量并不会太高，因此可以认为在该温度条件下NbN 和VN 基本上全部固溶。当然，降低加热温度可以保持一定量的未溶NbN和VN以抑制加热过程中奥氏体晶粒的长大,但是加热温度过低同时会影响钢中NbC 和VC 的溶解，对于后续的析出强化过程不利。所以在利用微合金元素的氮化物颗粒以抑制奥氏体晶粒长大方面，Ti 比Nb 和V 更具有优势。但是这并不是说为了得到更多的TiN 以阻止加热过程中奥氏体晶粒的长大，N 的含量越
高越好，N 含量增多会使TiN的高温析出物增多，但是同样会使TiN 的颗粒增大，这对于抑制奥氏体晶粒长大不利。 Zener 由晶粒长大的驱动力和第二项粒子对晶粒长大的钉扎作用的平衡关系得到了反映第二相粒子阻止高温奥氏体长大的关系式： 由上式可以看出，TiN 颗粒析出体积分数增加并伴随着其尺寸增大的同时，对阻碍加热过程中奥氏体晶粒长大并不会有很好的效果。此外TiN 析出物的增多会减少后续的TiC析出可利用的Ti 含量，对后续析出过程不利。在铁素体中，Nb、V和Ti 基本上都是以析出形式存在，几乎没有固溶。 钛在钢中与合金元素氧、氮、硫、碳的亲和力大小依次递减，并依次生成Ti2O3 或TiO2、TiN、Ti4C2S2、Ti(CN)和TiC。钛的氧化物一般在冶炼过程中形成，颗粒较大，在钢中以夹杂物形式存在。而钛的氮、碳和硫化物的颗粒相对较小，可以起到细化晶粒和析出强化的作用。而且由于Ti 对S 的亲和性比Mn 高，在钢中形成Ti 的硫化物，产生固硫的作用。Ti 的硫化物呈球形，为刚性颗粒，降低析出或夹杂的危害，而MnS 呈为可变形夹杂，在变形过程中会在变形方向上严重拉长，不利材料性能。
钛及其化合物性质(补充))
钛及其化合物性质 1、自然界存在： 钛在自然界存在丰度0.42%，在所有元素居第10位，我国含量丰富。钛的主要钛铁矿（FeTiO3）和金红石（TiO2）。 2、钛单质 阅读：【纯钛是银白色的金属，它具有许多优良性能。钛的密度为4.54g／cm3，比钢轻43% ，比久负盛名的轻金属镁稍重一些。机械强度却与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。钛耐高温，熔点1942K，比黄金高近1000K，比钢高近500K。钛属于化学性质比较活泼的金属。加热时能与O2、N2、H2、S和卤素等非金属作用。但在常温下，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，一般金属在酸、碱、盐的溶液中变得千疮百孔而钛却安然无恙。 液态钛几乎能溶解所有的金属，因此可以和多种金属形成合金。钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹性。钛与金属Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金属间化合物。 钛合金制成飞机比其它金属制成同样重的飞机多载旅客100多人。制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。同时，钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监护作用。 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。 钛在人体中分布广泛，正常人体中的含量为每70kg体重不超过15mg，其作用尚不清楚。但钛能刺激吞噬细胞，使免疫力增强这一作用已被证实】 3、钛的冶炼 钛在1791年被发现，而第一次制得纯净的钛却是在1910年，中间经历了一百余年。原因在于：钛在高温下性质十分活泼，很易和氧、氮、碳等元素化合，要提炼出纯钛需要十分苛刻的条件。 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FeSO4.7H2O（绿矾）作为副产品结晶析出。 1
钛的化学性质
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： 第一类：卤素和氧族元素与钛生成共价键与离子键化合物； 第二类：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； 第三类：锆、铪、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶体； 第四类：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。 与化合物的反应： ◇HF和氟化物 氟化氢气体在加热时与钛发生反应生成TiF4，反应式为（1）；不含水的氟化氢液体可在钛表面上生成一层致密的四氟化钛膜，可防止HF浸入钛的内部。氢氟酸是钛的最强熔剂。