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    钛的性质

    发布时间:2018-05-17  浏览:759次  字号:  

     原子结构 

    钛位于元素周期表中ⅣB族,原子序数为22,原子核由22个质子和20-32个中子组成,核外电子结构排列为1S22S22P63S23D24S2。原子核半径5x10-13厘米。


    物理性质 
    钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米(20℃),熔点1668±4℃,熔化潜热3.7-5.0千卡/克原子,沸点3260±20℃,汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子,临界温度4350℃,临界压力1130大气压。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。在25℃时,钛的热容为0.126卡/克原子·度,热焓1149卡/克原子,熵为7.33卡/克原子·度,金属钛是顺磁性物质,导磁率为1.00004。 
    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。

    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

    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。 
    3Ti+4HNO3+4H2O=3H4TiO4+4NO (9)3Ti+4HNO3+H2O=3H2TiO3+4NO (10) 
    Ti+8HNO3=Ti(NO3)4+4NO2+4H2O (11)

      综上所述,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,但是,粉末钛在空气中可引起自燃。钛中杂质的存在,显著的影响钛的物理、化学性能、机械性能和耐腐蚀性能。特别是一些间隙杂质,它们可以使钛晶格发生畸变,而影响钛的的各种性能。常温下钛的化学活性很小,能与氢氟酸等少数几种物质发生反应,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在惰性气氛保护下操作。

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