钛
过渡金属
条目
历史版本
钛（英文：Titanium）是一种化学元素，元素符号为Ti，原子序数为22，位于第四周期的IVB族。钛属于过渡金属，在常温常压下是深灰色有金属光泽的固体，熔点为1668 ℃，沸点为3287 ℃，在20 ℃时密度为4.506 g/cm³，不溶于水，可溶于稀硫酸。干燥的钛粉在空气中易被火花、静电等点燃，发生剧烈燃烧或爆炸[1]。
纯净钛密度小，约为铁的一半，其拥有良好的韧性、耐热性、可塑性、抗腐蚀性和较高的机械强度。钛在常温或低温下的空气和水中都是十分稳定，因为其表面有一层致密氧化膜。钛在高温下是一种非常活泼的金属，能与HCl、H₂SO₄、HNO₃等酸类化合物反应，也能与非金属氧、氯、氢、碳等元素反应。较为特殊的是，钛可以在氮气中燃烧[3][4]。
钛在地壳中元素含量排第十名，虽含量较丰富，但是其分布极为分散而且冶炼难度大，所以钛被长期认为是一种稀有金属。钛可以通过金属热还原法、钙热还原法、电化学还原法等方法制备。钛及其钛合金广泛应用于航天航空、医学、化工、军事等领域[3][5]。
发现历史
1791年，英国牧师及矿物学家威廉·格雷戈尔（William Gregor）找到一种具有磁性的黑沙（即黑磁铁矿），并对该 黑磁矿进行分析，发现其中包括磁铁矿、氧化硅以及棕红色矿渣，由于受当时科技的限制，并未对棕红色矿渣进一步研究，但他很确信矿物中存在一种具有奇异性质的新金属元素，该金属元素即为钛[6]。1795年，德国化学家马丁·海因里希·克拉普罗斯（Martin Heinrich Klaproth）在研究匈牙利的金红石成分时，再次发现了格雷戈尔所述的棕红色矿渣，确信这是同一种金属元素的氧化物，并对这种元素命名为Titanium[7]。19世纪初，瑞典科学家永斯·雅各布·贝采利乌斯（Jöns Jacob Berzelius）首次制取出钛单质[8]。19世纪40年代，法国化学家查里·弗雷德里克·日拉尔（Charles Frederic Gerhardt）以氧原子量为16的基准，测定了钛的原子量为50。1869年，俄国化学家德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫（Mendelé Dmitri Ivanovich）发布了第一版元素周期表，其中包括了Ti元素[7]。格雷戈尔和马丁·海因里希·克拉普罗斯在矿物质中发现的均为粉末状Ti氧化物—TiO₂，首次冶金得到Ti单质的是美国化学家马修·亨特（Matthew A. Hunter）。1910年，马修·亨特在前人的方法上改进，将金属Na和TiCl₄一同放到耐高压的钢瓶中，加热至高温，一段时间后冷却并洗去NaCl，最终得到纯度高达99.9％Ti单质，这种方法被称为Hunter法[6][9]。1923年，英国化学家弗朗西斯·威廉·阿斯顿（Francis William Aston)利用光谱仪对钛原子质量测定时发现了⁴⁸Ti。1935年，阿斯顿发表的文章《The Isotopic Constitution and Atomic Weights of Hafnium, Thorium, Rhodium, Titanium, Zirconium, Calcium, Gallium, Silver, Carbon, Nickel, Cadmium, Iron and Indium》（译文：铪、、、钛、锆、钙、镓、银、碳、、镉、铁和的同位素组成和原子量）中宣布，发现了钛的同位素⁴⁶Ti、⁴⁷Ti、⁴⁹T、⁵ºTi[6]。1940年，卢森堡科学家威廉·贾斯汀·克劳尔（William Justin Kroll）利用金属Mg还原TiCl₄得到可锻炼的金属Ti，该方法称为Kroll法。1948年，美国开始利用Kroll技术冶炼金属Ti，年产率达2 t。随着科技的发展，冶钛工艺不断地取得新的突破，但现工业生产Ti仍多以Kroll法和改进后的Hunter法为主[6][9]。