即使是浓度为1%的氢氟酸，也能与钛发生激烈反应，见式（2）；无水的氟化物及其水溶液在低温下不与钛发生反应，仅在高温下熔融的氟化物与钛发生显著反应。 Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.0千卡（1）2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2 （2） ◇HCl和氯化物 氯化氢气体能腐蚀金属钛，干燥的氯化氢在>300℃时与钛反应生成TiCl4，见式(3);浓度<5%的盐酸在室温下不与钛反应，20%的盐酸在常温下与钛发生瓜在生成紫色的TiCl3，见式(4);当温度长高时，即使稀盐酸也会腐蚀钛。各种无水的氯化物，如镁、锰、铁、镍、铜、锌、汞、锡、钙、钠、钡和NH4离子及其水溶液，都不与钛发生反应，钛在这些氯化物中具有很好的稳定性。 Ti＋4HCl＝TiCl4＋2H2＋94.75千卡(3)2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2 (4) ◇硫酸和硫化氢 钛与<5%的稀硫酸反应后在钛表面上生成保护性氧化膜，可保护钛不被稀酸继续腐蚀。但>5%的硫酸与钛有明显的反应，在常温下，约40%的硫酸对钛的腐蚀速度最快，当浓度大于40%，达到60%时腐蚀速度反而变慢，80%又达到最快。加热的稀酸或50%的浓硫酸可与钛反应生成硫酸钛，见式（5）,（6），加热的浓硫酸可被钛还原，生成SO2，见式（7）。常温下钛与硫化氢反应，在其表面生成一层保护膜，可阻止硫化氢与钛的进一步反应。但在高温下，硫化氢与钛反应析出氢，见式（8），粉末钛在600℃开始与硫化氢反应生成钛的硫化物，在900℃时反应产物主要为TiS，1200℃时为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钛对硝酸具有很好的稳定性，这是由于硝酸能快速在钛表面生成一层牢固的氧化膜，但是表面粗糙，特别是海绵钛或粉末钛，可与次、热稀硝酸发生反应，见式（9）、（10），高于70℃的浓硝酸也可与钛发生反应，见式（11）；常温下，钛不与王水反应。温度高时，钛可与王水反应生成TiCl2。
2020高中化学竞赛实验讲义设计-无机实验-第一过渡系元素(一)(钛、钒、铬、锰)
第一过渡系元素（一）（钛、钒、铬、锰） 一、钛的化合物的重要性质 1、二氧化钛的性质和过氧钛酸根的生成 （1）、纯TiO 2为白色粉末，不溶于水或稀酸，但能溶于热的浓硫酸中: 桔黄色 硫酸氧钛或硫酸钛酰浓显桔黄色的加冷却静置摇动试管并加热近沸加几滴沸石 浓粉末米粒大小])([)(%3?2)(2222222442222422++=++?+→O H TiO O H TiO O H TiOSO SO H TiO O H SO H ml TiO TiO 2 + H 2SO 4（浓，热）= TiOSO 4 + H 2O (溶液中可以析出TiOSO 4 ?H 2O 的结晶) 【学生做的现象始终是不溶解, 白色浑浊液体？看后面的解释！】 在中等酸度的钛（IV ）盐溶液中加入H 2O 2，可生成较稳定的桔黄色[TiO(H 2O 2)]2+： TiO 2+ + H 2O 2 = [TiO(H 2O 2)]2+ 利用此反应可进行Ti 的定性检验和比色分析。 （2）、TiO 2与40%的强碱NaOH 共熔生成偏钛酸盐【TiO 2具有两性，但以碱性为主】 TiO 2+2NaOH=NaTiO 3+H 2O （共熔，生产无色的偏钛酸钠！） 取上层清液，加浓H 2SO 4和H 2O 2来检验二氧化钛是否溶解！ NaTiO 3+ H 2SO 4= TiOSO 4 再加H 2O 2又生成桔黄色。 TiO 2也能溶于熔融下碱中：O H TiO Na NaOH TiO 2322)(2+=+熔融，但在40%的NaOH 溶液中加热不溶 【补充解释】TiO 2溶于浓硫酸所得的溶液虽然是酸性的，但加热煮沸发生水解，得到不溶于酸、碱的水合二氧化钛沉淀，一般称为偏钛酸，即β型钛酸。分子式也常写成H 2TiO 3。 TiOSO 4 + 2H 2O == TiO 2·H 2O (或写成H 2TiO 3) + H 2SO 4 若加碱中和水解新制备的TiOSO 4的酸性溶液，得到新鲜水合二氧化钛，即α型钛酸，或称为正钛酸。其反应活性比β型钛酸大，既能溶于酸也能溶于浓碱而具有两性。溶于浓NaOH 后，从溶液中可以结晶出化学式为Na 2TiO 3.nH 2O 和Na 2Ti 2O 5.nH 2O 的水合钛酸盐。 TiOSO 4 + nH 2O + 2NaOH == TiO 2.nH 2O + Na 2SO 4 + H 2O 3TiO 2.nH 2O + 4NaOH == Na 2TiO 3.nH 2O + Na 2Ti 2O 5 + nH 2O TiO 2：既不溶于水，也不溶于稀酸和稀碱，但能溶于氢氟酸和浓H 2SO 4中： TiO 2＋6HF=H 2[TiF 6]＋H 2O TiO 2＋H 2SO 4=TiOSO 4（硫酸氧钛，TiO 2+钛氧离子） 当加热煮沸溶有TiO 2 的浓H 2SO 4溶液： TiOSO 4＋(x+1)H 2O TiO 2·xH 2O(β—钛酸)＋H 2SO 4
钛和钛合金的物理化学性质
钛和钛合金的物理化学性质 1.钛和钛合金的物理性质 金属钛具有两种同素异构体，温度低于882.5℃时的稳定态晶体α，为密排六方结构，在882.5℃以上的稳定态晶体β，为体心立方结构。α-Ti在20℃的密度为4.51g/cm3，与氧形成间隙固溶体时，晶格发生明显的畸变，其密度也随之增大。β-Ti在900℃时的密度约4.32g/cm3，在熔化温度时为4.19g/cm3。在25℃时，纯钛的比热容约为0.011J/（g·K），它随温度的升高而增加。 钛的熔点是1668℃。由于熔融钛几乎可与一切耐火材料发生反应，因此测量其熔化潜热较为困难，现已测得的熔化潜热范围是15.5～20.9kJ/mol。钛的沸点是（3260±20）℃，汽化潜热为428.5～ 470.3kJ/mol。 钛的导热性较差，其热导率比不锈钢略低。钛单晶的线膨胀系数是各向异性的，在0℃时a轴方向为7.34×10-6/℃，c轴方向为8.9×10-6/℃；在20～300℃时，α-Ti多晶体的平均线膨胀系数为8.2× 10-6/℃。钛和钛合金的线膨胀系数与光学玻璃的线膨胀系数相近，是人造卫星相机镜头框架和其他光学仪器框架的理想结构材料。 2.钛和钛合金的化学性质
钛的原子结构决定了钛是一种化学性质活泼的金属，能与多种元素发生化学反应，特别是空气中的O、N、H及C等，此外还与卤素、P和S以及各种常用的耐火材料等发生化学反应。 （1）与O的反应 致密的钛在常温的空气中是很稳定的，当它受热时便开始与O发生反应。钛与O反应初期，O进入钛表面晶格中，形成一层致密的氧化膜，它可防止O再向内部扩散，所以钛在500℃以下是稳定的。随着受热温度的提高氧化膜逐渐增厚，氧化物的厚度和颜色也不同。 温度继续升高，金属钛表面生成的氧化膜开始溶解，O向钛的内部晶格扩散。钛被氧化的速度取决于O向钛内部扩散的速度。当温度高于700℃时，O向钛内部的扩散加速。温度继续升高时，开始生成较大厚度的灰色氧化膜，这些氧化膜不致密，呈多孔状且易破碎，完全失去了作用。温度进一步升高，加热的时间足够长时，则生成容易剥落的淡黄色多孔鳞片状氧化物层。当温度达到1200～1300℃时，钛开始与空气中的氧发生剧烈的放热反应。在纯氧中，钛与O发生激烈反应的起始温度比在空气中低，500～600℃时钛便在氧气中燃烧。 钛与O发生反应，可生成钛的各种氧化物，如Ti3O2、Ti2O2、TiO、Ti3 O5、TiO2等。钛中加入合金元素，对其氧化性能有一定的影响，如Mo、W和Sn的加入可降低钛的氧化速度，而Zr的加入则会提高氧化速度。（2）与N的反应
高中化学竞赛-过渡元素1-钛,钒,铬,锰
高中化学奥林匹克竞赛辅导 过渡元素（一） -钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn) 一、过渡元素简介 过渡元素是指周期表中第Ⅰ B、Ⅰ B族元素和第Ⅰ B～Ⅰ族元素，共10个直列。Ⅰ B族的钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)和其他镧系元素在性质上非常相似，常将它们总称为稀土元素。Ⅰ B族元素的性质将在后面镧系元素和锕系元素的学习中进行介绍。第Ⅰ族一族元素有3个直列，元素性 质表现出很多的规律性，Ⅰ族元素将在过渡元素(二)中学习。本章学习第Ⅰ B～Ⅰ B族元素，重点掌握钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)、钨(W)等元素及化合物的性质。 二、钛族元素 Ⅰ B族元素有钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)等，价电子构型为(n-1)d2n s2，最高氧化态为+4。天然存在的钛化合物都具有+4氧化态，钛还有+2和+3氧化态化合物，但不稳定，易被氧化成+4氧化态。锆(Zr)和铪(Hf)几乎在所有化合物中都为+4氧化态，它们的低氧化态化合物只在固态时比较稳定，在水溶液中不能存在。由于镧系收缩，几乎抵消了同族元素由上往下周期数增加的影响，造成了Zr、Hf以及Ⅰ B族的Nb、Ta、Ⅰ B族的Mo、W的原子半径和离子半径相似，所以这三对元素的化学性质非常相似。 过渡元素的原子半径 1.钛单质 单质钛的化学性质较活泼，但因金属表面易生成致密的氧化膜，因而钛在常温下不与O2、Cl2、盐酸等反应，但在加热条件下反应生成相应的化合物：
Ti+O2TiO2，Ti+2Cl2TiCl4 3Ti+2N2Ti3N4，2Ti+6HCl2TiCl3+3H2↑ 3Ti+4HNO3+H2O3H2TiO3+4NO↑，Ti+6HF H2TiF6+2H2↑ 2.TiCl3 TiCl3为紫色粉末状，可通过将TiCl4蒸气与过量的H2在灼热的管中还原制得，也可以用Ti与TiCl4反应制得。 2TiCl4(g)+H2=2TiCl3+2HCl，3TiCl4+Ti=4TiCl3 TiCl3的水溶液中，Ti3+的存在形式为[Ti(H2O)6]3+，TiCl3的水溶液有如下平衡： [Ti(H2O)6]Cl3(紫色)[Ti(H2O)5(OH)]Cl2(绿色)+HCl。在敞口容器中，盐酸易挥发，导致水解平衡右移，使[Ti(H2O)6]Cl3逐渐褪色。为避免其水解，可在溶液中加入少量不具有挥发性的稀硫酸。 Ti3+易被氧化，具有一定的还原性，氧化产物为TiO2+。 4TiCl3+O2+2H2O=4TiOCl2+4HCl Ti3++Cu2++Cl-+H2O=TiO2++CuCl↓+2H+ 3Ti(OH)3(紫色)+7HNO3=3TiO(NO3)2+NO↑+8H2O TiCl3在450Ⅰ时可发生歧化：2TiCl3(s)TiCl2(s)+TiCl4(g)。 3.TiO2 TiO2可作高级白色颜料，称为钛白(TiO2)。钛白的折射率高，附着力强、遮盖力大、化学性能稳定，是锌白(ZnO)、铅白[2PbCO3·Pb(OH)2]和立德粉(ZnS和BaSO4)等白色颜料所不能比拟的，常用作造纸、油漆、塑料、橡胶和陶瓷等的添加剂。 TiO2+H2SO4(浓)=TiOSO4+H2O TiO2+2NaOH(浓)=Na2TiO3+H2O TiO2+BaCO3=BaTiO3+CO2↑ BaTiO3介电常数大，用于制造电容器TiO2易溶于氢氟酸：TiO2+6HF=2H++TiF62-+2H2O(Ti4+易与F-形成TiF62-)。 4.TiCl4 常温下，TiCl4是易挥发的无色液体，其蒸气遇潮湿空气冒白烟，可用于气相反应的跟踪和制造烟幕弹：TiCl4+2H2O=TiO2↓+4HCl↑。 +4氧化态的钛在溶液中多以TiO2+形式存在，向含TiO2+的溶液中加入H2O2，呈现特征的颜色。在强酸性溶液中显红色，在稀酸或中性溶液中显橙黄色。利用这一灵敏的显色反应可以进行钛或过氧化氢的比色分析。 TiO2++H2O2=Ti(O2)2+(红色)+H2O 三、钒族元素 Ⅰ B族元素有钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)等，价电子构型为(n-1)d3n s2，最高氧化态为+5，其他氧化态还有+4、+3、+2，在某些配合物中还可以呈显低氧化态+1、0、-1，如V(CO)6、V(CO)6-等。 钒族元素单质是强还原剂，但在室温下它们的活泼性较低，这是由于它们容易钝化的缘故。在氧化剂存在下，它们熔于熔融的碱：4M+5O2+12KOH4K3[MO4]+6H2O(M=V、Nb、Ta)。 钒族元素单质可溶于HF和HNO3的混合酸中：3Ta+5HNO3+21HF=3H2[TaF7]+5NO↑+10H2O。 钒在酸性介质中不同氧化态之间的电极电势(V)与颜色如下：
海绵钛理化性质表(MSDS)
海绵钛理化性质表 标识中文名：海绵钛粒；钛粒 危险货物编号： 41505 英文名：Titanium sponge；UN编号：2878 分子式：Ti 分子量：47.9 CAS号： 理化性质外观与性状深灰色或黑色发亮的无定形固体。 熔点（℃）1720 相对密度(水 =1) 4.5 爆炸下限% （v%） 40mg/m3沸点（℃）3530 引燃温度（℃）460 溶解性不溶于水，溶于氢氟酸、硝酸、浓硫酸。 毒性及健康危害侵入途径吸入、食入、经皮 健康危害 金属钛粉尘具有爆炸性，遇热、明火或发生化学反应会燃烧爆炸。其 粉体化学活性很高，在空气中能自燃。金属钛不仅能在空气中燃烧， 也能在二氧化碳或氮气中燃烧。高温时易与卤素、氧、硫、氮化合。 燃烧爆炸危险性 燃烧性易燃燃烧分解物、 危险特性金属钛粉尘具有爆炸性，遇热、明火或发生化学反应会燃烧爆炸。 建规火险分 级 甲稳定性不稳定聚合危害不聚合禁忌物氧、卤素、酸、强氧化剂。 灭火方法 尽可能将容器从火场移至空旷处。 灭火剂：干粉、砂土。严禁用水、泡沫、二氧化碳扑救。 急救措施①皮肤接触：立即脱去污染的衣着，用大量流动清水冲洗至少15分钟。就医。②眼睛接触：立即提起眼睑，用大量流动清水或生理盐水彻底冲洗至少15分钟。就医。 ③吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸。就医。④食入：用水漱口，给饮牛奶或蛋清。就医。 泄漏处置迅速撤离泄漏污染区人员至安全区，并进行隔离，严格限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿防毒服。不要直接接触泄漏物。尽可能切断泄漏源。防止流入下水道、排洪沟等限制性空间。小量泄漏：用砂土或其它不燃材料吸附或吸收。大量泄漏：构筑围堤或挖坑收容。用防爆泵转移至槽车或专用收集器内，回收或运至废物处理场所处置。 储运注意事项①储存注意事项：储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不宜超过30℃。保持容器密封。应与氧化剂、酸类等分开存放，切忌混储。不宜大量储存或久存。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有泄漏应急处理设备和合适的收容材料。 ②运输注意事项：铁路运输时应严格按照铁道部《危险货物运输规则》中的危险货物配装表进行配装。运输时运输车辆应配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。夏季最好早晚运输。运输时所用的槽（罐）车应有接地链，槽内可设孔隔板以减少震荡产生静电。严禁与氧化剂、酸类、食用化学品等混装混运。运输途中应防曝晒、雨淋，防高温。中途停留时应远离火种、热源、高温区。装运该物品的车辆排气管必须配备阻火装置，禁止使用易产生火花的机械设备和工具装卸。公路运输时要按规定路线行驶，勿在居民区和人口稠密区停留。铁路运输时要禁止溜放。严禁用木船、水泥船散装运输。
钛的腐蚀(参考复制组合版)
钛的腐蚀 钛的介绍 金属钛是一种很有潜力的金属，由于它特有的性质和特点，因此，在未来的国民经济发展中将起着不可替代的作用。 地球表面十公里厚的地层中，含钛达千分之六，比铜多61倍，在地壳中的含量排第十位（地壳中元素排行：氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、钛）。随便从地下抓起一把泥土，其中都含有千分之几的钛，世界上储量超过一千万吨的钛矿并不稀罕。钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积的钢铁的一半，钛虽然稍稍比铝重一点，它的硬度却比铝大2倍。钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为0.38-0.4K。钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达70-80%，但强度低，不宜作结构材料。钛中杂质的存在，对其机械性能影响极大，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。现在，在宇宙火箭和导弹中，就大量用钛代替钢铁。据统计，目前世界上每年用于宇宙航行的钛，已达一千吨以上。极细的钛粉，还是火箭的好燃料，所以钛被誉为宇宙金属，空间金属。 但是钛很活泼，加热时能与O2、N2、H2、S和卤素等非金属作用。液态钛几乎能溶解所有的金属，因此可以和多种金属形成合金。钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹性。钛与金属Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金属间化合物。因此，钛的最大缺点是难于提炼，要提炼出纯钛需要十分苛刻的条件，由于钛在高温下化合能力极强，因此，不论在冶炼或者铸造的时候，人们都小心地防止这些元素“侵袭”钛。在冶炼钛的时候，空气与水当然是严格禁止接近的，甚至连冶金上常用的氧化铝坩埚也禁止使用，因为钛会从氧化铝里夺取氧。现在，人们利用镁与四氯化钛在惰性气体——氦气或氩气中相作用，来提炼钛。这样，制备出纯钛的成本将会很高。 因此，综合考虑，钛主要用于对称本要求不高的场合。例如，航天、航空、
钛及钛合金论文
钛及钛合金 摘要：先进材料钛及钛合金的应用与前沿技术的发展一直是当前材料领域的热点研究课题之一。钛、钛合金及钛化合物的优良性能促使人类迫切需要它们。然而，生产成本之高，使应用受到限制。我们相信在不久的将来，随着钛的冶炼技术不断改进和提高，钛、钛合金及钛的化合物的应用将会得到更大的发展。本文介绍了钛合金的发展现状、特性、铸造工艺性能及其热处理，阐述了钛合金的生产技术及其应用，分析其优势与局限性，并展望发展趋势。 关键字：金属钛，钛合金; 发展状况;分布，性质; 铸造加工性能; 热处理;生产技术，应用; 研究前景 钛和钛合金的发展过程：钛是英国化学家格雷戈尔（Gregor R W ，1762—1817。）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(Klaproth M H ，1743—1817。）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（1789年由克拉普罗特发现的）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。 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(Hunter M A）第一次制得纯度达99.9%的金属钛。 由于钛在液化状态时化学活性非常高, 钛与气体和所有制模成形用的难熔材料都有很高的活性, 因此, 钛合金铸造成形工业化的生产晚于变形钛合金和变形工艺。自海绵钛工业化以来, 钛在工业上的广泛应用推动了钛工业的迅速发展, 钛的生产能力正在逐年提升, 并将陆续超过铅、锌、铜成为名副其实的第三金属。目前, 由于国际紧张局势的缓和和军备缩减, 使军用飞机的钛需求量减少, 但民用客机今后可望继续增长。要使钛业得以生存, 普遍认为还是要扩大飞机以外的一般用途。近十几年来, 随着钛工业的发展,钛及钛合金已由军用逐渐转向民用, 由航空工业逐渐转向一般工业。 金属钛的地理分布：世界钛矿资源总体状况：截至1995年底，世界金红石（包括锐钛矿）储量和储量基
九年级化学下册第八单元金属合金金属资源知识点归纳总结人教新课标版
第八单元金属合金金属资源 课题一金属材料 学习要求： 了解金属的物理特性，能区别金属与非金属；认识金属材料在生产、生活和社会发展中的重要作用 了解常见金属的特性及其应用，知道合金的特性及应用，知道生铁和钢等金属的重要合金。 一、金属材料（知识点一） 纯金属（90多种） 合金（几千种） 2、金属的物理性质： （1）大多数金属为银白色（铜为紫红色，金为黄色），具有金属光泽，不透明的固体（汞为液态），（2）大多数金属有良好的导热性、导电性， （3）大多数金属有良好的延展性。 二、合金（知识点二）：由一种金属跟其他一种或几种金属（或金属与非金属）一起熔合而成的具有金属特性的物质。(注意：合金一定是混合物) ★：一般说来， 1、合金的熔点比各成分低， 2、硬度比各成分大， 3、抗腐蚀性能更好 合金铁的合金铜合金 焊锡 钛和钛合 金 形状记忆 金属 生铁钢黄铜青铜: 成分含碳量 2%~4.3% 含碳量 0.03%~2% 铜锌 合金 铜锡 合金 铅锡 合金 钛镍合金 备注不锈钢：含铬、镍的 钢 具有抗腐蚀性能 紫铜为纯铜熔点低 注：钛和钛合金：被认为是21世纪的重要金属材料，钛合金与人体有很好的“相容性”，因此可用来制造人造骨等。 （1）熔点高、密度小 优点（2）可塑性好、易于加工、机械性能好 （3）抗腐蚀性能好 课题二、金属的化学性质 学习要求 知道常见金属与氧气及常见酸的反应 初步认识置换反应，并能解析常见的化学反应 能用金属活动顺序对有关置换反应作简单的判断，并能解析常见的化学反应 1、金属材料
知识点一、金属的化学性质 1、大多数金属可与氧气的反应 2Mg +O 2点燃 2MgO 2Mg +O 2 == 2MgO 注：MgO ：白色固体 4Al +3O 2 点燃 2Al 2O 3 4Al +3O 2 == 2Al 2O 3 注：Al 2O 3：白色固体 3Fe +2 O 2 点燃 Fe 3O 4 2Cu + O 2 △ 2CuO 注：CuO ：黑色固体 注意：①、虽然铝在常温下能与氧气反应，但是在铝表面生成了一层致密的氧化铝薄膜，从而阻止了反应的进行，所以铝在常温下不会锈蚀。 ②、“真金不怕火炼”说明金即使在高温时也不能与氧气反应，金的化学性质极不活泼。 2、金属 + 酸 → 盐 + H 2↑ 置换反应（条件：活动性：金属＞H ） H 2SO 4 + Mg ＝ MgSO 4 + H 2↑ 2HCl + Mg ＝ MgCl 2+ H 2↑ 现象：反应剧烈，有大量气泡产生，液体仍为无色 3H 2SO 4 + 2Al ＝ Al 2(SO 4)3 + 3H 2↑ 6HCl + 2Al ＝ 2AlCl 3+ 3H 2↑ 现象：反应剧烈，有大量气泡产生，液体仍为无色 H 2SO 4 +Zn ＝ ZnSO 4 + H 2↑ 2HCl +Zn ＝ ZnCl 2 + H 2↑ 现象：反应比较剧烈，有大量气泡产生，液体仍为无色 H 2SO 4 + Fe ＝ FeSO 4 + H 2↑ 2HCl + Fe ＝ FeCl 2+ H 2↑ 现象：反应比较缓慢，有气泡产生，液体由无色变为浅绿色 当一定质量的金属与足量的稀盐酸（或硫酸）反应时，产生的氢气质量与金属质量的关系： 一价金属相对原子质量法： M(H 2) = 3、金属 + 盐 → 另一金属 + 另一盐 置换反应（条件：参加反应的金属＞化合物中金属元素） Fe + CuSO 4 == Cu + FeSO 4 (“湿法冶金”原理) 现象：铁钉表面有红色物质出现，液体由蓝色变为浅绿色 2Al + 3CuSO 4 == Al 2(SO 4)3 + 3Cu 现象：铝丝表面有红色物质出现，液体由蓝色变为无色 Cu + 2AgNO 3 == Cu(NO 3)2 + 2Ag 现象：铜丝表面有银白色物质出现，液体由无色变为蓝色。 注意：①CuSO 4溶液：蓝色 FeSO 4 、FeCl 2溶液：浅绿色 ②Fe 在参加置换反应时，生成+2价的亚铁盐。 知识点二、置换反应 ×M(金属) 生成物中金属元素的化合价 金属的相对原子质量
各种氧化钛的性质及其化学反应详细版
各种氧化钛的性质及其化学反应 1. 一氧化钛 TiO在Ti—O系中形成固溶体，它在TiO0.8-TiO1.22组成范围内稳定。 A.物理性质 TiO是一种具有金属光泽的金黄色物质，存在两种变体(a, 0),转化温度为991c±5℃, 转化热为53.4 J/g。小于991℃时稳定态a—TiO是面心立方晶系，晶格常数a=0.417 nm±0. 0005 nm；大于991℃时稳定态0—TiO也是面心立方晶系，晶格常数a=0.4162 nm±0. 018 nm。0℃时密度为4.93g/cm3, 25℃时为4.88g/cm3。莫氏硬度为6,熔点为1760℃,液体蒸气压计算式为： lg( p/Pa) =1387-3.91x106T -1+7.75x10-2 T(1) 沸点为3227℃, 20℃时电导率为0.2493/m.电导率随温度的升高而减小，这是具有金属性质的一种特征，20℃时磁化率为1.38x10-6。 B.化学性质 TiO中Ti的氧化态为+ 2,处于Ti的低价氧化态，很容易被氧化，是一种强还原剂，与卤素作用生成卤化钛或卤氧化钛，如： 2TiO+4F2 = 2TiF4+O2 TiO + Cl2=TiOCl2 在空气中加热至400℃时，TiO开始逐渐被氧化，达到800℃时则氧化为TiO2： 2TiO+O2 = 2TiO2 TiO是一种碱性氧化物，能溶于稀盐酸和稀硫酸中，并放出氢气： 2TiO + 6HCl = 2TiC13+2H2O + H2 2TiO+3H2sO4=Ti2(SO4)3+ 2H2O + H2 反应的实质不只是一般的酸碱中和，还包含着氧化还原反应，反应过程中生成的Ti2+ 像活泼金属那样置换出这些酸中的氢。由此可见，Ti2+在水溶液中极不稳定。 上述反应说明TiO具有金属性质，可在酸性溶液中离解出金属阳离子，上述两反应式可简化为离子式：2TiO +6H+ = 2Ti3+ + 2H2O + H2。在沸腾的硝酸中TiO被氧化： TiO + 2HNO3=TiO2+ 2NO2+ H2O C制取方法 TiO可由各种还原剂还原TiO2制取，如用镁还原时反应如下： 2TiO2+ Mg 150°℃，氢气氛> TiO + MgTiO3 也可用氢气、金属钛和碳等还原剂还原TiO2制取TiO,反应分别按下式进行： TiO2+ H2=TiO + H2O (2000℃, 13 〜15MPa) TiO2+Ti=2TiO (高温) TiO2+C=TiO+CO (高温) 在CaCl2或氟化物熔盐中电解TiO2时，也可在阴极上析出TiO。
各种钛的卤素化合物与钛酸盐化合物的性质及其化学反应(详细版)
各种钛的卤素化合物与钛酸盐化合物的性 质及其化学反应 1 四溴化钛 在高温下用溴蒸气与碳化钛或（TiO 2＋C ）反应可生成： TiC ＋2Br 2＝TiBr 4＋C TiO 2＋2C ＋2Br 2＝TiBr 4＋2CO HBr 与沸腾的TiCl 4反应也可生成TiBr 4。TiBr 4存在两种变体，低于－15℃时稳定态为α型，属于单斜晶系；高于－15℃时稳定态为β型，属于立方晶系。它的熔点为38.25℃，沸点为232.6℃。25℃时固体密度为3.37g/cm 3，40℃时液体密度为2.95g/cm 3，40℃时液体黏 度为1.195×10－3Pa ·s 。 TiBr 4是吸湿性较强的黄色结晶，其化学性质与TiCl 4相似。TiBr 4在高温下可被氢还原为低价溴化钛和金属钛： 2TiBr 4＋H 2−− −→−℃700~6002TiBr 3＋2HBr TiBr 4＋H 2−− −→−℃ 900~800TiBr 2＋2HBr TiBr 4＋2H 2−− −−−−→−℃，过量氢0041~1200Ti ＋4HBr 在800℃时可与O 2反应生成TiO 2：TiBr 4＋O 2＝TiO 2＋2Br 2 。TiBr 4可与F 2、Cl 2发生取代反应：TiBr 4＋2Cl 2＝TiCl 4＋2Br 2 。 2 二（三）溴化钛 TiBr 2是黑色粉末，25℃时密度为4.31g/cm 3，熔点为950℃，沸点为1200℃，加热至500℃时便开始缓慢地发生歧化。TiBr 3是紫红色物质，25℃时密度为3.94g/cm 3，熔点高于1260℃，600℃时的蒸汽压为13Pa ，隔绝空气加热至400℃时则发生歧化。 3 四氟化钛 以氟或氟化氢与钛及其化合物反应可制取TiF 4，如： TiO 2＋2F 2＝TiF 4＋O 2，TiC ＋4F 2＝TiF 4＋CF 4，TiCl 4＋4HF ＝TiF 4＋4HCl TiF 4是白色粉末，为强烈挥发性物质，10℃时密度为2.84g/cm 3，20℃时为2.80g/cm 3。它不经熔化便直接升华，在284℃时其蒸气压已达0.1MPa 。TiF 4加热至红热温度可被碱金属、碱土金属、铝、铁等还原为金属钛，例如：TiF 4＋Na ＝Ti ＋NaF 4。TiF 4不与氮、碳、氢、氧、硫及卤素发生反应。 TiF 4是强的吸湿性物质，它溶于水时放出大量的热，蒸发其水溶液可析出结晶水化物TiF 4·2H 2O 。TiF 4具有酸性，在KF 溶液中，即在TiF 4－KF －H 2O 系中生成配合离子，并可在
钛化合物性质全解
1钛 钛及钛合金具有一系列特点.如它的密度小、比强度高、耐热性能好、耐低温的性能也好，它具有优良的抗蚀性能，并且它的导热性能差、无磁、弹性模量低，但是它具有很高的化学活性。 A •钛原子结构和在周期表中的位置 a. 钛原予结构 钛的原子序数是22,原子核由22个质子和20〜32个中子组成。原子核半径为5X10 13cm。原子核外22个电子结构排列为1s22s22p63s23p63d24s2。原子失去电子的能力用电离能来衡量。钛原子的电离能见表2—1。 由表2 —1可见，钛原于的4s电子和3d电子的电离势较小，都小于8X10—18j,因此容 易失去这4个电子。3p电子的电离势都在16.06 X10—18J以上，是根难失去的。所以，钛原子的价电子是4s23d2，钛的最高氧化态通常是正四价。钛原子半径和离子半径见表 2 —2。 已发现钛有13种同位素，其中稳定同位素5个，其余8个为不稳定的微量同位素。钛 的同位素及其性质列于表 2 —3。
b. 钛在周期表中的位置 钛是元素周期表中第四周期的副族元素，即IV B族（又称为钛副族）元素。这族元素除钛（22门）外，还有锆（40Zr），铪（72Hf ）和人工合成元素104KU。钛、锆、铪原子的外层电子结构分别为：Ti[Ar]3d 24s2, Zr[Kr]4d 25s2, Hf[Xe]5d 26s2。由此可见，钛族元素的原子具有相似的外电子构型，即价电子都是d2s2,因而钛、锆和铪的原子半径相近，它们的许多性质也 相似，彼此可以形成无限固溶体。不过，钛、锆、铪及它们的化合物在性质上也有差异。例如，TiO2是两性氧化物，而ZrO2、HfO2为碱性氧化物；TiCI 4是弱酸性化合物，而ZrCI4、HfCl 4则为两性化合物。 IV A族，即碳族元素的原子也和IV B族具有相似的外电子构型，不过其价电子不是d2s2, 而是s2p2。钛族与碳族是同周期元素，它们具有共性，即通常都表现最高氧化态为正四价。碳族元素的金属性质随着原子序数的增加而递增，原子序数最小的碳（C）是非金属元素， 原子序数最大的铅（Pb）是金属元素。但是，钛族元素都具有金属性质，这是与碳族元素的基本区别。 钛与其相邻的III B族（d1s2）> V B族（d3s2）元素的原子最外层电子数相同，不同的是次外层电子数。因为对元素的化学性质发生主要影响的是最外层电子，次外层电子的影响就小 得多。所以，钛与III B族元素（钪、钇）和V B族元素（钒、铌、钽）在性质上也很相近，钛可与这些元素形成无限固溶体。在自然界存在的铁矿物中，经常伴生有这些元素。 B .钛的物理性质、热力学性质和力学性质 a.物理性质 ①•晶体结构 金属钛具有两种同素异形态.低温（<882.5 C）稳定态为a型，密排六方晶系；高温稳 定态为B型，体心立方晶系。 aTi 的晶格参数，25 C时为：a= （0.29503 血0004） nm, c= （0.46832 血0004） nm, c/a =1.5873 ±）.00004。由于aTi的c/a比值小于理想球形轴比 1.633，所以钛是可锻性金属。a—Ti中存在的杂质对其晶格构造有很大影响，微量氧、氮的存在会使晶格沿C轴方向增长， 引起c值得增加，而a值实际上几乎不发生变化。 BTi 的晶格参数，900 C 时a= （0.33065 （±00001）nm。 ②•相变性质 钛的两种同素异形态转化（a—Ti? 3^Ti）温度为882.5 C，由aTi转化为3—Ti时，其 体积增加为5.5%。氧、氮、碳是a—Ti的稳定剂，在钛中存在氧、氮、碳杂质则会使相变 （a —Ti ~3T—温度升高，从而可根据转化温度的变化来判断钛中杂质含量的多少。 钛的晶型转化潜热为 4.14kJ/mol。 钛的熔点为1668±4C。由于熔融钛几乎可与一切耐火材料发生作用，因此测量其熔点潜热较为闲难。已测得钛的熔化潜热范围是15.46〜20.9kJ/moI。熔点时液钛的表面张力为 -5 2 1.588N/m , 1730C时液钛的动力黏度为8.9 >10 m/s。 钛的沸点为3260+20 C，汽化潜热为428.5〜470.3kJ/moI。 钛的临界温度约为4350 C,临界压力为113MPa。 ③.密度和线膨胀系数 aT i的密度在20C时为4.506〜4.516g/cm'。因为钛与氧形成间隙固溶体时，其晶格发 生明显的畸变，所以当钛中含有氧时，其密度随之增加。 aT i单晶的线膨胀系数是各向异性的，在0C时a轴方向为7.34 10-6/C, c轴方向为